vsgiuВестник Сибирского государственного индустриального университетаBulletin of the Siberian State Industrial University2304 - 44972307-1710Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет"10.57070/2304-4497-2025-2(52)-37-43vsgiu-253Research ArticleРаздел 1. Физика конденсированного состоянияSection 1. Condensed Matter PhysicsПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ И ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНАTHE USE OF ELECTRO-EXPLOSIVE ALLOYING AND ELECTRON BEAM TREATMENT TO HARDEN THE SURFACE OF TITANIUMhttps://orcid.org/0000-0003-1878-909XБащенкоЛюдмила ПетровнаBashchenkoLyudmila P.

к.т.н., доцент кафедры теплоэнергетики и экологии

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Thermal Power Engi-neering and Ecology

luda.baschenko@gmail.comСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202507072025023743Copyright © Бащенко Л.П., 20252025Бащенко Л.П.Bashchenko L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibsiu.ru/jour/article/view/253

Модифицирование поверхностных слоев изделий из металлических материалов сопровождается изменением эксплуатационных характеристик: повышаются твердость, износостойкость, жаростойкость. В настоящее время для модифицирования поверхности применяются лазерная обработка, электронно-лучевое и плазменное легирование, в том числе электровзрывное легирование. Применение современных методов упрочнения поверхности с использованием концентрированных потоков энергии (электровзрывное легирование и электронно-пучковая обработка) особенно актуально для локального воздействия на изделия из титана и титановых сплавов. Целью работы являлось выявление формирования структурно-фазовых состояний при электровзрывном легировании и электронно-пучковой обработке поверхности технически чистого титана марки ВТ1-0 с точки зрения повышения функциональных свойств для практического применения. Разработанный способ упрочнения поверхности титана включает электровзрывное науглероживание и последующую электронно-пучковую обработку зоны легирования. Особенности каждого метода определяют выбор режимов обработки. Проведено изучение тепловых процессов при этих обработках с учетом особенностей каждого метода, позволяющее обоснованно выбирать режимы обработки. Установлено влияние режимов электронно-пучковой обработки на микротвердость поверхностных слоев, формирование максимумов в глубине зоны легирования и кратное повышение микротвердости поверхностных слоев. Выявлены особенности структурно-фазовых состояний и механизмы упрочнения поверхностных слоев технически чистого титана при электровзрывном науглероживании и последующей электронно-пучковой обработке. В зоне обработки формируется градиентная многофазная структура, толщина слоев которой коррелирует с распределением микротвердости по глубине. На основании полученных экспериментальных данных сделан вывод, что комбинированная обработка поверхности технически чистого титана марки ВТ1-0, сочетающая электровзрывное науглероживание и последующую электронно-пучковую обработку зоны легирования, обеспечивает повышение микротвердости и глубины зоны упрочнения.

Modification of the surface layers of products made of metallic materials is accompanied by a change in performance characteristics: hardness, wear resistance, and heat resistance increase. Currently, laser processing, electron beam and plasma alloying, including electro-explosive alloying, are used to modify the surface. The application of modern methods of surface hardening using concentrated energy flows (such as electro-explosive alloying and electron beam treatment) is especially relevant for local effects on titanium and titanium alloy products. The aim of the work was to identify the formation of structural and phase states during electro-explosive alloying and electron beam surface treatment of technically pure titanium grade VT1-0 from the point of view of increasing functional properties for practical use. The developed method for hardening the titanium surface includes electro-explosive carburization and subsequent electron beam treatment of the alloying zone. The features of each method determine the choice of processing modes. The thermal processes during these treatments have been studied, taking into account the specifics of each method, which makes it possible to reasonably choose the treatment modes. The effect of electron beam processing modes on the microhardness of the surface layers, the formation of maxima in the depth of the alloying zone, and a multiple increase in the microhardness of the surface layers has been established. The features of the structural and phase states and the mechanisms of hardening of the surface layers of technically pure titanium during electroexplosion carburization and subsequent electron beam treatment are revealed. A gradient multiphase structure is formed in the treatment area, the thickness of the layers of which correlates with the depth distribution of microhardness. Based on the experimental data obtained, it is concluded that the combined surface treatment of technically pure titanium grade VT1-0, combining electro-explosive carburization and subsequent electron beam treatment of the alloying zone, provides an increase in microhardness and depth of the hardening zone.

технически чистый титанэлектровзрывное легированиеэлектронно-пучковая обработкаструктурафункциональные свойстваглубина зоны обработкиechnically pure titaniumelectro-explosive alloyingelectron beam processingstructurefunctional propertiesdepth of the processing zoneReferencesПеревертов В.П., Андрончев И.К., Абулка-симов М.М. Технологии обработки матери-алов концентрированным потоком энергии. Надежность и качество сложных систем. 2015;3(11):69–79.Perevertov V.P., Andronchev I.K., Abulkasi-mov M.M. Technologies for processing mate-rials using concentrated energy flow. Nadezh-nost' i kachestvo slozhnykh sistem. 2015;3(11):69–79. (In Russ.).Перевертов В.П., Андрончев И.К., Абулка-симов М.М. Инновационные технологии обработки материалов концентрированным потоком энергии в ГПС. В кн.: Труды Меж-дународного симпозиума «Надежность и качество». 2015;1:29–35.Perevertov V.P., Andronchev I.K., Abulkasi-mov M.M. Innovative technologies of materi-als processing by concentrated energy flow in GPS. In: Proceedings of the International Sym-posium «Reliability and Quality».2015;1:29–35. (In Russ.).Петров П.Ю. Исследования поверхностной обработки изделий (материалов) машино-строения электронным лучом. Мировая наука. 2020;3(36):602–618.Petrov P.Yu. Research of surface treatment of products (materials) of mechanical engineer-ing by electron beam. Mirovaya nauka. 2020;3(36):602–618. (In Russ.).Fedun V.I., Kolyada Yu.E. Dynamics of phase transformations by electron beem surface modification of metals and alloys. Problems of Atomic Science and Technology. 2010;4:316–320.Fedun V.I., Kolyada Yu.E. Dynamics of phase transformations by electron beem surface modification of metals and alloys. Problems of Atomic Science and Technology. 2010;4:316–320.Astashynski V.M., Ananin S.I., Askerko V.V., Kostyukevich E.A., Kuzmitski A.M., Uglov V.V., Anishchik V.M., Astashynski V.V., Kvasov N.T., Danilyuk A.L. Materials surface modification using quasi-stationary plasma accelerators. Show more Surface and Coatings Technology. 2004;180-181:392–395. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.10.098Astashynski V.M., Ananin S.I., Askerko V.V., Kost-yukevich E.A., Kuzmitski A.M., Uglov V.V., An-ishchik V.M., Astashynski V.V., Kvasov N.T., Danilyuk A.L. Materials surface modification using quasi-stationary plasma accelerators. Show more Surface and Coatings Technology. 2004;180-181:392–395. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.10.098Grishin Yu.M., Kamrukov A.S., Kozlov N.P., Panasenko K.N., Chepegin D.V., Shashkovskiy S.G. Radiation-plasmodynamic method of surface hardening of steels and alloys. In: Plasma technique and plasma technologies: collection of scientific papers. Moscow: Publ. of NITs «Inzhener», 2003:193.Grishin Yu.M., Kamrukov A.S., Kozlov N.P., Panasenko K.N., Chepegin D.V., Shashkovskiy S.G. Radiation-plasmodynamic method of surface hardening of steels and alloys. In: Plasma technique and plasma technologies: collection of scientific papers. Moscow: Publ. of NITs «Inzhener», 2003:193.Cherenda N.N., Uglov V.V., Anishchik V.M., Stalmashonak A.K., Astashynski V.M., Kuzmickii A.M., Punko A.V., Thorwarth G.B., Stritzker B. Modification of high-speed steels by nitrogen compression plasma flow: structure, element composition, tribological properties. Surface and Coatings Technology. 2006;200(18-19):5334–5342. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.06.007Cherenda N.N., Uglov V.V., Anishchik V.M., Stalmashonak A.K., Astashynski V.M., Kuzmickii A.M., Punko A.V., Thorwarth G.B., Stritzker B. Modification of high-speed steels by nitrogen compression plasma flow: structure, element composition, tribological properties. Surface and Coatings Technology, 2006:200(18–19):5334–5342. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2005.06.007Pogrebnyak A.D., Tyurin Yu.N. Modification of material properties and coating deposition using plasma jets. Physics Uspekhi. 2005;48(5):487–514. https://doi.org/10.1070/PU2005v048n05ABEH002055Pogrebnyak A.D., Tyurin Yu.N. Modification of material properties and coating deposition using plasma jets. Physics Uspekhi. 2005;48(5):487–514. https://doi.org/10.1070/PU2005v048n05ABEH002055Korotaev A.D., Tyumentsev A.N., Pinzhin Yu.P., Remnev G.E. Features of the morphol-ogy, defect substructure ,and phase composi-tion of metal and alloy surfaces upon high-power ion irradiation. Surface and Coatings Technology. 2004;185(1):38–49.Korotaev A.D., Tyumentsev A.N., Pinzhin Yu.P., Remnev G.E. Features of the morphology, de-fect substructure and phase composition of metal and alloy surfaces upon high-power ion irradiation. Surface and Coatings Technology. 2004;185(1):38–49. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.11.021https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.11.021Vedernikova I.I., Poletaev V.A. Applica-tion of laser modification for strengthen-ing the working surfaces of machine de-tails. JARITS. 2019;15:18–25.Vedernikova I.I., Poletaev V.A. Applica-tion of laser modification for strengthen-ing the working surfaces of machine de-tails. JARITS. 2019;15:18–25.https://doi.org/10.26160/2474-5901-2019-15-18-25https://doi.org/10.26160/2474-5901-2019-15-18-25Nikolchuk I.S., Chumakov A.N., Kuznechik O.O., Minko D.V. Pulsed plasma surface treatment of constructional steel in the air. In: 7 Interna-tional Conference «Plasma Physics and Plasma Technology»: сontributed papers. Minsk, 2012:438–441.Nikolchuk I.S., Chumakov A.N., Kuznechik O.O., Minko D.V. Pulsed plasma surface treatment of constructional steel in the air. In: 7 Interna-tional Conference «Plasma Physics and Plasma Technology»: сontributed papers. Minsk, 2012:438–441.Aleksandrov V.V., Belan N.V., Kozlov N.P., Mashtylev N.A., Popov G.A., Protasov Yu.S., Khvesyuk V.I. Pulsed Plasma Accelerators. Khar’kov: Kharkiv Aviation Institute, 1983:247.Aleksandrov V.V., Belan N.V., Kozlov N.P., Mashtylev N.A., Popov G.A., Protasov Yu.S., Khvesyuk V.I. Pulsed Plasma Accelerators. Khar’kov: Kharkiv Aviation Institute. 1983;247.Astapchik S.A., Golubev V.S., Maslakov A.G. Laser technologies in mechanical engineering and metalworking. Minsk: Belorusskaya nau-ka. 2008:251. (In Russ.).Астапчик С.А., Голубев В.С., Маслаков А.Г. Лазерные технологии в машинострое-нии и металлообработке. Минск: Белорус-ская наука, 2008:251.Grigor'yants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Laser processing technologies. Moscow: MGTU im. N.E. Baumana, 2006:664. (In Russ.).Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обра-ботки. Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006:664.Gribkov V.A., Grigor'ev F.I. Kalin B.A., Ya-kushin V.L. Promising radiation beam tech-nologies for metal processing. Moscow: Kruglyi god, 2001:528. (In Russ.).Грибков В.А., Григорьев Ф.И. Калин Б.А., Якушин В.Л. Перспективные радиационно-пучковые технологии обработки металлов. Москва: Круглый год, 2001:528.Bagautdinov A.Ya., Budovskikh E.A., Ivanov Yu.F., Gromov V.E. Physical principles of electroex-plosive alloying of metals and alloys. Novo-kuznetsk: SibGIU, 2007:301. (In Russ.).Багаутдинов А.Я., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. Физические основы электро-взрывного легирования металлов и сплавов. Новокузнецк: СибГИУ, 2007:301.Budovskikh E.A. Regularities of formation of surface layers of metals and alloys during elec-tric explosive alloying: abstract of Doctor of Technical Sciences. Novokuznetsk. 2008:37. (In Russ.).Будовских Е.А. Закономерности формиро-вания поверхностных слоев металлов и сплавов при электровзрывном легировании: автореф. дисс. докт. техн. наук. Новокуз-нецк, 2008:37.Bagautdinov A.Ya., Budovskikh E.A., Ivanov Yu.F., Gromov V.E. Physical principles of electroex-plosive alloying of metals and alloys. Novo-kuznetsk: SibGIU. 2007:304. (In Russ.).Багаутдинов А.Я., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е. Физические основы электро-взрывного легирования металлов и сплавов. Новокузнецк: СибГИУ. 2007:304.Koval' N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of the surface of metal-ceramic and ceramic materials using pulsed electron beam processing. Izvestiya vuzov. Fizika. 2008;51(5):60‒70. (In Russ.).Коваль Н.Н., Иванов Ю.Ф. Наноструктурирование поверхности металлокерамическихи и керамических материалов при импульс-ной электронно-пучковой обработке. Известия вузов. Физика. 2008;51(5):60‒70.Lei M.K., Dong Z.H., Zhang Z., Hu Y.F., Zhu X.P. Wear and corrosion resistance of Ti6Al4V alloy irra-diated by high-intensity pulsed ion beam. Surf Coat Technol. 2007;201(9):5613–5616. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.07.013Lei M.K., Dong Z.H., Zhang Z., Hu Y.F., Zhu X.P. Wear and corrosion resistance of Ti6Al4V alloy irradiated by high-intensity pulsed ion beam. Surf Coat Technol. 2007;201(9):5613–5616. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.07.013Shymanski V.I., Cherenda N.N., Uglov V.V., Astashynskic V.M., Kuzmitski A.M. Thermal stability of the structure and phase composi-tion of titanium treated with compression plasma flows. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2018;12:710–716. https://doi.org/10.1134/S102745101804016XShymanski V.I., Cherenda N.N., Uglov V.V., Astashynskic V.M., Kuzmitski A.M. Thermal stability of the structure and phase composi-tion of titanium treated with compression plasma flows. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2018;12:710–716. https://doi.org/10.1134/S102745101804016XBashchenko L.P. Hardening of titanium sur-face by electroexplosive carburization and car-bonization with subsequent electron beam processing. Abstract of dissertation for the de-gree of candidate of technical sciences. Novo-kuznetsk, 2013:17. (In Russ.).Бащенко Л.П. Упрочнение поверхности титана при электровзрывном науглероживании и карбоборировании и последующей электронно-пучковой обработке: автореф. дисс. канд. техн. наук. Новокузнецк, 2013:17.Astashinskii V.M., Uglov V.V., Cherenda N.N., Shimanskii V.I. Modification of titanium under the influence of compression plasma flows. Minsk: Belorusskaya nauka, 2016:179. (In Russ.).Асташинский В.М., Углов В.В., Черенда Н.Н., Шиманский В.И. Модификация титана при воздействии компрессионными плазменными потоками. Минск: Белорусская наука, 2016:179.Gao Y.-K. Influence of pulsed electron beam treatment on microstructure and properties of TA15 titanium alloy. Applied Surface Science. 2013;264:633–635. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.10.083Gao Y.-K. Influence of pulsed electron beam treatment on microstructure and properties of TA15 titanium alloy. Applied Surface Science. 2013;264:633–635. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.10.083Bashchenko L.P., Efimenko I.T., Budovskikh E.A., Ivanov Yu.F., Ivanov K.V., Ionina A.V., Gromov V.E. Features of modification of tita-nium surface layers during electroexplosive carburization. Fizika i khimiya obrabotki mate-rialov. 2012;2:65–69. (In Russ.).Бащенко Л.П., Ефименко И.Т., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Иванов К.В., Ионина А.В., Громов В.Е. Особенности модифицирования поверхностных слоев титана при электро-взрывном науглероживании. Физика и химия обработки материалов. 2012;2:65–69.Бащенко Л.П., Ефименко И.Т., Будовских Е.А., Иванов Ю.Ф., Иванов К.В., Ионина А.В., Громов В.Е. Особенности модифицирования поверхностных слоев титана при электро-взрывном науглероживании. Физика и химия обработки материалов. 2012;2:65–69.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.