МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ9 ПОСЛЕ МНОГОКРАТНОЙ ЛОКАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ НАНОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

Целью работы является исследование закономерности одновременного повышения микротвёрдости и пластических свойств поверхности титанового сплава ВТ9, а также определение твёрдости и модуля Юнга тонких поверхностных слоёв. Процедура и методы исследования. Методы обработки основаны на применении короткоимпульсного наносекундного лазерного излучения, инициирующего комплекс физико-химических процессов. По результатам метода непрерывного индентирования с максимальной нагрузкой 0,05 Н проанализированы механические свойства поверхностных структур титанового сплава ВТ9, сформированных при различных режимах лазерной обработки. Результаты исследования. На основе диаграмм «нагрузка-проникновение» проведены расчёты следующих величин: контактной глубины внедрения, жёсткости контактной пары «индентор-материал», площади проекции невосстановленного отпечатка, эффективного модуля Юнга. По методу Оливера-Фарра оценены нано- и микротвёрдость, а также модуль продольной упругости поверхностных слоёв титанового сплава. Установлено, что в результате обработки микротвёрдость поверхности увеличивается в 2,5-4,5 раза, а модуль Юнга в 1,1-1,5 раза. Отличительной особенностью предложенного метода обработки является хорошая адгезия поверхностного слоя с основным материалом, что снижает вероятность формирования высоких механических напряжений и трещин. Теоретическая и практическая значимость. Предложенный метод лазерной обработки позволяет формировать упрочнённые поверхностные слои в обычной атмосфере, что способствует существенному упрощению технологического процесса и снижению его себестоимости.

титановый сплав, поверхностная структура, нанотвёрдость, микротвёрдость, модуль Юнга, методика Оливера-Фарра

1. Головин Ю. И. Наноиндентирование и механические свойства твердых тел в субмикрообъемах, тонких приповерхностных слоях и пленках (Обзор) // Физика твердого тела. 2008. Т. 50. № 12. С. 2113-2142.

2. Дьяков И. А. Наномодифицированные гальванические покрытия // Нанотехника. 2013. № 1 (33). С. 60-68.

3. Inorganic Solid Lubricating Coatings for Heat Engines and Power Plants / Lesnevskiy L. N., Lezhnev L. Yu., Lyakhovetskiy M. A., Troshin A. E., Gavrilov P. V., Ushakov A. M. // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2015. Vol. 44. Iss. 5. P. 455-463.

4. Головин Ю. И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 312 с.

5. Шугуров А. Р., Панин А. В., Оскомов К. В. Особенности определения механических характеристик тонких пленок методом наноиндентирования // Физика твердого тела. 2008. Т. 50. № 6. С. 1007-1012.

6. Исследование эпитаксиальных слоёв и монокристаллов β-Ga2O3 методом наноиндентирования / Гузилова Л. И., Гращенко А. С., Печников А. И., Маслов В. Н., Завьялов Д. В., Абдрахманов В. Л., Романов А. Е., Николаев В. И. // Materials Physics and Mechanics. 2016. Т. 29. № 2. С. 166-171.

7. Формирование остаточных напряжений в поверхностных слоях мишеней из титановых сплавов при облучении сильноточными импульсными электронными пучками / Шулов В. А., Стешенко И. Г., Теряев Д. А., Перлович Ю. А., Исаенкова М. Г., Фесенко В. А. // Физика и химия обработки материалов. 2018. № 2. С. 69-73.

8. Ушаков И. В., Симонов Ю. В. Управление физико-механическими свойствами поверхности титановых сплавов короткоимпульсным лазерным излучением // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-математика. 2019. № 4. С. 30-42.

9. Финишное плазменное упрочнение и восстановление деталей топливной аппаратуры / Шарифуллин С. Н., Тополянский П. А., Ермаков С. А., Тополянский А. П. // Металлообработка. 2018. № 4 (106). С. 28-39.

10. Ushakov I. V., Simonov Yu. V. Formation of surface properties of VT18u titanium alloy by laser pulse treatment // Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 19. Part 5. P. 2051-2055.

11. Структурные изменения в сплавах типа сендаст при быстрой кристаллизации спиннингованием и лазерной обработке / Шефтель Е. Н., Банных О. А., Капуткин Д. Е., Струг Р. Е., Климова Л. М. // Известия РАН. Металлы. 1994. № 4. С. 89-95.

12. Фирстов С. А., Горбань В. Ф., Печковский Э. П. Особенности использования величины работы при автоматическом индентировании для определения механических свойств материалов // Электронная микроскопия и прочность материалов. Серия: Физическое материаловедение, структура и свойства материалов: сборник научных трудов. Вып. 16. Киев: Ин-т проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, 2009. С. 3-15.

13. Табаков В. П., Чихранов А. В. Определение механических характеристик износостойких ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. № 4. С. 292-297.

14. Чапланов А. М., Щербакова Е. Н. Структурные и фазовые превращения в тонких плёнках титана при облучении азот-водородной плазмой // Журнал технической физики. 1999. Т. 69. № 10. С. 102-108.

15. Структура композитных покрытий на основе нитрида титана, сформированных с использованием конденсации с ионной бомбардировкой / Корусенко П. М., Несов С. Н., Поворознюк С. Н., Полещенко К. Н., Орлов П. В., Коротаев Д. Н. // Динамика систем, механизмов и машин. 2019. Т. 7. № 1. С. 201-207.

16. Сайдахмедов Р. Х. Ионно-плазменные покрытия на основе нитридов и карбидов переходных металлов с регулируемой стехиометрией. Ташкент: Фан, 2005. 226 с.

17. Головин Ю. И., Коренков В. В., Разливалова С. С. Влияние малоамплитудных осцилляций нагрузки на наноконтактные характеристики материалов в процессе наноиндентирования // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 6. С. 1106-1117.

18. Применение кривых кинетического индентирования сферой для определения механических свойств материалов / Огар П. М., Тарасов В. А., Турченко А. В., Федоров И. Б. // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 1 (17). С. 41-47.

19. Новая методика оценки нанотвердости материалов / Мощенок В. И., Дощечкина И. В., Лалазарова Н. А., Демченко С. В. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 5. С. 48-52.

20. Панин А. В., Шугуров А. Р., Оскомов К. В. Определение твердости и модуля упругости тонких пленок Ti и TiO2 // Физическая мезомеханика. 2006. Т. 9. № S1. С. 119-122.

21. Сравнение расчетного метода оценки поверхностной нано- и микротвердости материалов с методом Оливера и Фарра / Мощенок В. И., Ляховицкий М. М., Дощечкина И. В., Кухарева И. Е. // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2009. № 46. С. 43-48.