ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПЛАВЫ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (промежуточный, этап 1)

Объект исследования – никель-, алюминий- и цирконий-содержащие высокоэнтропийные сплавы но основе системы TiNbCrV и титановые сплавы различного состава. Цель работы – систематическое исследование состава, микроструктуры, механизмов деформации и упрочнения, режимов обработки сплавов, поиск алгоритмов их прогнозирования, механических и технологических свойств с целью создания перспективных сплавов и технологий, расширения применения промышленных сплавов для аэрокосмической техники. При выполнении проекта были использованы современные взаимодополняющие методы, такие как термодинамическое моделирование, изготовление сплавов вакуумным индукционным литьем, рентгеноструктурный анализ, сканирующая электронная микроскопия с локальным микроанализом, стандартные методики механических испытаний. Анализ литературных источников показал, что для обеспечения требуемого комплекса свойств в высокоэнтропийных сплавах на основе тугоплавких элементов наиболее перспективным является формирование структуры из ОЦК или B2 матрицы, упрочненной дисперсными частицами B2 фазы, фазы Лавеса, и других фаз. Результаты анализа позволили выбрать систему Ti-Nb-Cr-V-Ni-Al для получения B2 NiAl частиц в ОЦК матрице. Построенная при помощи программы Thermo-Calc фазовая диаграмма для сплавов Ti(50-1,5625x)Nb(30-0,9375x)Cr10V10Ni1.5xAlx (x=0, 5, 7, 10) предполагает выделение богатой Ni B2 фазы в ОЦК матрице сплава Ti50Nb30Cr10V10 при добавке Al и Ni. Показано, что сплав Ti50Nb30Cr10V10 имел однофазную ОЦК структуру в соответствии с предсказаниями. Легирование Al и Ni вело к выделению частиц вторых фаз, в именно, богатой Ti и Ni сигма фазу и фазу Ti2Ni. Объемная доля вторых фаз росла с увеличением x, а при x=10 сигма фаза становилась матричной. Структура сохраняла показал присутствие богатой Ni и Ti сигма фазы, что может свидетельствовать о возможности формирования в многокомпонентных сплавах фаз, не наблюдаемых в более простых системах. Анализ механических свойств сплавов Ti(50-1,5625x)Nb(30- 0,9375x)Cr10V10Ni1,5xAlx (x=0, 5, 7, 10) показал заметное увеличение прочности и снижение пластичности сплавов при комнатной температуре при увеличении содержания алюминия (x) и доли вторых фаз. Так, однофазный ОЦК сплав Ti50Nb30Cr10V10 обладал пределом текучести 755 МПа и не разрушался после 50% высотной деформации, а сплав x=10 с матричной сигма фазой разрушался в упругой области при напряжении 1830 МПа. При 800˚С все сплавы обладали высокой пластичностью. Предел текучести также увеличивался одновременно с ростом x, но значения предела текучести составляли только 45-280 МПа. Низкая прочность сплавов, скорее всего, обусловлена разупрочнением сигма фазы с повышением температуры испытаний до 800˚С. Предсказание предела текучести (при комнатной температуре и 600°С) производилось на примере сплавов системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr, хорошо изученной заявителями проекта в предыдущих работах, методом машинного обучения с использованием суррогатной модели, обученной на выборке из 30 сплавов данной системы. Несмотря на малый размер обучающей выборки в исследованной области композиционного пространства системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr или вблизи ее границ наблюдается хорошее соответствие между предсказанными и экспериментально измеренными значениями предела текучести для однофазных сплавов и несколько худшее соответствие для многофазных сплавов. Тем не менее, достигнутая точность предсказания прочностных характеристик сплавов достаточна для поиска ВЭСов системы Al-Cr-Nb-Ti- V-Zr с заданными прочностными характеристиками, как с однофазной, так и с многофазной структурой. Предложен новый сплав Al20Cr10Nb15Ti20V25Zr10 со структурой in situ композита. Установлено, что литой сплав имеет доэвтектическую микроструктуру, представленную первичной В2 фазой, разделенной эвтектическими (фаза Лавеса С14+В2) ламельными областями. Отжиг при Т = 1200˚С в течение 24 часов сохраняет структуру композита, но приводит к (i) исчезновению ламельной структуры и глобуляризации/коалесценции В2 фазы в эвтектических областях, а также к (ii) образованию (Zr, Al)-обогащенных частиц фазы типа Zr5Al3 по межфазным границам. Показано, что модель неравновесной кристаллизации Шейла-Гулливера и равновесная фазовая диаграмма достаточно точно прогнозируют тип, химический состав и долю фазы Лавеса. Кроме того, модель Шейла-Гулливера позволяет предсказывать доэвтектическую морфологию литой структуры сплава. Удовлетворительное соответствие между экспериментальными и расчетными данными свидетельствует о возможности использования программы Thermo-Calc для поиска новых эвтектических высокоэнтропийных сплавов. Установлено, что в литом состоянии сплав Al20Cr10Nb15Ti20V25Zr10 разрушается в упругой области при Т = 22˚С. В тоже время, отожженный сплав показывает высокий предел текучести (1535 МПа) наряду с некоторой пластичностью (0.6 %). При Т = 800˚С в результате отжига предел текучести сплава вырос с 720 до 1000 МПа. Удельная прочность отожженного сплава при Т = 800˚С составила 180 кПа*м3/кг (ρ = 5,55 г/см3). Разработанный сплав со структурой in situ композита является одним из самых прочных тугоплавких ВЭСов при Т = 800˚С. Для получения ОЦК тугоплавких ВЭСов, упрочненных ГПУ частицами, с помощью программного обеспечения Thermo-Calc произведен поиск тугоплавких ВЭСов, в которых прогнозируется однофазная ОЦК область в высокотемпературном интервале и фазовое превращение ОЦК→ГПУ при Т = 500-1000˚С. Кроме того, по правилу смеси рассчитаны плотность, температура плавления, модули сдвига и упругости. На основе анализа полученных данных отобраны сплавы следующих составов: Ti37.5Nb12.5Hf25Al25, Ti40Nb30Hf15Al15, Ti40Nb20Ta10Hf15Al15, Ti40Nb30Zr20Al10 и Ti40Nb20Ta10Zr20Al10. Посредством метода дифференциальной сканирующей калориметрии проведен анализ возможных фазовых превращений в сплавах Ti37.5Nb12.5Hf25Al25, Ti40Nb30Hf15Al15, Ti40Nb20Ta10Hf15Al15, Ti40Nb30Zr20Al10 и Ti40Nb20Ta10Zr20Al10. На зависимости производной теплового потока от температуры обнаружен экзотермический пик при Т ≈ 715˚С для всех сплавов, совпадающий с температурой сольвуса вторичной фазы. Экспериментальное исследование микроструктуры и фазового состава сплавов, отожженных при Т = 1200˚С в течение 24 часов, показало, что все ВЭСы имеют однофазную структуру, упорядоченную по типу В2. Показано качественное совпадение экспериментальных данных по фазовому составу моделирования. С помощью механических испытаний на одноосное сжатие при Т = 22, 600 и 800˚С изучены механические свойства сплавов Ti37.5Nb12.5Hf25Al25, Ti40Nb30Hf15Al15, Ti40Nb20Ta10Hf15Al15, Ti40Nb30Zr20Al10 и Ti40Nb20Ta10Zr20Al10 в однофазном состоянии (отжиг Т = 1200˚С, 24 ч). Сплавы, за исключением Ti37.5Nb12.5Hf25Al25 (1%) и Ti40Nb30Zr20Al10 (17%), показали хорошую пластичность (>50%) при Т = 22С, а пределы текучести варьировались от 830 МПа (Ti40Nb30Hf15Al15) до 1645 МПа (Ti37.5Nb12.5Hf25Al25). При Т = 600˚С, за исключением сплава Ti37.5Nb12.5Hf25Al25 (12%), все сплавы были пластичными. Пределы текучести сплавов изменялись от 635 МПа (Ti40Nb30Hf15Al15) до 810 МПа (Ti37.5Nb12.5Hf25Al25). При Т = 800˚С все сплавы были продеформированы без разрушения, при этом прочность снизилась до значений 65-220 МПа. Исследовано влияние старения при Т = 600˚С в течение 24 часов на структуру, фазовый состав и механические свойства сплавов Ti37.5Nb12.5Hf25Al25, Ti40Nb30Hf15Al15, Ti40Nb20Ta10Hf15Al15, Ti40Nb30Zr20Al10 и Ti40Nb20Ta10Zr20Al10. Установлено, что старение приводит к выделению гексагональной (ГПУ) фазы в виде мелкодисперсных и гомогенно распределенных частиц игольчатой формы. Обнаружен положительный эффект старения на механические свойства сплава Ti40Nb30Hf15Al15. После старения предел текучести сплава при Т = 22˚С возрос до 1250 МПа и при этом сохранилась достаточная пластичность – 16%. Кроме того, заметно улучшилась прочность при Т = 600˚С – с 635 МПа в исходном однофазном состоянии до 920 МПа после старения. Таким образом, сплав Ti40Nb30Hf15Al15 в состаренном состоянии приобрел высокую удельную прочность – 177 и 130 кПа*м3/кг при 22 и 600˚С, соответственно. Старение других сплавов приводило к более сложным изменениям механических свойств. Разработана компьютерная программа, позволяющая по химическому составу позиционировать сплав в пространстве Bo-Md и оценить контролирующие механизмы деформации. С использованием данной программы были изготовлены сплавы: Ti35Zr27.5Hf27.5Nb5Ta5, Ti35Zr27.5Hf27.5Nb5Mo5, Ti35Zr27.5Hf27.5Nb5Cr5, Ti35Zr27.5Hf27.5Nb5V5, Ti35Zr27.5Hf27.5Nb5Al5, располагающиеся по обе стороны от линии, отделяющей область преимущественного скольжения от области, где деформация происходит за счет TRIP/TWIP эффектов. Было установлено, что два сплава из шести содержат в ОЦК матрице интерметаллидные частицы и обладают ограниченной пластичностью, тогда как остальные сплавы могут быть прокатаны до 80%; при этом сплав Ti35Zr27.5Hf27.5Nb5Ta5 проявляет TRIP эффект в процессе деформации. С помощью компьютерной программы, основанной на диаграмме Bo-Md, был разработан сплав Al4Mo4Nb8Ti50Zr34. Было выявлено наличие слабоупорядоченной однофазной ОЦК структуры в литом и рекристаллизованном состоянии. Пластическая деформация сплава сопровождается формированием субструктуры на ранней стадии и образованием полос сдвига на более поздней стадии. Установлено, что локализация пластической деформации в узких дислокационных полосах/каналах связана с разупорядочением структуры в областях локализации. В литом состоянии сплав Al4Mo4Nb8Ti50Zr34 демонстрирует прочность 820-825 МПа и пластичность 11%. После прокатки на 90% прочность сплава повышается до 1420 МПа, но пластичность уменьшается до 7,5%. Удельная прочность прокатанного сплава составила 249 кПа*м3/кг (плотность – 5,70 г/см3). В отожженном состоянии прочность сплава снижается до 880-910 МПа, а пластичность возрастает до 11,5-13,0%. По результатам исследований горячедеформированных заготовок из сплава ВТИ-4 в состоянии поставки установлено, что наиболее высокие характеристики прочности (σ0,2=1320 Мпа; σв=1390 МПа) и пластичности (δ=11,3%) реализованы в материале со структурой следующего типа: на макроуровне - крупные вытянутые в направлении деформации первичные зерна β-фазы; на микроуровне - субзерна β-фазы + равномерно распределенные дисперсные частицы α2-фазы; на уровне тонкой структуры - пластины О- фазы с прослойками β-фазы, образующие ламельную структуру. Показано, что к неблагоприятным структурным факторам на микроуровне относятся неравномерно распределенные частицы α2-фазы или глобулярная структура вместо ламельной, а также высокая доля малоугловых границ в структуре β-фазы, что приводит к одновременному снижению и прочности и пластичности сплава. На основе анализа поверхности детали моноколеса из сплава ВТ8-1, подвергнутого последовательной обработке методами поверхностно-пластического деформирования, электролитно-плазменного полирования, ионной имплантацией азотом и вакуумно- плазменного напыления для нанесения эрозионностойкого покрытия, выявлены закономерности в изменении шероховатости; величины и характера поверхностных остаточных напряжений; степени упрочнения поверхностно-пластическим деформированием; микроструктуры; равномерности толщины покрытия; изменения химического состава поверхности; адгезии покрытия. Установлено, что присущая структуре моноколеса микротекстура приводит к периодическому изменению микротвердости по поверхности детали, влияя на поверхностно-пластическое деформирование. Используя метод EBSD с анализом распределения величины фактора Шмида в микроструктуре плит из двухфазного титанового сплава ВТ6 установлено, что области с микротекстурой ведут себя в процессе деформации как отдельные и самостоятельные элементы микроструктуры. 9-11 октября 2019 года на базе НИУ БелГУ проведена школа молодых ученых “ Структура и свойства высокоэнтропийных сплавов и покрытий”. В работе школы приняли участие 17 ведущих ученых-лекторов и 45 молодых ученых. Область применения – изделия аэрокосмической техники. Значимость работы –получены научные результаты, демонстрирующие новые подходы к разработке перспективных конструкционных сплавов, включая жаропрочные, и управлению их структурно-фазовым состоянием, существенно улучшающим механические свойства.