Важнейшие результаты, полученные в 2018 г.

Важнейшие результаты научных исследований, полученные в ИПСМ РАН в 2018 г.

1. Принципы достижения рекордно высоких характеристик сверхпластической деформации гамма-алюминидов титана

Сформулированы принципы достижения высоких сверхпластических свойств (удлинение δ > 1000%) в γ-TiAlсплавах при умеренно высоких температурах (0.65-0.75Тпл.): деформационная обработка исходного сплава должна быть выполнена в две стадии, в том числе в изотермических условиях при пониженных температурах в α2+γ или α2+β(B2)+γфазовой области, в результате чего обеспечивается постепенное измельчение структуры за счет процессов рекристаллизации и глобуляризации интерметаллидных фаз; кроме повышенной объемной доли α2-TiAlфазы, сплав должен содержать повышенное количество ниобия для снижения диффузионной подвижности атомов и сдерживания динамического роста зерен при деформации; содержание β(В2) фазы в сплаве должно быть исключено или минимизировано, чтобы избежать локализации деформации в пределах этой фазы в ходе сверхпластического течения. 

Публикации:

1. Imayev V.M., Ganeev A.A., Imayev R.M. Principles of achieving superior superplastic properties in intermetallic alloys based on γ-TiAl+α2-Ti3Al // Intermetallics. 2018. V. 101. P. 81-86.

2. Imayev V.M., Imayev R.M., Nazarova T.I., Gaisin R.A., Ganeev A.A. Achieving superior superplastic properties in fine grained intermetallic alloys based on γ-TiAl+α2-Ti3Al // Letters on Materials 2018. V. 8. P. 554-560.


2. Роль рельефа поверхности при диффузионной сварке металлов и сплавов

Моделированием методом конечных элементов и экспериментальными исследованиями процесса диффузионной сварки двух жаропрочных никелевых сплавов показано, что предварительное нанесение рельефа на поверхность одной из свариваемых деталей позволяет устранить застойные зоны пластического течения в зоне сварки и тем самым повысить качество твердофазного соединения. Из исследованных видов профилей, волнообразный рельеф позволяет достичь наиболее полного физического контакта материалов вдоль всей свариваемой поверхности, что обеспечивает достижение высокого качества соединения. Данный результат позволяет повысить качество соединения разнородных жаропрочных сплавов с помощью диффузионной сварки в условиях сверхпластичности и может быть применен при разработке технологий изготовления деталей типа «блиск» из жаропрочных сплавов для авиационных двигателей.

Публикация:

Galieva, E.V., Lutfullin, R.Y., Akhunova, A.K., Valitov, V.A., Dmitriev, S.V. Effect of surface relief on solid phase joining of heat-resistant nickel superalloys // Science and Technology of Welding and Joining. 2018. V. 23 (7). P. 612-618.

 

Сведения о результатах фундаментальных научных исследований в 2018 году по направлениям исследований в рамках Программы фундаментальных научных исследований Российской академии наук на 2013 – 2020 годы

Номер и наименование направления фундаментальных исследований

Полученные результаты

II. ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ

8. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости

Исследовано влияние деформационного наноструктурирования материала холодного катода на скорость его ионного распыления и рельеф, формирующийся на поверхности в результате ионного распыления. Материалом для исследований выбран широко используемый материал для холодных катодов – никель. Деформацией кручением под высоким давлением и последующим термическим отжигом получены образцы материала с различным средним размером зерен. Ионное распыление проведено ионами аргона в тлеющем разряде, имитирующем условия, при которых работает холодный катод. Исследования показали, что уменьшение размера зерен в материале приводит к повышению коэффициента ионного распыления. Рельеф, формирующийся в результате ионного воздействия на поверхности материала с малым размером зерен, имеет пониженную шероховатость по сравнению с шероховатостью материала с большим размером зерен. Результаты исследований могут быть использованы для получения материалов распылительных мишеней, которые применяются в микро- и наноэлектронике для получения тонких пленок.

Исследовано влияние режима последеформационного отжига на сверхпроводящие свойства керамики Bi(Pb)2223, деформированной методом горячего кручения под давлением. Непосредственно после деформации керамика Bi(Pb)2223 обладает слабыми сверхпроводящими свойствами: температура максимума мнимой составляющей динамической магнитной восприимчивости Tχ'' составляет 88‑94 К. Для восстановления сверхпроводящих свойств требуется проведение высокотемпературного отжига. Отжиг на воздухе при 835°C длительностью более 5 ч приводит к наиболее полному восстановлению сверхпроводящих свойств с Tχ''=99-103 К. Однако отжиг сопровождается размытием текстуры в большинстве образцов, что связано с ростом колоний, возникших при динамической рекристаллизации и имеющих преимущественно небазисную ориентировку. В некоторых образцах размытие текстуры при последеформационном отжиге минимально или практически отсутствует. Это связано с тем, что в данных образцах количество колоний с небазисными ориентировками невелико. В образце Bi(Pb)2223, деформированном кручением под давлением при Т=875°С на угол 25° и отожженном в течение 14 ч при 835°С, плотность критического тока при температуре 78 К в переменном поле напряженностью 100 Э составила около 104 А/см2, что сопоставимо со свойствами лучших объемных образцов Bi(Pb)2223, описанных в литературе. 

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

На примере поликристаллического сплава Гейслера системы Ni-Mn-Ga исследовано влияние пластической деформации методом всесторонней изотермической ковки с последующей экструзией на структуру, температуру мартенситного превращения и термическое расширение сплава. Ковка выполнена за 4 перехода при температуре 700°С, экструзия ‑ при 710°С по схеме однократного перехода 10 → 8 мм (степень деформации εист.=0,4). Анализ микроструктуры после такой комплексной деформации показывает, что, как и в состоянии после ковки, в ней наблюдается бимодальное распределение зерен. Однако после экструзии объемная доля мелкозернистой структуры выше, то есть мелкозернистая прослойка между крупными зернами увеличивается. Исследование кристаллографических ориентировок в деформированном состоянии показывает, что крупные зерна не обладают ни кристаллографической, ни металлографической текстурой. При этом мелкозернистая структура обладает однокомпонентной кристаллографической текстурой вдоль оси деформации. Исследование температуры мартенситного превращения сплава до и после деформационной обработки методом экструзии показывает смещение точки превращения в область низких температур на величину около 10°С. Из анализа кривых термического расширения вытекает, что в результате обработки экструзией анизотропия скачка геометрических размеров в процессе фазового превращения выражена меньше по сравнению с состоянием после ковки. Следовательно, с целью получения более выраженной анизотропии свойств необходимо снижение температуры и повышение степени деформации методом экструзии.

Исследован коэффициент линейного термического расширения наноструктурного инварного сплава Fe-36%Ni. Показано, что наноструктурирование сплава приводит к существенному повышению его прочности (микротвердость возрастает более чем в 3 раза) при сохранении инварных свойств. При нагреве наноструктурного инвара Fe‑36% Ni в интервале температур 400–500°C наблюдается аномальное сокращение его размеров. Это сокращение объясняется превращением выделившейся при нагреве наноструктурного образца ОЦК фазы в более плотноупакованную ГЦК фазу. Выделение ненаблюдаемой в обычном крупнозернистом инваре ОЦК фазы связано с резким повышением диффузионной способности материала при его наноструктурировании. 

Проведены исследования влияния ультразвуковой обработки (УЗО) на микроструктуру и микротвердость отожженного никеля. Одна и та же маркированная область на образце никеля была исследована с помощью методов дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD), рентгеноструктурного анализа, измерения микротвердости, измерения шероховатости поверхности с помощью лазерного микроскопа до и после воздействия ультразвуком с амплитудой напряжений 20, 40, 60 и 80 МПа. Показано, что в результате УЗО происходит генерация дислокаций и эволюция субструктуры внутри зерен с образованием малоугловых границ, изменение форм границ зерен и двойников, миграция границ, увеличение внутренних напряжений и плотности дислокаций. Кроме того, после УЗО значительно увеличивается микротвердость образца. Данное исследование раскрывает микромеханизмы эволюции дефектной структуры материала под воздействием знакопеременных напряжений, которые представляют интерес для разработки методов обработки материалов с целью получения заданных свойств.

С целью минимизации охрупчивания зоны сварки разнородных металлов при сварке трением с перемешиванием из-за образования интерметаллидов исследовано влияние на прочность соединения прослойки третьего металла, который не образует интерметаллидов (по крайней мере двойных систем) с соединяемыми металлами. Сваркой трением с перемешиванием с использованием прослойки из цинка сварены листы сплавов алюминия 6061-T6 и магния AZ31. Исследование зоны шва показало образование незначительной доли интерметаллидных частиц системы AlMgZn. При оптимальных параметрах процесса сварки (скорость траверсы 35 мм/мин, скорость вращения инструмента 600 об/мин) получено повышение прочности шва на растяжение на 24% и удлинения до разрушения почти в 2,7 раза по сравнению с образцами, сваренными без цинковой прослойки. 

Исследована эволюция микроструктуры при отжиге вторичной меди после холодной прокатки до общей деформации 2,6, которая привела к удлинению исходных зерен вдоль направления прокатки и образованию деформационных субзерен. Возврат структуры при отжиге происходил в интервале температур 100-250°С. Рекристаллизованная микроструктура наблюдалась после отжига при 300-400°С. Твердость частично рекристаллизованной меди интерпретировалась с точки зрения дислокационного упрочнения. Кинетика рекристаллизации оценивалась по уравнению Джонсона-Мела-Аврами-Колмогорова (JMAK) с использованием различных методов определения рекристаллизованной фракции, основанных на учете фракционного разупрочнения, размытия ориентаций зерен и снижения плотности геометрически необходимых дислокаций.

Путем молекулярно-динамического моделирования исследована атомная структура нанокристаллов никеля с неравновесными границами зерен, содержащими внесенные зернограничные дислокации. Для этих исследований построен модельный ГЦК нанокристалл, имеющий колончатую структуру с осью колонны [112], в границы зерен которого специальным методом вносятся решеточные дислокации различной плотности. Рассмотрены нанокристаллы с различными размерами зерен от 10 до 30 нм. Рассчитаны карты потенциальных энергий атомов, подтверждающие наличие в зернах дальнодействующих полей напряжений, типичных для неравновесных границ. Уровень и неоднородность распределения этих напряжений повышаются с ростом плотности внесенных дислокаций. Определена зависимость избыточной энергии неравновесных границ зерен от степени неравновесности, получены результаты, хорошо согласующиеся с результатами расчетов в рамках дислокационно-дисклинационной модели неравновесных границ зерен. Созданные компьютерные модели нанокристаллов позволяют исследовать влияние неравновесного состояния границ зерен на ряд физических свойств нанокристаллов, полученных деформационными методами, например, на коэффициент зернограничной диффузии.

Методом молекулярной динамики исследованы структурная устойчивость и механические свойства металлических нанотрубок. Взаимодействие атомов описывалось хорошо апробированным многочастичным потенциалом, входящим в библиотеку программного пакета LAMMPS. Исследование нанотрубок на основе ГЦК Cu и Niпоказало, что в области упругих деформаций (при напряжениях 20-50 МПа, приложенных вдоль оси нанотрубки) наблюдается отрицательный коэффициент Пуассона. При более высоких напряжениях (выше 100 МПа) происходит неупругое (пластическое) деформирование металлических нанотрубок, сопровождающееся деформацией оболочки, нарушением идеальной формы стенок нанотрубки и их искривлением. Модель показала, что атомная структура нанотрубок при этом также сильно нарушается. При температуре 300 К пластическая деформация нанотрубки происходит при значительно более низких приложенных напряжениях: уже при 20 МПа наблюдается пластическое течение материала и искривление стенок трубки. Из двух рассмотренных в модели металлов нанотрубка Cuболее подвержена пластическому деформированию как при 300 К, так и при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Методом молекулярной динамики проведено исследование деформационного поведения углеродных алмазоподобных фаз различного состава при гидростатическом сжатии. Подобный анализ констант упругости и деформационного поведения для данных структур проведен впервые. Выявлены механизмы деформирования всех возможных углеродных алмазоподобных фаз: (i) изменение валентных углов и длин валентных связей обеспечивает большие степени сжатия (до плотностей, близких к плотности алмаза) и растяжения; (ii) при больших плотностях структура теряет кристаллический порядок и переходит в аморфную. Обнаружены структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона. 

Методом молекулярной динамики с использованием многочастичного потенциала AIREBO исследовано влияние деформации на способность скомканного графена (углеродной структуры, состоящей из большого количества графеновых чешуек, связанных между собой силами Ван-дер-Ваальса) удерживать атомы водорода в порах. Показано, что гидростатическое сжатие скомканного графена приводит к значительному увеличению плотности наводораживания. Исследовано влияние сжимающей гидростатической деформации на процесс разводораживания скомканного графена. Показано, что поры этого материала могут использоваться как емкости для хранения атомов водорода, при этом гидростатическое сжатие является эффективным способом удержания водорода внутри структуры. С увеличением степени деформации наблюдается увеличение сорбционной способности чешуек графена примерно в 3 раза. Количество атомов водорода, покинувших поры скомканного графена в процессе выдержки, заметно уменьшается с ростом степени сжатия структуры. Однако увеличение степени сжатия до значений выше 40-45% не приводит к дальнейшему росту плотности наводораживания. Полученные данные позволяют прогнозировать возможность использования скомканного графена как среды для хранения и транспортировки водорода в порах материала.

С использованием модели цепочки Френкеля-Конторовой со свободным концом изучено зарождение и распространение в кристалле краудионов (антикинков), вызванных ударом молекулы, состоящей из K атомов. Обнаружено, что молекулы с 1<K<10 более эффективны в инициировании краудионов по сравнению с одним атомом (K=1), поскольку полная энергия, необходимая для инициирования краудионов молекулами, меньше, чем в случае одного атома. Это связано с тем, что один атом может инициировать в цепочке только сильно локализованные, быстро движущиеся краудионы, на что требуется относительно большая энергия. Молекулы имеют конечную длину и поэтому способны возбуждать более широкие краудионы с меньшей скоростью и меньшей энергией. Полученные результаты могут пролить свет на атомистические механизмы массопереноса и переноса энергии в кристаллах, подвергающихся бомбардировке атомами и молекулами.

Численно проанализировано взаимодействие фононных волн малой амплитуды с дискретным бризером (ДБ) в однородно деформированном графене. Деформация прикладывается к листу графена для создания щели в его фононном спектре, наличие которой обеспечивает существование щелевых ДБ. Исследовались только фононы и ДБ со смещением атомов в плоскости листа графена, что позволило рассмотреть поставленную задачу в квазиодномерной постановке. Обнаружено, что для продольных звуковых волн, имеющих частоты ниже 6 ТГц, ДБ прозрачен, и излучение энергии ДБ не происходит. В случае звуковых волн с более высокими частотами в пределах акустической и оптической фононной полос, фононы соответственно проходят через ДБ или отражаются от него, и при этом ДБ излучает свою энергию при взаимодействии с фононами. Последнее утверждение подтверждается тем, что сумма плотностей энергии прошедшего и отраженного фононов заметно выше, чем у падающей волны. Полученные результаты дают представление о переносе энергии в графене в присутствии пространственно локализованных нелинейных колебательных мод.

Методом молекулярной динамики изучено разводораживание графана путем воздействия на него внешней гармонической силы с частотой вне спектра малоамплитудных колебаний. Обнаружено, что разводораживание может быть инициировано гармоническим возбуждением атомов углерода с весьма малой, около 0,02 Å, амплитудой при условии, что частота возбуждения несколько выше частоты малоамплитудных колебаний связи C-H. Таким образом, моделирование предсказывает возможность существования нового механизма разводораживания графана.

Ранее предложенная модель N-краудиона распространена на M,N-краудион, который возбуждается в двумерном кристалле заданием начального импульса вдоль плотноупакованного направления блоку, состоящему из M×N атомов. Проанализировано влияние начальной скорости атомов на динамику M,N-краудионов для различных значений M и N. Выявлено, что начальная скорость влияет не только на длину массопереноса, но и на возникающие конфигурации дефектов. Предполагается, что M,N-краудионы могут быть инициированы с поверхности кристалла путем бомбардировки наночастицами.

Гетероструктуры, состоящие из разнородных двумерных наноматериалов, могут иметь нетривиальные физические и механические свойства, которые могут оказаться полезными во многих приложениях. Показано, что графен при одноосном растяжении способен создавать гетероструктуры, состоящие из слабо и сильно растянутых доменов. При этом средняя деформация графена увеличивается при постоянном растягивающем усилии из-за роста домена с большей деформацией за счет домена с меньшей деформацией. Эта уникальная особенность графена, обнаруженная при моделировании, связана с особенностями зарождения и движения доменных стенок, разделяющих домены различной упругой деформации. Оказывается, что кривые нагружения-разгрузки проявляют гистерезис из-за диссипации энергии при зарождении и движении доменных стенок. Это позволило предложить идею использования графеновых нанолент или углеродных нанотрубок в качестве упругих демпферов, эффективно преобразующих энергию механических деформаций в тепло при циклическом нагружении и разгрузке. Кроме того, в режиме двухфазного растяжения графеновая нанолента представляет собой гетероструктуру, для которой долю доменов с большей и меньшей деформацией, а следовательно и ее физические и механические свойства, можно варьировать контролируемым образом, применяя упругую деформацию и/или нагрев.

С помощью классической молекулярной динамики изучены столкновения фуллеренов C20 и C540 в широком диапазоне скоростей. Показано, что сценарий столкновения сильно зависит от скорости столкновения. При низких энергиях столкновения фуллерены отталкиваются силами Ван-дер-Ваальса, и после отскока часть кинетической энергии их поступательного движения преобразуется в энергию колебаний молекул. При более высоких энергиях столкновения фуллерены преодолевают потенциальный барьер отталкивания Паули с образованием новых химических связей, и наблюдается значительное изменение геометрии молекул. При очень высоких энергиях столкновения структура молекул разрушается с образованием новых углеродных кластеров. Анализ столкновений фуллеренов, существенно различающихся по размеру, выявил некоторые новые особенности, связанные с их асимметричным обменом энергией.

Делокализованные нелинейные колебательные моды (ДНКМ) играют очень важную роль в изучении динамики нелинейной решетки в физике твердого тела. Такие моды являются точными решениями уравнений движения атомов, продиктованных пространственной симметрией решетки. Если амплитуда ДНКМ выше порогового значения, она проявляет модуляционную неустойчивость. Изучена устойчивость ДНКМ в двумерной треугольной решетке с атомами, взаимодействующими посредством потенциала Морзе. Критические экспоненты установлены численно как функции амплитуды ДНКМ. Экстраполяция до нулевого значения критической экспоненты дает оценку амплитуды ДНКМ, ниже которой она устойчива. ДНКМ, имеющие при больших амплитудах колебаний частоты выше фононного спектра треугольной решетки, в результате модуляционной неустойчивости распадаются на нульмерные дискретные бризеры. Полученные результаты обогащают общее представление о связи между различными нелинейными колебательными модами в кристаллических решетках.

Выполнен цикл работ по изучению дискретных бризеров нового типа в металлах и сплавах. В частности, проведено моделирование долгоживущих двумерных ДБ в кристалле титана. Двумерный ДБ делокализован в двух пространственных измерениях и локализован в третьем, так что атомы только одной атомной плоскости имеют большие амплитуды колебаний. Частоты вновь обнаруженных ДБ лежат выше фононного спектра титана с малой амплитудой и растут с увеличением амплитуды. Полученные результаты открывают путь к поиску новых типов ДБ в чистых металлах.

III. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

19. Фундаментальные проблемы современной электротехники, импульсной и возобновляемой энергетики

Путем измерений динамической магнитной восприимчивости исследован процесс восстановления сверхпроводящей орто-1 фазы в керамике Y123, деформированной кручением под давлением при температуре 950°С. Стандартный низкотемпературный отжиг в токе кислорода в интервале температур 400-500°С, позволяющий сформировать в недеформированной керамике орто-1 фазу с температурой сверхпроводящего перехода на уровне 90-92 К, не приводит к восстановлению сверхпроводящих свойств в деформированной керамике. Для восстановления орто-1 фазы в деформированной керамике перед низкотемпературным отжигом при температуре 450°С применены промежуточные высокотемпературные отжиги на воздухе в интервале температур 870-990°C. Установлено, что восстановление сверхпроводящих свойств происходит только после отжига выше 950°С, сопровождающегося рекристаллизацией. Образцы, отожженные при 950°C и 960°C, демонстрируют наибольший диамагнитный сигнал, а также наиболее высокие значения температуры максимума мнимой составляющей динамической магнитной восприимчивости (Tχ''=84 и 84,5 К соответственно). 

Исследовано влияние Джоулева тепловыделения при воздействии импульсами тока высокой плотности на эволюцию зеренной структуры при разных начальных температурах в медных образцах. С этой целью медь прокатывали при комнатной температуре до степени деформации 90%, а затем обрабатывали импульсом тока при начальных температурах 20‑170°С. При достижении интегральной плотности тока 0,45×105А2с×мм-4 для начальной комнатной температуры и 1,05×105 А2с×мм-4 для начальной температуры -170°С в материале происходила полная рекристаллизация. Для сравнения проводили статический отжиг холоднокатаных медных образцов. Происходящие микроструктурные изменения после электроимпульсной обработки объясняются разогревом образцов в результате Джоулева тепловыделения при прохождении импульса тока.

23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей 
и химически активных сред

Проведен сравнительный анализ микроструктуры и фазового состава образцов мартенситностареющей стали EOS StainlessSteel PH1, полученных двумя способами: аддитивной технологией методом селективного лазерного спекания исходного порошка и традиционным методом горячей прокатки гомогенизированного слитка. Установлено, что, несмотря на одинаковый химический состав образцов, полученных разными методами, фазовый состав их несколько отличается. В образце, полученном селективным лазерным сплавлением, присутствуют мартенсит (около 90%) и остаточный аустенит (10%), а в образце, полученном прокаткой, остаточный аустенит отсутствует. Средний размер зерен/субзерен в образцах первого типа составляет 0,5 мкм, а в образцах второго типа - около 1 мкм. 

Показано, что деформационная обработка образцов мартенситностареющей стали ЭП836 приводит к увеличению коэрцитивной силы материала, а использование дополнительной длительной (до 25 ч) термической обработки при низких температурах (250°С) перед окончательным старением приводит к увеличению его остаточной индукции. 

Разработаны режимы деформационной обработки модельных титановых сплавов на основе системы Ti-Al-Mo-V-Ni-Fe-Si-B в литом состоянии. Методом всесторонней изотермической ковки, обеспечивающей формирование в материале однородной мелкозернистой структуры (размер зерен d ~ 1 мкм) и отсутствие кристаллографической текстуры, и последующей перекрестной прокатки изготовлены листовые заготовки толщиной 1 мм. Проведенные исследования механических свойств заготовок показали, что мелкозернистые листы имеют повышенные механические свойства при комнатной температуре (предел текучести s0,2»700 МПа, предел прочности sВ»900 МПа, удлинение до разрушения d»25%), причем как в направлении прокатки, так и в поперечном направлении оцененные характеристики листов были близкими по величине, что свидетельствует об отсутствии плоскостной анизотропии листов. Установлено, что мелкозернистые листы из модельных титановых сплавов имеют высокие сверхпласти-ческие свойства в интервале температур 650-800°С и скоростей деформации 8,3×10‑4-1,7×10‑2 с-1. Так, в модельном титановом сплаве Ti-2,25Al-2,0Mo-1,5V-2,75Ni-0,25Fe-0,15Si-0,1B (вес. %) при температуре сверхпластической деформации 750°С и начальной скорости деформации 8,3×10-4 с-1 относительное удлинение d достигало 1920%.

Исследовано влияние длительного отжига на процесс преобразования равноосной формы частиц a- фазы в пластинчатую структуру в титановом сплаве Ti-17ат.%Н с исходной глобулярной структурой. При отжиге титанового сплава в интервале температур 500-600°С отмечается развитие процессов деления и сфероидизации a-фазы, однако заметного изменения формы a-частиц не наблюдается.

Изучены сверхпластические свойства титанового интерметаллидного сплава с пониженным удельным весом (r=5,067 г/см3) Ti-21Al-18Nb-1Mo-2V-0,3Si (ат. %), содержащего три упорядоченные фазы: O (Ti2AlNb), B2 (Ti-Al-Nb) и a2 (Ti3Al). Однородная мелкозернистая структура с размером зерен d=1-2 мкм в материале была сформирована посредством термомеханической обработки, которая включала горячее изостатическое прессование (Т=1080°С, Р=140 МПа, t=6 ч), двухстадийную квазиизотермическую ковку при 870-1060°С и прокатку при 930-950°С. Мелкозернистый сплав демонстрировал высокие сверхпластические удлинения d>230% при температуре 875-1000°С и начальной скорости деформации 4´10-4 с-1. Наибольшее удлинение d=958% было получено при 960°С.

Микроструктурным анализом выявлены закономерности сверхпластического поведения интерметаллидного сплава Ti-21Al-18Nb-1Mo-2V-0,3Si. Показано, что наилучшие сверхпластические свойства достигаются, когда материал имеет приблизительно равное содержание основных фаз (B2 и a2). Это позволяет предположить, что проскальзывание по межфазным границам B2/a2 играет важную роль при сверхпластической деформации интерметаллидного сплава. Наблюдаемое отклонение от ориентационных соотношений Бюргерса (110)B2//(0001)a2, [1-1-1]B2//[1-210]a2указывает на активное вращение зерен в ходе сверхпластического течения. Деформационно-индуцированный рост зерен свидетельствует о миграции границ зерен. Кроме того, при испытании сплава при 960°С выявлены признаки протекания фазовых превращений O→B2→a2. Небольшое содержание О-фазы в сплаве Ti-21Al-18Nb-1Mo-2V-0,3Si обнаружено при 960°С в пластинчатой (a2+O)-структуре. Кристаллографические ориентации между a2- и O-фазами составляли(1010)a2//(110)O, [0001]a2//[001]O.

Разработана квалиметрическая оценка качества материалов с различной микроструктурой на примере титанового сплава ВТ6. Даны характеристики микроструктуры и механических свойств сплава ВТ6 с микрокристаллической (МК), субмикрокристаллической (СМК) и бимодальной структурой. Показано, что сплав с СМК структурой обладает по сравнению со сплавом с МК структурой повышенной твердостью, прочностью и сопротивлением усталости, однако его ударная вязкость ниже. Сплав с бимодальной структурой, при сопоставимых с СМК состоянием характеристиках твердости, прочности и сопротивления усталости, имеет более высокие пластичность и ударную вязкость. Выполненная квалиметрическая оценка качества титанового сплава ВТ6 позволяет выработать общие рекомендации, касающиеся условий нагружения и предполагаемой температуры эксплуатации деталей.

Исследованы микроструктура и сверхпластические свойства интерметаллидного сплава последнего поколения состава Ti-43.7Al-4.2Nb-0.5Mo-0.2B-0.2C (ат. %), подвергнутого двухстадийной деформационной обработке в разных фазовых областях, в результате которой в сплаве была получена смешанная микроструктура, состоящая из ультрамелкозернистых зерен и остатков литой пластинчатой структуры. В интервале температур 800-1000°С и скоростей деформации 10-4-10-3 c-1 были достигнуты рекордные сверхпластические свойства. В частности, сверхпластические удлинения δ=1270-2860% получены в сплаве при T=900-1000°C. Показано, что замедленный динамический рост зерен в процессе сверхпластического течения является ключевым условием достижения рекордных сверхпластических удлинений в интерметаллидных γ-TiAl сплавах. Он достигается за счет состава сплава, обеспечивающего отсутствие (минимальное количество) β(В2) фазы (благодаря низкой β-стабилизации легирующих элементов), высокое содержание (около 30%) α2-Ti3Al фазы (за счет пониженного содержания алюминия), повышенное значение энергии активации сверхпластического течения (за счет повышенного легирования ниобием). Полученные знания могут быть использованы для развития технологий сверхпластической формовки полуфабрикатов и деталей из интерметаллидных γ-TiAl сплавов. 

Проведены исследования химического состава фаз промышленного никелевого сплава ATI Allvac718Plus с помощью энергодисперсионного микрорентгеноспектрального (EDX) анализа. Обнаружено, что деформационная обработка сплава с помощью всесторонней изотермической ковки с постепенным снижением температуры деформации, начиная от 950°С, приводит к перераспределению алюминия и титана в микроструктуре сплава. Это ведет к увеличению объемной доли фаз h/d. Оставшегося в матрице алюминия и титана оказывается недостаточно для образования g¢-фазы при охлаждении, что приводит к повышению технологической пластичности этого труднодеформируемого сплава.

Проведены сравнительные исследования микроструктуры сплава Inconel 718, полученного методом селективного лазерного плавления (СЛП) и изготовленного по традиционной технологии литья (вакуумно-индукционная плавка, электрошлаковый переплав и вакуумно-дуговой переплав) с последующей ротационной горячей ковкой. Микроструктура сплава Inconel 718, полученного методом СЛП, отличается от традиционно изготовленного сплава повышенной микрогетерогенностью и мелкозернистостью. Средний размер g-зерен сплава, полученного методом СЛП, составил около 10 мкм, при этом в g-зернах обнаружена развитая субструктура. Помимо γ¢- и γ¢¢-фаз в сплаве, полученном с помощью СЛП, обнаружены δ-фаза и оксиды. Карбиды, обычно наблюдаемые в Inconel 718, не обнаружены. Микроструктурные исследования сплава Inconel 718, изготовленного методом СЛП и традиционным методом и подвергнутого кручению под квазигидростатическим давлением (КГД) при комнатной температуре, показали, что после КГД содержащие Nb интерметаллидные фазы частично растворились, и во время последующего отжига при температуре, близкой к температуре старения сплава, выделились только пластины d-фазы. Микротвердость сплава зависит от размера γ-зерен, дисперсных γ¢-, γ¢¢- и δ-фаз, оксидов. Наличие дисперсных оксидов в сплаве Inconel 718, полученном с помощью СЛП, вероятно, повлияло на повышенное значение микротвердости по сравнению с промышленным сплавом. Максимальная микротвердость была достигнута в сплаве Inconel 718, полученном методом СЛП, подвергнутом КГД и отжигу при 650°С (2 ч).

Выполнены эксперименты по горячей прокатке никельжелезных сплавов типа Inconel 718 и его российского аналога – сплава ЭК61 (ХН58МБЮД). Показано, что горячая прокатка сплава Inconel 718 с предварительно подготовленной мелкозернистой структурой дуплексного типа позволяет сформировать в листовом полуфабрикате ультрамелкозернистую структуру с размером зерен менее 1 мкм. После прокатки сплавы Inconel 718 и ЭК61 с ультрамелкозернистой структурой могут быть деформированы сверхпластически в интервале температур 700-850°С. Стандартная термическая обработка прокатанных сплавов Inconel 718 и ЭК61 с ультрамелкозернистойструктурой обеспечивает достижение прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах, которые с избытком удовлетворяют требованиям технических условий на данный материал. 

Уточнены технологические приемы и режимы деформационно-термической обработки самого распространенного порошкового никелевого сплава ЭП741НП, обеспечившие формирование градиентной структуры в заготовках диска из этого сплава. Дисковую заготовку сплава подвергали деформационной обработке в изотермических условиях, последующей термической обработке в градиентном температурном поле и дополнительной небольшой деформации в изотермических условиях. В результате, в заготовке диска из сплава ЭП741НП была получена однородная мелкозернистая дуплексная структура с преимущественно высокоугловыми границами зерен в центральной части и частично рекристаллизованная структура типа «ожерелье» - в периферийной части. Показано, что градиентная структура обеспечивает градиентные механические свойства, меняющиеся в радиальном направлении заготовки диска: повышенная прочность и пластичность достигнуты в центральной мелкозернистой зоне, повышенная жаропрочность и ударная вязкость – в периферийной зоне диска. Полученное в заготовке диска градиентное распределение свойств - прочности и жаропрочности демонстрирует возможность получения габаритных сложнопрофильных деталей типа «диск» с комплексом свойств, наиболее полно отвечающим условиям эксплуатации. Разработанные технологические приемы и режимы деформационно-термической обработки могут быть использованы при изготовлении натурных дисков для газотурбинного двигателя из высоколегированных никелевых сплавов.

Предложена общая схема идентификации определяющих соотношений сверхпластичности, по которой значения материальных постоянных (и m) в феноменологической модели Бэкофена рассчитываются по результатам технологических экспериментов с использованием методик расшифровки, основанных на принятии дополнительных гипотез о характере напряженно-деформированного состояния в очаге деформации. Проверка результата идентификации проведена путем сопоставления экспериментальных данных с соответствующими решениями краевых задач механики сверхпластичности, полученными в среде программного комплекса ANSYS. При этом точность моделирования продолжительности формовки полусферы из титанового сплава типа ВТ6 составляет не менее 4%. Полученные результаты имеют научную ценность для дальнейшего развития механики сверхпластичности и практическую ценность при разработке научно-обоснованной модели технологического процесса формообразования полых изделий из титановых сплавов для компьютерного конечно-элементного моделирования технологий сверхпластической формовки. 

Одной из актуальных проблем, решение которых важно для прогресса в авиадвигателестроении, является материаловедческая задача, связанная с разработкой научно-обоснованных термомеханических режимов получения качественных неразъемных твердофазных соединений из разнородных жаропрочных сплавов, в частности, из сплавов на основе никеля. Такие соединения могут быть использованы при изготовлении биметаллических изделий, например, деталей типа «БЛИСК». В этой связи исследовано влияние термической обработки на качество твердофазного соединения образцов из интерметаллидного сплава ВКНА-2 и никелевого сплава ЭП975, полученных в условиях сверхпластичности сплава ЭП975 при температуре 950°С. Показано, что путем дополнительной термической обработки, проведенной после сварки, можно повысить прочность соединения при комнатной температуре примерно до 70% прочности интерметаллидного сплава ВКНА-25. Это в 1,5 раза выше прочности сварного соединения без термической обработки.

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

Снижение температуры сверхпластичности является важной фундаментальной проблемой, имеющей практически важное значение для решения сложных технологических задач формообразования полых конструкций ответственного назначения для авиакосмической промышленности. В этой связи, впервые на практике для высокопрочного комплексно-легированного титанового сплава ВТ22 с ультрамелкозернистой структурой выявлена сверхпластичность при относительно низкой температуре 550°С и определены режимы ее осуществления. При указанной температуре сверхпластическое поведение наблюдается при скорости деформации 10-4 с‑1. Повышение температуры деформации до 600°С приводит к количественному росту показателей сверхпластичности и повышению оптимальной скорости сверхпластической деформации. Полученный результат имеет практическую ценность для разработки ресурсосберегающих технологий формообразования изделий ответственного назначения на основе сверхпластичности благодаря снижению трудоемкости и энергоемкости технологического процесса по сравнению с использованием традиционной сверхпластичности при более высоких температурах.

Формирование в жаропрочном никелевом сплаве ЭП975 ультрамелкозернистой структуры со средним размером зерен гамма фазы около 1-2 мкм и менее позволило впервые на практике реализовать сверхпластичность этого сплава при относительно низкой температуре 950°С, что на 175°С ниже температуры традиционной сверхпластичности, и при этом относительное удлинение составило 1490%. Полученный результат обладает высокой практической ценностью для разработки перспективных ресурсосберегающих технологий формообразования изделий сложной конфигурации типа БЛИСК для авиакосмической промышленности.

28. Система многокритериального связного анализа, обеспечения и повышения прочности, ресурса, живучести, надежности и безопасности машин, машинных и человеко-машинных комплексов в междисциплинарных проблемах машиноведения и машиностроения, научные основы конструкционного материаловедения 

Методом конечно-элементного моделирования обоснована геометрия и размеры образцов для создания оптимального напряженно-деформированного состояния при получении сваркой давлением в температурно-скоростных условиях сверхпластичности биметаллической детали типа «диск-вал» из разнородных жаропрочных никелевых сплавов ЭП975 и ЭК79, в которых в результате предварительной деформационно-термической обработки была сформирована дуплексная ультрамелкозернистая структура. Результаты конечно-элементного моделирования были использованы для получения неразъемного твердофазного соединения в экспериментальной модельной заготовке типа «диск-вал», в которой в качестве материала для диска был использован сплав ЭП975, а для вала - ЭК79. Полученные результаты исследований актуальны с практической точки зрения, поскольку важнейшей задачей при проектировании перспективного газотурбинного двигателя является увеличение доли неразъемных сварных соединений.

29. Триботехника и износостойкость высоконагруженныхэлементов машин

Проведены компьютерное моделирование и натурный эксперимент по деформированию прутка из баббита Б83 методом равноканального углового прессования (РКУП). Исследованы два исходных структурных состояния материала. Первое состояние (I), полученное при обычном литье, характеризуется наличием крупных частиц интерметаллидных b- и h-фаз. Второе состояние (II), полученное при быстром охлаждении, содержит мелкие частицы. Определен износ по потере массы образцов в результате трения до и после РКУП. Зависимость изнашивания баббита в состоянии I имела две четко выделенные стадии: стадию приработки и устойчивого износа. Изнашивание образцов состояния II показало, что сформированное равномерное распределение интерметаллидных частиц в матричной фазе приводит к отсутствию стадии приработки при износе. Интенсивная пластическая деформация методом РКУП приводит к диспергированию частиц интерметаллидных фаз и ослаблению адгезионной связи частиц с матрицей. В состоянии I измельчение крупных интерметаллидных частиц вызывает снижение износа. В состоянии II после РКУП происходит ослабление адгезии к матрице, а также разупрочнение интерметаллидных частиц и матрицы, что вызывает усиление изнашивания. Показано, что применение методов РКУП для улучшения трибологических свойств сплавов типа баббитов за счет измельчения их структуры неэффективно.

V. ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ И НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ

45. Научные основы создания новых материалов с заданными свойствами и функциями, в том числе высокочистых и наноматериалов

Исследованы новые композиционные материалы на основе Ti/TiB и Ti/(Ti+TiC) с матрицей из жаропрочных титановых сплавов ВТ18У и ВТ25У, изготовленных in situ с помощью литья. Содержание армирующих компонент составляло 6,5-10 об. %. Материалы подвергали 2D и 3Dизотермической ковке с последующей термической обработкой в идентичных условиях. Для сравнения такой же обработке были подвергнуты матричные сплавы. Композиционные материалы показали повышенные на 20-50% значения прочности в широком интервале температур и повышенное сопротивление ползучести при температурах 550-650°С по сравнению с матричными сплавами в сочетании с пластичностью при комнатной температуре до δ=3-5%. Установлено, что армирование частицами карбида TiC неэффективно с точки зрения повышения прочности и сопротивления ползучести, но ведет к существенному снижению пластичности при комнатной температуре (до δ<1%). Показано, что углерод, вводимый в состав композиционных материалов для образования частиц TiC, уменьшает содержание β фазы в матрице и способствует укрупнению волокон TiB. При этом твердые карбиды провоцируют образование хрупких трещин. Показано, что ковка в двух направлениях, нацеленная на формирование направленной структуры с TiB-волокнами, вытянутыми вдоль направления вытяжки заготовки, и ковка в трех направлениях, обеспечивающая дробление боридов и их хаотичную ориентацию, приводят к близким значениям механических свойств на растяжение и сопротивления ползучести. Для направленных структур эффект упрочнения объясняется в соответствии с моделью сдвигового запаздывания для коротковолокнистых композитных материалов. Для состояний с раздробленными и хаотично ориентированными TiB-волокнами срабатывает механизм дисперсионного упрочнения. 

Разработаны режимы деформационно-термической обработки жаропрочного высоколегированного никелевого сплава СДЖС-15 экспериментального состава (Ni-50(Co,Cr,W,Ta,Ti,Al,Mo,Nb,Re)-0.1(C,LaY,Ce,B) (вес. %)) с содержанием упрочняющей γ¢ фазы около 70 об.% и температурой полного растворения упрочняющей фазы, максимально приближенной к температуре плавления сплава. В мелкозернистом состоянии, полученном в сплаве СДЖС-15 после деформационно-термической обработки, достигнуто необычное сочетание высокой прочности и жаропрочности при сохранении приемлемой пластичности. В частности, сплав показал длительную прочность более 300 и 95 ч при температуре 650°С и напряжениях 1000 и 1200 МПа соответственно. Новизна работы связана с деформацией сплава, содержащего рений, обычно применяемого для недеформируемых монокристаллических никелевых сплавов. Применение сплава возможно в качестве дискового материала в перспективных газотурбинных двигателях. 

Исследована микроструктура и деформируемость высоколегированного никелевого сплава СЛЖС-1Р экспериментального состава (Ni-47(Al,Cr,Co,Ta,W,Hf)-0.2(C,B) (вес. %)) с повышенным содержанием кобальта и вольфрама. Показана возможность деформации сплава в литом состоянии сжатием без образования боковых трещин в квазиизотермических условиях при температуре деформации чуть ниже температуры полного растворения γ¢ фазы. Оценены механические свойства сплава на растяжение в литом состоянии после термической обработки. Выполненная оценка показала повышенные прочностные свойства в сравнении с широко распространенным сплавом ЖС6У при близких значениях пластичности. Применение сплава возможно для изготовления лопаток ГТД, а также в качестве материала штампового инструмента.

Проведен сравнительный анализ микроструктуры и характеристик сверхпластичности алюминиевого сплава 1570C(Al-5Mg-0,18Mn-0,2Sc-0,08Zr-,01Fe-0,01Si, вес.%), подвергнутого равноканальному угловому прессованию (РКУП) при температуре 325°C (0,6Тпл) до эффективной степени деформации 8 и последующей теплой изотермической прокатке при той же (325°C) и комнатной температурах с суммарным обжатием 80-85%. Обнаружено, что формирование в процессе РКУП ультрамелкозернистой структуры с размером новых зерен около 1 мкм и объемной долей 0,6-0,7 обеспечивает достижение уникальных сверхпластических характеристик сплава с удлинениями до разрушения более 2000% в широком диапазоне температур и скоростей деформации. Последующая прокатка при температуре прессования увеличивает объемную долю ультрамелких зерен до 0,8 без изменения их размера и типа структуры, а холодная прокатка формирует сильнодеформированную (нагартованную) УМЗ структуру с высокой плотностью дислокаций. Несмотря на такие различия структур, характеристики сверхпластичности сплава были близки: максимальные удлинения составляли до 2800% при температуре 520°C и скорости 1,4×10-2 с-1. Показано, что причина одинакового поведения сплава в обоих состояниях заключается в развитии в процессе сверхпластичности однотипных структур с близкими параметрами.

Исследовано влияние исходной гетерогенности структуры алюминиевого сплава Д16 (Al-4.4Cu-1.4Mg-0.7Mn) на изменения его структуры и твердости при изотермической криогенной прокатке при температуре жидкого азота до суммарной степени е=2 и последующем отжиге в интервале температур 190-500°С длительностью 0,5 ч. Сопоставлялись исходно закаленное состояние, в алюминиевой матрице которого присутствовали лишь дисперсные выделения Т-фазы (Al6Mn), и гетерогенизированное при 400°С состояние, в котором к аналогичным выделениям Т-фазы добавились более грубые выделения θ и Sфаз (CuAl2 и Al2CuMg). Обнаружено, что при прокатке закаленного сплава формируется неоднородная деформационная структура, состоящая из деформационных полос, содержащих преимущественно слабо-разориентированные ячеистые структуры. При этом вблизи выделений Т-фазы фиксировали повышенную плотность дислокаций. В гетерогенизированном же состоянии, напротив, формировалась более гомогенная структура с более однородным распределением дислокаций, ячеек и дислокационных границ, в которой наблюдались единичные наноразмерные кристаллиты и их скопления, располагавшиеся преимущественно вблизи частиц обоих видов. При этом твердость криодеформированного предзакаленного сплава была выше и достигала 180HV. Из-за уменьшения легированности твердого раствора и коагуляции его продуктов в результате гетерогенизации твердость сплава снижалась на 20-30 Нv, и эта потеря наследовалась после криодеформирования. Последующий отжиг приводил к развитию процессов возврата и рекристаллизации структуры и снижению твердости обоих криокатанных состояний до уровня исходного предзакаленного сплава. При этом предварительная гетерогенизация структуры активизировала формирование мелкозернистой структуры и обеспечивала ее большую дисперсность.

Изучена эволюция структуры поверхности и объема образцов при сверхпластической деформации алюминиевого сплава 7475 (Al-5.9Zn-2.2Mg-1.7Cu-0.2Cr). Для этого слиток был подвергнут стандартной обработке по схеме промежуточной термомеханической обработки, в результате которой в листах толщиной 1 мм была получена сравнительно однородная мелкозернистая структура с равноосными зернами размером 5,0±0,2 мкм, внутри которых были равномерно распределены дисперсные выделения фазы Al18Mg2Cr. Проведена оценка параметров сверхпластичности и зеренной структуры после статического и динамического отжига в интервале температур 485-515°С. Максимальная скоростная чувствительность и максимальные удлинения (до 350±10%) отмечались при температуре 500°С и скорости деформации 2´10-3 с-1. При этом эффективная энергия активации сверхпластической деформации составила 113 кДж/моль, что ниже энергии активации решеточной самодиффузии чистого алюминия (142 кДж/моль), но выше энергии активации самодиффузии по границам зерен (84 кДж/моль). Установлено, что при статическом нагреве происходит нормальный рост зерен, что поддерживает их равноосность. Динамический же отжиг приводит к удлинению зерен вдоль направления растяжения. При этом до степеней деформации около 0,7 он сопровождается деформационным упрочнением материала, а затем, вследствие стабилизации размера и формы зерен, наблюдается устойчивая стадия деформации без упрочнения. Удлинение зерен на начальной стадии деформации сопровождалось образованием на поверхности образца типичного для сверхпластичных материалов деформационного рельефа с преобладанием «полосчатых» зон, вызванной также сменой зернами соседей, вращением зерен и незначительной внутризеренной деформацией. Одной из главных причин удлинения зерен являлась диффузионная ползучесть, контролирующая сверхпластичное течение на начальной стадии деформации. Вклад зернограничного проскальзывания в общую деформацию на начальной стадии достигал 30-40% и затем увеличивался до 50-60% на установившейся стадии. Показано, что роль дислокационных механизмов с ростом деформации увеличивается.