RU2470090C1 - Method of applying titanium carbide-based coats on titanium alloys - Google Patents
Method of applying titanium carbide-based coats on titanium alloysInfo
- Publication number
- RU2470090C1 RU2470090C1 RU2011113655/02A RU2011113655A RU2470090C1 RU 2470090 C1 RU2470090 C1 RU 2470090C1 RU 2011113655/02 A RU2011113655/02 A RU 2011113655/02A RU 2011113655 A RU2011113655 A RU 2011113655A RU 2470090 C1 RU2470090 C1 RU 2470090C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- carbon
- melt
- alloy
- plasma jet
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии химико-термической обработки металлов с использованием концентрированных потоков энергии, в частности к получению на сплавах титана поверхностных слоев на основе карбида титана, которые могут быть использованы как износо- и коррозионностойкие покрытия с высокой микротвердостью и адгезией покрытия с основой на уровне когезии.The invention relates to a technology for chemical-thermal treatment of metals using concentrated energy flows, in particular, to obtain titanium carbide-based surface layers on titanium alloys that can be used as wear and corrosion resistant coatings with high microhardness and coating adhesion with a base at the level of cohesion .
Известен способ [1] получения порошка карбида титана, включающий приготовление реакционной смеси исходных компонентов из порошков титана и углерода, размещение смеси в оболочке из графита или нитрида бора, воспламенение смеси в замкнутом объеме с последующим реагированием компонентов в режиме горения, охлаждение продукта синтеза, сброс давления образующихся при горении газообразных продуктов и вакуумирование. Данный способ позволяет получать порошок карбида титана с выходом 97,5…98,5% и достаточно хорошими эксплуатационными характеристиками.A known method [1] for producing titanium carbide powder, comprising preparing a reaction mixture of the starting components from titanium and carbon powders, placing the mixture in a shell of graphite or boron nitride, igniting the mixture in a closed volume, followed by reaction of the components in the combustion mode, cooling the synthesis product, dumping pressure generated during combustion of gaseous products and evacuation. This method allows to obtain titanium carbide powder with a yield of 97.5 ... 98.5% and a fairly good performance.
Недостатком способа является его многостадийный характер, что ограничивает его производительность, а также невозможность формирования покрытий на основе карбида титана с его использованием.The disadvantage of this method is its multi-stage nature, which limits its performance, as well as the inability to form coatings based on titanium carbide with its use.
Наиболее близким к заявляемому является способ [2] обработки режущего инструмента для обработки органических материалов и керамики, включающий формирование на режущих гранях инструмента слоя окиси алюминия путем плазменного напыления и последующее формирование износостойкого слоя, отличающийся тем, что предварительно перед формированием слоя окиси алюминия формируют карбонитридный слой путем химико-термической обработки в вакууме при 840-950°С в течение 1-2 ч, слой окиси алюминия формируют толщиной 100-400 мкм, а износостойкий слой формируют путем вакуумного оплавления режущих граней высокоэнергетическим источником энергии.Closest to the claimed one is a method [2] for processing a cutting tool for processing organic materials and ceramics, comprising forming an alumina layer on the cutting edges of the tool by plasma spraying and then forming a wear-resistant layer, characterized in that a carbonitride layer is formed before forming the alumina layer by chemical-thermal treatment in vacuum at 840-950 ° C for 1-2 hours, the aluminum oxide layer is formed with a thickness of 100-400 microns, and the wear-resistant layer is formed t by vacuum melting of cutting faces with a high-energy source of energy.
Недостатком способа является его многостадийный характер, что ограничивает его производительность, а также невозможность формирования покрытий на основе карбида титана с его использованием.The disadvantage of this method is its multi-stage nature, which limits its performance, as well as the inability to form coatings based on titanium carbide with its use.
Задачей заявляемого изобретения является получение покрытий на основе карбида титана, обладающих высокими значениями износо- и коррозионной стойкости, микротвердости и адгезией с основой на уровне когезии.The objective of the invention is to obtain coatings based on titanium carbide with high values of wear and corrosion resistance, microhardness and adhesion with the base at the level of cohesion.
Поставленная задача реализуется способом нанесения покрытий на основе карбида титана на титановые сплавы. Способ включает электровзрывное науглероживание поверхности сплава на основе титана путем электрического взрыва углеграфитовых волокон с формированием импульсной плазменной струи, оплавления ее поверхности сплава при поглощаемой плотности мощности 4,5-6,5 ГВт/м2 и введения в расплав частиц углеграфитовых волокон, последующую самозакалку расплава путем отвода тепла в объем титанового сплава и импульсно-периодическое воздействие на науглероженную поверхность сильноточным электронным пучком при поглощаемой плотности энергии 40-60 Дж/см2, длительности импульсов 150-200 мкс и количестве импульсов 10-30.The problem is realized by the method of coating based on titanium carbide on titanium alloys. The method includes electric explosion carburization of a titanium-based alloy surface by electric explosion of carbon-graphite fibers with the formation of a pulsed plasma jet, melting its alloy surface with an absorbed power density of 4.5-6.5 GW / m 2 and introducing particles of carbon-graphite fibers into the melt, followed by self-quenching of the melt by removing heat into the volume of a titanium alloy and periodically applying a high-current electron beam to the carbonized surface at an absorbed energy density of 40-60 J / cm 2 , the pulse duration of 150-200 μs and the number of pulses 10-30.
Продукты электрического взрыва углеграфитовых волокон образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности титанового сплава слоя, образованного смесью твердого раствора углерода в титане, изолированных частиц карбида титана и частиц углеграфитовых волокон [3, с.119]. Последующее высокотемпературное реагирование компонентов смеси при электронно-пучковом импульсно-периодическом воздействии на упрочняемую поверхность после электровзрывного науглероживания приводит к взаимодействию титана с частицами углеграфитовых волокон и образованию сплошного поверхностного слоя карбида титана. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании поверхностного слоя карбида титана, что делает возможным осуществление локального упрочнения поверхности деталей из титановых сплавов в местах их наибольшего разрушения в условиях эксплуатации.The products of electric explosion of carbon-graphite fibers form a plasma jet, which serves as an instrument for forming a layer on the surface of a titanium alloy formed by a mixture of a solid solution of carbon in titanium, isolated particles of titanium carbide and particles of carbon-graphite fibers [3, p.119]. The subsequent high-temperature reaction of the mixture components upon electron-beam pulsed-periodic exposure to the hardened surface after electroexplosive carburization leads to the interaction of titanium with particles of carbon-graphite fibers and the formation of a continuous surface layer of titanium carbide. The advantage of the proposed method compared with the prototype is the formation of a surface layer of titanium carbide, which makes it possible to local harden the surface of parts made of titanium alloys in the places of their greatest destruction under operating conditions.
Способ поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структура поверхностного слоя технически чистого титана марки ВТ1-0 после электровзрывного науглероживания, на фиг.2 - структура поверхностного слоя после последующей импульсно-периодической электронно-пучковой обработки, на фиг.3 - распределение микротвердости по глубине для образца, показанного на фиг.2.The method is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the structure of the surface layer of technically pure titanium VT1-0 after electroexplosive carburization, Fig. 2 shows the structure of the surface layer after subsequent pulse-periodic electron-beam processing, and Fig. 3 shows the microhardness distribution over depth for the sample shown in figure 2.
Исследования методом световой микроскопии показали, что при электровзрывном науглероживании поверхностного слоя технически чистого титана при значении на упрочняемой поверхности поглощаемой плотности мощности, равной 4,5…6,5 ГВт/м2, происходит оплавление поверхностного слоя на глубину 60…70 мкм и внесение в расплав частиц углеграфитовых волокон, которые равномерно распределяются по всей глубине слоя вплоть до границы оплавления (фиг.1). В отдельных местах зоны легирования наблюдается образование изолированных частиц карбида титана. Вследствие малого времени существования жидкого слоя при электровзрывном науглероживании процесс реагирования частиц углеграфитовых волокон с титаном и образования сплошного слоя карбида титана не завершается. Указанный режим является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 4,5 ГВт/м2 не происходит интенсивного перемешивания частиц углеграфитовых волокон и титана, вследствие чего титан находится в избытке, а частицы углеграфитовых волокон неравномерно распределены по глубине оплавляемого поверхностного слоя. Последующее электронно-пучковое импульсно-периодическое воздействие на поверхность такого слоя не приводит к формированию сплошного слоя карбида титана. При интенсивности воздействия выше 6,5 ГВт/м2 происходит выплеск части науглероженного слоя за пределы зоны оплавления, а также формирование рельефа поверхности покрытия, обусловленного течением расплава под действием неоднородного давления многофазной плазменной струи продуктов взрыва на облучаемую поверхность [3, с.111].Investigations by light microscopy showed that in the case of electroexplosive carburization of the surface layer of technically pure titanium at a value on the hardened surface of the absorbed power density equal to 4.5 ... 6.5 GW / m 2 , the surface layer is melted to a depth of 60 ... 70 microns and the melt of particles of carbon-graphite fibers, which are evenly distributed throughout the depth of the layer up to the fusion border (figure 1). In some places of the alloying zone, the formation of isolated titanium carbide particles is observed. Due to the short lifetime of the liquid layer during electroexplosive carburization, the process of reacting particles of carbon-graphite fibers with titanium and the formation of a continuous layer of titanium carbide does not end. The specified mode is optimal, since at an intensity of exposure below 4.5 GW / m 2 there is no intensive mixing of particles of carbon-graphite fibers and titanium, as a result of which titanium is in excess, and particles of carbon-graphite fibers are unevenly distributed along the depth of the melted surface layer. The subsequent electron-beam pulsed-periodic action on the surface of such a layer does not lead to the formation of a continuous layer of titanium carbide. When the exposure intensity is above 6.5 GW / m 2 , a part of the carburized layer splashes outside the melting zone, as well as the formation of the surface relief of the coating due to the melt flow under the influence of inhomogeneous pressure of the multiphase plasma jet of explosion products on the irradiated surface [3, p. 111] .
Электронно-пучковое импульсно-периодическое воздействие на поверхность электровзрывного науглероживания с поверхностной плотностью поглощаемой энергии 40…60 Дж/см2, длительностью импульсов 150…200 мкс, количеством импульсов 10…30 приводит к взаимодействию титана с частицами углеграфитовых волокон и образованию сплошного поверхностного слоя карбида титана. Толщина поверхностного слоя карбида титана достигает 30…40 мкм (фиг.2). Указанный режим является оптимальным, поскольку при поверхностной плотности поглощаемой энергии ниже 40 Дж/см2, длительности импульсов ниже 150 мкс, количестве импульсов менее 10 не происходит полного взаимодействия частиц углеграфитовых волокон и титана с образованием сплошного слоя карбида титана. При поверхностной плотности поглощаемой энергии выше 60 Дж/см2, длительности импульсов выше 200 мкс, количестве импульсов более 30 происходит формирование рельефа поверхности.The electron-beam pulsed periodic effect on the surface of electric explosive carburization with a surface density of absorbed energy of 40 ... 60 J / cm 2 , pulse duration of 150 ... 200 μs, the number of pulses of 10 ... 30 leads to the interaction of titanium with particles of carbon-graphite fibers and the formation of a continuous surface carbide layer titanium. The thickness of the surface layer of titanium carbide reaches 30 ... 40 microns (figure 2). The specified mode is optimal, since at a surface density of absorbed energy below 40 J / cm 2 , pulse durations below 150 μs, and the number of pulses less than 10, particles of carbon-graphite fibers and titanium do not completely interact with the formation of a continuous layer of titanium carbide. When the surface density of the absorbed energy is above 60 J / cm 2 , the pulse duration is above 200 μs, and the number of pulses is more than 30, a surface relief is formed.
Исследования показали, что после формирования поверхностных слоев заявляемым способом их микротвердость составляет 2400 HV.Studies have shown that after the formation of surface layers by the claimed method, their microhardness is 2400 HV.
Примеры конкретного осуществления способа:Examples of specific implementation of the method:
Пример 1.Example 1
Обработке подвергали поверхность титана марки ВТ1-0 площадью 5 см. Готовили смесь сплава титана и структурно-свободного углерода в форме графита с последующим высокотемпературным реагированием. Смесь сплава титана и графита готовили в едином технологическом процессе путем электрического взрыва углеграфитовых волокон массой 0,15 г, формировали из продуктов взрыва импульсную многофазную плазменную струю, содержащую частицы углеграфитовых волокон, оплавляли ею упрочняемую поверхность титанового сплава в режиме, когда поглощаемая плотность мощности составляла 4,5 ГВт/м2, и вносили в расплав частицы углеграфитовых волокон. После самозакалки расплава при теплоотводе в объем основы высокотемпературное реагирование компонентов смеси осуществляли путем импульсно-периодического воздействия на упрочняемую поверхность после электровзрывного науглероживания сильноточным электронным пучком в режиме, когда поглощаемая поверхностью плотность энергии составляла 40 Дж/см2, длительность импульсов - 150 мкс, количество импульсов - 10.The surface was treated with a VT1-0 titanium surface with an area of 5 cm. A mixture of a titanium alloy and structurally free carbon in the form of graphite was prepared, followed by a high-temperature reaction. A mixture of an alloy of titanium and graphite was prepared in a single technological process by electric explosion of carbon-graphite fibers weighing 0.15 g, a pulsed multiphase plasma jet containing particles of carbon-graphite fibers was formed from the explosion products, and the hardened surface of the titanium alloy was melted by it in the regime when the absorbed power density was 4 , 5 GW / m 2 , and particles of carbon-graphite fibers were introduced into the melt. After self-quenching of the melt during heat removal into the bulk of the substrate, the high-temperature reaction of the mixture components was carried out by pulse-periodic exposure to the hardened surface after electroexplosive carburization by a high-current electron beam in the mode when the surface absorbed energy density was 40 J / cm 2 , the pulse duration was 150 μs, and the number of pulses - 10.
Получили износо- и коррозионностойкое покрытие с высокой микротвердостью и адгезией покрытия с основой на уровне когезии.A wear-resistant and corrosion-resistant coating with high microhardness and coating adhesion with a base at the level of cohesion was obtained.
Пример 2.Example 2
Обработке подвергали поверхность титана марки ВТ6 площадью 5 см. Готовили смесь сплава титана и структурно-свободного углерода в форме графита с последующим высокотемпературным реагированием. Смесь сплава титана и графита готовили в едином технологическом процессе путем электрического взрыва углеграфитовых волокон массой 0,15 г, формировали из продуктов взрыва импульсную многофазную плазменную струю, содержащую частицы углеграфитовых волокон, оплавляли ею упрочняемую поверхность титанового сплава в режиме, когда поглощаемая плотность мощности составляла 6,5 ГВт/м2, и вносили в расплав частицы углеграфитовых волокон. После самозакалки расплава при теплоотводе в объем основы высокотемпературное реагирование компонентов смеси осуществляли путем импульсно-периодического воздействия на упрочняемую поверхность после электровзрывного науглероживания сильноточным электронным пучком в режиме, когда поглощаемая поверхностью плотность энергии составляла 60 Дж/см2, длительность импульсов - 200 мкс, количество импульсов - 30.A 5-cm VT6 grade titanium surface was treated. A mixture of a titanium alloy and structurally free carbon in the form of graphite was prepared, followed by a high-temperature reaction. A mixture of titanium and graphite alloy was prepared in a single technological process by electric explosion of carbon-graphite fibers weighing 0.15 g, a pulsed multiphase plasma jet containing carbon-graphite fiber particles was formed from the explosion products, and the hardened surface of the titanium alloy was melted by it in the mode when the absorbed power density was 6 , 5 GW / m 2 , and particles of carbon-graphite fibers were introduced into the melt. After self-quenching of the melt during heat removal into the bulk of the substrate, the high-temperature reaction of the mixture components was carried out by pulse-periodic exposure to the hardened surface after electroexplosive carburization by a high-current electron beam in the mode when the energy density absorbed by the surface was 60 J / cm 2 , the pulse duration was 200 μs, and the number of pulses - thirty.
Получили износо- и коррозионностойкое покрытие с высокой микротвердостью и адгезией покрытия с основой на уровне когезии.A wear-resistant and corrosion-resistant coating with high microhardness and coating adhesion with a base at the level of cohesion was obtained.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №4161512, кл. С01В 31/30, 1979.1. US patent No. 4161512, cl. СВВ 31/30, 1979.
2. Патент RU №2092611, кл. С23С 14/58, 1997.2. Patent RU No. 2092611, cl. C23C 14/58, 1997.
3. Физические основы электровзрывного легирования металлов и сплавов / А.Я.Багаутдинов, Е.А.Будовских, Ю.Ф.Иванов, В.Е.Громов. - Новокузнецк: СибГИУ, 2007.3. Physical fundamentals of electric explosive alloying of metals and alloys / A.Ya. Bautoutinov, E.A. Budovsky, Yu.F. Ivanov, V.E. Gromov. - Novokuznetsk: SibGIU, 2007.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011113655/02A RU2470090C1 (en) | 2011-04-07 | 2011-04-07 | Method of applying titanium carbide-based coats on titanium alloys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011113655/02A RU2470090C1 (en) | 2011-04-07 | 2011-04-07 | Method of applying titanium carbide-based coats on titanium alloys |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011113655A RU2011113655A (en) | 2012-10-20 |
| RU2470090C1 true RU2470090C1 (en) | 2012-12-20 |
Family
ID=47144849
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011113655/02A RU2470090C1 (en) | 2011-04-07 | 2011-04-07 | Method of applying titanium carbide-based coats on titanium alloys |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2470090C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2690067C1 (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of chemical-thermal hardening of small items from technical titanium |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2079570C1 (en) * | 1994-06-20 | 1997-05-20 | Самарское моторостроительное производственное объединение им.М.В.Фрунзе | Method of treating parts |
| RU2092611C1 (en) * | 1995-01-11 | 1997-10-10 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Method of treating cutting tools for organic materials and ceramics |
| RU2197556C2 (en) * | 2000-06-26 | 2003-01-27 | Открытое акционерное общество "Череповецкий сталепрокатный завод" | Method of applying hard coatings |
| EP0851459B1 (en) * | 1996-12-27 | 2003-09-10 | Canon Kabushiki Kaisha | Charge-reducing film, image forming apparatus and method of manufacturing the same |
| EP1946874A1 (en) * | 2007-01-16 | 2008-07-23 | Charmilles Technologies S.A. | Method and devices designed to treat defects of the residual white layer left by the electrical discharge machining process |
-
2011
- 2011-04-07 RU RU2011113655/02A patent/RU2470090C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2079570C1 (en) * | 1994-06-20 | 1997-05-20 | Самарское моторостроительное производственное объединение им.М.В.Фрунзе | Method of treating parts |
| RU2092611C1 (en) * | 1995-01-11 | 1997-10-10 | Опытное конструкторское бюро "Факел" | Method of treating cutting tools for organic materials and ceramics |
| EP0851459B1 (en) * | 1996-12-27 | 2003-09-10 | Canon Kabushiki Kaisha | Charge-reducing film, image forming apparatus and method of manufacturing the same |
| RU2197556C2 (en) * | 2000-06-26 | 2003-01-27 | Открытое акционерное общество "Череповецкий сталепрокатный завод" | Method of applying hard coatings |
| EP1946874A1 (en) * | 2007-01-16 | 2008-07-23 | Charmilles Technologies S.A. | Method and devices designed to treat defects of the residual white layer left by the electrical discharge machining process |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2690067C1 (en) * | 2018-12-28 | 2019-05-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Method of chemical-thermal hardening of small items from technical titanium |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011113655A (en) | 2012-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Khmyrov et al. | Obtaining crack-free WC-Co alloys by selective laser melting | |
| Pogrebnyak et al. | Electrolytic plasma processing for plating coatings and treating metals and alloys | |
| Chabak et al. | Phase-structural composition of coating obtained by pulsed plasma treatment using eroded cathode of T1 high speed steel | |
| Shekhtman et al. | Producing multilayer composites based on metal-carbon by vacuum ion-plasma method | |
| Singh | Laser-beam and photon-assisted processed materials and their microstructures | |
| RU2470090C1 (en) | Method of applying titanium carbide-based coats on titanium alloys | |
| Monisha et al. | Titanium boride coating by high power diode laser alloying of amorphous boron with titanium and its surface property investigations | |
| Pyachin et al. | Formation of intermetallic coatings by electrospark deposition of titanium and aluminum on a steel substrate | |
| Nikolenko | Surface nanostructuring of steel 35 by electrospark machining with electrodes based on tungsten carbide and added Al2O3 nanopowder | |
| Vizureanu et al. | Advanced Electro-Spark Deposition Process on Metallic Alloys | |
| Fedorov et al. | Comprehensive surface treatment of high-speed steel tool | |
| Nikolenko et al. | Formation of electrospark coatings of the VK8 hard alloy with the Al 2 O 3 additive | |
| RU2616740C2 (en) | Method of electron-beam processing products of technical titanium vt1-0 | |
| Fedorov et al. | Special features of electron-beam alloying of replaceable polyhedral hard-alloy plates under a complex surface treatment | |
| Milonov et al. | Synthesis of transition metal borides layers under pulsed electron-beams treatment in a vacuum for surface hardening of instrumental steels | |
| Ivanov et al. | Surface layer of commercially pure VT1-0 titanium after electric-explosion alloying and subsequent treatment by a high-intensity pulsed electron beam | |
| Krysina et al. | Aluminum surface modification by electron-ion-plasma methods | |
| Blesman et al. | The combined ion-plasma method for the superficial modification of the products of constructional steel operating under the conditions of short-term extreme thermal conditions | |
| CN104674159A (en) | High-energy superposition based alloy steel surface treatment method | |
| Stepanova et al. | Modification of the structure of powder coatings on nickel and chromium-nickel bases by introducing nanoparticles of titanium diboride during electron-beam welding | |
| RU2791571C1 (en) | Method for vacuum-arc deposition of nanostructured coatings on dental structures | |
| Suresh et al. | Study of the influence of electron beam irradiation on the microstructural and mechanical characteristics of titanium-coated Al-Si alloy | |
| Kavishwar et al. | State-of-the-Art titanium carbide hard coatings: a comprehensive review of mechanical and tribological behaviour | |
| Krastev et al. | Surface modification of steels by electrical discharge treatment in electrolyte | |
| RU2167216C1 (en) | Process of hardening of hard-alloy cutting tool |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130408 |