Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы

Проведены исследования ионного облучения никеля, подвергнутого деформации путем всесторонней изотермической ковки («a-b-c ковка»). Исследован рельеф поверхности после облучения, измерена ее эмиссионная эффективность в качестве холодного катода в тлеющем разряде. В результате ковки в образцах никеля сформировалась неоднородная по размеру зерен структура с размером зерен от нескольких единиц до десятков микрон. Исследования образцов в качестве холодных катодов в тлеющем разряде показали, что их эмиссионная эффективность после ковки сопоставима с эффективностью крупнозернистых образцов до ковки. В результате облучения ионами аргона с энергией 5 кэВ на поверхности образцов образовался рельеф с перепадом высот между зернами, подобный рельефу поверхности крупнозернистого образца. Сделан вывод о том, что опробованный режим ковки не позволил получить в никеле однородную по размеру зерен микроструктуру, что повлияло на образование шероховатого рельефа поверхности металла в результате ионного облучения. Помимо этого, с применением такого режима ковки не удалось достичь необходимого уровня дефектности в металле, что не привело к повышению его эмиссионной эффективности в тлеющем разряде относительно крупнозернистого металла.

С использованием образцов никеля с субмикро-, микро- и крупнокристаллической структурой исследовано влияние размера зерен на рельеф поверхности, образующийся в результате высокодозного ионного облучения с энергией ионов 30 кэВ. Установлено, что при облучении на субмикрокристаллическом образце образуются конусы, относительно равномерно распределенные по всей облучаемой поверхности. Концентрация конусов составляет величину порядка 1 мкм^-1. На микрокристаллическом и крупнокристаллическом образцах также образуются конусы, однако их концентрация меньше, чем на субмикрокристаллическом образце. Конусы образуются преимущественно возле границ зерен. Таким образом, формирование субмикрокристаллической структуры методом кручения под высоким давлением и последующее высокодозное облучение ионами аргона энергией 30 кэВ позволяет получить на поверхности никеля конусы с концентрацией порядка 1 мкм^-1, высотой порядка одного микрона и радиусом закругления при вершине менее 100 нм. Конусы относительно равномерно расположены по всей облученной поверхности. Результаты исследований дополняют сведения о влиянии микроструктуры материала на изменение рельефа поверхности при ионном облучении и могут быть востребованы при разработке материалов, которые работают в плазменной среде, например, плазменных облицовочных материалов.

Исследовано влияние деформационно-термической обработки методом всесторонней изотермической ковки при 700ºС на свойства сплава Гейслера системы Ni-Mn-Ga. Схема ковки включала в себя девять переходов осадки, последние шесть из которых заключались в протяжке. Таким образом, общая степень деформации составила е ≈ 3,9. Анализ микроструктуры показал наличие двухкомпонентной зеренной структуры, в которой исходные крупные зерна окружены прослойкой мелкозернистой структуры. Анизотропия термического расширения в области мартенситного превращения в сплаве в литом состоянии отсутствует. В кованом состоянии наблюдается анизотропия термического расширения на образцах, вырезанных как поперек, так и вдоль оси вытяжки. В образце, вырезанном поперек оси вытяжки, вклад прямого мартенситного превращения в относительное сокращение длины составляет 0.15%, в другом образце вклад имеет противоположный знак и величину, равную 0.08%. Таким образом, в результате деформационно-термической обработки ковкой сплава Гейслера можно получить величину анизотропии термического расширения, близкую к значению в литом состоянии. При этом предполагается, что наличие специфической микроструктуры существенно повысит механические свойства сплавов данной системы.

Методом кручения под высоким давлением при комнатной температуре на наковальнях с углублениями получен металломатричный композит на основе меди. В качестве исходных материалов использовали фольгу из чистой меди и порошок многослойного графена. Полученный композит оказался монолитным, без видимых расслоений и трещин. Электронномикроскопический анализ поперечного сечения полученного композита выявил слоистую структуру, состоящую из чередующихся тонких слоев чистой меди и слоев, состоящих из агломератов графена. Для сравнения тем же методом был получен образец, консолидированный из такого же количества слоев медной фольги без графена. Сравнительный анализ свойств образцов показал, что значения микротвердости композита выше, чем у консолидированной чистой меди (1850 МПа против 1410 МПа), а предела прочности на растяжение, напротоив, выше у многослойного образца чистой меди (500 МПа против 220 МПа). Полученные значения предела прочности медно-графенового композита соответствуют литературным данным для образцов композитов, полученных по порошковой технологии (200-250 МПа). Также показано, что деформационное упрочнение может кратно повысить прочность чистой меди. Однако для практического применения очень важна термостабильность, и можно предположить, что устойчивость структуры композитного материала будет намного выше, чем у чистой меди, что, в свою очередь, обеспечивает устойчивость эксплуатационных свойств композита. Известно, что помимо упрочнения, добавки графена могут привести к улучшению тепловых и электрических свойств материала, что также является важным аспектом для приложений.

Методом молекулярной динамики исследован процесс формирования композита графен-никель из скомканного графена и наночастиц никеля разного размера. Изучено влияние на этот процесс размера наночастиц никеля, находящихся внутри пор скомканного графена, и метода обработки. Трехмерные композитные структуры были получены гидростатическим сжатием при разных температурах. Для оценки прочности полученных материалов проведено испытание на гидростатическое растяжение. Установлено, что простое сжатие предварительной структуры при нулевой температуре даже до очень высоких плотностей не приводит к формированию композита, и для протекания структурных перестроек необходимо задавать повышенные температуры. Другим важным фактором, при прочих равных условиях, является размер частиц. Даже при повышенных температурах для структур с крупными наночастицами (Ni₇₈), которые практически полностью заполняют чешуйку графена, значительно затруднено образование химических связей между соседними чешуйками по сравнению со структурами с меньшим размером наночастиц (Ni₂₁, Ni₄₇). Под воздействием температуры наночастицы меньшего и среднего размера легко плавятся, и атомы Ni распределяются по порам скомканного листа графена, что приводит к лучшему перемешиванию структурных элементов. Установлено, что лучшими характеристиками обладают структуры с наночастицами Ni₂₁ и Ni₄₇, так как не полностью заполняют чешуйки, позволяя листу графена свободно деформироваться, вследствие чего облегчается появление новых химических связей. Представленные результаты демонстрируют различие деформируемости в зависимости от размера наночастиц композита и способствуют лучшему пониманию их механических свойств и деформационного поведения.

Методом молекулярно-динамического моделирования установлено, что сорбционная емкость скомканного графена зависит от геометрического размера его структурных элементов. Чем больше радиус графеновых чешуек, составляющих структуру скомканного графена, тем выше удельная площадь поверхности, следовательно, выше его физическая сорбция. Варьируя размер структурных элементов скомканного графена и его температуру и деформированное состояние, можно увеличить сорбционную емкость, а повышая температуру отжига с 77 до 300 К, можно ускорить разводораживание графена. Полученные данные существенно расширяют представления о возможностях применения углеродных структур для хранения и транспортировки водорода.

Методом интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением получены и исследованы образцы сплавов Fe - 36% Ni и Fe - 50% Ni, имеющие наноразмерную структуру с размером фрагментов порядка 100-200 нм. Установлено, что формирование наноструктурного состояния приводит к снижению коэффициента термического расширения этих сплавов в 2,2 и 1,2 раза, соответственно, по сравнению со сплавами в крупнокристаллическом состоянии. Это связано с влиянием напряженного состояния, вызванного неравновесностью границ зерен, на магнитную подсистему сплавов и межатомное взаимодействие, приводящее к увеличению отрицательной магнитострикции. В наноструктурных сплавах Fe - 36% Ni и Fe - 50% Ni наблюдается аномальное сохранение намагниченности насыщения при температурах выше температуры Кюри (260 и 460°С соответственно), что связано с выделением ферромагнитной ОЦК фазы, растворяющейся после отжига при 500°С. Формирование ОЦК фазы становится возможным за счет увеличения коэффициента диффузии сплава в наноструктурном состоянии. Также деформационное наноструктурирование приводит к увеличению механических свойств сплавов, что является важным фактором для расширения области их применения.

Первопринципные расчеты структуры, электронных и механических свойств новых двумерных наноматериалов, их химической активности позволяют раскрыть потенциал их использования в различных нанотехнологиях. Недавно синтезированный двумерный карбид фосфора (КФ) был предложен для применения в различных наноустройствах, таких как наноантенны и полевые транзисторы. Однако влияние молекул окружающей среды на свойства КФ и, следовательно, производительность устройств на базе КФ оставалось неизученным. В связи с этим проведен первопринципный анализ двух наиболее структурно стабильных аллотропов альфа- и бета-КФ на предмет их взаимодействия с молекулами окружающей среды, включая NH₃, NO, NO₂, H₂O и O₂. Показано, что NH₃, H₂O и O₂ физически адсорбируются на альфа- и бета-КФ, в то время как NO и NO₂ легко образуют ковалентную связь с КФ. Важно отметить, что NO и NO₂ обладают низкими энергиями адсорбции на КФ по сравнению с графеном и фосфореном. Более того, обе молекулы являются сильными акцепторами КФ с очень большим переносом заряда, порядка одного электрона на молекулу. Проделанная работа дает полезные сведения о влиянии молекул окружающей среды на структуру и электронные свойства альфа- и бета-КФ, которые важны для их производства, хранения и применения в газовых сенсорах и электронных устройствах.

Двумерные структуры на основе углерода имеют большой потенциал применения для очистки и опреснения воды. С целью характеристики двух аллотропов sp2-углерода - циклического графена (Gr1) и графенилена (Gr2) как полупроницаемых материалов для опресняющих мембран были выполнены расчеты, базирующиеся на теории функционала плотности и методе молекулярной динамики. Рассмотренные аллотропы углерода показали отличное отторжение солей и хороший поток воды, который при рассматриваемых условиях опреснения определяется размером пор, их плотностью на единицу площади мембраны, а также взаимодействием молекул и ионов с мембранами. Обсуждаются различия между Gr1 и Gr2 как в равновесном состоянии, так и в состоянии, подвергнутом двухосному растяжению на 5%. Мембрана Gr1 демонстрирует как более высокий поток воды, так и более высокую прочность при двухосном растяжении по сравнению с более плотной мембраной Gr2. Такое механическое поведение обусловлено более равномерным удлинением межатомных связей в мембране Gr1 по сравнению с Gr2. Использование этих углеродных аллотропов для опреснения воды могло бы быть менее затратной альтернативой применению графеновых материалов, имеющих размер собственных пор, недостаточный для пропускания ими молекул воды.

Изучены свойства всех возможных 13 однокомпонентных и 22 двухкомпонентных делокализованных нелинейных колебательных мод (ДНКМ) в треугольной β-ФПУ решетке с ближайшими взаимодействиями. Приведены примеры аналитического описания свойств ДНКМ. Все исследованные ДНКМ существуют как точные решения в треугольных решетках с любым типом взаимодействия и для любых амплитуд, поскольку при их построении учитывалась только симметрия решетки. Свойства ДНКМ, например их амплитудно-частотные зависимости, зависят от потенциала взаимодействия. Однокомпонентные ДНКМ периодичны во времени, в то время как большинство из двухкомпонентных ДНКМ могут быть периодическими при определенном соотношении между амплитудами их компонентов. ДНКМ с частотами выше фононного спектра играют важную роль в исследовании дискретных бризеров. В треугольной решетке с потенциалом β-ФПУ были обнаружены три периодические по времени ДНКМ с частотами выше фононного спектра, причем, одна из них не анализировалась ранее в литературе.

Дискретные бризеры (ДБ) представляют собой пространственно локализованные колебательные моды большой амплитуды в нелинейных решетках. Стержневые дискретные бризеры (ДБ) были описаны в 2011 г. в ГЦК Ni и ОЦК Nb Хаасом и др. на основе молекулярно-динамического моделирования. Возникает естественный вопрос о существовании ДБ других типов в ОЦК металлах V и Nb. Для того, чтобы на него ответить, были найдены точные решения уравнений движения атомов, продиктованные симметрией решетки в виде делокализованных нелинейных колебательных мод (ДНКМ). Затем, на ДНКМ с частотами выше фононного спектра рассматриваемых металлов накладывались локализующие функции со сферической симметрией. Степень локализации функции выбиралась таким образом, чтобы полученный ДБ имел максимальное время жизни. Полученные результаты показали, что чистые металлы с ОЦК решеткой могут поддерживать множество ДБ различных типов. Оказалось, что используемые межатомные потенциалы сильно влияют на время жизни ДБ. Максимальное время жизни ДБ в V на два порядка больше, чем в Nb. Результаты данного исследования интересны не только для теории ДБ, они также помогут в исследовании влияния ДБ на физические свойства металлов.

Проведён цикл работ по изучению механических свойств и механизмов деформации пучков углеродных нанотрубок (УНТ), подвергнутых поперечному сжатию в условиях плоской деформации. Для этого была разработана модель цепи, движущейся на плоскости, позволяющая многократно сократить число рассматриваемых степеней свободы и, тем самым, ускорить решение рассматриваемых задач, с возможностью описания важных физических эффектов. В цепной модели учитываются жесткость стенок УНТ на растяжение и изгиб, а также Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия между ними. В рассматриваемой модели пучок УНТ в поперечном сечении представляет собой треугольную решетку кольцевых молекул. При монотонном увеличении деформации сжатия в системе наблюдается несколько структурных превращений. Во-первых, фазовый переход второго рода приводит к кристаллической структуре с удвоенной трансляционной ячейкой. Затем происходит фазовый переход первого рода с появлением схлопнутых УНТ. Дальнейшее сжатие приводит к увеличению доли схлопнутых УНТ при почти постоянном сжимающем напряжении, и в конечном счете все УНТ схлопываются. Обнаружено, что потенциальная энергия пучка УНТ при поперечной деформации изменяется в основном за счет изгиба стенок УНТ, а вклад от растяжения-сжатия стенок и ван-дер-ваальсовых взаимодействий пренебрежимо мал. Исследовалось поведение пучка УНТ при одноосном и двухосном поперечном сжатии с последующей разгрузкой. На кривых напряжение-деформация в процессе нагружения и разгрузки наблюдается петля гистерезиса, и после разгрузки исходная структура пучка УНТ полностью восстанавливается без остаточной деформации. Такое поведение жгута нанотрубок может быть использовано для создания упругого демпфера, эффективно переводящего энергию механического воздействия в тепло, что может найти применение в противоударных устройствах и устройствах гашения колебаний. Пучки УНТ - это материалы с сильно деформируемыми элементами, для которых ожидаются необычные механизмы деформации. Двухосное сжатие приводит к изгибу стенок углеродных нанотрубок и формированию характерного паттерна, когда эллиптические поперечные сечения нанотрубок наклонены в противоположных направлениях. Последующая сдвиговая деформация пучка приводит к появлению полос сдвига и вихревых смещений. Подробно проанализированы компоненты напряжений и потенциальная энергия как функции деформации сдвига для различных значений двухосной объемной деформации. Получены данные о новом механизме сдвиговой деформации пучка углеродных нанотрубок посредством кооперативных вихревых смещений поперечных сечений нанотрубок.

С середины прошлого века проводятся научные исследования для объяснения природы видимых невооруженным глазом тёмных треков в кристаллах слюды мусковита. Сделана попытка связать появление треков с фазовым переходом в бистабильной среде с помощью метода классической молекулярной динамики. Для этого была рассмотрена двумерная треугольная решетка, моделирующая один ряд атомов калия в слюде. Взаимодействия между атомами описывались парным потенциалом Морзе и локальным потенциалом, минимумы которого создают гексагональную решетку. Для создания бистабильности в системе искусственно вводится рассогласование между равновесным шагом треугольной решетки и периодом локального потенциала. Описаны фазовые переходы, возникающие при монотонном увеличении или уменьшении глубины локального потенциала. Обнаружено, что при более низких температурах домены разных фаз могут сосуществовать, но при более высоких температурах область с более низкой потенциальной энергией растет с выделением тепла за счет уменьшения области высоких энергий. Предполагается, что рассматриваемая модель, предусматривающая возможность сосуществования двух различных фаз, может быть использована для качественного объяснения природы темных следов, видимых невооруженным глазом в прозрачных кристаллах слюды мусковита.

Исследована микроструктура образцов из модельных титановых сплавов после испытаний на растяжение при температурно-скоростных режимах сверхпластичности. Установлено, что микроструктура экспериментальных сплавов при температурах до 750°С стабильна, тогда как при более высоких температурах наблюдается существенный рост зерен (как статический при нагреве, так и динамический при растяжении). После испытаний при повышенных скоростях деформации рост зерен менее выражен. В интервале оптимальных температур сверхпластичности 700-750°С форма зерен в микроструктуре деформированных образцов сохраняется равноосной, соотношение объемных долей a и b фаз составляет как 60:40.

Выполнен анализ экспериментальных данных о строении границ между a пластиной и b матрицей в сплавах титана. Выбраны пары кристаллографических плоскостей, которые образуют разные грани сопряжения между ОЦК и ГПУ решетками при выполнении ориентационных соотношений (ОС) Бюргерса. Показано, что обогащение b фазы титана b-стабилизаторами замещения приводит к уменьшению отношения a_b/a_a и к росту энергии всех межфазных границ. Если a_b/a_a>1,10 (что характерно для сплавов с небольшим количеством b-стабилизаторов и высоких температур a+b области), широкая b/a граница со структурными ступеньками имеет наименьшую энергию (0,1…0,2 Дж/м²), при этом анизотропия межфазной поверхностной энергии наибольшая (E_Торц/E_Шир » 3…4). Это свидетельствует о высокой стабильности пластинчатой формы частиц a фазы при длительных выдержках. Если a_b/a_a » 1,09±0,05 (что типично для псевдо-b и b-сплавов титана), энергии широкой и боковой граней пластины близки (~0,24…0,28 Дж/м²), а анизотропия поверхностной энергии наименьшая (»2,5). В этом случае наиболее вероятно образование a фазы игольчатой формы. Из представленного теоретического анализа следует важный практический вывод: изменение типа и концентрации b-стабилизаторов замещения, а также условий термической обработки сплавов титана не способствует выделению равноосных частиц a фазы в b матрице титановых сплавов.

Для экспериментального высоколегированного дискового никелевого сплава СДЖС-15 (Ni-50(Co,Cr,W,Ta,Ti,Al,Mo,Nb,Re)-0.17(C,LaY,Ce,B) (вес. %)) исследовано влияние обработки на твердый раствор и старения после деформационно-термической обработки на микроструктуру и механические свойства. Было показано, что температура обработки на твердый раствор должна быть не выше T_s-(50-60)°C, где T_s – температура полного растворения γ¢(Ni₃Al)-фазы, а последующее охлаждение предпочтительно осуществлять на воздухе (со скоростью около 15°С/c). Такая обработка обеспечивает сохранение относительно мелкозернистой структуры (d_γ=10-20 мкм) и выделение дисперсной вторичной γ¢-фазы (d_γ¢≈0.1 мкм) при сохранении небольшой объемной доли первичной γ¢-фазы. Изучение механических свойств на растяжение и сопротивление ползучести показало, что наилучшие свойства достигаются в состоянии сплава, полученном после горячей штамповки, обработки на твердый раствор при 1170°С с последующим охлаждением на воздухе и старения. Такая обработка обеспечила превосходные, в сравнении с известными дисковыми никелевыми сплавами, механические свойства при растяжении и высокую длительную прочность.

Исследован эффект низкотемпературной сверхпластичности в жаропрочном никелевом сплаве ЭК61 (аналоге Inconel 718). Установлено, что сплав в ультрамелкозернистом состоянии (d_γ=0.5-0.8 мкм) со структурой типа субмикродуплекс демонстрирует сверхпластические свойства в интервале температур T=750-850°С и έ=10^-3-10^-4 с^-1. В указанных температурно-скоростных условиях были достигнуты высокие удлинения (δ>1000%), низкие напряжения течения (σ<100 МПа) и повышенные значения коэффициента скоростной чувствительности напряжения течения (m=0.39-0.59). Показано, что листовой сплав ЭК61 с ультрамелкозернистой структурой обладает хорошей формуемостью в условиях низкотемпературной сверхпластичности. Модельные листовые заготовки сплава с такой структурой были успешно отформованы в цилиндрическую матрицу, причем во всех зонах отформованной заготовки сохранилась однородная равноосная структура дуплексного типа.

Исследован эффект сверхпластичности в гранульном сплаве ЭП741НП, подвергнутом деформационно-термической обработке ниже температуры полного растворения γ¢ фазы и дополнительной низкотемпературной деформационной обработке. Установлено, что после дополнительной деформационной обработки в сплаве образуется структура дуплексного типа с размером γ зерен и γ¢ частиц в диапазоне 0.7-5 мкм, которая обеспечивает снижение температуры сверхпластичности при одновременном повышении сверхпластических удлинений в сравнении с состоянием, полученным с помощью деформационно-термической обработки при более высокой температуре. Показано, что высокие сверхпластические удлинения обусловлены не только высокой протяженностью межзеренных и межфазных границ, обеспечивающей значительный вклад в деформацию зернограничным проскальзыванием – основным механизмом сверхпластической деформации, но и высокой стабильностью микроструктуры – слабым изменением размеров γ зерен и γ¢ частиц в процессе сверхпластического течения. Данные о сверхпластических свойствах сплава ЭП741НП, подвергнутого деформационно-термической обработке, могут быть использованы для сверхпластической штамповки и/или раскатки сложнопрофильных деталей для газотурбинных двигателей.

Исследованы микроструктура и механические свойства на сжатие в интервале температур 1000-1200°С экспериментальных сплавов Ni-13.5(Al, Ti, Nb, Ta)-25.5(Со, Cr, W, Mo, Re) и Ni-14(Al, Ta)-30.7(Co, Cr, W, Hf) в сравнении со сплавом ВКНА-4 состава Ni-9Al-7Co-5Cr-2.5Mo-2W-1.2Zr(Hf). Оба экспериментальных сплава показали предел текучести на сжатие при 1000-1200°С, сопоставимый с пределом текучести сплавов типа ВКНА или превосходящий его. Выполненная работа показывает, что предложенные экспериментальные сплавы потенциально могут быть использованы для изготовления штампового инструмента и роликов для раскатного стана для формообразования в изотермических условиях наиболее жаропрочных никелевых сплавов при температурах 1100-1200°С.

Исследовано влияние легирования на микроструктуру и механические свойства интерметаллидных β-затвердевающих γ-TiAl сплавов следующих составов: Ti-44Al-0.2B, Ti-44Al-5Mo-0.2B, Ti-44Al-5Zr-0.2B, Ti-44Al-5(Zr+Hf)-0.2B, (ат. %). Равновесная последовательность фазовых превращений для сплавов была определена как L → L+b → β → β + α → α → α + γ → α₂ + γ. После горячей штамповки с небольшой степенью при относительно низкой температуре и последующей термической обработки в сплавах была получена измельченная микроструктура дуплексного типа со средним размером γ зерен и γ+α₂ колоний в диапазоне 7-20.5 мкм. Для всех сплавов полученная микроструктура оказалась примерно идентичной. Для полученных дуплексных состояний сплавов были выполнены испытания на растяжение и сопротивление ползучести. Сплавы, легированные Zr и Zr+Hf, показали большую прочность и жаропрочность, при этом хрупко-вязкий переход для этих сплавов оказался смещен к высоким температурам. Косвенно показано, что Zr и Zr+Hf эффективнее затрудняют термически активируемые процессы в области хрупко-вязкого перехода, чем Nb (прежде всего, в области границ γ зерен), что определило смещение хрупко-вязкого перехода к высоким температурам и повышенное сопротивление ползучести сплавов, легированных Zr и Zr+Hf. Выполненные эксперименты показали, что легирование Zr и Zr+Hf перспективно для β-затвердевающих γ-TiAl сплавов, поскольку эти элементы обеспечивают повышенное твердорастворное упрочнение и повышенную жаропрочность при сохранении пластичности ниже температур хрупко-вязкого перехода по сравнению со сплавом, легированным только Nb, считающимся основным легирующим элементом для интерметаллидных γ-TiAl сплавов. Это открывает возможности для создания новых γ-TiAl сплавов с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Изучено влияние добавок диспрозия на микроструктуру, фазовый состав и свойства на сжатие интерметаллидного γ-TiAl сплава состава Ti-45Al-5Nb-1Mo-0.2B-хDy, x=0.1-1 (ат. %). Установлено, что добавление диспрозия (при содержании ≥0.3 ат. %) приводит к увеличению содержания в сплаве β(β_о)-фазы (диспрозий оказался сильным β-стабилизатором), что способствует глобуляризации и измельчению структуры литого сплава, а также к образованию фаз Dy₂Al и Dy₂O₃. Механические испытания на сжатие при комнатной температуре показали улучшенную прочность и пластичность сплавов, легированных диспрозием, в сравнении со сплавом без диспрозия. Наилучшее сочетание свойств показал сплав Ti-45Al-5Nb-1Mo-0.2B-0.1Dy. Таким образом, микролегирование диспрозием может быть использовано для повышения технологических свойств γ-TiAl сплавов, при этом количество добавляемого диспрозия должно быть около 0.1 ат. %.

Для термонеупрочняемых сплавов типа 1570 (Al-5Mg-0,18Mn-0,2Sc-0,08Zr) показано, что двухступенчатая гомогенизация слитков с кратковременной высокотемпературной ступенью вблизи температуры плавления (например, при 520°С, 1 ч) является эффективным способом обработки, устраняющим химическую неоднородность литой структуры, при одновременном сохранении дисперсности и когерентности выделений Al₃(Sc,Zr), определяющих эффекты дисперсионного и структурного упрочнения сплавов при последующей обработке, и достижения их улучшенного комплекса механических и коррозионных свойств.

Продемонстрировано, что обработка сплавов типа 1570 до относительно низких степеней деформации путем равноканального углового прессования (РКУП) перед теплой или холодной прокаткой, приводя к бимодальной структуре с низкой долей ультрамелких зерен, является достаточной для обеспечения благоприятного сочетания как служебных, так и технологических свойств полученных прокаткой листов. В частности, формирование частично рекристаллизованной ультрамелкозернистой структуры (бимодальной структуры с объемной долей ультрамелких зерен с размерами до 2 мкм, равной 30%) в сплаве 1570С при теплом РКУП всего лишь со степенью e=3 является достаточным для обеспечения улучшенного баланса прочности и пластичности при растяжении при комнатной температуре (σ_0,2=295 МПа, σ_в=390 МПа, δ=26%). При дальнейшем деформировании и измельчении зерна с формированием однородной ультрамелкозернистой структуры как при РКУП, так и последующей теплой прокатке, достигнутый уровень свойств изменяется незначительно. Прокатка полученных методом РКУП заготовок при комнатной температуре до ε=80% заметно повышает прочность сплава , в результате холоднокатаные листы с однородной ультрамелкозернистой нагартованной структурой демонстрируют уникальный баланс прочности и пластичности для термонеупрочняемых сплавов (σ_0,2=520МПа, σ_в=550 МПа, δ=13%). Установлено, что частично рекристаллизованная ультрамелкозернистая структура, сформированная в сплаве 1570С как теплым РКУП с е=3, так и  последующей теплой прокаткой с ε=85%, стабильна при часовом отжиге вплоть до температуры 520°С. Напротив, холоднокатаная ультрамелкозернистая структура при нагревах нестабильна: области ультрамелких зерен трансформируются в массивы мелких статически рекристаллизованных зерен, а нагартованные нерекристаллизованные участки заменяются полигонизованной структурой.

Исследованы феноменология и механизмы измельчения зерен в бинарном модельном сплаве Al-3%Cu в процессе РКУП при 150°С (0,45Т_пл) по маршруту А до степени деформации 8. Обнаружено, что РКУП приводит к формированию частично рекристаллизованной структуры, содержащей области (ультра)мелких зерен со средним размером около 1,3 мкм и области исходных зерен, фрагментированных деформационными полосами. Средний угол разориентировки межкристаллитных границ в такой структуре составил 23° при доле большеугловых границ около 50%. Показано, что основной механизм формирования новой мелкозернистой структуры связан с развитием деформационных полос, таких как микрополосы сдвига, и увеличением разориентировки их границ в процессе деформации. Обсуждена и показана важная роль в эволюции структуры матрицы сплава выделений фазы (Al₂Cu), препятствующих аннигиляции дислокаций и сдерживаюших миграцию (суб)зеренных границ при относительно высокой температуре деформации.

Проведена оценка влияния введения переходных металлов, таких как Zr и Sc, и предварительной упрочняющей термообработки на структуру и коррозионное поведение алюминиевых сплавов типа 2024, подвергнутых интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением (КВД) до 10 оборотов при комнатной температуре. Показано, что коррозионное поражение сплавов в предварительно естественно и искусственно состаренном состояниях, причем как до, так и после КВД, определяется, главным образом, морфологией, размерами и распределением в объеме грубых избыточных фаз. Установлено, что замена менее дисперсной марганцовистой фазы более дисперсными алюминидами циркония и скандия, наряду с уменьшением примесей, формирующим избыточные фазы, приводит к уменьшению глубины очагов коррозионного поражения и приобретению ими вида питтинга. Предварительное искусственное старение (упрочняющая термообработка по режиму Т1) сплавов с различными переходными металлами перед КВД повышает их склонность к межкристаллитной коррозии с формированием очагов, представлявших собой более широкие и глубокие сливающиеся поражения. Такое поведение сплавов обусловлено долей стабильных выделений S-фазы, располагающихся в приграничных областях и образующих непрерывные коррозионные пути вдоль границ зерен.

Механика технологий, обеспечивающих устойчивое инновационное развитие инфраструктур и пониженной уязвимости по отношению к возможным внешним и внутренним дестабилизирующим факторам природного и техногенного характера

Исследовано влияние армирования алюминиевого сплава АК12ММгН тугоплавкими включениями SiC на механические свойства материала. Одним из возможных способов достижения требуемого уровня пластичности при сохранении высоких показателей прочности является формирование микрокристаллической зеренной структуры, а также дробление частиц методом горячей деформации. В связи с этим, исходную жидкоштампованную заготовку композиционного сплава АК12ММгН-18%SiC предварительно осадили на 50% при температуре 490°С и начальной скорости деформации έ=2×10^-3 с^-1. Из осаженной заготовки в радиальном направлении были вырезаны плоские образцы на растяжение. Растяжение проводили в интервале температур 400…500°С и скоростей 8,3×10^-4…3,3×10^-3 с^-1. Деформация сплава при скоростях 3,3×10^-3 и 1,7×10^-4 с^-1 происходила с разупрочнением, что типично для механизма дислокационного скольжения. Однако для скорости деформации 8,3×10^-4 с^-1 кривая деформации не демонстрирует разупрочнения, что может быть связано с действием механизма зернограничного проскальзывания. Таким образом, показано, что хрупкий композиционный сплав АК12ММгН-18%SiC при температуре 500°С и начальной скорости деформации έ=1,7×10^-4 с^-1 демонстрирует признаки сверхпластического поведения.

По результатам натурного эксперимента и компьютерного моделирования процесса обработки трением с перемешиванием (ОТП) установлено, что для модифицирования свойств листа алюминиевого сплава Д16 толщиной 3 мм этим методом предпочтительным является использование наконечника длиной 2.0 мм, что обеспечивает формирование широких и симметричных областей термомеханического воздействия с благоприятной для необходимых структурных изменений температурой около 0.8Тпл, однородную область высоких значений эффективной деформации и дисперсионное упрочнение. При ОТП листа алюминиевого сплава 6063 с каналами, заполненными частицами TiO2, происходит твердофазная химическая реакция TiO2+Al → фазы TixAly + Al2O3. Использование заплечика с двумя спиралевидными выступами позволяет получить композит Al/TiO₂/Ti_xAl_y/Al₂O₃ практически на всю глубину листа толщиной 3 мм. Твердость композита Al/TiO₂ превышает твердость образца-свидетеля на 12 HV.

Результаты циклических испытаний образцов с острым надрезом из титанового сплава Ti-6Al-4V, полученных линейной сваркой трением (ЛСТ), показали, что на сопротивление зарождению трещины влияет ориентация надреза относительно направления вибрации подвижной детали при ЛСТ, что обусловлено формированием ограниченной текстуры в зоне соединения. Получены соединения методом ЛСТ жаропрочных никелевых сплавов ЭП975, ЭП741НП, ВВ751П и ВЖ175. Установлено, что в зоне сварного соединения упрочняющая γꞌ-фаза, как вторичная, так и первичная, полностью растворяется.

Впервые на практике методом совмещения сварки давлением и сверхпластической формовки (СД/СПФ) в условиях низкотемпературной сверхпластичности (СП) при пониженной температуре, составляющей 750 ºС, изготовлена плоская модель полой лопатки из разноименных двухфазных титановых сплавов, в которой обшивка сделана из  среднепрочного титанового сплава ВТ6 промышленного проката с УМЗ структурой, а наполнитель - из высокопрочного титанового сплава ВТ14 промышленного проката, тоже имеющего УМЗ структуру. Полученный результат существенно расширяет технологические возможности формообразования методом совмещения сварки давлением и сверхпластической формовки применительно к промышленным титановым сплавам и указывает на экономически-рациональный вариант повышения конструкционной прочности изделий ответственного назначения за счет создания полой биметаллической конструкции.

Методом конечно-элементного моделирования в программном комплексе ANSYS исследован процесс формообразования цилиндрических оболочек из прямоугольных сварных пакетов титанового сплава ВТ14. Установлено, что при использовании схемы свободной формовки возможно получить полуцилиндрические фрагменты практически без утонения деформируемых листовых заготовок. Данный результат открывает перспективу изготовления подобных изделий авиакосмического назначения из малопластичных перспективных материалов, как, например, алюминиды титана.

Успешно осуществлена сварка давлением при температуре 1125°С цилиндрических крупнозернистых заготовок из жаропрочного никелевого сплава ЭП975 через мелкозернистую прослойку из того же сплава. Исследована микроструктура зоны твердофазного соединения (ТФС) цилиндрических образцов сплава ЭП975. Образования новых фаз в зоне ТФС не выявлено, зафиксированы лишь единичные мелкие поры, что свидетельствует об высоком качестве полученного ТФС. Эксперимент показал, что явление сверхпластичности эффективно может быть применено в технологии формообразования жаропрочных никелевых сплавов по методу сварки давлением при возможности осуществления сверхпластической деформации хотя бы в одном из соединяемых (одноименных) материалов. Полученный результат открывает технологическую перспективу эффективного формообразования сваркой давлением при пониженных температурах дисковых деталей из труднообрабатываемых жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных, в первую очередь, для авиационной промышленности и энергетики.

Исследованы поверхности раздела биметаллических соединений Cu–Al и Ni–Cu, полученных сваркой прутков при деформационной обработке методом равноканального углового прессования (РКУП) при комнатной температуре и при T = 473 K. Методом энергодисперсионного рентгеновской спектроскопии выполнен элементной анализ химического состава вдоль линий раздела исследуемых биметаллических соединений. Кроме того, на основе измерений микротвердости по Виккерсу построены карты распределения микротвердости  в области границ раздела соединений. Определены интерметаллидные фазы и их распределение в области биметаллического соединения, выявлено их влияние на механические характеристики сварного шва.

Установлено, что при холодной сварке Cu–Al и Ni–Cu образцов, соответственно, формируются интерметаллидные частицы нанометрического размера и твердый раствор. Показано, что твердые и хрупкие интерметаллидные частицы не снижают механические свойства сварного шва. Благодаря наноразмеру частиц и их равномерному распределению вдоль поверхности раздела, они воздействуют как композитный материал, упрочняющий сварную зону не только за счет сочетания твердости интерметаллид/твердый раствор и матрицы, но и путем торможения дислокаций.

Изучена свариваемость монокристаллического сплава ВКНА-25 и поликристаллического ЭП975 с помощью сварки давлением применительно к неразъемной детали типа «лопатка-диск». Методом сварки давлением при температуре 1175°С, в условиях сверхпластичности сплава ЭП975, были получены качественные твердофазные соединения сплавов ЭП975-ВКНА-25 [001]. Степень деформации сплава ЭП975 при этом составила 24% и 10%. Показано, что с повышением температуры сварки давлением с 1125 до 1175°С при одновременном уменьшении времени процесса структура сплава ВКНА-25 сохраняет монокристаллическое состояние с кристаллографической ориентацией [001], а в сплаве ЭП975 происходит небольшое укрупнение размера γ зерен. Увеличение температуры сварки ведет также к уменьшению ширины диффузионной зоны взаимодействия, что, вероятно, связано с отмеченным укрупнением размера γ зерен. При испытаниях на растяжение образцов, полученных сваркой давлением при 1175°С, разрушение происходило по сплаву ВКНА-25, что свидетельствует о высокой прочности сварного соединения. Свойства при растяжении образцов, полученных сваркой давлением при 1175°С, почти в два раза превысили свойства образцов, полученных сваркой давлением при 1125°С при одинаковой величине деформации сплава ЭП975.

Выполнено компьютерное моделирование процесса сварки давлением применительно к детали типа «диск-вал» с помощью пакета прикладных программ DEFORM-2D в осесимметричной постановке. Показано, что для создания неразъёмного соединения диска и вала предпочтительно использовать сварку давлением, осуществляемую при комбинации внедрения и вращения вала. В этом случае обеспечивается двухкомпонентная сдвиговая деформация ε_RZ и ε_RQ, стимулирующая относительный сдвиг свариваемых поверхностей, что улучшает качество сварного соединения. Для повышения качества сварного соединения вала и диска при всех рассмотренных схемах сварки давлением требуется конусность вала. Значение угла конусности вала рекомендуется брать в интервале 0<α≤2°. При таком значении  заметного формоизменения вала и диска не происходит, но увеличиваются максимальные сдвиговые деформации и достигается более равномерное их распределение в зоне контактных поверхностей. В случае сварки давлением, осуществляемой при комбинации внедрения и вращения вала, внимание следует уделить обработке свариваемых поверхностей, так как в случае большого трения есть опасность подвергнуть вал большой пластической деформации.