Фізико-хімічні основи інтенсифікації процесу азотування титанових сплавів та конструювання зміцнених шарів з підвищеною зносо- та корозійною тривкістю

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Національна Академія наук України

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка

Спеціальність 05.02.01 - Матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Фізико-хімічні основи інтенсифікації процесу азотування титанових сплавів та конструювання зміцнених шарів з підвищеною зносо- та корозійною тривкістю

Погрелюк Ірина Миколаївна

Львів - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка Національної Академії наук України

Науковий консультант

доктор технічних наук, професор

Федірко Віктор Миколайович

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу високотемпературної міцності конструкційних матеріалів у газових і рідкометалевих середовищах, м. Львів

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України

Івасишин Орест Михайлович

Інститут металофізики НАН України

ім. Г.В. Курдюмова, заступник директора, м. Київ

доктор технічних наук, професор

Голубець Володимир Михайлович

Український державний лісотехнічний університет Міносвіти України, завідувач кафедри технології матеріалів, м. Львів

Захист дисертації відбудеться 12 вересня 2001 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України.

Автореферат розісланий 3 серпня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Никифорчин Г.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Титан та сплави на його основі займають одне із чільних місць в авіакосмічній техніці, суднобудуванні, машинобудуванні, медицині. Поряд з низкою позитивних якостей (висока питома міцність, корозійна тривкість, біологічна інертність) титану притаманні властивості, котрі обмежують його використання як конструкційного матеріалу. Зокрема, схильність до налипання, до поверхневого схоплювання з іншими металами обумовлюють найнижчу з поміж конструкційних матеріалів зносотривкість. Не завжди задовільною є і корозійна тривкість титану. В ряді агресивних середовищ, зокрема у водних розчинах мінеральних кислот, і титанові сплави потребують додаткового захисту.

Одним з методів підвищення зносо- і корозійної тривкості титанових сплавів є азотування. Значний вклад у розвиток цього методу поверхневого зміцнення внесли як вітчизняні, так і зарубіжні вчені: Левінський Ю.В., Лахтін Ю.М., Мінкевич А.Н., Пульцин М.Н., Самсонов Г.В., Шашков Д.П., Bars J.P., Debuigne J., Gulbransen E.A., Jaffee R.I., MsDonald N.R., Strafford K.N., Wasilewski R.J., Winterhager H. та багато інших.

Через велику міцність потрійного зв'язку в молекулі азоту (940 кДж/моль), що обумовлює його низьку хімічну активність, азотування взагалі, і титанових сплавів зокрема вимагає значних енергетичних затрат. Це обмежує його широке застосування в промисловості, незважаючи на ефективність. Азотування при високих температурах (950…1000 оС) негативно відображається на рівні механічних характеристик азотованих деталей, зокрема, пластичності, втомній довговічності. Підвищені вимоги до вказаних характеристик обумовлюють обмеження по температурі насичення, що не завжди забезпечує необхідний рівень приповерхневого зміцнення. В зв'язку з цим, важливою науково-технічною проблемою є інтенсифікація процесу азотування титанових сплавів, тобто розробка таких методів та технологічних прийомів, котрі б дозволили забезпечувати достатній рівень приповерхневого зміцнення (Нmп і 6…8 ГПа; l і 100 мкм) при температурах a - області.

Одним з напрямків вирішення цієї проблеми є розвиток методів фізико-хіміко-термічної обробки, де чинниками інтенсифікації виступають ті чи інші фізичні явища чи процеси (іонізація газу, фотоефект тощо). Дослідження у цьому напрямку пов'язані з іменами таких вчених, як Бодяко М.Н., Лавренко В.А., Михайлов І.А., Назаренко П.В., Францевич І.М., Шулов В.А., Bergmann H.W., Perry A.G., Saillard P., Rolinski E. та інші. Проте ці методи азотування (іонне та іонно-плазмове азотування, азотування із застосування світлопроменевих джерел енергії, азотування при індукційному та електроконтактному нагріваннях, електроультразвукове та електроіскрове азотування та інші) є або методами локального поверхневого зміцнення, або області застосування їх дуже вузькі. Тому, незважаючи на значні успіхи у розвитку високоенергетичних методів, проблема інтенсифікація процесу азотування титанових сплавів залишається актуальною.

Означену проблему в даній дисертаційній роботі вирішували в рамках хіміко-термічної обробки, оскільки потенційні можливості останньої далеко не повністю реалізовані, про що свідчать результати робіт Начінкова А.Д., Новікової О.М., Смірнова А.В. та інших по азотуванню титанових сплавів в азотовмісному середовищі із зниженим парціальним тиском азоту (суміш азоту з інертним газом, суміш азоту з аміаком, розріджений азот тощо).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у Фізико-механічному інституті імені Г.В. Карпенка НАН України в рамках проектів Міннауки України 07.02.02/029-92 “Розробка технологій підвищення працездатності і експлуатаційної надійності виробів з титанових сплавів для авіаційної та космічної техніки на основі принципово нових підходів до використання контрольованих газових середовищ при термічній та хіміко-термічній обробках” (№ держреєстрації: 0193U09966), 07.02.06/061-93 “Розробка технологій хіміко-термічної обробки титанових сплавів для насосів типу КТС і технологічного обладнання хімічної промисловості”; 05.02/001853 “Розробка методів підвищення експлуатаційних властивостей титанових сплавів з вітчизняної сировини та створення основ технологій термічної обробки стосовно виробів авіаційної техніки” (№ держреєстрації: 0197U019048), а також тем 2.25.3.4 “Розробка фізичної моделі взаємозв'язку інтенсивності процесів газової корозії з кристалографічною орієнтацією ґратки a- та b-титану” (№ держреєстрації 0193U029954); 2.25.3.2. “Розробка основ технології поверхневого зміцнення титанових сплавів в умовах циклічної зміни параметрів газового середовища” (№ держреєстрації: 0194U042484); 2.25.3.3 “Дослідження закономірностей та механізмів формування функціональних оксидних і нітридних шарів в нестаціонарних умовах” (№ держреєстрації: 0197U019049), де автор була відповідальним виконавцем.

Мета роботи. Розробити підходи до інтенсифікації процесу термодифузійного насичення титанових сплавів у молекулярному азоті та конструювання спектру структурно-фазових станів азотованих шарів з широким діапазоном поверхневого зміцнення та проаналізувати їх з точки зору функціональної придатності.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Оцінити ефективність використання температури як чинника інтенсифікації при азотуванні титанових сплавів, вивчити її вплив на структурні та фазові зміни в приповерхневих шарах титанових сплавів різних структурних класів, перерозподіл легувальних елементів, рівень механічних характеристик та обґрунтувати вибір титанових сплавів для ефективного азотування.

2. Вивчити вплив циклічної зміни температури на процеси взаємодії титанових сплавів з азотом і оцінити ефективність використання термоциклування для інтенсифікації процесу азотування титанових сплавів.

3. Встановити роль вихідної текстури деформації у формуванні азотованого шару титанових сплавів.

4. Встановити механізм формування нітридного шару на поверхні титанових сплавів в азоті, що містить кисень.

5. Розробити підходи до керованого формування оксинітридів заданого складу на поверхні титанових сплавів.

6. Встановити кореляційні залежності між структурно-фазовим станом приповерхневих шарів азотованих титанових сплавів і характеристиками зносо- та корозійної тривкості та розробити принципи інженерії поверхні титанових сплавів при азотуванні.

7. Оптимізувати схеми та режими хіміко-термічної обробки титанових сплавів в контрольованому азотовмісному середовищі для отримання азотованих шарів з підвищеною зносо- та корозійною тривкістю та розробити технологічні рекомендації по їх реалізації у виробництві.

Об'єкт дослідження - промислові титанові сплави з азотованими шарами. температура азотування сплав титановий

Предмет дослідження - вплив технологічних параметрів обробки на інтенсивність взаємодії титанових сплавів з азотом та вплив структурно-фазового стану приповерхневих шарів азотованих сплавів на експлуатаційні властивості.

Достовірність наукових положень та результатів базується на коректному використанні сучасних методів та методик досліджень, обробки результатів, плануванні експерименту, його відтворюваності, узгодженості з наявними порівняльними літературними даними.

Наукова новизна роботи.

1. Вперше показана можливість інженерії поверхні титанових сплавів при азотуванні, тобто конструювання спектру структурно-фазових станів приповерхневих шарів з широким діапазоном поверхневого зміцнення та проаналізовано їх з точки зору функціональної придатності.

2. Вперше оцінено ефективність термоциклування як чинника інтенсифікації при азотуванні титанових сплавів в залежності від температурного діапазону та параметрів термоциклічної обробки. Встановлено, що при термоциклуванні збільшується ступінь відхилення від стехіометрії поверхневого нітриду в бік дефіциту неметалевої складової. Із зміщенням температурного діапазону циклування в область нижчих температур відхилення від стехіометрії посилюється.

3. Вперше встановлено механізм формування нітридів на поверхні титанових сплавів в азоті, що містить кисень, який передбачає трансформацію фазового складу поверхневих шарів від оксиду титану TiOy через оксинітрид TiNxOy до нітриду TiN, що дозволило запропонувати підхід до інтенсифікації процесу азотування та керування фазовим складом приповерхневих шарів.

4. Встановлено механізми формування оксинітридів на поверхні титанових сплавів: за схемою Ti ® TiOy ® TiNxOy при формуванні твердих розчинів заміщення - втілення та за схемою TiNx ® TiNxOy, при формуванні твердих розчинів заміщення - віднімання. Визначено кореляційні залежності між параметром ґратки і поверхневою мікротвердістю модифікованого киснем мононітриду титану. Показано, що при модифікації киснем поверхневого нітриду процес інтенсифікується, коли склад сформованого нітриду є ближчим до нижньої границі області гомогенності, що відповідає температурному діапазону азотування 850...950 оС. Встановлено умови формування оксинітриду складу TiN0,6…0,7O0,3…0,4 з максимальною поверхневою мікротвердістю.

5. Встановлено, що вихідна кристалографічна текстура деформації титанових сплавів впливає на умови масообміну на межі газ - метал та швидкість дифузії азоту, що обумовлює формування зміцнених шарів з різними параметрами на зразках з різною вихідною текстурою деформації. Показано, що для зразків з базисною (0001)[1010] текстурою деформації швидкість зростання концентрації азоту в приповерхневих шарах титану більша, а глибина його проникнення в метал менша, внаслідок чого щільність зародків нітридних фаз на поверхні більша, а час до утворення суцільних нітридних плівок менший, ніж на зразках з призматичною (1010)[1120] текстурою.

6. Вивчено та узагальнено вплив температурно-часових та газодинамічних параметрів обробки, хімічного та фазового складу титанових сплавів на морфологію азотованих шарів та рівень приповерхневого зміцнення. Показано взаємозв'язок структурних і фазових змін у поверхневих шарах сплавів з перерозподілом легувальних елементів. Встановлено, що внаслідок активного дифузійного відводу по границях зерен в глибину титанової матриці легувальних елементів, які мають низьку розчинність в a- титані та високі дифузійні константи (Fe, Cr, Mn), дифузія азоту інтенсифікується, що сприяє формуванню глибоких газонасичених шарів. Аргументовано вибір титанових сплавів для ефективного азотування (ОТ4, ОТ4-1, ВТ23, ВТ22).

7. Обґрунтовано новий підхід до інтенсифікації термодифузійного насичення титанових сплавів азотом, який базується на зміні лімітуючої ланки процесу азотування і забезпечується зниженням парціального тиску азоту до 0,1...10 Па (питома швидкість натікання 7ґ10-2...7ґ10-4 Паґс-1). Вивчено еволюцію структурно-фазового стану приповерхневих шарів титанових сплавів в залежності від газодинамічних параметрів газового середовища.

Практична цінність роботи.

1. Розроблено основи технології поверхневого модифікування титанових сплавів в контрольованому азотовмісному середовищі, яка дозволяє керувати морфологією, структурно-фазовим станом приповерхневих шарів та рівнем поверхневого зміцнення, забезпечуючи регламентовані характеристики поверхневих шарів, а відтак і експлуатаційні властивості деталей.

2. Вперше обґрунтовано доцільність використання елементів вакуумної технології при азотуванні титанових сплавів та оптимізовано величину розрідження залишкових газів вакуумної атмосфери, тривалість витримки у вакуумі та етапність цього технологічного прийому в технологічному ланцюжку азотування. Показано, що нагрівання до температури азотування у вакуумі (0,1...10 мПа) дозволяє знизити вимоги до чистоти азоту по кисневих домішках і здійснювати азотування при температурах 750…850 оС.

3. Обґрунтовано вимоги до структурно-фазового стану приповерхневих шарів азотованих титанових сплавів, оптимальних щодо зносотривкості, та оптимізовано параметри хіміко-термічної обробки для його забезпечення. Спільно з АНТК “Антонов” (м. Київ) розроблені технологічні рекомендації по вибору схем та режимів хіміко-термічної обробки деталей авіаційної промисловості з титанових сплавів (ВТ1-0, ОТ4-1, ВТ22), що забезпечують рівень зносотривкості та механічних характеристик вище, ніж термічне оксидування за діючою інструкцією (ПИ.1.2.027-87).

4. Вперше експериментально виявлено необхідність диференційованого підходу до вибору структурно-фазового стану приповерхневих шарів, для захисту титанових сплавів у водних розчинах неокислювальних кислот. Показано, що ефективний захист від корозії у водних розчинах хлоридної кислоти забезпечують азотовані шари з нітридною плівкою на поверхні, а у водних розчинах сульфатної і фосфатної кислот - з оксинітридною. Оптимізовано схеми та режими хіміко-термічної обробки для їх одержання. Спільно з Державним інженерним центром “Львівантикор” розроблена і реалізована на заводі Техмаш концерну “Оріана” (м. Калуш, Івано-Франківська обл.) технологія поверхневого зміцнення деталей запірної арматури, робочих коліс (в литому та зварному виконанні) і направляючих насосів із титанових сплавів.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати роботи базуються на дослідженнях, виконаних безпосередньо автором. У колективних публікаціях [2 - 9, 31- 36] автором проведено експериментальні дослідження, узагальнено та систематизовано їх результати, у публікаціях [10 - 14, 16, 18, 19, 21, 23, 25 - 29, 37 - 42, 44 - 47] авторові належать ідеї, основні технічні рішення, постановка задач досліджень, формулювання наукових висновків. У монографії здобувачем написані розділи 1.2, 1.3 Глави 1, розділи 2.1, 2.2, 2.5 та 2.6 Глави 2 та розділи 3.1, 3.2 Глави 3.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на міжреспубліканській науково-технічній конференції “Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин” (1990р., Волгоград), міжгалузевій конференції “Прогрессивные технологические процессы и оборудование для термической обработки” (1990 та 1991 рр., НІАТ, Москва), IV, VI і VII Міжнародній науково-технічній конференції “Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий” (1989, 1995 та 1998 рр., Запоріжжя), II, III, IV і V Міжнародних конференціях - виставках “Проблеми корозії та протикорозійного захисту конструкційних матеріалів. Корозія - 94, 96, 98, 2000” (1994, 1996, 1998 та 2000 рр., Львів), науково-практичній конференції “Вакуумная техника и вакуумные технологии” (1995 р., Харків), I і II Міжнародній конференції “Конструкційні і функціональні матеріали. КФМў93, 97” (1993 р., смт. Славсько, Львівської області, 1997 р., Львів), Міжнародній конференції “Износостойкость и надежность машин” (1996 р., Хмельницький), The European Corrosion Congress “EUROCORRў97, 98” (1997, Trondheim, Norway; 1998, Utrecht, The Netherlands), 2nd and 3nd International Symposium of Croatian Metallurgists SHMў96, 98 “State and Development of Plastic Metal Processing” (1996, Split, 1998, Љibenik, Croatia), International Seminar and Fair - Exhibition “Surface engineeringў97. Technology - Equipment - Research” (1997, Warsaw, Polish), Conference “TERMOOBRУBKA `98” (1998, Ustroс, Polish), 9-тій Всесвітній конференції по титану (1999 р., Сант-Петербург, Росія), VIIth International Corrosion Symposium (2000, Istanbul, Turkey), Міжнародному науково-технічному симпозіумі “Сучасні проблеми механіки матеріалів: фізико-хімічні аспекти та діагностика властивостей” (2001, Львів), 4-му Міжнародному симпозіумі “Вакуумные технологии и оборудование” (2001, Харків), XXXVII Міжнародному семінарі “Актуальные проблемы прочности” (2001 р., Київ) та інших.

Публікації. Автором за темою дисертації опубліковано 47 праць, із них 1 монографія, 29 статей у наукових фахових журналах та збірниках, 17 публікацій у збірниках матеріалів та тез конференцій, симпозіумів та семінарів.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступної частини, шести розділів, висновків, списку літератури (294 найменування) та додатку. Викладена на 320 сторінках машинописного тексту, містить 111 рисунків та 51 таблицю.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовані мета та задачі роботи, висвітлено її наукову новизну та практичну цінність, достовірність результатів досліджень, особистий внесок здобувача, апробацію результатів та структуру дисертації.

У першому розділі "Аналіз існуючих методів азотування титану та сплавів на його основі" проаналізовано методи азотування титанових сплавів та запропоновано їх класифікацію за чинниками інтенсифікації (хіміко-термічна та фізико-хіміко-термічна обробки). Систематизовано методи азотування, де чинниками інтенсифікації виступають ті чи інші фізичні вища та процеси (фізико-хіміко-термічна обробка). Показано, що з огляду на специфіку технологічних процесів, ці методи мають або дуже вузькі області застосування, або є методами локального поверхневого зміцнення. Висвітлено переваги методів хіміко-термічної обробки, проаналізовано їх потенційні можливості для інтенсифікації процесу азотування та сформульовано основні завдання наукового пошуку.

У другому розділі "Основні методичні аспекти роботи" коротко охарактеризовані досліджувані матеріали, основні методики та інструментарій, використані при виконанні роботи.

Дослідження проводили на зразках промислових титанових сплавів різних структурних класів: a- (ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М), псевдо-a- (ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, ВТ18У, ВТ25У), (a+b)- (ВТ6с, ВТ6, ВТ14, ВТ16, ВТ23, ВТ22) та b- (ВТ32, ВТ35).

Фізико-хімічні характеристики азотованих шарів титанових сплавів досліджували методами дюрометрії та металографічного аналізу (прилад ПМТ-3, "Neophot-2"), рентгенівського фазового та структурного аналізу (ДРОН-3, CuKa-випромінювання, пакети програмного забезпечення DHN-PDS та CSD), мікрорентгеноспектрального аналізу ("Camebax") та Оже-спектроскопії ("Jamp-10S").

Зміну міцнісних характеристик титанових сплавів після азотування оцінювали за результатами випробувань на розрив при одновісному розтязі та при малоцикловому чистому згині з частотою 0,5 Гц за заданого рівня деформації на обладнанні, розробленому в ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАНУ.

Зносотривкість азотованих зразків визначали за схемою спряження "вал - втулка" на машині тертя, розробленій в НВЦ "Протон" (ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАНУ), за схемою спряження "диск - колодка" на машині тертя СМЦ-2 та при торцевому терті на обладнанні, розробленому в КМУЦА (м. Київ). Корозійну поведінку азотованих зразків у водних розчинах хлоридної, сульфатної та фосфатної кислот вивчали ваговим методом та електрохімічними дослідженнями (потенціостат П 5827М).

Результати експериментальних досліджень, оброблені методами математичної статистики, представлені у вигляді таблиць, графіків та діаграм.

У третьому розділі "Оцінка ефективності використання температури як чинника інтенсифікації при азотуванні титанових сплавів" викладено загальні закономірності високотемпературної взаємодії титанових сплавів з азотовмісним середовищем, обґрунтовано вибір титанових сплавів для ефективного азотування.

Проведені нами дослідження показали, що незалежно від температури насичення в температурному діапазоні 900…1100 оС поверхневе зміцнення титанових сплавів за обробки в азоті атмосферного тиску забезпечується формуванням азотованого шару, що складається з нітридної плівки (нітриди основного металу ТіN і Ti2N) та газонасиченої зони (твердий розчин азоту в a- титані). Умовно такий структурно-фазовий стан приповерхневих шарів можна описати як товста (і 1 мкм) нітридна плівка + газонасичена зона. Зміна температурно-часових параметрів хіміко-термічної обробки в досліджуваному діапазоні не впливає на структурно-фазовий стан приповерхневих шарів, а лише на його кількісні характеристики.

Виявлено стовпчастий характер росту нітридної плівки, внаслідок чого розвивається характерний поверхневий рельєф, що істотно погіршує якість (шорсткість, дефектність) поверхні азотованих сплавів, і тим більше, чим вищою є температура насичення. Так, наприклад, азотування зразків сплаву ВТ23 при 900 оС протягом 10 год спричинює зміну параметра шорсткості поверхні (Ra) від 0,08 до 0,2 мкм, а після аналогічної ізотермічної витримки при 950 оС Ra складає вже 0,4 мкм, тобто шорсткість поверхні погіршується на два класи. Збільшення шорсткості поверхні (a+b)- та b-титанових сплавів після азотування менше, ніж a- та псевдо-a-сплавів, і корелює з товщиною поверхневої нітридної плівки. В процесі росту плівки формується текстура Ti2N переважно по площинах [002]. Із збільшенням температури насичення в досліджуваному температурному діапазоні ефект текстури росту посилюється, а відтак, зростає дефектність нітриду та його неоднорідність.

Глибина, рівень зміцнення сформованих при азотуванні газонасичених шарів і їх морфологія визначаються температурою та фазовим складом азотованого матеріалу (табл. 1). Найбільше зміцнення приповерхневих шарів характерне для a- та псевдо-a-титанових сплавів і істотно зменшується при переході до (a+b)- і, особливо, b-сплавів, а глибина газонасиченого шару b-сплавів суттєво більша, ніж a-сплавів.

В газонасиченому шарі виділяються дві частини. Перша, що межує з нітридним шаром, для всіх структурних класів сплавів - це стабілізована азотом структура a-титану. Структура другої частини при температурах нижчих за температуру поліморфного перетворення сплаву ідентична титановій матриці, а при обробці в (a+b) - b-області зазнає b®a перетворення і для a- і псевдо-a- сплавів - це a-зерно меншого розміру, але підвищеного травлення відносно a- структури першої частини шару; для (a+b)-сплавів - переважно a-фаза (a-пластини) в b-перетвореній структурі. Для b-сплавів морфологія газонасиченого шару не залежить від температури насичення і ідентична іншим структурним класам сплавів, азотованим в a-області.

Структурні та фазові зміни в поверхневих шарах сплавів при азотуванні взаємопов'язані з перерозподілом легувальних елементів. Електронна концентрація зростає при розчиненні в титані азоту, що обумовлює зменшення розчинності в титані легувальних елементів не лише з обмеженою розчинністю, але й тих, що утворюють неперервний ряд твердих розчинів. Це сприяє перерозподілу легувальних елементів в поверхневих шарах: виділенню з твердого розчину і дифузійному відводу в глибину титанової матриці (рис. 1а). Інтенсивність такого відводу визначається розчинністю та дифузійною рухливістю легувальних елементів. Аналіз співвідношення цих констант дозволив спрогнозувати перерозподіл легувальних елементів титанових сплавів при азотуванні: найактивніше в поверхневих шарах титанових сплавів перерозподіляється залізо, марганець і хром, бо їх розчинність мінімальна, а дифузійна рухливість найбільша. Розчинність цирконію, алюмінію та олова в a- титані висока, а дифузійні константи цих елементів менші. Тому істотного їх перерозподілу не спостерігається. Молібден, ванадій та ніобій перерозподіляються активніше, ніж цирконій, алюміній та олово, проте слабше, ніж залізо, марганець та хром.

Особливої уваги заслуговує алюміній, особливо коли він присутній у титановому сплаві поряд з іншими елементами. Оскільки алюміній є a- стабілізатором і має велику спорідненість до азоту (для AlN і TiN DНо298 відповідно становить -318,0 і -335,0 кДж/моль ), то збільшення електронної концентрації сплаву при стабілізації гексагональної щільноупакованої ґратки a- твердого розчину азоту в титані не впливає на розчинність алюмінію і не сприяє його дифузійному відводу. Вивільнення енергії ґратки і енергетична стабільність системи досягаються перерозподілом інших легувальних елементів сплаву. Подібна картина вибіркового перерозподілу, можливо не так яскраво виражена, спостерігається і для систем, розчинність і дифузійна рухливість легувальних елементів яких дуже різна (наприклад, цирконій і молібден, олово й залізо тощо). З часом біля межі розділу газ - метал, а згодом і нітридна - газонасичена зони, утворюються ділянки (кластери) з підвищеною концентрацією алюмінію (максимуми). Не виключено, що перерозподіл і коагуляція алюмінію будуть завершуватись встановленням ближнього порядку аж до розпаду твердого розчину з утворенням надструктур типу a2-фази (Ti3Al).

Коефіцієнти дифузії зростають із збільшенням температури азотування і дифузійний відвід легувальних елементів в глибину титанової матриці активізується. На рис. 1(б - г) проілюстровано перерозподіл ванадію у приповерхневих шарах сплаву ВТ6с (Ti-6Al-4V) в залежності від температурно-часових параметрів процесу азотування. Інтенсивний рух легувальних елементів границями зерен спричиняє їх розрихлення, що полегшує дифузію азоту і сприяє збільшенню швидкості азотування (наприклад, відношення констант швидкості азотування нелегованого титану і сплаву ВТ6с при 900 оС складає 1,14, а при 1000 оС - 2,05). Титанові сплави, леговані елементами, здатними активно перерозподілятися, азотуються швидше (сплави титану з залізом, марганцем та хромом).

Аналіз впливу температурно-часових параметрів обробки, хімічного та фазового складу титанових сплавів, перерозподілу легувальних елементів при насиченні на морфологію азотованих шарів та рівень приповерхневого зміцнення дозволив рекомендувати сплави для ефективного азотування (ОТ4, ОТ4-1, ВТ23, ВТ22).

Таким чином, використання температури в якості чинника інтенсифікації не дозволяє керувати структурно-фазовим станом приповерхневих шарів, не забезпечує високої якості поверхні азотованих деталей і істотно знижує рівень механічних характеристик. Зокрема, пластичність сплавів із збільшенням температури насичення від 900 до 1000 оС зменшується у 3 - 3,5 рази. Тому постає завдання пошуку інших чинників інтенсифікації, котрі б забезпечували ефективне поверхневе зміцнення титанових сплавів, уникаючи негативних аспектів азотування при високих температурах.

У четвертому розділі "Основні аспекти керування інтенсивністю фізико-хімічних процесів у системі титан (титанові сплави) - азотовмісне газове середовище" викладено фізико-хімічні основи інтенсифікації процесу азотування титанових сплавів у молекулярному азоті, технологічні операції та прийоми для її досягнення, показано можливість інженерії поверхні титанових сплавів при азотуванні.

Аналіз результатів азотування титанових сплавів при високих температурах показав, що основними причинами, які гальмують дифузію азоту в титанову матрицю є формування товстої нітридної плівки, коефіцієнт дифузії азоту в якій на 2 - 4 порядки менший, ніж в титановій матриці (DTiNN = 3,76ґ10-12 см2/с; Da-TiN = 1,29ґ10-10 см2/с; Db-TiN = 3,92ґ10-8 см2/с при 950 оС), а також наявність оксидних плівок, які утворюються на поверхні титанових сплавів при технологічних операціях виготовлення деталей та в процесі їх нагріву до температури азотування за рахунок присутності домішок кисню в азоті. Тому можливими шляхами інтенсифікації азотування є забезпечення відповідних умов, які б чи збільшували коефіцієнт дифузії азоту в нітриднй плівці, чи взагалі усували її утворення на початкових стадіях процесу азотування, створення необхідних газодинамічних умов для дисоціації існуючих та запобігання утворенню нових оксидних плівок. Інтенсифікації процесу слід очікувати і при активації титанової матриці, забезпечуючи відповідні структурні зміни у матеріалі як в процесі обробки, так і перед нею.

Саме в таких напрямках і розглядали можливі підходи до інтенсифікації процесу азотування, які б дозволили понизити температуру, а відтак позитивно вплинути на рівень механічних властивостей, забезпечували б керування морфологією та структурно-фазовим станом приповерхневих шарів.

Одним із засобів забезпечення структурних змін у матеріалі в процесі обробки є термоциклування. Термоциклування дозволяє скоротити час перебування матеріалу в області високих температур при азотуванні і, тим самим, знизити їх негативний вплив на властивості. Окрім того, при термоциклуванні з'являються додаткові джерела впливу на структуру титанової матриці, що сприяє посиленню масообміну на міжфазних границях, а відтак, інтенсифікує дифузійні процеси.

Термоциклування в азоті технічно чистого титану ВТ1-0 та малолегованих титанових сплавів ВТ5, ВТ5-1, ОТ4 та ВТ6с реалізовували за схемою Т ± А/2 в різних температурних діапазонах (Т = 800, 850, 900, 970 та 1000 оС) з амплітудою (А) 100 та 200 оС і частотою термоциклування (m) 10...20 циклів на 6-годинній базі. Встановлено, що азотування за циклічної зміни температури інтенсифікується (рис.2): приріст маси зразків порівняно з ізотермічною витримкою при середній температурі термоциклу збільшується в 1,2...1,6 рази, приріст поверхневої мікротвердості (поверхнева мікротвердість) - у 1,2...1,5 рази, глибина азотованого шару - у 1,1...1,7 рази в залежності від сплаву. Із збільшенням амплітуди та частоти термоциклування зростають прирости маси (рис. 2а) та поверхневої мікротвердості (рис. 2б) азотованих зразків, глибина зміцненої зони (рис. 2в), помітно підвищується градієнт мікротвердості по перерізу приповерхневих шарів сплавів, тобто ефект термоциклування посилюється. Ефективність зміни частоти термоциклування в порівнянні з амплітудою термоциклу є вищою.

За загальної інтенсифікації процесу взаємодії ефективність термоциклування як чинника інтенсифікації залежить від температурної області циклування (рис. 3). Максимально ефект термоциклування проявляється в температурному діапазоні поліморфного перетворення сплавів. Легування, не змінюючи загальної картини впливу термоциклування як чинника інтенсифікації на взаємодію титанових сплавів з газовими середовищами, змінює лише його інтенсивність (рис. 3, кут нахилу кривих j). Так, термоциклування 970 ± 50 оС порівняно з ізотермічним насиченням при 970 оС сприяє збільшенню приросту маси нелегованого титану ВТ1-0 на 60%, тоді як сплавів ВТ5, ВТ5-1, ОТ4 та ВТ6с на 8, 31, 6 та 15% відповідно.

Морфологія азотованого шару титанових сплавів після азотування в умовах термоциклування, як і після ізотермічного насичення: товста (і 1 мкм) нітридна плівка + газонасичена зона. Відмінність від ізотермічного азотування полягає в тому, що при термоциклуванні через градієнт коефіцієнтів термічного розширення в неоднорідній системі нітрид - твердий розчин - матриця, а відтак і градієнт внутрішніх напружень, зростання ступеня дефектності в приповерхневих шарах сплавів (збільшення густини дислокацій, вакансій, тощо) формуються поверхневі нітридні плівки із значним відхиленням від стехіометрії в бік дефіциту неметалевої складової, про що свідчать результати рентгеноструктурного аналізу. Так, наприклад, стала ґратки мононітриду титану після азотування сплаву ВТ1-0 при термоциклуванні (900 ± 50 оС) складає 0,4197 нм, тоді як компактного стехіометричного нітриду 0,4240 нм (в порівнянні з ізотермічним азотуванням при 900 оС 0,4210 нм). Із збільшенням амплітуди з 100 до 200 оС відхилення від стехіометрії зменшується (0,4200 нм), а із збільшенням частоти термоциклування від 10 до 16 циклів - посилюється (0,4176 нм).

Таким чином, розглянутий підхід сприяє інтенсифікації процесу азотування титанових сплавів, що дозволяє на 50 - 100 оС знизити температуру насичення, а відтак позитивно вплинути на рівень механічних характеристик та якість поверхні, проте не змінює структурно-фазовий стан приповерхневих шарів, а лише стехіометрію поверхневого нітриду.

Інтенсифікація азотування при термоциклуванні базується на структурних змінах у матеріалі в процесі обробки. Аналогічні за наслідками зміни в структурі матеріалу можна забезпечувати і до хіміко-термічної обробки, наприклад, використовуючи матеріал з відповідною текстурою деформації. Такий підхід ґрунтується на залежності дифузійних констант від кристалографічної орієнтації.

В роботі вперше на базі кінетичних досліджень процесу азотування титану ВТ1-0 в інтервалі температур 850...950 оС вивчено вплив вихідної текстури деформації на інтенсивність взаємодії титану з азотом. Дослідження на малих часових базах (20...160 хв) дозволили спостерігати еволюцію фазового складу поверхневих шарів титану в залежності від вихідної текстури деформації: t1 - “базисної” (0001)[1010] - фракція орієнтувань 44% чи t2 - “призматичної” (1010)[1120] - фракція орієнтувань 50%. Для підсилення вихідної текстури деформації та зменшення її розсіяння проводили дорекристалізаційний вакуумний (1ґ10-4 Па) відпал (полігонізацію) при 480 оС, 1 год. Встановлено, що на зразках з вихідною “базисною” текстурою деформації (площина базису ГЩУ ґратки паралельна площині прокатки) швидкість збільшення концентрації азоту в поверхневих шарах титану вища, а глибина його проникнення в метал менша, ніж на зразках з “призматичною” текстурою (площина призми ГЩУ ґратки паралельна площині прокатки). Внаслідок цього щільність зародків нітридних фаз на поверхні зразків з “базисною” текстурою більша, а час до утворення суцільних нітридних плівок менший, ніж на зразках з “призматичною” текстурою. На зразках з “базисною” текстурою деформації глибина азотованих шарів в 1,2...1,3 рази менша, а твердість поверхні в 1,2...1,7 рази вища, ніж на зразках з “призматичною” текстурою. При цьому товщина нітридної плівки в 1,3...2,5 рази більша. Розрахунок коефіцієнтів дифузії азоту в текстурованих зразках дає наступні результати: Dt1N = 5,2ґ10-11 см2/с; Dt2N = 8,8ґ10-11 см2/с; а Dt2N/ Dt1N =1,69.

Таким чином, в рамках незмінного структурно-фазового стану приповерхневих шарів (товста (і 1 мкм) нітридна плівка + газонасичена зона) використання текстурного чинника дозволяє змінювати кількісне співвідношення між величинами нітридної та газонасиченої зон. Формуючи попередньою обробкою переважну кристалографічну орієнтацію (текстуру) (“базисну” чи “призматичну” відповідно), можна забезпечувати або вищий рівень зміцнення поверхні, або більшу глибину проникнення азоту в титанову матрицю.

Окрім підходів до інтенсифікації процесу азотування, що ґрунтуються на структурних змінах в титановій матриці, аналогічного ефекту можна досягти, забезпечивши умови для усунення дифузійного бар'єру оксидних та нітридних плівок.

У газоподібному азоті, що використовується в якості активного газу при азотуванні титанових сплавів, завжди у більших чи менших кількостях присутні домішки кисню, кількість яких визначає мінімальну температуру азотування, коли на поверхні титанових сплавів після обробки присутня лише нітридна плівка без оксидних включень. У технічно чистому азоті, де домішок кисню не менше 0,01%, після ізотермічної витримки при температурах, нижчих 850 оС, забарвлення поверхні зразків свідчить про часткове окислення, а рентгенівський фазовий аналіз підтверджує присутність диоксиду титану ТіО2 в модифікації рутилу. Це обумовлено тим, що кисень починає взаємодіяти з титаном починаючи від температур 250…300 оС, тоді як азот - вище 500 оС, при цьому термодинамічна стабільність оксидних плівок вища, ніж нітридних. Тобто, азотування титанових сплавів в азоті, що містить кисень, можна умовно розбити на три етапи: утворення оксидної плівки на поверхні; розчинення оксидної плівки; утворення нітридної плівки. При цьому фазовий склад поверхневих шарів трансформується у наступній послідовності: Ti ® TiOy ® TiNxOy ® TiNx. Таким чином, мінімальна температура якісного азотування визначається парціальним тиском кисню в азоті: вищий парціальний тиск кисню вимагає вищої температури ізотермічної витримки для дисоціації утворених до температури активного азотування оксидних плівок і здійснення саме азотування. Зменшуючи парціальний тиск кисню в азоті, можна уникнути перших двох етапів процесу, а відтак знизити температуру, тобто інтенсифікувати азотування.

Один із шляхів реалізації цього підходу - це використання азоту високої чистоти. Проте необхідність застосування складних систем очистки газу ускладнює технологію азотування. Не ставлячи особливих вимог до чистоти азоту по кисневих домішках, цей підхід можна реалізувати, використовуючи відповідні технологічні прийоми та підходи.

Обробка титанових сплавів у вакуумі 0,1...10 мПа, коли парціальний тиск кисню біля 0,001...0,01 мПа, виключає можливість утворення оксидних плівок на поверхні. Більше того, при вказаному парціальному тиску кисню і відповідних температурно-часових параметрах процесу створюються умови для дисоціації і розчинення існуючих на поверхні сплавів перед азотуванням оксидних плівок. При цьому має місце активація поверхні і, як наслідок, з наступним напуском азоту - збільшення швидкості процесів його адсорбції та дифузійного проникнення в метал. Нижня межа тиску залишкових газів вакуумної атмосфери (< 0,1 мПа) обумовлена інтенсивним протіканням процесів сублімації, що сприяють вакуумному розтравленню поверхні сплавів, а верхня (> 10 мПа) - активними окисленням і насиченням киснем. При розрідженні 0,1...10 мПа і температурах вище 600...700 0С починається розчинення оксидних плівок на титані і ефективна релаксація внутрішніх напружень, чим обумовлена нижня межа температур обробки у вакуумі. Для одержання оптимальних механічних характеристик небажане використання температур вище температури поліморфного перетворення сплавів.

Таким чином, забезпечення до напуску азоту в реакційну камеру на стадії нагріву чи нагріву та ізотермічної витримки низького тиску залишкових газів вакуумної атмосфери (0,1...10 мПа) дозволяє ліквідувати дифузійний бар'єр оксидної плівки, яка утворюється на поверхні титанових сплавів через високу хімічну активність титану до кисню, активувати поверхню, а відтак інтенсифікувати азотування.

Показано, що нагрів і витримка в вакуумі перед напуском азоту в реакційний простір печі сприяють збільшенню насиченості поверхневих шарів азотом, глибини зміцненої зони (в 1,4…2,1 рази), якості поверхні (зменшення шорсткості) азотованих зразків, і тим більше, що вищою є температура ізотермічної витримки в вакуумі. З підвищенням температури досягається і менший градієнт твердості по перерізу поверхневих шарів азотованих сплавів. Забезпечення низького тиску залишкових газів вакуумної атмосфери перед подачею азоту в реакційний простір печі не потребує тривалої ізотермічної витримки (Ј 2 год). Лише нагрівання в вакуумі вже зумовлює позитивний результат, оскільки виключає утворення оксидної плівки під час нагрівання, тим самим зменшуючи кількість кисню в приповерхневих шарах (наприклад, за температури азотування 750 оС практично вдвічі, що дозволяє реалізувати за заданої температури якісне азотування без оксидних включень на поверхні) (рис. 4).

Таким чином, хіміко-термічна обробка титанових сплавів за схемою - нагрів та витримка у вакуумі (0,1…10 мПа, 750…950 оС, 0 Ј t Ј 2 год); напуск азоту та ізотермічна витримка; охолодження - інтенсифікує процес насичення, а відтак дозволяє здійснювати азотування при температурах 750…850 оС, що позитивно відображається на пластичності, втомній довговічності азотованих зразків. Реалізація азотування за цією схемою дозволяє знизити вимоги до чистоти азоту щодо кисневих домішок під час азотування при температурах > 850 оС.

Використання розглянутого підходу до інтенсифікації не впливає на морфологію приповерхневих азотованих шарів, яку, як і при азотуванні, де чинником інтенсифікації виступає температура, можна умовно описати: товста (і 1 мкм) нітридна плівка + газонасичена зона, проте дозволяє підвищити якість поверхні азотованих титанових сплавів внаслідок зменшення шорсткості та кількості кисню в нітридному шарі.

Послідовність зміни фазового складу приповерхневих шарів титанових сплавів при насиченні в азоті, що містить кисень, свідчить про те, що керуючи складом газового середовища можна впливати на структурно-фазовий стан приповерхневих шарів, а відтак і на їх характеристики. Оскільки термодинамічна активність кисню висока, то він відновлює нітрид і фазовий склад приповерхневих шарів змінюється за схемою: TiNx ® TiNxOy ® TiOy. Тобто, дозуючи подачу кисню в реакційну камеру після формування нітридних шарів на поверхні, можна створити умови для утворення оксинітридів титану. Так як для оксинітридів характерним є екстремальна (з максимумом) залежність твердості від вмісту кисню та азоту, то формування TiNxOy відповідного складу дозволяє не лише отримати якісно відмінний структурно-фазовий стан приповерхневих шарів (оксинітридна плівка + газонасичена зона), але й забезпечити рівень зміцнення поверхні азотованих деталей в діапазоні 12...18 ГПа без використання високих температур ізотермічної витримки.

Склад сформованих оксинітридів по кисню та азоту впливає на параметр а його кубічної гранецентрованої ґратки. Встановлено кореляційні залежності між сталою ґратки та поверхневою мікротвердістю оксинітридів, які формували 1) при температурах азотування Ј 800 оС, реалізуючи схему Ti ® TiOy ® TiNxOy, (рис. 5, варіант II); 2) при окисленні азотованих в температурному діапазоні 800 < Т Ј 1050 оС зразків (схема процесу TiNx ® TiNxOy). Для порівняння приведені дані для нітридів титану Це дозволило визначити умови формування оксинітридів складу TiN0,6…0,7O0,3…0,4., коли забезпечується максимальний рівень поверхневої мікротвердості (рис. 5). Встановлено, що оксинітриди зазначеного складу формуються на стадії охолодження шляхом окислення в розрідженому потоці повітря (1…10 Па) нітридного шару, сформованого при температурах 850…950 оС, коли склад утвореного нітриду є ближчим до нижньої границі області гомогенності.

Таким чином, керуючи складом газового середовища на різних етапах хіміко-термічної обробки можна як інтенсифікувати процес насичення, так і впливати на структурно-фазовий стан приповерхневих шарів.

Використання парціального тиску азоту для інтенсифікації процесу насичення базується на ліквідації бар'єрного ефекту нітридної плівки. Показано, що при зниженні парціального тиску азоту до 0,1...10 Па створюються умови, коли лімітуючими стають процеси, пов'язані з підводом азоту до зони реакції газ - метал. За таких умов можна контролювати необхідну для нітридоутворення концентрацію азоту на поверхні титану, а відтак гальмувати утворення поверхневої нітридої плівки.

Ефективність використання парціального тиску азоту як чинника інтенсифікації оцінювали, виходячи з аналізу кінетики азотування титанових сплавів в діапазоні тисків активного газу 105…0,1 Па. Показано, що забезпечення відповідних газодинамічних параметрів середовища дозволяє в певному часовому інтервалі підтримувати динамічну рівновагу між адсорбованим і дифузійно відведеним в глибину титанової матриці азотом. Такі умови реалізуються при розрідженні динамічної атмосфери азоту 0,1…10 Па і швидкості подачі газу 3ґ10-2…3ґ10-4 л/хв (питома швидкість натікання 7ґ10-2…7ґ10-4Паґс-1). За таких умов нітридна плівка на поверхні титанових сплавів не утворюється, а зміцнена зона - це твердий розчин азоту в a- титані (рис. 6). З часом, внаслідок формування дифузійного шару і збільшення концентрації азоту на границі газ - метал до необхідної для нітридоутворення, що відповідає експозиції t*, на титанових сплавах вже постійно фіксується нітрид титану, а фазовий стан приповерхневих шарів умовно описується як тонка (< 1 мкм) нітридна плівка + газонасичена зона.

Величина t* визначає ефект інтенсифікації при зниженні парціального тиску азоту, так як відповідає часові, впродовж якого відсутній дифузійний бар'єр нітридної плівки. Коли t* ® 0, використання такого чинника інтенсифікації недоцільно. Час, коли t* забезпечує технологічно задовільну глибину зміцнення (і 100 мкм), відповідає t*ефективне і за означених умов насичення при 850…950 оС складає 8…15 год. Підвищення температури насичення, сприяючи активізації дифузійних процесів, скорочує t*, і для забезпечення t*ефективне необхідно або знизити парціальний тиск азоту, або зменшити швидкість його подачі. Коли t*ефективне Ј t*, то структура сформованого азотованого шару - газонасичена зона без нітридної плівки на поверхні чи нітридні включення (острівці) + газонасичена зона. Коли t*ефективне > t*, то структура шару - тонка (<1 мкм) нітридна плівка + газонасичена зона чи товста (і 1 мкм) нітридна плівка + газонасичена зона. На величину t* впливає легування титану, тому температурно-часові та газодинамічні параметри процесу насичення корегували для кожного конкретного сплаву.

Азотування в розрідженому азоті порівняно з насиченням в азоті атмосферного тиску забезпечує більш рівномірний розподіл твердості по глибині дифузійного шару, збільшує глибину проникнення азоту (в 1,3...2,3 рази), зменшуючи поверхневе зміцнення. Так, наприклад, після азотування протягом 8 год в азоті атмосферного тиску при 950 оС глибина азотованого шару для сплаву ВТ1-0 складає 50 мкм, для ОТ4-1 вона 70 мкм, поверхнева мікротвердість 10,1 і 13,3 ГПа; в розрідженому азоті (1Па, 0,03 л/хв) при 850 оС ці показники становлять 85 і 95 мкм, 6,1 і 8,5 ГПа. В результаті підвищується якість азотованої поверхні та збільшується рівень механічних характеристик. Оскільки із зниженням парціального тиску азоту процес термодифузійного насичення титанових сплавів азотом інтенсифікується, то з'являється можливість зменшити температуру ізотермічної витримки при азотуванні з 950...1000 оС до 800...850 оС. Можливість забезпечення достатнього поверхневого зміцнення при температурах a-області виключає негативні аспекти, пов'язані з високими температурами насичення.

Розглянуті нові підходи до інтенсифікації термодифузійного насичення у системі титан (титанові сплави) - молекулярний азот складають основи технології поверхневого модифікування титанових сплавів в контрольованому азотовмісному середовищі, що дозволяє проводити інженерію поверхні титанових сплавів , керуючи структурно-фазовим станом приповерхневих шарів і рівнем поверхневого зміцнення.

Відповідний структурно-фазовий стан приповерхневих шарів з притаманною йому енергетикою і властивостями виправдовує себе при певних умовах експлуатації, коли є максимально ефективним. Тому проводили аналіз структурно-фазових станів приповерхневих шарів, отриманих при азотуванні, з точки зору їх функціональної придатності. Оскільки кінцевою метою азотування є підвищення зносо- та корозійної тривкості титанових сплавів, то такий аналіз проводили саме в цих напрямках.

У п'ятому розділі “Інженерія поверхні титанових сплавів при азотуванні для підвищення зносотривкості” обґрунтовано вибір оптимального щодо зносотривкості структурно-фазового стану приповерхневих шарів азотованого титану, оцінено його ефективність порівняно з термічним оксидуванням.

На базі аналізу результатів дослідження триботехнічних характеристик титанових сплавів, азотованих на різний структурно-фазовий стан приповерхневих шарів, встановлено, що оптимальним є гетерогенний варіант структури: твердий розчин азоту в a-титані з нітридними включеннями (острівцями) по границях зерен.

Для отримання оптимального з точки зору зносотривкості структурно-фазового стану приповерхневих шарів оптимізовано температурно-часові та газодинамічні параметри та запропоновано наступні режими хіміко-термічної обробки титанових сплавів, зокрема: 1) для сплаву ВТ1-0 - ізотермічна витримка (8…10 год) при 850…880 оС в розрідженій динамічній атмосфері азоту (1 Па, 7ґ10-3 Паґс-1). При цьому схема процесу включає нагрів у вакуумі (”1 мПа); охолодження в азоті з пічкою; 2) для сплаву ОТ4-1 - ізотермічна витримка (8…10 год) при 850…920оС в розрідженій динамічній атмосфері азоту (10 Па, 7ґ10-3 Паґс-1). При цьому схема процесу включає активізаційний нагрів і відпал (850 оС, 1 год) у вакуумі (”1 мПа); охолодження в азоті атмосферного тиску з пічкою; 3) для сплаву ВТ22 - ізотермічна витримка (8…10 год) при 830…860 оС в розрідженій динамічній атмосфері азоту (10 Па, 7ґ10-3 Паґс-1). При цьому схема процесу включає активізаційний нагрів і відпал (885 оС, 1 год) у вакуумі (”1 мПа); охолодження в азоті атмосферного тиску з пічкою. Випробування за схемою торцевого тертя в парі з БрАЖМц10-3-1,5 та гартованою сталлю 45 (HRC 58-60) за швидкості ковзання 0,15 м/с та контактного тиску 5 МПа в гідрорідині АМГ-10 підтвердили високу зносотривкість азотованих зразків: на поверхнях тертя відсутні сліди зносу і схоплювання; коефіцієнт тертя невисокий і стабільний (0,175…0,190).

Порівняння триботехнічних та механічних характеристик титанових сплавів ВТ1-0 та ОТ4-1 після термічного оксидування за діючою інструкцією (ПИ.1.2.027-87) та азотування на оптимальний з точки зору зносотривкості структурно-фазовий стан приповерхневих шарів показало, що азотування забезпечує значно вищий їх рівень за практично ідентичних енергоємності та продуктивності процесів хіміко-термічної обробки. Так, в гідрорідині АМГ-10 в парі з БрАЖ-9-4л за контактного тиску 2 МПа та швидкості ковзання 0,6 м/с за схемою диск - колодка інтенсивність зношування контртіла в парі з оксидованим диском майже у 2 рази більша і складає 0,132 г. Азотований диск практично не зношується, а у випадку оксидованого диску спостерігаємо значний масоперенос бронзи. Коефіцієнт тертя пари азотований диск - бронза низький (0,171…0,185), а пари оксидований диск - бронза - високий і нестабільний (0,200…0,229).