MECHANICAL PROPERTIES OF SURFACE STRUCTURES OF TITANIUM ALLOY VT9 AFTER REPEATED LOCAL PROCESSING WITH NANOSECOND LASER PULSES

Purpose. The regularities of a simultaneous increase in microhardness and plastic properties of the surface of titanium alloy VT9 are investigated. The hardness and Young’s modulus of thin surface layers are determined. Methodology and Approach. The methods employed are based on the use of nanosecond laser pulses initiating a complex of physical and chemical processes. The method of continuous indentation with a maximum load of 0,05 N is used. The mechanical properties of surface structures of titanium alloy VT9 after laser treatment are analyzed. Using the load-penetration diagrams, the following values were calculated: the contact depth of penetration, the stiffness of the contact ‘indenter-material’ pair, the projection area of the unreconstructed print, and the effective Young’s modulus. On the basis of the Oliver-Pharr method, the nano- and microhardness, as well as the modulus of longitudinal elasticity of the surface layers of a titanium alloy are estimated Results. It is found that as a result of processing, the microhardness of the surface increases by 2,5-4,5 times, and the Young’s modulus by 1,1-1,5 times. A distinctive feature of the proposed treatment method is good adhesion of the surface layer with the bulk material, which reduces the probability of high mechanical stresses and cracking. Theoretical and Practical implications. The proposed method of laser processing makes it possible to form hardened surface layers in a normal atmosphere, which contributes to a significant simplification of the technological process and reduces its cost.

titanium alloy, surface structure, nanohardness, microhardness, Young’s modulus, Oliver-Farr technique

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.