Влияние поверхностного упрочнения комбинированными термосиловыми воздействиями на усталостную долговечность и разрушение титанового сплава ВТ22

Изучено влияние электромеханической поверхностной обработки (ЭМО), безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО), а также их комплексного воздействия с последующим старением на циклическую долговечность и изменение микротвердости поверхности титанового сплава. Образцы для исследований изготавливались из прутков сплава переходного типа ВТ22 после стандартной термомеханической обработки. Процесс ЭМО проводился путем обкатки поверхности образца роликом и пропусканием между ними тока большой плотности. В результате осуществлялась поверхностная электротермомеханическая обработка с локальным быстрым нагревом и охлаждением поверхности. Технология БУФО заключалась в ударной обработке бойком ультразвукового излучателя по обрабатываемой поверхности. При этом установлено повышение в 1,8 раза циклической долговечности при нагружении изгибом (с амплитудой напряжений 0,5σв) с вращением для образцов после БУФО по сравнению с необработанным исходным состоянием, сопровождающееся незначительным ростом микротвердости (до 16 %). Применение ЭМО снижает микротвердость почти на 20 %, а долговечность на 70 %. Комплексная обработка ЭМО + БУФО несущественно влияет на микротвердость, но по отношению к ЭМО на 40 % повышает долговечность. Старение при температуре 450 °С в течение 5 ч увеличивает микротвердость после ЭМО на 30–40 % с одновременным ростом долговечности в 2 раза. Старение образов, подвергнутых ЭМО + БУФО, практически не выявило повышения микротвердости, но увеличило долговечность почти в 3 раза (по сравнению с ЭМО). Анализ фрактографии поверхности разрушения показал, что снижение долговечности при обработке ЭМО связано с сокращением стадии зарождения трещин, что практически исключает этот этап накопления усталостных повреждений из общей долговечности образца.

1. Горынин И.В., Чечулин Б.Б. Титан в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990.

2. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС—МАТИ, 2009.

3. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1974.

4. Chunxiang C., BaoMin H., Lichen Z., Shuangjin, L. Titanium alloy production technology, market prospects and industry development. Mater. Design. 2011. No. 32. P. 1684—1691. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.09.011.

5. Budinski K.G. Tribological properties of titanium alloys. Wear. 1991. No. 151. P. 203—217. DOI: 10.1016/0043-1648(91)90249-T.

6. Long M., Rack H.J. Friction and surface behavior of selected titanium alloys during reciprocating-sliding motion. Wear. 2001. No. 249. P. 158—168. DOI: 10.1016/S0043-1648(01)00517-8.

7. Sarma B., Ravi Chandran K.S. Recent advances in surface hardening of titanium. JOM. 2011. No. 63. P. 85—92. DOI: 10.1007/s11837-011-0035-0.

8. Bansal D.G., Eryilmaz O.L., Blau P.J. Surface engineering to improve the durability and lubricity of Ti—6Al—4V alloy. Wear. 2011. No. 271. P. 2006—2015. DOI: 10.1016/j.wear.2010.11.021.

9. Иванов Ю.Ф., Кобзарева Т.Ю., Райков С.В., Громов В.Е., Соскова Н.А., Будовских Е.А. Модификация поверхности сплава ВТ6 плазмой электрического взрыва проводящего материала и облучением электронным пучком. Известия вузов. Цветная металлургия. 2013. No. 6. C. 45—49. DOI: 10.17073/0021-3438-2013-6-45-49.

10. Иванов С.Г., Гурьев М.А., Логинова М.В., Деев В.Б., Гурьев А.М. Борирование титана ОТ4 из порошковых насыщающих сред. Известия вузов. Цветная металлургия. 2017. No. 2. C. 59—65. DOI: 10.17073/0021-3438-2017-2-59-65.

11. Федирко В.Н., Лукьяненко А.Г., Труш В.С. Твердорастворное упрочнение поверхностного слоя титановых сплавов. Часть 1. Влияние на механические свойства. Металловедение и термическая обработка металлов. 2014. No. 7. C. 27—33.

12. Kwok C.T., Man H.C., Cheng F.T., Loa K.H. Developments in laser-based surface engineering processes: with particular reference to protection against cavitation erosion. Surf. Coat. Technol. 2016. Vol. 291. P. 289—304. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.02.019.

13. He B., Cheng X., Li J., Tian X.-J., Wang H.-M. Effect of laser surface remelting and low temperature aging treatments on microstructures and surface properties of Ti—55511alloy. Surf. Coat. Technol. 2017. Vol. 316. P. 104—112. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.11.097.

14. Kheradmandfard M., Kashani-Bozorg S.F., Kim C.-L., Hanzaki A.Z., Pyoun Y.-S., Kim J.-H., Amanov A., Kim D.-F. Nanostructured β-type titanium alloy fabricated by ultrasonic nanocrystal surface modification. Ultrasonics- Sonochemistry. 2017. No. 39. P. 698—706. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2017.03.061.

15. Nie X., He W., Zang S., Wang X., Zhao J. Effect study and application to improve high cycle fatigue resistance of TC11 titanium alloy by laser shock peening with multiple impacts. Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 253. P. 68—75. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.05.015.

16. Wu J., Zou S., Zhang Y., Gong S., Sun G., Ni Zh., Cao Z., Che Zh., Feng A. Microstructures and mechanical properties of β forging Ti17 alloy under combined laser shock processing and shot peening. Surf. Coat. Technol. 2017. Vol. 328. P. 283—291. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.08.069.

17. Багмутов В.П., Водопьянов В.И., Захаров И.Н., Вдовенко А.В., Романенко М.Д., Чекунов В.В. Закономерности развития усталостных повреждений титанового псевдо-α-сплава после интенсивных термосиловых обработок. Металлы. 2019. No. 3. C. 73—81.

18. Pant B.K., Pavan A.H.V., Prakash R.V., Kamaraj M. Effect of laser peening and shot peening on fatigue striations during FCGR study of Ti6Al4V. Int. J. Fatigue. 2016. Vol. 93. P. 38—50. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2016.08.005.

19. Холопов Ю.В. Машиностроение: Ультразвук: УЗС, БУФО, ГЕО. СПб: ООО «Типография «Береста». 2008.

20. Металлографический анализ титановых сплавов: Инструкция No. 1054-76 (Взамен технол. рекомендации ТР 12-600). Утв. 10.02.1974 г. М.: ВИАМ. 1976.

21. Lütjering G. Influence of processing on microstructure and mechanical properties of (α+β) titanium alloys. Mater. Sci. Eng. 1998. Vol 243. P. 32—45. DOI: 10.1016/S0921-5093(97)00778-8.

22. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Семенова И.П., Клевцова Н.А., Данилов В.А., Линдеров М.Л., Засыпкин С.В. Влияние ультрамелкозернистои структуры на кинетику и механизм усталостного разрушения титанового сплава ВТ6. Известия вузов. Цветная металлургия. 2019. No. 2. С. 58—64. DOI: 10.17073/0021-3438-2019-2-58-64.

23. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Попкова Ю.Ф., Почива- лов Ю.И., Сундер Р. Влияние структурного состояния поверхностных слоев образцов технического титана на их усталостную долговечность и механизмы усталостного разрушения. Физическая мезомеханика. 2014. No. 4(17). С. 5—12.

24. Зарезин В.Е. Методика улучшения качества сварных швов ультразвуковой ударной обработкой с обоснованием параметров упрочнения поверхностного слоя. Технико-технологические проблемы сервиса. 2016. No. 4 (38). С. 16—22.

25. Багмутов В.П., Денисевич Д.С., Захаров И.Н., Романенко М.Д., Фастов С.А. Математическое моделирование остаточных напряжений при импульсном термосиловом поверхностном упрочнении. Вестник ПНИПУ. Механика. 2016. No. 3. С. 112—124. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.3.12.

26. Хесин Ю.Д., Щеглов Н.Н., Водопьянов В.И., Гурьев А.В. Влияние газонасыщенного слоя на коррозионно-механическую прочность титановых сплавов. В кн.: Сплавы титана с особыми свойствами. М.: Наука, 1982. C. 136—139.