techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-3-33-43techusgu-355Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEИсследование механических свойств образцов титанового сплава, подвергнутых комплексной обработкеInvestigation of the mechanical properties of Titanium alloy samples subjected to complex treatmenthttps://orcid.org/0000-0002-3862-8624АгеевЕ. В.AgeevE. V.

Евгений Викторович Агеев, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры

кафедра технологии материалов и транспорта

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Evgeny V. Ageev, Doctor of Sciences (Engineering), Professor, Professor of the Department

Department of Materials Technology and Transport

305040; 50 let Oktyabrya Str. 94; Kursk

ageev_ev@mail.ruАлтуховА. Ю.AltukhovA. Yu.

Александр Юрьевич Алтухов, кандидат технических наук, доцент, проректор по научной работе и международной деятельности

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Alexander Yu. Altukhov, Candidate of Sciences (Engineering), Associate Professor, Vice-Rector for Research and International Affairs

305040; 50 let Oktyabrya Str. 94; Kursk

alt997@yandex.ruЧертушкинД. А.ChertushkinD. A.

Даниил Алексеевич Чертушкин, аспирант

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Daniil A. Chertushkin, Postgraduate Student

305040; 50 let Oktyabrya Str. 94; Kursk

ontiionr@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0001-1809-037XАндрееваА. Е.AndreevaA. E.

Анна Евгеньевна Андреева, студент

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; Курск

Anna E. Andreeva, Student

305040; 50 let Oktyabrya Str. 94; Kursk

ageevaanna2004@yandex.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation2025041220251533343Copyright © Агеев Е.В., Алтухов А.Ю., Чертушкин Д.А., Андреева А.Е., 20252025Агеев Е.В., Алтухов А.Ю., Чертушкин Д.А., Андреева А.Е.Ageev E.V., Altukhov A.Y., Chertushkin D.A., Andreeva A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/355   Цель

   Цель. Исследование механических свойств образцов титанового сплава, подвергнутых комплексной обработке, включающей термоциклическую обработку, ионное низкотемпературное азотирование и электроискровое легирование.

   Методы

   Методы. В качестве объекта упрочнения использовали пруток из титанового деформируемого сплава марки ВТ20. Термоциклическую обработку прутка осуществляли на установке ИМАШ 20-78. Ионное низкотемпературное азотирование проводили на установке ИОН. Электроискровое легирование поверхности образца производили на установке электроискрового легирования UR-121. Микротвёрдость образцов исследовали на приборе Instron. Износостойкость образцов исследовали на машине трения Tribometer.

    Результаты

    Результаты. Из полученных данных видно, что микротвердость упрочненных образцов титанового деформируемого сплава марки ВТ20 после термоциклирования увеличилась в 1,1 раза, после термоциклирования и азотирования – в 1,24 раза, после термоциклирования, азотирования и легирования – в 2,33 раза. Данному результату способствовала коагуляция зерен сплава ВТ20 и появление в его структуре фазы нитрида титана TiN. Из полученных данных видно, что среднее значение коэффициента трения упрочненных образцов титанового деформируемого сплава марки ВТ20 после термоциклирования снижается в 1,25 раза, после термоциклирования и азотирования – в 1,45 раза, после термоциклирования, азотирования и легирования – в 2 раза. Данному результату способствовало измельчение зерна сплава и коагуляция α-зерен.

   Заключение

   Заключение. В целом эволюции механических свойств исследуемых образцов способствовала эволюция их структурно-фазового состояния, а именно более мелкозернистая и высокотвердая поверхностная структура упрочненного материала. Применение предлагаемой технологии позволит получить титановые сплавы, которые по совокупности свойств должны превосходить отечественные и зарубежные аналоги.

   Purpose

   Purpose. Investigation of the mechanical properties of Titanium alloy samples subjected to complex treatment, including thermocyclic treatment, low-temperature ion nitriding and electric spark alloying.

   Methods

   Methods. A rod made of Titanium deformable alloy of VT20 grade was used as an object of hardening. The thermocyclic processing of the rod was carried out at the IMASH 20-78 installation. Ionic low-temperature nitriding was performed at the ION installation. Electric spark doping of the sample surface was performed on the UR-121 electric spark doping unit. The microhardness of the samples was studied using an Instron instrument. The wear resistance of the samples was studied using a Tribometer friction machine.

   Results

   Results. It can be seen from the data obtained that the microhardness of the hardened samples of titanium deformable alloy grade VT20 increased 1.1 times after thermal cycling, 1.24 times after thermal cycling and nitriding, and 2.33 times after thermal cycling, nitriding and alloying. This result was facilitated by the coagulation of VT20 alloy grains and the appearance of Titanium nitride TiN phase in its structure. It can be seen from the obtained data that the average value of the coefficient of friction of hardened samples of Titanium deformable alloy grade VT20 decreases by 1.25 times after thermal cycling, by 1.45 times after thermal cycling and nitriding, and by 2 times after thermal cycling, nitriding and alloying. This result was facilitated by the grinding of alloy grains and the coagulation of α-grains.

   Conclusion

   Conclusion. In general, the evolution of the mechanical properties of the studied samples was facilitated by the evolution of their structural and phase state, namely, the finer-grained and highly rigid surface structure of the hardened material. The application of the proposed technology will make it possible to obtain titanium alloys, which should surpass their domestic and foreign counterparts in terms of their combined properties.

сплавтермоциклическая обработкаионное низкотемпературное азотированиеэлектроискровое легированиесвойстваalloythermocyclic treatmentlow-temperature ionic nitridingelectric spark alloyingpropertiesИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00245, https://rscf.ru/project/24-29-00245/The study was funded by the Russian Science Foundation grant No. 24-29-00245, https://rscf.ru/project/24- 29-00245/ReferencesБубнов В.А., Костенко С.Г., Казаков С.И. Особенности деформирования и разрушения титановых сплавов при сжимающих нагрузках (на примере титанового сплава ВТ-6) // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2022. № 7. С. 35-37. EDN: YCVWIN.Bubnov V.A., Kostenko S.G., Kazakov S.I. Features of deformation and destruction of Titanium alloys under compressive loads (on the example of titanium alloy VT-6. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie = Chemical and oil and gas engineering. 2022;(7):35-37. (In Russ.) EDN: YCVWIN.Различные методы повышения износостойкости титановых сплавов и сравнительный анализ их эффективности применительно к титановому сплаву ВТ23М / С.В. Путырский, А.А. Арисланов, Н.И. Артеменко, А.Л. Яковлев // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 1(50). С. 19-24. doi: 10.18577/2071-9240-2018-0-1-19-24. EDN: YNGXOH.Putyrsky S.V., Arislanov A.A., Artemenko N.I., Yakovlev A.L. Various methods of increasing the wear resistance of titanium alloys and a comparative analysis of their effectiveness in relation to the VT23M Titanium alloy. Aviatsionnye materialy i tekhnologii = Aviation Materials and Technologies. 2018;(1):19-24. (In Russ.) doi: 10.18577/2071-9240-2018-0-1-19-24. EDN: YNGXOH.Захарова Л.В. Твердометаллическое охрупчивание титанового сплава ВТ20 в контакте с серебром, цинком и кадмием // Труды ВИАМ. 2019. № 9(81). С. 38-46. doi: 10.18577/2307-6046-2019-0-9-38-46. EDN: BYYBCP.Zakharova L.V. Solid metal embrittlement of titanium alloy VT20 in contact with silver, zinc and cadmium. Trudy VIAM = Proceedings of VIAM. 2019;(9):38-46. (In Russ.) doi: 10.18577/2307-6046-2019-0-9-38-46. EDN: BYYBCP.Лазерная сварка разнородных материалов на основе титанового сплава ВТ20 и алюминиевого сплава В-1461 / А.Г. Маликов, А.М. Оришич, И.Е. Витошкин, Е.В. Карпов, А.И. Анчаров // Прикладная механика и техническая физика. 2020. Т. 61, № 2(360). С. 175-186. doi: 10.15372/ PMTF20200218. EDN: WZHFLL.Malikov A.G., Orishich A.M., Vitoshkin I.E., Karpov E.V., Ancharov A.I. Laser welding of heterogeneous materials based on VT20 titanium alloy and B-1461 aluminum alloy. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika = Applied Mechanics and technical physics. 2020;61(2):175-186. doi: 10.15372/PMTF20200218. EDN: WZHFLL.Зеньков Е.В. Экспериментальные исследования прочности моделей шатунов автомобильных двигателей из титанового сплава ВТ20 // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 11-1(113). С. 23-28. doi: 10.23670/IRJ.2021.113.11.006. EDN: AASZVE.Zenkov E.V. Experimental studies of the strength of connecting rod models of automotive engines made of titanium alloy VT20. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal = International Scientific Research Journal. 2021;(11-13):23-28. (In Russ.) doi: 10.23670/IRJ.2021.113.11.006. EDN: AASZVE.Влияние параметров деформационно-термической обработки на механические свойства титанового сплава ВТ20 / Л.И. Зайнуллина, Д.О. Стукалин, Ю. Дун, И.В. Александров // Materials. Technologies. Design. 2024. Т. 6, № 2(17). С. 74-80. doi: 10.54708/26587572_2024_621774. EDN: LLXWIG.Zainullina L.I., Stukalin D.O., Dong Yu., Alexandrov I.V. The influence of the parameters of deformation and heat treatment on the mechanical properties of Titanium alloy VT20. Materials. Technologies. Design. 2024;6(2):74-80. (In Russ.) doi: 10.54708/26587572_2024_621774. EDN: LLXWIG.Повышение эксплуатационных свойств титанового сплава ВТ20 статико-импульсной обработкой / Е.В. Агеев, А.Ю. Алтухов, А.С. Переверзев, А.Е. Агеева // Упрочняющие технологии и покрытия. 2024. Т. 20, № 9(237). С. 393-397. doi: 10.36652/1813-1336-2024-20-9-393-397. EDN: RHVMAU.Ageev E.V., Altukhov A.Yu., Pereverzev A.S., Ageeva A.E. Improving the operational properties of VT20 Titanium alloy by static pulse treatment. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Hardening technologies and coatings. 2024;20(9):393-397. (In Russ.) doi: 10.36652/1813-1336-2024-20-9-393-397. EDN: RHVMAU.Головкин П.А. Повышение качества штампованных поковок типа диск из титанового сплава ВТ20 // Титан. 2023. № 3(79). С. 34-39. EDN: PBYLNB.Golovkin P.A. Improving the quality of stamped forgings of the VT20 Titanium alloy disc type. Titan = Titanium. 2023;(3):34-39. (In Russ.) EDN: PBYLNB.Егоров С.А., Волков А.Е. Изменение энтальпии обратного мартенситного превращения в никелиде титана при термоциклировании под нагрузкой // Механика композиционных материалов и конструкций. 2019. Т. 25, № 1. С. 87-96. EDN: FTOFWR.Egorov S.A., Volkov A.E. Change in the enthalpy of reverse martensitic rotation in Titanium nickelide during thermal cycling under load. Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsii = Mechanics of composite materials and structures. 2019;25(1):87-96. (In Russ.) EDN: FTOFWR.Палканов П.А., Кошуро В.А., Фомин А.А. Исследование состава, структуры и твердости титана, подвергнутого индукционному азотированию // Вопросы электротехнологии. 2022. № 4(37). С. 19-27. EDN: OWXVNG.Palkanov P.A., Koshuro V.A., Fomin A.A. Investigation of the composition, structure and hardness of Titanium subjected to induction nitriding. Voprosy elektrotekhnologii = Questions of electrical technology. 2022;(4):19-27. (In Russ.) EDN: OWXVNG.Электроискровая обработка титанового сплава ВТ20 твердым сплавом Т15К6 / Е.В. Агеев, А.Ю. Алтухов, Н.Н. Карпенко, А.Е. Агеева // Упрочняющие технологии и покрытия. 2025. Т. 21, № 5(245). С. 202-206. doi: 10.36652/1813-1336-2025-21-5-202-206. EDN: IAKIGU.Ageev E.V., Altukhov A.Yu., Karpenko N.N., Ageeva A.E. Electric spark treatment of Titanium alloy VT20 with hard alloy T15K6. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Hardening technologies and coatings. 2025;21(5):202-206. (In Russ.) doi: 10.36652/1813-1336-2025-21-5-202-206. EDN: IAKIGU.Ночовная Н.А., Ширяев А.А. Сравнительное исследование комплекса свойств высокотехнологичных листовых титановых сплавов псевдо-α и псевдо-β классов // Металлург. 2019. № 7. С. 65-70. EDN: FRCSXL.Nochovaya N.A., Shiryaev A.A. Comparative study of the complex properties of high-tech Titanium sheet alloys of pseudo-α and pseudo–β classes. Metallurg = Metallurgist. 2019;(7):65-70. (In Russ.) EDN: FRCSXL.Гайсин Р.А., Имаев В.М., Имаев Р.М. Микроструктура и механические свойства композита псевдо-α-титановый сплав/TiB, полученного in situ с помощью литья и подвергнутого деформационной и термической обработке // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119, № 9. С. 961-970. doi: 10.1134/S0015323018090048. EDN: XVKVXR.Gaisin R.A., Imaev V.M., Imaev R.M. Microstructure and mechanical properties of a composite pseudo-α-titanium alloy/TiB obtained in situ by casting and subjected to deformation and heat treatment. Fizika metallov i metallovedenie = Physics of Metals and Metal science. 2018;119(9):961-970. (In Russ.) doi: 10.1134/S0015323018090048. EDN: XVKVXR.Азотирование титана ВТ1-0 в постоянном и импульсном режимах горения несамостоятельного тлеющего разряда с титановым полым катодом / В.В. Денисов, Ю.Х. Ахмадеев, Ю.А. Денисова, Ю.Ф. Иванов, Н.Н. Коваль, Е.В. Островерхов [и др.] // Известия вузов. Физика. 2017. Т. 60, № 10-2. С. 44-48. EDN: YPMVDL.Denisov V.V., Akhmadeev Yu.K., Denisova Yu.A., Ivanov Yu.F., Koval N.N., Ostroverkhov E.V., et al. Nitriding of Titanium VT1-0 in constant and pulsed gorenje modes of a non-self-contained glow discharge with a Titanium hollow cathode. Izvestiya vuzov. Fizika = Izvestiya vuzov. Physics. 2017;60(10-2):44-48. (In Russ.) EDN: YPMVDL.Structure of commercial titanium subjected to low-temperature ion nitriding / V.A. Kukareko, V.M. Konstantinov, N.A. Vereshchak, A.N. Grigorchik // Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials. 2022. No. 1(58). P. 48-55. doi: 10.46864/1995-0470-2022-1-58-48-55. EDN: AUUNYP.Kukareko V.A., Konstantinov V.M., Vereshchak N.A., Grigorchik A.N. Structure of commercial Titanium subjected to low-temperature ion nitriding. Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials. 2022;(1):48-55. doi: 10.46864/1995-0470-2022-1-58-48-55. EDN: AUUNYP.Электроискровое легирование поверхности сплавов на основе никеля и титана / В.Н. Гадалов, С.Г. Емельянов, Н.М. Игнатенко, И.В. Ворначева, В.И. Савельев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. № 1(18). С. 9-20. EDN: VVRZXR.Gadalov V.N., Yemelyanov S.G., Ignatenko N.M., Vornacheva I.V., Savelyev V.I. Electric spark alloying of the surface of Nickel- and Titanium-based alloys. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2016;(1):9-20. (In Russ.) EDN: VVRZXR.Колесников А.В., Михайлов И.В. Пневмотермическая формовка деталей и многослойных конструкций авиакосмической техники из титанового сплава ВТ20 // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26, № 1. С. 244-250. EDN: YZYOGT.Kolesnikov A.V., Mikhailov I.V. Pneumothermal molding of parts and multilayer structures of aerospace equipment made of Titanium alloy VT20. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta = Bulletin of the Moscow Aviation Institute. 2019;26(1):244-250. (In Russ.) EDN: YZYOGT.Исследование фазового состава и микротвёрдости композиционных материалов на основе акриловой смолы с включением наночастиц диоксида титана и частиц диоксида церия / А.И. Колпаков, В.А. Мамонтов, В.М. Пауков, С.А. Беляев, М.А. Пугачевский, А.И. Жакин [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2025. Т. 15, № 1. С. 95-105. doi: 10.21869/2223-1528-2025-15-1-95-105. EDN: QRDXAE.Kolpakov A.I., Mamontov V.A., Paukov V.M., Belyaev S.A., Pugachevsky M.A., Zhakin A.I., et al. Investigation of the phase composition and microhardness of composite materials based on acrylic resin with the inclusion of Titanium dioxide nanoparticles and Cerium dioxide particles. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2025;15(1):95-105. (In Russ.) doi: 10.21869/2223-1528-2025-15-1-95-105. EDN: QRDXAE.Исследование состава, структуры и свойств электроискровых покрытий на образцах сплава ВТ20 / Е.В. Агеев, А.Ю. Алтухов, А.С. Переверзев, А.Е. Агеева // Упрочняющие технологии и покрытия. 2024. Т. 20, № 10(238). С. 441-446. doi: 10.36652/1813-1336-2024-20-10-441-446. EDN: QRPNHM.Ageev E.V., Altukhov A.Yu., Pereverzev A.S., Ageeva A.E. Investigation of the composition, structure and properties of electric spark coatings on VT20 alloy samples. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Hardening technologies and coatings. 2024;20(10):441-446. (In Russ.) doi: 10.36652/1813-1336-2024-20-10-441-446. EDN: QRPNHM.Оценка глубины проникновения азота при упрочнении сплава ВТ20 / Е.В. Агеев, А.Ю. Алтухов, А.С. Переверзев, А.Е. Агеева // Упрочняющие технологии и покрытия. 2025. Т. 21, № 6(246). С. 272-275. doi: 10.36652/1813-1336-2025-21-6-272-275. EDN FYKFJP.Ageev E.V., Altukhov A.Yu., Pereverzev A.S., Ageeva A.E. Assessment of the depth of nitrogen penetration during hardening of VT20 alloy. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Hardening technologies and coatings. 2025;21(6):272-275. (In Russ.) doi: 10.36652/1813-1336-2025-21-6-272-275. EDN: FYKFJP.

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