Физико-химические основы и применение термоводородной обработки титановых сплавов

ТЕРМОВОДОРОДНАЯ ОБРАБОТКА – ОСНОВА ВОДОРОДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 2

ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ Понижение температуры ( +b)/b - перехода и увеличение количества bфазы Повышение стабильности b-фазы, снижение характеристических температур мартенситных превращений Неравномерное распределение водорода между - и b-фазами, вызывающее перераспределение легирующих элементов замещения между ними Изменение объемных эффектов фазовых превращений Существенное различие коэффициентов диффузии водорода и основных легирующих элементов 3

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ Ti – Cr - H Сплав Ti-12 Cr 0, 4%Н 0, 8%Н 1, 2%Н 10 мкм 4

ТЕМПЕРАТУРНО – КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО СОСТАВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВОДОРОДОМ ВТ 20 (Ti - 5, 5 Al - 0, 8 V - 2 Zr - 1 Mo) ВТ 23 (Ti - 5, 6 Al - 4, 6 V – 2, 4 Zr – 9, 9 Cr – 9, 5 Fe) ВТ 6 (Ti - 5, 3 Al – 4, 5 V) ВТ 23 (Ti - 4, 5 Al - 4, 4 V – 2, 1 Zr – 9, 9 Cr – 0, 4 Fe) 5

КОМПОЗИТНАЯ СТРУКТУРА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННАЯ С ПОМОЩЬЮ ТВО, И ЕЁ ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ Сплав ВТ 20 0, 3 мкм 0, 2 мкм Ti - 9 Al - 1 Mo - 3 Zr - 4 Si ВТ 20 0, 3 мкм ВТ 23 (6%Al) 0, 3 мкм ВТ 23 (4, 5%Al) темнопольные изображения в рефлексах 2 -фазы 6

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ Термоводородная обработка Повышение технологических свойств сплавов Водородное пластифицирование Механоводородная обработка Компакт-процессы Получение микро-, субмикро-, нанокристаллических структур Повышение эксплуатационных свойств промышленных сплавов Кратковременная и долговременная прочность изделий из деформированных полуфабрикатов Прочностные, пластичные и усталостные свойства литых изделий Создание новых сплавов и технологий их обработки Высокожаропрочные сплавы на основе Ti 3 Al ( 2 и + 2 -сплавы) Сплавы с высоко температурной прочностью ( + 2 - сплавы) Конструкционные сплавы с интерметаллидным упрочнением ( + +Ti. XCr. Y) Сверхпроводники (Ti-Nb-H) Термическая стабильность жаропрочных псевдо- сплавов Триботехнические свойства конструкционных сплавов 7

СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛИТОЙ СТРУКТУРЫ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ 20 Л В ПРОЦЕССЕ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ ВО 600 ОС 10 мкм ВО 800 ОС ВО 600+700+800 ОС в, МПа 980 1140 980 1020 δ, % 8 2, 5 10, 5 12, 0 KCU, МДж/м 2 0, 62 0, 15 0, 55 0, 48 -1, МПа 280 640 400 480 8

ГРАДИЕНТНАЯ СТРУКТУРА ОБРАЗЦА ИЗ СПЛАВА ВТ 20 Л ПОСЛЕ ТВО 35 мкм σв, МПа 980 1020 σ0, 2, МПа 860 950 , % 12 12 KCU, МДж/м 2 0, 7 0, 4 -1, МПа 350 470 9

Ресурсосберегающие технологии точного литья заготовок титановых имплантатов 10

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ( + 2) СПЛАВА Ti-9 Al-1 Mo-3 Zr-4 Sn, ПОЛУЧЕННОГО ПО ВОДОРОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ 0, 3 мкм N 3 – число циклов до зарождения трещины (циклы) VСР – средняя скорость распространения трещины (мкм/цикл) 11

ВОДОРОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕГЛАМЕНТИРОВАННОЙ МИКРО- И СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТАХ И ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ Наводороживание заготовок Горячая или теплая деформация (изотермическая штамповка, прокатка и т. д. ) Вакуумный отжиг ТВО ВП ТВО Показатели эффективности обработки: Ø Снижение температур деформации: на 100 -150 ОС Ø Повышение прочностных характеристик на 10 -15% при нормальной и рабочей температурах без снижения пластичности и длительной прочности: Ø Повышение предела выносливости лопаток: на 16% 12

КОМПЛЕКСНАЯ ВОДОРОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВТ 20 и ВТ 6 C СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ Микрокристаллическая структура листов (стандартная технология) 17 мкм Сплав ВТ 6 Исходный образец 900 ОС =1580 %, =20 МПа 750 ОС Субмикрокристаллическая структура листов (водородная технология) =440 %, =110 МПа 725 ОС =1020 %, =25 МПа 700 ОС 300 нм =950 %, =26 МПа 13

Плазменные технологии пористых покрытий 14

Проблема: разрушение пористых титановых покрытий компонентов эндопротезов 15

Водородная технология получения пористых слоистых композиционных материалов на основе титана Композит Покрытие Ti-6 Al-4 V Ti Ti ТВО t. СР=22 МПа t. СР>210 МПа 16

Проблема: износ компонентов эндопротезов из титановых сплавов и полимерных материалов 17

Проблема: развитие контактной коррозии (головка Сo-Сr-Мo – ножка Ti-6 Al-4 V) 18

Технология получения изделий с поверхностной градиентной микроструктурой, стойкой к фрикционному износу Исходная заготовка после механической обработки ТВО Ионно-вакуумное азотирование 19

Проблема: фреттинг-коррозия компонентов Цементируемая ножка Мюллера из сплава Ti-6 Al-4 V после 3 -х лет 20

Градиентная поверхностная структура материала ножки эндопротеза тазобедренного сустава после термоводородной обработки и вакуумного ионноплазменного азотирования (сплав Ti-6 Al-4 V) 21

Ножка эндопротеза тазобедренного сустава после 6 лет эксплуатации 22