Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения РАН, Хабаровск, Россия:

С. А. Пячин, зам. директора по научной работе, зав. лабораторией функциональных материалов и покрытий, эл. почта: pyachin@mail.ru
А. А. Бурков, научный сотрудник

В работе представлены результаты модифицирования поверхности титанового сплава ВТ20 электроискровой обработкой в различных газах, таких как аргон, азот, воздух. Методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии изучены состав и структура модифицированных поверхностных слоев. Показано, что в процессе электроразрядного воздействия масса анода снижается, а масса катода возрастает, что свидетельствует о переносе металла с анода на катод. Скорость эрозии анода увеличивается с повышением длительности разрядного импульса от 100 до 500 мкс, и, как следствие, возрастает привес катода. Коэффициент массопереноса достигает 80–85 %. Толщина модифицированных поверхностных слоев составляет 10–70 мкм. Воздействие электрических разрядов в азотсодержащих газах вызывает насыщение поверхности титанового сплава нитридом титана, концентрация которого в поверхностных слоях сплава повышается при увеличении длительности разрядных импульсов. Микротвердость модифицированных поверхностей в 9–16 раз выше по сравнению с микротвердостью необработанной титановой подложки. Она постепенно снижается при удалении от поверхности вглубь титанового сплава. Поверхностный слой, полученный при разрядной обработке в воздухе, тверже, чем обработанный в азоте. При длительности разрядных импульсов более 320 мкс на поверхности сплава, обработанного на воздухе, образуется оксид титана TiO, поэтому микротвердость таких слоев ниже. В ходе испытаний модифицированных поверхностей на микроабразивный износ по схеме «вращающийся шар – плоскость» установлено, что поверхность титанового сплава, обработанная в атмосфере аргона, быстро эродирует в процессе истирания, поскольку имеет неоднородную структуру с высокой плотностью пор. Благодаря упрочнению нитридом титана поверхности титановых сплавов, обработанные на воздухе и в азоте, разрушаются при трении медленнее в 3–5 раз по сравнению с немодифицированным сплавом и образцом, полученным в аргоне.

1. Boyer R. R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry // Materials Science and Engineering: A. 1996. Vol. A213. P. 103–114.
2. Ezugwu E. O., Wang Z. M. Titanium alloys and their machinability — a review // Journal of Materials Processing Technology. 1997. Vol. 68. P. 262–274.
3. Liu L., Ernst F., Michal G. M., Heyer A. H. Surface hardening of Ti alloys by gas-phase nitridation: kinetic control of the nitrogen surface activity // Metallurgical and Materials Transactions: A. 2005. Vol. 36A. P. 2429–2434.
4. Budzynski P., Youssef A. A., Sielanko J. Surface modification of Ti – 6Al – 4V alloy by nitrogen ion implantation // Wear. 2006. Vol. 261. P. 1271–1276.
5. Sharkeev Yu. P., Bull S. J., Perry A. J., Klingenberg M. L., Fortuna S. V., Michler M., Manory R. R., Shulepov I. A. On high dose nitrogen implantation of PVD titanium nitride // Surface and Coating Technology. 2006. Vol. 200. P. 5915–5920.
6. Qian J., Farokhzadeh K., Edrisy A. Ion nitriding of a near-titanium alloy: Microstructure and mechanical properties // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 258. P. 134–141.
7. Yeh T.-Sh., Wu J.-M., Hu L.-J. The properties of TiN thin films deposited by pulsed direct current magnetron sputtering // Thin Solid Films. 2008. Vol. 516. P. 7294–7298.
8. Jeyachandran Y. L., Narayandass S. K., Mangalaraj D., Areva S., Mielczarski J. A. Properties of titanium nitride films prepared by direct current magnetron sputtering // Materials Science and Engineering: A. 2007. Vol. 445/446. P. 223–236.
9. Hovsepian P. Eh., Sugumaran A. A., Purandare Y., Loch D. A. L., Ehiasarian A. P. Effect of the degree of high power impulse magnetron sputtering utilisation on the structure and properties of TiN films // Thin Solid Films. 2014. Vol. 562. P. 132–139.
10. Tahara H., Ando Y. Study of titanium nitride deposition by supersonic plasma spraying // Vacuum. 2008. Vol. 83. P. 98–101.
11. Ponon N. K., Appleby D. J. R, Arac E., King P. J., Ganti S., Kwa K. S. K., O’Neill A. Effect of deposition conditions and post deposition anneal on reactively sputtered titanium nitride thin films // Thin Solid Films. 2015. Vol. 578. P. 31–37.
12. El-Hossary F. M., Negm N. Z., Abd El-Rahman A. M., Raaif M., Seleem A. A., Abd El-Moula A. A. Tribo-mechanical and electrochemical properties of plasma nitriding titanium // Surface and Coatings Technology. 2015. Vol. 276. P. 658–667.
13. Labudovic M., Kovacevic R., Kmecko I., Khan T. I., Blecic D., Blecic Z. Mechanism of surface modification of the Ti – 6 Al – 4 V alloy using a gas tungsten arc heat source // Metallurgical and Materials Transactions: A. 1999. Vol. 30A. P. 1597–1603.
14. Ohtsu N., Kodama K., Kitagawa K., Wagatsuma K. X-ray photoelectron spectroscopic study on surface reaction on titanium by laser irradiation in nitrogen atmosphere // Applied Surface Science. 2009. Vol. 255. P. 7351–7356.
15. Ohtsu N., Kodama K., Kitagawa K., Wagatsuma K. Comparison of surface films formed on titanium by pulsed Nd:YAG laser irradiation at different powers and wavelengths in nitrogen atmosphere // Applied Surface Science. 2010. Vol. 256. P. 4522–4526.
16. Lahoz R., Espinos J. P., de la Fuente G. F., Gonzalez-Elipe A. R. «In situ» XPS studies of laser induced surface cleaning and nitridation of Ti // Surface and Coating Technology. 2008. Vol. 202. P. 1486–1492.
17. Yilbas B. S., Arif A. F. M., Karatas C. Laser gas assisted nitriding of Ti – 6 Al – 4 V alloy and residual stress analysis // Surface Engineering. 2009. Vol. 25. P. 228–234.
18. Abboud J. H. Effect of processing parameters on titanium nitrided surface layers produced by laser gas nitriding // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 214. P. 19–29.
19. Лазаренко Б. Р. Электрический способ обработки металлов, сплавов и других токопроводящих материалов // Электронная обработка материалов. 1967. № 5. С. 3–19.
20. Johnson R. N., Sheldon G. L. Advances in the electrospark deposition coating process // Journal of Vacuum Science & Technology: A. 1986. Vol. 4. P. 2740–2746.
21. Zamulaeva E. I., Levashov E. A., Kudryashov A. E., Vakaev P. V., Petrzhik M. I. Electrospark coatings deposited onto an Armco iron substrate with nano- and microstructured WC – Co electrodes: Deposition process, structure, and properties // Surface and Coating Technology. 2008. Vol. 202. P. 3715–3722.
22. Li Z., Gao W., He Y. Protection of a Ti3Al – Nb alloy by electrospark deposition coating // Scripta Materialia. 2001. Vol. 45. P. 1099–1105.
23. Galinov I. V., Luban R. B. Mass transfer trends during electrospark alloying // Surface and Coating Technology. 1996. Vol. 79. P. 9–18.
24. Loginov P. A., Levashov E. A., Potanin A. Yu., Kudryashov A. E., Manakova O. S., Shvyndina N. V., Sukhorukova I. V. Sintered Ti – Ti₃P – CaO electrodes and their application for pulsed electrospark treatment of titanium // Ceramics International. 2016. Vol. 42. No. 6. P. 7043–7053.
25. Пячин С. А., Бурков А. А. Окисление низкоуглеродистой стали в процессе электроискровой обработки в воздухе // Металлообработка. 2012. № 4. С. 18–22.
26. Etcherssahar E., Bars J. P., Debuigne J. The Ti – N system: Equilibrium between the ,  and  phases and the conditions of formation of the lobier and marcon metastable phase // Journal of the Less Common Metals. 1987. Vol. 134, No. 1. P. 123–139.
27. Гордиенко П. С., Верхотуров А. Д., Достовалов В. А., Жевтун И. Г., Панин Е. С., Коневцов Л. А., Шабалин И. А. Электрофизическая модель эрозии электродов при импульсном энергетическом воздействии // Электронная обработка материалов. 2011. Т. 47, № 3. C. 15–27.
28. Hasçalk A., Çayda U. Applied Surface Science // Electrical discharge machining of titanium alloy. 2007. Vol. 253, No. 22. P. 9007–9016.