Аттестация состава, структуры, механических поверхностных свойств при индентировании и механических свойств при квазистатическом растяжении до разрушения темплетов из TiNi сплава с поверхностным [Ti-Ni-Ta] сплавом и ионно-модифицированными [Ti-Ni-Ta] поверхностными слоями толщиной 200 нм

Объекты исследования: серии образцов различных конфигураций и размеров из сплава на основе TiNi с исходной, необлученной поверхностью, или с ионно-модифицированным поверхностным слоем (ИМПС), или с поверхностным сплавом толщиной ~200 нм, синтезированным электронно-пучковым способом. Для формирования ИМПС/ПС легирующим элементом выбран тантал. Цель проекта – физическое обоснование, разработка новых и выбор наиболее эффективных методов повышения усталостных свойств малоразмерных изделий из сверхэластичного TiNi сплава, основанных на формировании поверхностных сплавов и ионно-модифицированных поверхностных слоев на основе Ti-Ni-Ta с аморфной/нанокомпозитной структурой методами аддитивного тонкопленочного электронно-пучкового синтеза и/или высокодозовой ионной имплантации. Полученные результаты – методами высокодозовой имплантации ионов Ta+ и аддитивного электронно-пучкового синтеза ПС с использованием пленки из Ti-40 ат.% Ta толщиной 100 нм на подложках из TiNi сплава сформированы поверхностно модифицированные слои толщиной 200нм с аморфно-нанокомпозитными структурами. Рентгено- и электронно-дифракционными методами изучена тонкая структура поверхностных слоев в поперечном сечении у TiNi подложек, исходных и содержащих ИМПС/ПС на поверхности. Отдельное внимание уделено дефектной (дислокационной) субструктуре в приповерхностной области TiNi подложки и ее эволюции по глубине в зависимости от способа модификации поверхности. Оценки адгезионной прочности ИМПМ/ПС методом царапания показали, что царапины на поверхностях соответствующих образцов сформировались в результате пластической деформации материала под нагруженным индентором без нарушения его сплошности и без признаков отслоения, что позволяет считать решенной проблему адгезионной прочности ИМПС/ПС слоев на поверхности TiNi подложек. Исследования механических свойств ИМПС/ПС слоев методами динамического индентирования показали, что ионно-пучковая обработка не привела к заметному изменению поверхностных прочностных и пластических свойств. Напротив, электронно-пучковый синтез ПС привел к заметному изменению этих свойств, начиная с глубины ~200 нм и более. Сделано заключение, что важное значение для механических характеристик имеет структурное состояние и механические свойства не только ИМПС/ПС, но и прилежащих к ним слоев подложки, микрокристаллическая структура и дислокационная субструктура которой также подвергается модификации в процессе синтеза ИМПС/ПС. Анализ результатов квазистатических испытаний растяжением выявил различия и подобия механических свойств подложек с ИМПС/ПС, в том числе – электронно-пучковая обработка не улучшила воспроизводимость траекторий нагружения, тогда как ионно-пучковая обработка привела к ~100 % их совпадению, за исключением, в обоих случаях, значений предела прочности; – протяженность 1-й (упругой) стадии накопления деформации увеличилась после обеих обработок, что является положительным результатом для практических приложений; – предел мартенситной текучести у подложек с ИМПС/ПС близок к исходному, что является положительным результатам и означает сохранение уровня исходных эксплуатационных характеристик у TiNi подложек после примененных обработок. Получены дополнительные результаты, связанные с расчетами полей деформаций в процессе нагружения и построением карт распределения компонент деформации вдоль поверхности деформируемых образцов. Из анализа этих результатов следует, что в образцах с ИМПС полоса Людерса начинает формироваться и полностью пересекает сечение образца позже, ее ширина в ~1.5 больше, амплитуда деформации в середине полосы Людерса на ~ 30% ниже, чем в исходных образцах до облучения. Этот результат является доказательством проявления ИМПС демпфирующих свойств, природа которых связана с высокой концентрацией дефектов радиационной природы. Сами ИМПС испытывают дислокационное упрочнение, препятствуя распространению деформации из внутреннего объема к поверхности, локализованной в полосе Людерса. Результаты фрактографических исследований показали, что пластические зоны на поверхностях разрушения образцов TiNi без и с ИМПС/ПС сформированы разными механизмами: хрупко-вязкий характер разрушения исходных образцов сопровождается образованием фасеток скола и террас без вовлечения мартенситных механизмов деформации. У образцов с ИМПС вблизи поверхности разрушение носит квазихрупкий характер с образованием фасеток скола, террас, изломов реечного типа более мелкого размера, чем у исходных образцов. У образцов с ПС вблизи поверхности облучения выявлен внешний слой толщиной ~5 мкм, разрушение которого носит квазихрупкий фрагментированный характер с образованием трещин без отслоения от подложки.