Лаборатория 07 «Материаловедение труднодеформируемых сплавов»

Руководитель подразделения: 

  Области исследований лаборатории

1. Разработка легких жаропрочных интерметаллидных сплавов на основе алюминидов титана и создание основ технологий их формообразования для изготовления сложнопрофильных деталей, предназначенных для применения в авиационном двигателестроении.

2. Разработка основ технологий формообразования и оборудования для изготовления осесимметричных изделий ответственного назначения из жаропрочных сплавов и сталей для применения в авиационном/двигателестроении.

3. Исследование микроструктуры и механических свойств жаропрочных никелевых сплавов, а также разработка методов их деформационной обработки, обеспечивающих улучшение механических свойств.

4. Разработка физических методов создания высокотемпературных сверхпроводников с высокой токонесущей способностью, основанных на использовании горячей деформации и управлении рекристаллизационными процессами.

5. Разработка новых композиционных материалов и высоколегированных сплавов на основе титана, а также методов их обработки, обеспечивающих существенное улучшение механических свойств.

6. Развитие методов получения качественных соединений из разнородных сплавов с помощью сварки давлением (совместно с 9 и 10 лабораториями).

7. Разработка сверхжаропрочных материалов на основе силицидов тугоплавких металлов и исследование их микроструктуры и механических свойств.

8. Изучение микроструктуры и свойств материалов, полученных селективным лазерным плавлением, применительно к жаропрочным сплавам (совместно с УГАТУ).

Состав лаборатории

1. Валитов В.А. – д.т.н., в.н.с.

2. Имаев М.Ф. – д.т.н., в.н.с.

3. Мухтаров Ш.Х. – к.т.н., с.н.с.

4. Назарова Т.И. – к.т.н., н.с.

5. Гайсин Р.А. – к.т.н., н.с.

6. Гайсина Э.Р. – стажер-исследователь

7. Ганеев А.А. – стажер-исследователь

8. Кабирова Д.Б. – старший инженер

9. Пархимович Н.Ю. – инженер

Важнейшие научные результаты, полученные в лаборатории

1. Интерметаллидные сплавы на основе алюминидов титана

1.1. На основе экспериментальных исследований существенно дополнены и обогащены представления о природе пластической деформации и хрупко-вязкого перехода в интерметаллидных сплавах на основе g(TiAl) и a2(Ti3Al). Установлено, что в отличие от ОЦК металлов хрупко-вязкий переход в указанных интерметаллидных сплавах является имманентным свойством, которое всегда проявляется при повышенных температурах независимо от уровня примесей в материале и существенно зависит от микроструктурного состояния, прежде всего, протяженности и типа границ зерен. Показано, переход от хрупкого состояния к вязкому в сплавах на основе g(TiAl) и a2(Ti3Al) происходит в два этапа. Сначала термоактивируемые процессы развиваются в границах зерен, что облегчает поглощение дислокаций границами, зарождение новых дислокаций и передачу дислокационного скольжения от зерна к зерну. При дальнейшем повышении температуры термоактивируемые процессы развиваются в объеме зерен, облегчая переползание дислокаций, миграцию границ зерен, зернограничное проскальзывание и обеспечивая изменение характера разрушения от хрупкого к вязкому [1, 2]. Развитие пластической деформации в области хрупкого разрушения определяется соотношением между скоростью зарождения новых дислокаций, зависящей от протяженности границ зерен и определяющей характер дислокационного скольжения, и длиной свободного пробега дислокаций. Для сплавов на основе g(TiAl) и a2(Ti3Al) экспериментально выявлены микроструктурные состояния, обеспечивающие максимальную пластичность в области хрупкого разрушения [3, 4].

1.2. Получены приоритетные результаты, касающиеся получения однородных мелко- и ультрамелкозернистых состояний в объемных полуфабрикатах алюминидов титана на основе фаз g(TiAl), a2(Ti3Al) и О(Ti2AlNb). Экспериментально подобраны условия деформационной и термической обработки этих сплавов, обеспечивающие эффективное измельчение микроструктуры за счет развития процессов рекристаллизации и фазовых превращений [4-7].

1.3. Систематически исследовано явление сверхпластичности в интерметаллидных сплавах на основе фаз g(TiAl), a2(Ti3Al) и О(Ti2AlNb). Установлено, что несмотря на сходство механизмов сверхпластической деформации интерметаллидных и металлических сплавов, эффект сверхпластичности в указанных интерметаллидных сплавах проявляется при более высоких гомологических температурах и сопровождается развитием динамической рекристаллизации. Продемонстрирована возможность горячей штамповки небольших сложнопрофильных деталей (лопаток) из g(TiAl) и О(Ti2AlNb) сплавов при умеренных температурах в условиях сверхпластичности. В лабораторном масштабе осуществлена листовая прокатка и формовка листов из g(TiAl) и О(Ti2AlNb) сплавов при умеренных температурах в условиях, приближенных к сверхпластическим [7-10].

1.4. Совместно с коллегами из Германии разработана концепция легирования интерметаллидных сплавов на основе g(TiAl) (TNM-сплавы), получаемых литьем. Предложенная концепция основана на использовании β-затвердевающих g(TiAl) сплавов, легированных ниобием, молибденом и бором, что обеспечивает эффективный контроль микроструктуры в ходе затвердевания и твердофазных превращений в слитке в процессе охлаждения. Показано, что в этих сплавах удается достичь регламентированных микроструктурных состояний как в слитке (после термической обработки), так и после деформационно-термической обработки, что обеспечивает достижение наиболее сбалансированных механических свойств [11-15].

 

 

TNM-сплав состава Ti-45Al-5Nb-1Mo-0.2B (ат. %): а – макроструктура, б – пластинчатая микроструктура слитка после термической обработки, в – дуплексная микроструктура после деформационной и термической обработки

Некоторые свойства g(TiAl) сплавов

 

EBSD-карта g(TiAl) фазы и сверхпластически растянутые образцы сплава Ti-45Al-8Nb-0,2C (ат. %) в ультрамелкозернистом состоянии, полученном с помощью горячей экструзии и последующей штамповки при пониженных температурах. При Т=1000°С (ε¢=8,3×10-4 с-1) достигнуто рекордное для g(TiAl) сплавов удлинение - d=1342%.

Интерметаллидные лопатки, отштампованные в условиях сверхпластичности, подвергнутые термической и заключительной механической обработке.

 

  

 

Листовые полуфабрикаты из g(TiAl) сплавов, полученные с помощью пакетной прокаткой в оболочке из нержавеющей стали, и пример формовки в полусферу листового полуфабриката из сплава Ti-45Al-5Nb-1Mo-0,2B (ат. %). Прокатка и формовка осуществлялись при умеренных температурах (Т<1000°С).

Публикации

1. Имаев В.М., Имаев Р.М., Салищев Г.А. Хрупко-вязкий переход в интерметаллиде TiAl // Физика металлов и металловедение. 1996. №10. С. 154-164.

2. Imayev V.M., Imayev R.M., Salishchev G.A. On Two Stage of Brittle-to-Ductile Transition in TiAl Intermetallic // Intermetallics. 2000. V. 8. P. 1-6.

3. Imayev V.M., Imayev R.M., Salishchev G.A. et al. Effect of Grain Size and Strain Rate on Twinning and Room Temperature Ductility of TiAl with Fine Equiaxed Microstructure // Scr. Mater. 1997. V. 36. P. 891-897.

4. Imayev R.M., Gabdullin N.K., Salishchev G.A., Senkov O.N., Imayev V.M., and Froes F.H., Effect of Grain Size and Partial Disordering on Ductility of Ti3Al at Temperatures of 20°C to 600°C // Acta Mater. 1999. V. 47. P. 1809-1821.

5. Imayev R.M., Imayev V.M., Salishchev G.A., Formation of Submicrocrystalline Structure in TiAl Intermetallic Compound // J. of Mater. Sci. 1992. V. 27. P. 4465-4471.

6. Имаев В.М., Имаев Р.М., Кузнецов А.В., Оеринг М., Аппель Ф., Новые подходы к деформационно-термической обработке литых интерметаллидных сплавов на основе g-TiAl+a2-Ti3Al // Физика металлов и металловедение. 2005. Т. 100. №2. С. 51-62.

7. Shagiev M.R., Salishchev G.A. Microstructure and Mechanical Properties of Nanostructured Intermetallic Alloy Based on Ti2AlNb // Materials Science Forum. 2008. V. 584-586. P. 153-158.

8. Imayev R.M., Salishchev G.A., Imayev V.M. et al. Low-Temperature Superplasticity of Titanium Aluminides // Mat. Sci. & Eng. A. 2001. V. 300. P. 263-277.

9. Imayev V.M., Gaisin R.A., Rudskoi A.I., Nazarova T.I., Shaimardanov R.A., and Imayev R.M. Extraordinary superplastic properties of hot worked Ti-45Al-8Nb-0.2C alloy // J. of Alloys & Compounds. 2016. V. 663. P. 217-224.

10. Imayev V.M., Imayev R.M., Kuznetsov A.V., Shagiev M.R., Salishchev G.A. Superplastic Properties of Ti-45.2Al-3.5(Nb,Cr,B) Sheet Material Rolled Below the Eutectoid Temperature // Mat. Sci. & Eng. A. 2003. V. 348. P. 15-21.

11. Imayev V.M., Imayev R.M., Kuznetsov A.V. Mechanical Properties of Thermomechanically Treated Ti-rich g+a2 Titanium Aluminide Alloys // Scr. Mater. 2003. V. 49. P. 1047-1052.

12. Imayev R.M., Imayev V., Oehring M., Appel F., Alloy Design Concepts for Refined Cast and Wrought Gamma Titanium Aluminide Based Alloys // Intermetallics. 2007. V. 15. P. 451-460.

13. Imayev V.M., Oleneva T.I., Imayev R.M., Christ H.-J., Fecht H.-J. Microstructure and mechanical properties of low and heavy alloyed g-TiAl+a2-Ti3Al based alloys subjected to different treatments // Intermetallics. 2012. V. 26. P. 91-97.

14. Имаев В.М., Имаев Р.М., Оленева Т.И. Современное состояние исследований и перспективы развития технологий интерметаллидных g-TiAl сплавов // Письма о материалах. 2011. T. 1. С. 25-31.

15. Назарова Т.И., Имаев В.М., Имаев Р.М., Мулюков Р.Р. Улучшение механических свойств интерметаллидного сплава Ti-45Al-5nb-1Mo-0.2b за счет управления микроструктурой // Физика металлов и металловедение. 2016. Т. 117 (10). С. 1073-1081.

16. Nazarova T.I., Imayev V.M., Imayev R.M., Fecht H.-J. Study of microstructure and mechanical properties of Ti-45Al-(Fe,Nb) (at. %) alloys // Intermetallics. 2017. V. 82. P. 26-31.

Патенты

1. Способ обработки литых заэвтектоидных сплавов на основе алюминидов титана g-ТiАl и a2-Тi3Аl / Имаев В.М., Имаев Р.М., Кузнецов А.В. и др. // Патент на изобретение №2203976: МПК C22F1/18, 2003.

2. Имаев В.М., Имаев Р.М., Назарова Т.И., Хисматуллин Т.Г. Способ термической обработки литых заготовок из заэвтектоидных интерметаллидных сплавов на основе фаз g-TiAl+a2-Ti3Al, Патент на изобретение № 2503738, 2014.

2. Жаропрочные никелевые сплавы и стали

2.1. Разработаны опытно-промышленные технологии изготовления мелко- и ультрамелкозернистых объемных и листовых полуфабрикатов из различных жаропрочных никелевых сплавов и сталей, таких как ЭП742, ЭК79, ЭП962, ЭП975, Waspaloy, Rene 88, Rene 95, Astroloy, ЭП741НП, Inconel 718, ATI Allvac 718Plus и др., посредством деформационно-термической обработки, в том числе ковки в изотермических и квазиизотермических условиях [1-7].

2.2. Выполнены приоритетные работы, в которых показана возможность достижения сверхпластических свойств в жаропрочных никелевых сплавах с мелкой и ультрамелкозернистой структурой, а также использования эффекта сверхпластичности при изготовлении сложнопрофильных деталей газотурбинного двигателя (ГТД), таких как диски, кольца и др., а также при формовке и сварке давлением [1, 2, 8-10].

2.3. Показано, что достижение мелко- и ультрамелкозернистой структуры в жаропрочных никелевых сплавах может быть эффективно использовано для достижения регламентированных гетерофазных, в том числе градиентных структурных состояний, обеспечивающих улучшенные механические свойства [1, 2, 11, 12].

2.4. Выполнены приоритетные работы и разработаны оригинальные технологии изотермической раскатки и ротационной вытяжки сложнопрофильных осесимметричных деталей ГТД (диск, пустотелый вал, обечайка) из сплавов на основе никеля, титана, железа. В отличие от традиционных технологий, в том числе применяемых в развитых странах мира, технологии раскатки позволяют качественно увеличить коэффициент использования материала (до 0,5-0,7) [1, 8-10].

2.5. Модернизировано технологическое оборудование (раскатные станы СРЖД-800 и PNC-600) для раскатки дисков диаметром до 800 мм [1, 8-10].

      

Ультрамелкозернистая структура, полученная в сплаве Inconel 718 методом всесторонней изотермической ковки.

 

Прокатанный листовой полуфабрикат из ультрамелкозернистого сплава Inconel 718 (d=0,3 мкм) и пример встречной формовки и сварки давлением, осуществленных в условиях сверхпластичности (при Т≈900°С).

 

Общий вид (а) и макроструктура (б) дисков из сплава Inconel 718, изготовленных способом ротационной вытяжки в условиях сверхпластичности.

Формирование ультрамелкозернистой микроструктуры в сплаве ЭП962 после деформационно-термической обработки: а,б – после гетерогенизационного отжига в g+g¢ области; в – мелкозернистая микроструктура типа микродуплекс, полученная после одностадийной деформационно-термической обработки; г,д – ультрамелкозернистая микроструктура, d=0,25 мкм (г) и d=0,08 (д) мкм, полученная после многостадийной деформационно-термической обработки.

  

 

Макро (а,б) и микроструктура (в-д) раскатанных дисков из сплава ЭП962: а - однородная по всему сечению диска крупнозернистая структура, полученная раскаткой при Т=1050°С с последующей термической обработкой, включающей в себя нагрев до температуры полного растворения γ¢-фазы (tп.р.g¢) и старение; б – градиентная структура по сечению раскатанного диска; в - крупнозернистая микроструктура с извилистыми границами зерен в ободе, г – микроструктура типа «ожерелье» в полотне, д – относительно крупнозернистая микроструктура в ступице (d=30 мкм). Раскатку осуществляли при Т=1100оС с последующей термической обработкой в g+g¢ области.

      

Механические свойства диска из сплава ЭП962 с градиентной структурой (относительно крупнозернистая в ступице (d=30 мкм), микроструктура типа «ожерелье» в полотне и крупнозернистая с извилистыми границами зерен в ободе диска) и свойствами.

Публикации

1. Сверхпластичность ультрамелкозернистых сплавов: эксперимент, теория, практика / Р.Р. Мулюков, Р.М. Имаев, А.А. Назаров, В.М. Имаев, М.Ф. Имаев, В.А. Валитов, Р.М. Галеев, С.В. Дмитриев, А.В. Корзников, А.А. Круглов, Р.Я. Лутфуллин,  М.В. Маркушев, Р.В. Сафиуллин, О.Ш. Ситдиков, В.Г. Трифонов, Ф.З. Утяшев; под ред. Р.Р. Мулюкова, Р.М. Имаева, А.А. Назарова, В.М. Имаева, М.Ф. Имаева. М.: Наука, 2014. 284с.

2. Валитов В.А. Управление структурой и свойствами никелевых сплавов посредством деформационно-термической обработки в твердофазном состоянии // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент. Материалы VI международной научно-инновационной молодежной конференции. Тамбов: Издательство ИП Чеснокова А.В., 2015. С. 71-88.

3. Valitov V.A., Kaibyshev O.A., Mukhtarov Sh. Kh., Bewlay B.P., Gigliotti M.F.X. Low Temperature And High Strain-Rate Superplasticity Of Nickel Base Alloys // Proc. of the International Conference «On Superplasticity in Advanced Materials». Orlando, USA. 2001. P. 417-424.

4. Valitov V.A., Kaibyshev O.A., Mukhtarov Sh. Kh., Bewlay B.P., Hardwicke C.U., Gigliotti M.F.X. Production Of Large-Scale Microcrystalline Forgings For Roll Forming Of Axially Symmetric Alloy 718 Components // Proc. of the 5th Int. Special Emphasis Symposium On Superalloys 718, 625, 706 & Derivatives. Pittsburgh, USA. 2001. P. 301-311.

5. Valitov V.A., Mulyukov R.R., Gigliotti M.F.X., and Subramanian P.R. Severe thermomechanical processing as an effective method for the preparation of bulk and sheet nanostructured semifinished products from nickel Alloys 718 and 718Plus // Proc. of the Conference “Superalloys 2008” / In Book «Superalloys 2008» edit. by Roger C. Reed, Kenneth A. Green, Pierre Caron, Timothy P. Gabb, Michael G. Fahrmann, Eric S. Huron, and Shiela A. Woodard. TMS. 2008. Р. 325-332.

6. Ганеев А.А, Валитов В.А. Формирование ультрамелкозернистой структуры в никелевом сплаве ЭП741НП при горячей деформации в γ+γ'-области // Письма о Mатериалах. 2015. Т. 5. №2. C. 152-155.

7. Mukhtarov Sh., Dudova N., Valitov V. Processing and Mechanical Properties of Bulk Nanostructured Nickel Base Alloys // Materials Science & Engineering A. 503 (2009). P. 181-184.

8. Валитов В.А., Мулюков Р.Р., Назаров А.А., Сухоруков Р.Ю., Утяшев Ф.З. Использование эффекта сверхпластичности для раскатки газотурбинных дисков из жаропрочных никелевых сплавов // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2013. №3. С. 51-56.

9. Utyashev F.Z, Mulyukov R.R., Sukhorukov R.Yu., Valitov V.A. Novel  processing and equipment for local forming of complex shape components out of high temperature alloys under superplastic conditions// Materials Science Forum. 838-839 (2016) P. 615-620

10. Utyashev F.Z., Mukhtarov Sh.Kh., Nazarov A.A., Mulyukov R.R. Superplastic Roll Forming of Axial Symmetric Articles from Superalloys // Advanced Materials Research. V. 278. 2011. P. 301-305.

11. Mukhtarov S.K., Ermachenko A.G. Influence of severe plastic deformation and heat treatment on microstructure and mechanical properties of a nickel-iron based superalloy. // Reviews on Advanced Materials Science. V. 31. 2012. P. 151-156.

12. Мухтаров Ш.Х., Шахов Р.В. Влияние мелкозернистой структуры на усталостные свойства жаропрочного никель-железного сплава Inconel 718 // Известия ВУЗов. Физика. 2015. Т. 58. №6. С. 110-115.

Патенты

1. Кайбышев О.А., Валитов В.А., Салищев Г.А. Способ обработки дисперсионно-твердеющих сплавов на основе никеля // Патент РФ №2041284.

2. Утяшев Ф.З., Кайбышев О.А., Валитов В.А. Способ изготовления осесимметричных деталей и способы изготовления заготовок из многофазных сплавов для его осуществления (варианты) // Патент РФ. №2119842.

3. Утяшев Ф.З., Кайбышев О.А., Валитов В.А. Стан для изготовления осесимметричных деталей // Патент РФ. № 2134175.

4. Валитов В.А., Кайбышев О.А., Мухтаров Ш.Х. Способ изготовления листового полуфабриката из сплава на основе никеля типа Inconel 718 // Патент РФ. - № 2269585.

5. Utyashev F.Z., Kaibyshev O.A., Valitov V.A. Method For Processing Billets From Multiphase Alloys // European Patent. EP 0 909 339 B1. 21.11.2001 Bulletin 2001/47.

6. Utyashev F.Z., Kaibyshev O.A., Valitov V.A. Method for processing billets from multiphase alloys and the article // US 6565683 B1. May 20, 2003.

7. Utyashev F.Z., Kaibyshev O.A., Valitov V.A. Method For Producing Axially Simmetric Parts And The Article // European Patent EP 0912270 B1. 06/03/2002 Bulletin 2002/10.

8. Utyashev F.Z., Kaibyshev O.A., Valitov V.A. Method For Producing Axially Simmetric Parts And The Article // US No 6939419 B1. Sep. 6, 2005.

9. Utyashev F.Z., Kaibyshev O.A., Valitov V.A. Mill for producting axially symmetric Parts // Патент США (United States Patent). No 6158261. Dec. 12, 2000.

10. Utyashev F.Z., Kaibyshev O.A., Valitov V.A. Mill for producting axially symmetric Parts // European Patent EP 0925 130 B1/ 02.04.2003 Bulletin 2003/14.

11. Валитов В.А., Ганиев Р.Ф., Мулюков Р.Р., Мухтаров Ш.Х., Назаров А.А., Сухоруков Р.Ю., Утяшев Ф.З. Способ изготовления осесимметричных деталей типа дисков // Патент на изобретение № 2548349. Зарегистрировано в гос. реестре РФ 19.03.2015.

3. Высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) керамики

3.1. В керамиках Bi2Sr2CaCu2O8+d (Bi2212) и Bi(Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+d {Bi(Pb)2223} температура инконгруэнтного плавления увеличивается скачком на 50-60оС при небольшом (1-10 МПа) квазигидростатическом давлении, дальнейшее увеличение давления сопровождается очень слабым ростом температуры плавления. Реакции распада Bi2212 и Bi(Pb)2223 под давлением существенно отличаются от тех, которые имеют место при плавлении без давления и характеризуются образованием соединений с более высокими степенями окисления некоторых катионов. Обнаруженный эффект обусловлен наличием в Bi2212 и Bi(Pb)2223 стабилизирующего кристаллическую решетку избыточного кислорода. Всестороннее сжатие препятствует выделению избыточного кислорода, что приводит к повышению термической стабильности решеток Bi2212 и Bi(Pb)2223 [1, 2].

3.2. В керамиках YBa2Cu3O7-x (Y123), Bi2212 и Bi(Pb)2223 существует два температурных интервала, различающихся типом формирующейся микроструктуры. Границей интервалов является температура плавления первой эвтектики. При деформации в низкотемпературном (твердофазном) интервале развивается динамическая рекристаллизация, благодаря которой формируется субмикронная равноосная микроструктура. В высокотемпературном (твердожидком) интервале происходит формирование и рост пластинчатой микроструктуры. В твердофазном интервале деформация осуществляется за счет внутризеренного движения дислокаций и проскальзывания по «твердым» границам зерен (в случае Y123) и зерен/колоний зерен (в случае Bi2212 и Bi(Pb)2223). В твердожидком интервале главным механизмом деформации является проскальзывание зерен/колоний друг относительно друга по жидкой пленке [3, 4, 5, 6, 7, 8-10, 11].

3.3. Установлено, что при деформации в твердофазной области из-за формирования мелкозернистой равноосной микроструктуры острая текстура не формируется, поскольку при проскальзывании зерен/колоний зерен друг относительно друга (главный механизм деформации) равноосные зерна/колонии зерен ориентируются в пространстве произвольно. При деформации в твердожидкой области, напротив, формируется острая базисная текстура. Острота текстуры возрастает с увеличением температуры деформации, достигая максимума в температурном интервале инконгруэнтного плавления матричной фазы (в случае Y123) или метастабильной области (в случае Bi2212 и Bi(Pb)2223). Основными механизмами формирования базисной компоненты текстуры являются разворот и укладка пластинчатых зерен/колоний зерен осью [001] параллельно оси сжатия, а также анизотропный рост зерен. Вклад внутризеренного скольжения в общую текстуру проявляется в преимущественной ориентировке некоторых осей [hk0] вдоль оси прутка при экструзии и вдоль/поперек радиусов таблетки при кручении под квазигидростатическим давлением (КГД) [3, 4, 6-8, 12-16].

3.4. В твердожидкой области керамика Bi2212 и композит Bi2212/MgO демонстрируют схожую и сильно неравномерную зависимость сверхпроводящих свойств (Jc, Birr, <E>) от температуры деформации. В композите частицы MgO дают заметный вклад в пиннинг магнитного потока только после низкотемпературной деформации. С повышением температуры деформации они растут и теряют свою эффективность. Как в композите Bi2212/MgO, так и в нелегированной керамике Bi2212 наилучшими сверхпроводящими свойствами обладают образцы, деформированные в метастабильной области. Неравномерную зависимость свойств от температуры деформации удается непротиворечиво объяснить на основе представлений о действии четырех основных типов центров пиннинга магнитных вихрей: 1) частицы MgO; 2) внутризеренные решеточные дефекты (точечные дефекты, дислокации, дефекты упаковки); 3) малоугловые межколониальные границы; 4) частицы вторичных фаз, возникшие при распаде метастабильной фазы Bi2212. Плотность каждого из типов центров пиннинга зависит от температуры деформации. Локальные максимумы свойств возникают тогда, когда вклад дают центры пиннинга не менее двух типов. Максимальные свойства формируются в метастабильной области благодаря большой протяженности малоугловых границ и высокой плотности частиц, возникших при распаде фазы Bi2212 [6, 8, 17].

3.5. Более острую текстуру, чем при экструзии и одноосном сжатии, в ВТСП керамиках удается достичь при использовании КГД. Таким методом в керамике Bi2212 были получены острая текстура с шириной на полувысоте кривой качания пика (00l) FWHM=7,5о и высокие сверхпроводящие свойства: при Т = 4,2 К и В = 1,5 Тл внутриколониальная плотность критического тока составила 2×107 А/см2, а межколониальная - 4×104 А/см2, энергия пиннинга магнитного потока - 30 мэВ [6, 8, 18].

Внешний вид исходного и экструдированных при Тд=875оС образцов керамики Y123 (а) и зависимость плотности транспортного критического тока Jc от напряженности магнитного поля при Т=77 К для недеформированного и подвергнутых экструзии при Тд=875оС на ε=75% и ε=90% образцов керамики Y123.

Типичный внешний вид образца керамики Y123 после высокотемпературного КГД: (а) непосредственно после деформации (образец находится между двумя монокристаллами MgO); (б) после сошлифовывания подложек MgO и приклеивания образца на текстолит

      

Текстурные измерения, выполненные для керамики Y123 после КГД при Тд=950°С, Р=10 МПа, ω=1,85×10-4 об/мин, α=10°, иллюстрирующие наличие острой текстуры: (а) EBSD карта распределения разориентировок, где красным цветом отмечены зерна с ориентировкой близкой к (001); (б) прямая полюсная фигура (001). Плоскость шлифа перпендикулярна оси сжатия.

      

Зависимость критической плотности тока Jc при B=1,5 Tл и T=4,2 K, интерпретированная как внутриколониальная (закрашенные кружки) и межколониальная (незакрашенные кружки) плотность тока, от температуры деформации Tд керамики Bi2212 при P=19...7 МПа, ω=1,5·10-3 об/мин, α=90о. Вставка: Зависимость средней эффективной энергии активации пиннинга магнитного потока <E> при B=1 Tл и T=4,2 K от температуры деформации Tд.

   

Микроструктура керамики Bi(Pb)2223: (а) после спекания, (б) после КГД при Тд=875оС, Р=10 МПа, ω=1,85·10-4 об/мин, α=25о (б). Плоскость шлифа перпендикулярна оси сжатия.

   

Прямая полюсная фигура (0010) керамики Bi(Pb)2223 после КГД при Тд=875°С, Р=10 МПа, ω=1,85·10-4 об/мин, α=25º.

Публикации

1. Imayev M.F., Daminov R.R., Popov V.A., Kaibyshev O.A. The effect of low quasi-hydrostatic pressure on the melting temperature of the superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+x // Physica C. 2005. V. 422/1-2. P. 27-40.

2. Имаев М.Ф., Газизов М.Р., Малофеев С.С., Хазгалиев Р.Г. Термическая стабильность сверхпроводящей фазы Bi(Pb)2223 в условиях всестороннего сжатия // Деформация и разрушение материалов. 2010. №2. С. 17-21.

3. Imayev M.F., Imayev R.M., Kaibyshev O.A., Musin F.F., Yamalova M.O. Microstructure and superconductive properties of hot-deformed YBa2Cu3Oх ceramics. Part 1. Microstructural consideration // Supercond. Sci. and Technol. 1994. V. 7. P. 701-706.

4. Imayev M.F., Kaibyshev O.A., Musin F.F., Bashkirov Yu. A., Fleishman L.S., Cave J.R. Microstructure and superconductive properties of hot-deformed YBa2Cu3Oх ceramics. Part 2. Magnetic and transport data // Supercond. Sci. and Technol. 1994, V. 7. P. 707-712.

5. Imayev M.F., Kazakova D.B., Gavro A.N., Trukhan A.P. Grain growth in a YBa2Cu3Oх superconductive ceramics // Physica C. 2000. V. 329. P. 75-87.

6. Imayev M.F., Daminov R.R., Reissner M., Steiner W., Makarova M.V., Kazin P.E. Microstructure, texture and superconducting properties of Bi2212 ceramics, deformed by torsion under pressure // Physica C. 2007. V. 467. P. 14-26.

7. Imayev M.F., Kabirova D.B., Dementyev A.V. The effect of deformation temperature on the microstructure and texture in YBa2Cu3O7-x ceramics processed by torsion under pressure // In: New Research on YBCO Superconductors, Ed. David M. Friedman. New York: NOVA Publishers, 2008. P. 235-252.

8. Imayev M.F., Daminov R.R., Kabirova D.B., Reissner M., Steiner W., Makarova M.V., Kazin P.E. Effect of Deformation Temperature by Torsion Under Pressure on the Microstructure, Texture and Flux Pinning of Bi2212-base Materials // In: Ferroelectrics and Superconductors: Properties and Applications, Ed. Ivan Parinov. New York: NOVA Publishers, 2011. P. 1-44.

9. Imayev M.F., Kabirova D.B., Sagitov R.I., Churbaeva Kh.A. Relation between change of porosity and parameters of grains during annealing of the superconducting ceramics YBa2Cu3O7-x // Journal of the European Ceramic Society. 2012. V. 32. P. 1261-1268.

10. Имаев М.Ф., Пархимович Н.Ю. Структура и фазовые превращения при горячей деформации высокотемпературного сверхпроводника Bi(Pb)2223: I. Вторичные фазы // Письма о материалах. Т. 3 (2013) С. 188-192.

11. Кабирова Д.Б., Павлова В.В., Имаев М.Ф. Аномальный рост зерен в сверхпроводящей керамике YBa2Cu3O7-x при высокотемпературной деформации // Письма о материалах Т.6. Вып. 4, 2016. С. 338-342.

12. Imayev M.F., Yamalova M.O., Orlov N.K., Kuzmin Yu.A. Influence of hot plastic deformation on phase composition, microstructure, and superconductive properties of Y0.9(Ca0.1)Ba2Cu4O8 ceramics // Supercond. Sci. and Technol. 1994. V. 7. P. 645-650.

13. Имаев М.Ф., Кабирова Д.Б., Павлова В.В. Микроструктура и текстура керамики Y123 после горячей деформации кручением под давлением // Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. Т. 58. № 6. С. 21-24.

14. Имаев М.Ф., Пархимович Н.Ю. Влияние скорости кручения под квазигидростатическим давлением на текстуру и частицы вторичных фаз в керамике Bi(Pb)2223, Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. Т. 58. № 6. С. 34-37.

15. Пархимович Н.Ю., Имаев М.Ф. Влияние температуры отжига под квазигидростатическим давлением на текстуру и фазовый состав керамики Bi(Pb)2223, Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. Т. 58. № 6. С. 85-89.

16. Имаев М.Ф., Пархимович Н.Ю. Структура и фазовые превращения при горячей деформации высокотемпературного сверхпроводника Bi(Pb)2223: II. Текстура и микроструктура // Письма о материалах Т.6. Вып. 4. 2016. С. 343-346.

17. Daminov R.R., Imayev M.F., Reissner M., Steiner W., Makarova M.V.,  Kazin P.E. Improvement of pinning in Bi2212 ceramics by hot plastic deformation // Physica C. 2004. V. 408-410. P. 46-47.

18. Daminov R.R., Reissner M., Imayev M.F., Steiner W., Makarova M.V., Kazin P.E.  Improvement of pinning in Bi2212-based materials by hot plastic deformation // Journal of Physics: Conference Series. 2006. V. 43. P. 458-461.

4. Композиционные материалы и высоколегированные сплавы на основе титана

4.1. Установлена возможность изготовления in situ с помощью литья композиционных материалов с матрицей из титановых сплавов, армированных короткими волокнами моноборида титана (TiB) [1-5].

4.2. Оптимизировано объемное содержание упрочнителя (TiB-волокон) и разработаны эффективные методы деформационной обработки композитов на основе жаропрочных титановых сплавов (ВТ8, ВТ18У, ВТ25) и моноборида титана, обеспечивающие формирование направленных структур с преимущественной ориентацией боридов [1,2].

4.3. Показано, что присутствие 5-10 об. % TiB-волокон обеспечивает существенный прирост прочности (на 20-50%), модуля упругости (на 20-25%), сопротивления ползучести при сохранении удовлетворительных значений пластичности (не менее 3-4% при комнатной температуре) и вязкости разрушения [1,2,4].

 

Композит ВТ8-1,5B (8 об.% TiB-волокон): а - исходное состояние (с хаотично ориентированными боридами), б - направленная структура с преимущественной ориентацией TiB-волокон (образец подвергали глубокому травлению).

Температурные зависимости свойств при растяжении композиционных материалов ВТ8-1,5 и 2 вес.% В (с содержанием объемной доли TiB-волокон 8 и 11%) с направленной структурой, полученной после горячей протяжки и термической обработки: а – предела текучести, б – предела прочности, в – относительного удлинения, г – относительного сужения.

Кривые ползучести, полученные в результате 50-часовых испытаний на растяжение (нагрузка – 400 МПа) образцов ВТ8 и ВТ8-1,5В (8 об.% TiB-волокон). Сопротивление ползучести оказалось идентичным для ВТ8 при 500°С и ВТ8-1,5В при 550°С.

4.4. На примере сплава ВТ8-20Zr-0,1B (вес.%) установлено, что высокое легирование цирконием повышает эффективность термического упрочнения. Это достигается за счет необычного для титанового сплава с относительно невысоким коэффициентом β-стабилизации мартенситного превращения b®a¢¢ с сохранением остаточной β-фазы при закалке в воду и формирования при последующем старении тонкодисперсной структуры. Новый сплав можно отнести к сверхпрочным титановым сплавам. Достигнутая удельная прочность при Т=500°С является рекордной при этой температуре для известных титановых сплавов [6, 7].

Публикации

1. Imayev V.M., Gaisin R.A., Gaisina E.R., Imayev R.M., Fecht H.-J., Pyczak F., Effect of hot forging on microstructure and tensile properties of Ti–TiB based composites produced by casting // Mater. Sci. & Eng. A. 2014. V. 609. P. 34-41.

2. Imayev V.M., Gaisin R.A., Imayev R.M. Effect of boron additions and processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy Ti-6.5Al-3.3Mo-0.3Si // Mater. Sci. & Eng. A. 2015. V. 641. P. 71-83.

3. Imayev V.M., Gaisin R.A., Imayev R.M. Effect of boron addition on formation of a fine-grained microstructure in commercially pure titanium processed by hot compression // Mater. Sci. Eng. A. 2015. V. 639. P. 691-698.

4. Гайсин Р.А., Имаев В.М., Имаев Р.М., Гайсина Э.Р. Влияние модифицирования бором на рекристаллизационное поведение технически чистого титана при горячей деформации. Письма о материалах. 2015. Т. 5. №2. С. 124-128.

5. Гайсин Р.А., Имаев В.М., Имаев Р.М., Гайсина Э.Р. Микроструктура и механические свойства коротковолокнистых композиционных материалов на основе Ti-TiB, полученных литьем и подвергнутых деформационной обработке // Известия ВУЗов. Физика. 2015. Т. 58. №6. С. 100-105.

6. Гайсин Р.А., Имаев В.М., Гайсина Э.Р., Шаймарданов Р.А., Имаев Р.М. О необычно высокой прочности двухфазного титанового сплава на основе ВТ8, высоколегированного цирконием // Письма о материалах. 2016. Т. 6. Вып. 4. С. 327-332.

7. Imayev V.M., Gaisin R.A., Gaisina E.R., Imayev R.M. Microstructure, Processing and Mechanical Properties of a Titanium Alloy Ti-20Zr-6.5Al-3.3Mo-0.3Si-0.1B // Mater. Sci. & Eng. A. 2017. Принята к печати.

5. Сварка давлением однородных и разнородных материалов (совместно с 9 и 10 лабораториями)

5.1. Найдены оригинальные технологические решения и подобраны режимы по соединению однородных и разнородных материалов с помощью сварки давлением [1-10]. Указанные решения основаны:

- на использовании по крайней мере одного из материалов в мелко- или ультрамелкозернистом состоянии в случае, если свариваемые материалы близки по своей природе (литой сплав типа ВКНА на основе Ni3Al + никелевый сплав ЭП975);

- на использовании прокладок из третьих материалов, если свариваемые материалы существенно различаются и образуют при сварке неблагоприятные интерметаллидные соединения (g-TiAl сплав + прослойка из ВТ6 + никелевый сплав ЭК61; g-TiAl сплав + прослойка из чистого Co + никелевый сплав ЭК61; титановый сплав + прослойка из чистого Ni + нержавеющая сталь);

- на использовании ультрамелкозернистой прокладки при сварке однородных материалов с крупнозернистой структурой;

- на создании специально нанесенного рельефа на свариваемых поверхностях материалов.

5.2. Разработан способ высокотемпературной (при T=1125°С) сварки давлением деформируемого жаропрочного никелевого дискового сплава ЭП975 с литым лопаточным интерметаллидным сплавом типа ВКНА (на основе Ni3Al). Достигнута высокая прочность сварного соединения. Возможно внедрение этого метода при изготовлении деталей типа «Блиск».

5.3. Разработана и изготовлена лабораторная установка, позволяющая осуществлять высокотемпературную (при температурах до 1250°С) сварку образцов под давлением в условиях постоянной откачки вакуума с использованием испытательной машины «Schenck». Показана эффективность использования установки при сварке давлением однородных и разнородных материалов.

            

Общий вид свариваемого под давлением крупнозернистого сплава 58Ni-Cr-Mo-B-Al-Cu с использованием нанокристаллической прокладки (а) и микроструктура в зоне соединения прокладки и основного материала, стрелки указывают на область соединения (б). Температура сварки – Т=800°С.

  

Общий вид: а - установки для высокотемпературной сварки давлением УВСД-1, б - системы принудительного охлаждения, в - свариваемых образцов, запаянных в контейнер; г - типичная макроструктура зоны твердофазного соединения свариваемых образцов.

Публикации

1. Дроздов А.А., Валитов В.А., Поварова К.Б., Базылева О.А., Валитова Э.В., Овсепян С.В. Формирование твердофазных соединений жаропрочного дискового никелевого сплава с ультрамелкозернистой структурой и монокристального лопаточного сплава на основе Ni3Al // Письма о Mатериалах. 2015. Т. 5. №2. C. 142-146.

2. Valitov V.A., Povarova K.B., Bazyleva O.A., Drozdov A.A., Ovsepyan S.V., Valitova E.V., Research of solid compound formation during thermal deformation effect on intermetallic Ni3Al-alloy with a heat-resistant alloy EP975 and influence on the physical, mechanical and performance properties // Materials Science Forum. 2016. V. 838-839. P. 523-527.

3. Galieva E.V., Valitov. V. A., Lutfullin R. Ya., Dmitriev S.V., Akhunova A. Kh., Mukhametrakhimov M. Kh. Experimental and simulation modelling Nickel-based alloy pressure welding // Materials Science Forum. 2016. V. 838-839. P. 350-354.

4. Akhunova A.Kh., Valitova E.V., Dmitriev S.V., Valitov V.A., Lutfullin R.Ya. Mathematical modelling of the effect of the surface relief of specimens on the localization of plastic deformation in the pressure welding zone // Welding International. 2016. V. 30. Nо 6. P. 488-491.

5. Valitov V.A. Nickel Alloys Structure and Properties Control by Deformation-Thermal Treatment in Solid State // Advanced Materials & Technologies. 2016. No 3. P. 021-031.

6. Поварова К.Б., Валитов В.А., Овсепян С.В., Дроздов А.А., Базылева О.А., Валитова Э.В. Изучение свойств и выбор сплавов для дисков с лопатками («Блисков») и способа их соединения // Металлы. 2014. №5. С. 61-70.

7. Ахунова А.Х., Валитова Э.В., Дмитриев С.В., Валитов В.А., Лутфуллин Р.Я. Математи-ческое моделирование влияния рельефа поверхности образца на локализацию пластической деформации в зоне сварки давлением // Сварочное производство. 2015. №6. С 34-37.

8. Ахунова А.Х., Галиева Э.В., Дроздов А.А., Аргинбаева Э.Г., Дмитриев С.В., Лутфуллин Р.Я. Роль сдвиговой компоненты деформации при сварке давлением образцов из разнородных литых и деформируемых сплавов на основе никеля // Письма о Mатериалах. 2016. Т. 6. №3. C. 211-216.

9. Хазгалиев Р.Г., Мухаметрахимов М.Х., Имаев М.Ф., Шаяхметов Р.У., Мулюков Р.Р. Особенности разрушения твердофазного соединения титановый сплав-никель-нержавеющая сталь // Известия ВУЗов. Физика. 2015. Т. 58. №6. С. 74-79.

10. Хазгалиев Р.Г., Имаев М.Ф., Мулюков Р.Р., Сафин Ф.Ф. Модифицирование поверхности прослойки никеля для делокализации деформации при сварке давлением титанового сплава и нержавеющей стали // Письма о материалах. 2015. Т. 5. №2. С. 133-137.

6. Сверхжаропрочные материалы на основе Mo-Si-B

На примере сплава Mo-9Si-8B (вес. %) показана возможность изготовления сверхжаропрочных материалов обычным литьем в сочетании с последующей деформационной обработкой. Литье в сочетании с горячей деформацией можно рассматривать как недорогой альтернативный способ синтеза таких материалов наряду с существующими методами, основанными на порошковой металлургии [1].

Публикации

1. Гайсин Р.А., Имаев В.М., Шаймарданов Р.А., Имаев Р.М. «Структура и свойства сплава Mo-9Si-8B (ат. %), полученного литьем» // Перспективные материалы. 2017. 2017. №3. С. 41-48.

7. Микроструктура и свойства материалов, полученных селективным лазерным плавлением (совместно с УГАТУ)

Исследован пруток сплава ВТ6, полученный с помощью аддитивной технологии – послойного селективного лазерного плавления (СЛП). Показано, что структура, механизмы деформации и разрушение аддитивно изготовленного материала не отличаются при сравнении их с титановым сплавом, полученным обычным литьем [1].

Механические свойства при растяжении сплава ВТ6, полученного СЛП и обычным литьем

 

Метод получения

20°C

400°С

d, %

s0,2, МПа

sВ, МПа

d, %

s0,2, МПа

sВ, МПа

СЛП + отжиг Т=900°С + 700°С

15

855

988

15

414

644

Литьё + отжиг Т=955°С + 620°С (лит. данные)

5-8

855-900

935-970

-

-

-

Публикации

1. Назарова Т.И., Имаев В.М., Имаев Р.М., Павлинич С.П. Микроструктура и механические свойства на растяжение сплава ВТ6, полученного методом аддитивного лазерного плавления // Известия ВУЗов. Физика. 2015. Т. 58. №6. С. 25-29.

Ресурсы

1. Две печи фирмы ATS для проведения высокотемпературной (до 1600°С) термической обработки.

2. Лабораторная установка по аргонно-дуговой выплавке экспериментальных слитков весом до 200 г и соответствующие расходные материалы.

3. Установка АЛКГМ-1 для измерения динамической магнитной восприимчивости, гальвано-магнитных свойств и электрического сопротивления.

4. Отрезной станок фирмы «Buehler» ISOMET-4000.

5. Опытная установка (прессовое оборудование, специальная оснастка) по компактированию порошковых керамик.

6. Опытная установка, позволяющая осуществлять высокотемпературную сварку образцов под давлением в условиях постоянной откачки вакуума.

7. Шлифовально-полировальная установка фирмы P25FR-HA для подготовки образцов.

Международное сотрудничество

Лаборатория сотрудничает с группами из следующих университетов и научных организаций мира:

1. Институт микро- и наноматериалов при университете г. Ульма, Германия (Institute of Micro and nanomaterials, Ulm University, Ulm, Germany)

2. Исследовательский центр им. Гельмгольца, Институт исследования материалов, г. Геестахт, Германия (Helmholtz-Centrum Geesthacht, Center for Materials and Coastal Research, Germany).

Награды, стипендии, гранты, ФЦП проекты, хозяйственные договора

1. Грант по федеральной программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК»). Тема: «Развитие основ технологии изготовления лопаток турбины низкого давления из интерметаллидного g-TiAl сплава». Исполнитель: к.т.н. Назарова Т.И., 2011-2013 гг.

2. Молодежный проект РФФИ, руководитель: к.т.н. Гайсин Р.А. Тема: «Управление структурой in situ синтезированных волокон моноборида титана в композитах на основе жаропрочных титановых сплавов для повышения их механических свойств», 2016 г.

3. Молодежный проект РФФИ, руководитель: к.т.н. Назарова Т.И. Тема: «Влияние редкоземельных элементов на структуру и механические свойства интерметаллидных сплавов на основе g(TiAl)», 2016 г.

4. Грант РФФИ 14-08-97061 р_поволжье_а, руководитель: д.т.н. Валитов В.А. Тема: «Физическое и экспериментальное моделирование влияния профиля поверхности на качество твердофазного соединения жаропрочных сплавов на основе никеля и титана с монокристальным сплавом на основе интерметаллида Ni3Al», 2015-2016 гг.

5. Грант РФФИ № 13-08-12200 офи-м, руководитель: д.т.н. Валитов В.А. Тема: «Исследование природы формирования твердофазного соединения интерметаллидного сплава на основе Ni3Al с жаропрочным сплавом ЭП975 при термодеформационном воздействии и его влияние на физико-механические и эксплуатационные характеристики», 2015-2016 гг.

6. Грант республики Башкортостан молодым ученым (к.т.н. Гайсин Р.А.), 2016 г.

7. Грант от фонда им. Александра фон Гумбольдта на рабочий визит и участие в конференции Materials Science and Engineering (MSE-2016), организованной DGM (д.т.н. Имаев В.М.), 2016 г.

8. Договор №1206-102 от 19.08.2015 г. с АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» на выполнение СЧ НИР по теме: «Отработка технологических режимов изотермической деформации заготовок дисков из жаропрочных никелевых гранульных сплавов с оптимизацией их механических свойств», руководитель: д.т.н. Утяшев Ф.З., отв. исполнитель: д.т.н. Валитов В.А.

9. Государственный контракт №2014-14-576-0047-087, сроки выполнения - 2014-2016 гг. Тема: Разработка научных основ высокоэффективной технологии и оборудования для изготовления в условиях сверхпластичности широкой номенклатуры полых валов газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов и сталей. Головная организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук, г. Москва. Рук-ль: д.т.н. Утяшев Ф.З.