Ионное азотирование титановых сплавов

Если говорить об ионном азотировании титановых сплавов, то первое, с чем сталкиваешься — это миф о его универсальности. Многие почему-то считают, что достаточно ?прожечь? деталь в плазме — и получишь идеальный износостойкий слой. На деле же с титаном, особенно со сплавами типа ВТ6 или ВТ8, это тонкая история, где результат на 70% зависит от подготовки поверхности и выбора режима, а не просто от факта обработки. Сам долго наступал на эти грабли, пока не понял, что стандартные протоколы для стали здесь не просто не работают, а могут дать обратный эффект — хрупкую, отслаивающуюся фазу.

Где начинаются реальные сложности

Основная загвоздка — это оксидная плёнка. Титан её формирует мгновенно, и если перед загрузкой в камеру не обеспечить идеальную очистку, то азотирование пойдёт пятнами, а адгезия будет слабой. Раньше мы пробовали просто механическую зачистку, но микроостатки абразива потом вплавлялись в поверхность, создавая центры напряжения. Перешли на ультразвуковую мойку в специальных растворах, но и это не панацея — важно, чтобы деталь не успела повторно окислиться при транспортировке в камеру. Иногда, чтобы выгадать пару минут, пренебрегали инертным шлюзом — и получали брак.

Другая точка — выбор газовой смеси. Чистый азот для титана — не всегда оптимально. Часто добавляем аргон, чтобы стабилизировать тлеющий разряд на начальном этапе, особенно для деталей со сложной геометрией. Но и тут есть нюанс: если переборщить с аргоном, можно получить слишком низкую скорость диффузии, и слой будет тонким, хоть и равномерным. Опытным путём для большинства наших заказов по сплаву ВТ6 пришли к соотношению N?/Ar примерно 3/1, но это при условии предварительного нагрева до 500°C в вакууме. Без этого температура поверхности в плазме ?пляшет?, и глубина упрочнения плавает.

И ещё про температуру. В литературе часто пишут про диапазон 800-850°C для титана. Но при таких температурах для некоторых ответственных деталей, работающих под нагрузкой, может начаться рост зерна в основном материале. Мы для деталей типа клапанных тарелок или направляющих втулок, которые потом идут на сборку в агрегаты для авиационной техники, стараемся держаться в районе 750-780°C. Да, процесс идёт дольше, зато сохраняются механические свойства сердцевины. Это критично, если деталь работает не только на износ, но и на усталость.

Кейс из практики: когда теория не сработала

Был у нас заказ от компании ООО Сиань Синьханъи Силовые Установки Технологии — партия износостойких втулок для турбинного модуля. Материал — ВТ9. По спецификации требовалась твёрдость поверхности не менее 1200 HV и глубина слоя 100-120 мкм. По классическому режиму (850°C, 12 часов) получили даже больше, около 1300 HV, но при контрольной механической обработке (шлифовке паза) появились микротрещины по краям.

Разбирались долго. Оказалось, что в зонах с высокой плотностью тока (острые кромки) сформировалась слишком толстая и хрупкая фаза Ti?N, которая и дала растрескивание. Пришлось пересматривать весь цикл. Снизили температуру до 770°C, увеличили время до 20 часов, но добавили импульсный режим подачи напряжения, чтобы лучше контролировать кинетику роста нитридного слоя. И, что важно, ввели дополнительную финишную барботажную обработку в инертной среде для снятия поверхностных напряжений. Второй партия прошла приёмку. Сайт https://www.xhydl.ru они, кстати, тогда обновляли, и в разделе продукции появилось уточнение по термохимической обработке ответственных компонентов — видимо, наш опыт им тоже пригодился для технической документации.

Этот случай хорошо показывает, что слепо следовать учебникам нельзя. Их данные — это часто идеализированные условия для лабораторных образцов-таблеток. В реальности деталь имеет объём, массу, теплоотвод, и всё это влияет на распределение температуры в камере. Особенно если речь о крупной партии, где нагрузка на подвески разная. Мы теперь для каждого нового типа детали обязательно делаем пробный цикл на одном-двух образцах, разрезаем их, смотрим микроструктуру по всему сечению. Только потом запускаем основную партию.

Оборудование и его ?характер?

Работаем на установке УИА-6, модернизированной под себя. Стандартная система управления там довольно жёсткая, не даёт гибко менять параметры в процессе. Пришлось ставить дополнительный блок регулировки скважности импульсов — без этого равномерность обработки сложных профилей была неудовлетворительной. Многие коллеги жалуются на аналогичное: оборудование советской или ранней российской разработки надёжное, но для капризных процессов вроде ионного азотирования титановых сплавов требует доработок.

Важный момент — состояние катодного узла и изоляторов. Малейшая загрязнённость или следы металлизации на изоляторах приводят к дуговым разрядам, которые прожигают деталь. Особенно актуально при работе с титаном, который активно разбрызгивается в начале процесса. Мы после каждой третьей-четвёртой загрузки делаем профилактическую чистку камеры и обязательную проверку изоляторов. Это простое правило спасло от нескольких потенциальных аварийных ситуаций.

И ещё по вакууму. Для качественного процесса нужно устойчивое давление в диапазоне 1-3 Па. Но если насосы не самые свежие, бывают колебания. Мы поставили дополнительный байпасный клапан с ручной тонкой регулировкой подачи газа, чтобы компенсировать эти скачки в реальном времени. Без такого ?ручного управления? иногда получался слоёный пирог в микроструктуре — чередование зон с разным содержанием азота.

Контроль качества: чем и как смотрим

Твёрдость по Виккерсу — это стандартно, но недостаточно. Особенно для тонких слоёв до 50 мкм. Индентор может ?продавить? через упрочнённый слой и дать искажённые данные по сердцевине. Поэтому всегда дублируем измерения микротвёрдостью с малой нагрузкой (0,5-1 Н). Обязательно делаем микрошлифы и травим реактивом Кролля, чтобы увидеть сам нитридный слой, его толщину и однородность. Иногда видишь под микроскопом интересные вещи — например, что слой пошёл не от поверхности, а от границ зерна внутри. Это говорит о слишком высокой температуре в начале процесса.

Рентгеноструктурный анализ — хорошо, но не для ежедневного контроля. Мы его делаем выборочно, для новых материалов или при изменении технологии. Главный практический инструмент для нас — это контроль твёрдости и визуальная оценка цвета поверхности после обработки. Равномерный матово-серый, иногда с лёгким золотистым оттенком — это хороший признак. Пятна, радужные разводы — сразу брак, скорее всего, проблемы с очисткой или с газовой средой.

Испытания на износ — проводим на машине трения по схеме ?палец-диск?. Но здесь тоже есть тонкость: часто заказчики требуют данные по коэффициенту трения в паре с конкретным материалом (например, с бронзой или со специальным покрытием). Приходится имитировать реальные условия узла. Бывало, что прекрасные результаты в паре со сталью не означали хорошей работы в паре с полимерным композитом — слой оказывался слишком абразивным для мягкого контртела.

Вместо заключения: о чём стоит помнить всегда

Ионное азотирование титана — это не волшебная палочка, а технология, требующая глубокого понимания и материала, и процесса. Главный вывод за годы работы: не существует одного ?правильного? режима. Есть базовые принципы, но под каждую деталь, её функцию и материал сплава режим нужно подбирать, а часто — и разрабатывать заново.

Экономия на подготовке поверхности или на контроле параметров процесса всегда выходит боком. Лучше потратить лишний час на очистку и диагностику камеры, чем потом утилизировать целую партию дорогостоящих титановых заготовок. Особенно это касается контрактных работ для таких серьёзных производителей, как ООО Сиань Синьханъи Силовые Установки Технологии, где требования к документальному подтверждению каждого этапа очень высоки. Их производственная база в Сисяне, судя по описанию, солидная, и они явно ценят не просто формальное соблюдение ТУ, а реальное понимание технологии поставщиком.

И последнее — не бояться экспериментировать в разумных пределах и делиться опытом, даже негативным. Именно анализ неудачных попыток, вроде той истории с трещинами на ВТ9, даёт самое ценное знание, которого нет ни в одном учебнике. Технология живая, и она продолжает развиваться вместе с новыми материалами и требованиями к изделиям.