Проведение исследований в области получения высокоэффективных материалов на базе процессов термомеханической обработки, литья, рафинирования металлов, жидкофазного восстановления, сверхпластической деформации, термообработки, 3D-моделирования (за 2015 г.)

Цель: определить важнейшие параметры и закономерности при получении гаммы высокоэффективных металлических материалов - наноструктурированных сплавов с памятью формы, алюминиевых сплавов, сплавов на основе алюминидов тинана, сталей, чугунов на базе процессов термомеханической обработки, литья, рафинирования металлов,жидкофазного восстановления, сверхпластической деформации, термообработки, 3D-моделирования. Проведены исследования в области получения высокоэффективных материалов на базе процессов термомеханической обработки, литья, рафинирования металлов, жидкофазного восстановления, сверхпластической деформации, термообработки, 3D-моделирования. Будут исследованы наноструктурированные сплавы с памятью формы, алюминиевые сплавы, алюминиды титана, стали, чугуны для их использования в различных областях, включая авиацию, медицину, металлургию, машиностроение. Будут изучены принципы фазовой оптимизации новых сплавов, кристаллографический ресурс обратимойдеформации в разных приближениях, особенности распада пересыщенного твердого раствора, влияние режимов ТМО на дисперсность фаз упрочнителей, на термическую стабильность сформировавшейся структуры, ресурсосберегающей переработки руд и техногенных отходов. Рассмотрена методика определения кривых текучести материалов при повышенных температурах на базе многофункционального комплекса физического моделирования термомеханических процессов Gleeble System 3800. Представлены результаты испытаний на сжатие образцов из сплава ЭП666-ВД в температурном диапазоне от 900 до 1230°С со скоростями деформации от 0,1 с⁻¹ до 50 с⁻¹ , экспериментально определена зависимостьнапряжения течения от степени деформации в данных термодеформационных условиях; выяснены неизвестные коэффициенты для моделирования связи напряжения течения сплава ЭП666-ВД с параметрами деформации с использованием параметра Зинера - Холомонна. Показано, что максимальная температура разогрева заготовки во время штамповки не должна превышать 1230°С. Проанализирована динамика изменения зеренной и дислокационной структуры сплавов Al - 4,9%Mg - 0,6%Mn и Al - 4,9%Mg - 0,6%Mn - 0,25%Cr во время сверхпластической деформации. Выявлено, что в процессе деформации стабильность зерен в сплаве с добавкой хрома значительно больше, чем без его добавки. Доля субзерен в сплаве без хрома постоянна, а в сплаве Al - 4,9%Mg - 0,6%Mn - 0,25%Cr увеличивается во время деформации, при этом в сплаве с хромом выявлены зоны, свободные от выделений, чтосчитается признаком диффузионной ползучести. Вклад диффузионной ползучести, определённый по доле таких зон, составил примерно 50%. В обоих сплавах проходит динамическая рекристаллизация. Посчитана эффективная энергия активации, которая составляет примерно 180 кДж/моль в сплаве без добавки хрома и 200 кДж/моль в сплаве с добавкой хрома, что соизмеримо с энергией активации самодиффузии алюминия по телу зерен. В сплаве Al - 6,8%Mg - 0,6%Mn - 0,25%Cr выявлена значительная дислокационная активность перед разрушением. Обнаружены зоны, свободные от выделений, которые являются признаком диффузионной ползучести. В исследуемых сплавах объемная доля пор после деформации не превышает 3%. В сплавах Al - 4%Mg - 4%Zn - 0,8%Cu - 3%Ni - 0,3%Zr и Al - 3%Mg - 7%Zn - 1%Fe -1%Ni - 0,25%Zr - 0,1%Sc структура полностью рекристаллизована после 200% СПД. В сплаве Al - 3%Mg - 7%Zn - 0,25%Zr - 0,1%Sc без крупных частиц вторых фаз даже перед разрушением структура только частично рекристаллизована, что приводит к значительному ухудшению показателей сверхпластичности. Оптимальной температурой испытаний для сплавов, содержащих цирконий и скандий, является 480°С и скорость деформации 1·10⁻³ с⁻¹. В таких условиях деформации частицы Al3(Zr,Sc) остаются полностью когерентными матрице до и после сверхпластической деформации. Получены расчетные коэффициенты бинарной логистическойрегрессии, связывающие параметры плавки и заливки расплава в литейную форму, а также долю вторичных материалов в составе шихты и качественные бинарные показатели отливок из сплава АК7, изготовленных по газифицируемым моделям: чистоту поверхности (z1), размерную точность (z2), прожигаемость (z3), пористость (z4). Результаты расчетов выявили варианты эффективных технологических режимов получения качественных отливок и показали хорошую сопоставимость с экспериментальными данными. Выбор того или иного варианта обуславливается рыночной ценой на шихтовые материалы и электроэнергию, обеспечивая минимальную себестоимость годного литья. Данная методика расчета может в своей основеи с учетом специфики конкретного производства быть применена в промышленных технологиях литья. С использованием метода планирования многофакторного эксперимента проведены исследования технологических режимов лазерной резки высоколегированной стали 08Х18Н10Т. Предложены рациональные режимы лазерной резки высоколегированной стали 08Х18Н10Т, позволяющие при высокой скорости обработки минимизировать ширину лазерного реза и размер ЗТВ. Полученные новые технологические режимы лазерной резки высоколегированной стали обеспечивают повышение показателей качества продукции. Проведен анализ процессов жидкофазного восстановления железа и их тепловых балансов. Показано, что имеет место дефицит тепла в шлаковой ванне, обусловленный неполным горением углерода, который может устраняться либо за счет работы дополнительных агрегатов с предварительной подготовкой шихтовых материалов, либо за счет горения топлива над шлаковой ванной и возврата тепла от дожигания в ванну. Второй путь - горение выделяющихся из шлаковой ванны восстановительных газов, полученных от реакций неполного горения, разложения влаги и образованияметалла, реализован в процессе Ромелт. Введено понятие степени дожигания как отношение количества кислорода, подаваемого на верхние фурмы, к необходимому по стехиометрии реакций дожигания. Приведены расчетные составы газов до и после дожигания в печи Ромелт. Показано влияние на состав газа и тепловой баланс процесса мелких фракций угля. Установлено, что в связи с разрежением в печи Ромелт и высокими значениями газовыхпотоков мелкие фракции угля витают в зоне дожигания и взаимодействуют с кислородом, подаваемым на верхние фурмы. Это приводит не только к увеличению CO и водорода в газовой фазе и реальному уменьшению степени дожигания, но и к ухудшению теплового баланса из-за реакции разложения углекислого газа и воды газовой фазы на угле, что, в свою очередь, приводит к уменьшению производительности агрегата. Показано, что разделение угляна крупную (>3 - 5 мм) и мелкую (<3 - 5 мм) фракции с последующей подачеймелкой фракции в нижние фурмы в виде пылеугольного топлива (ПУТ) приводит к снижению выноса пыли с отходящими газами из печи, повышению степени дожигания газов и улучшению теплового баланса. Одновременно, подача угля в нижние фурмы приводит к увеличению площади контакта железосодержащего шлака с угольными частицами, что позволяет повысить производительность печи по чугуну. Предложена схема вдувания ПУТ в печь Ромелт. В результате проведения комплексного исследования поверхности термомеханически обработанных сплавов Ti - Nb - Zr (TNZ) и Ti - Nb - Ta (TNT) с памятью формы с применением методов рентгеновской дифрактометрии, растровой электронной микроскопии, измерительного индентирования, измерительного царапания, тибологических испытаний, определения шероховатости и смачиваемости изучены структурное состояние и физико-механические характеристики поверхностного слоя. Толщина оксидного слоя, сформированного на полированной поверхности СПФ Ti - Nb - Zr и Ti - Nb -Ta в результате ПДО при 500 - 800°С,растёт с повышением температуры в пределах от 1 до 2 мкм. Основными фазовыми составляющими поверхностного слоя является диоксид титана TiO₂ в модификациях рутила (преимущественно особенно при высоких температурах) и анализа. В состав переходного слоя от металлической основы к оксидному слою наряду с β-фазой входит α-фаза. Оксидные слои на поверхности СПФ TNZ и TNT обладают высокой когезионной прочностью, которая увеличивается с ростом температуры ПДО в интервале 500 - 900°С, причем у сплава TNZ она систематически выше. Поверхность термомеханически обработанных по оптимальному режимуСПФ является более гидрофильной по сравнению с поверхностью чистоготитана Ti - Grade4 и СПФ Ti - Ni, что способствует процессу остеоинтеграции. Она обладает гораздо более высокой износостойкостью по сравнению с титаном и сравнимой с износостойкостью никелида титана. Модуль упругости поверхностного слоя, полученного в результате ПДО при 500 - 600°С по данным измерительного индентирования составляет 80 - 100 ГПа для СПФ TNT и 100 - 120 ГПа для TNZ. В ходе рентгеноструктурного исследования и последующего расчета параметров кристаллических решеток фаз установлено, что СПФ TNZ при нагреве α”- и ω-фазы превращаются в β-фазу независимо. Воздействие внешней нагрузки изменяет последовательность превращений при нагреве СПФ TNZ: сначала наблюдаются превращения β+ω→α”, а затем обратное превращение α”→β. Первое из них сопровождается переориентацией α”-мартенсита, которая наблюдается и в СПФ TNT. Параметры решетки “атермической” и “изотермической” ω-фаз, образующихся при охлаждении до минус 180°C и в ходе выдержки при 300°C близки. Они различаются только в силу разного атомного объема этих сплавов и представляют собой одну и ту же фазу, рост которой происходит по разным механизмам: сдвиговому и диффузионному соответственно.