Тема 45.3. Разработка новых металлических конструкционных материалов, сочетающих высокую прочность с особыми физико-химическими и эксплуатационными свойствами

Кн. 1. Отработана технология термического упрочнения горячекатаного листа из ультрапрочной деформационно-упрочняемой конструкционной стали (УДУКС-ВД) опытная плавка. Произведен выбор покрытий образцов из горячекатаного листа стали УДУКС-ВД для повышения их стойкости к кратковременным динамическим нагружениям. Исследована структура ультрапрочной деформационно-упрочняемой конструкционной стали (УДУКС-ВД). Показано влияние криогенной обработки и низкого отпуска на твёрдость высокоазотистой аустенитной стали 05Х20АГ10Н4МФ. Установлено немонотонное распределение значений микротвёрдости после криогенной обработки и и разнонаправленное влияние низкого отпуска на микротвёрдость образцов после криообработки и без неё. Исследовано влияния холодной прокатки на структуру и механические свойства новой коррозионностойкой мартенситно-аустенитно-ферритной азотосодержащей стали 03Х17АН2Ф. Показано, что наиболее интенсивное упрочнение исследуемой стали происходит при холодной прокатке со степенью деформации ~ 20%, дальнейшее увеличение степени деформации при холодной прокатке практически не приводит к увеличению прочности. Проведены исследования анизотропии термического расширения топологически плотноупакованной (ТПУ) фазы Лавеса Fe2Mo с помощью расчетов фононного спектра. Результаты расчетов показывают, что энергия фононов совпадает с суммой колебательной энергией Fe2Mo полученной с помощью модели Дебая – Грюнайзена и магнитной энтропией магнитных моментов атомов находящихся на разных подрешетках соединения. С использованием метода ФАСИ применительно к патрубкам из жаропрочного коррозионностойкого хром-никелевого сплава «Раствор-Н» была получена в аналитическом виде связь межкристаллитной коррозии (МКК) и отражающей способности образцов до испытания на МКК в статических условиях. Установлено значение интенсивности отражения видимого света от поверхности образцов до и после, при максимальной и минимальной скорости коррозии в хлоридной среде. Проведена методическая подготовка и приготовлены образцы сварных соединений на испытание на стойкость МКК в динамических режиме взаимодействия коррозионной среды и металла. Для миниатюрных подшипников и токоподводов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, синтезированы КМ на основе латуни и меди с регулярным 3D проводящим каркасом и сверхтвердым наполнителем в регулярно расположенных отверстиях. Углеродные включения обеспечивают хорошие триботехнические свойства КМ: коэффициент трения μ образцов КМ (μ = 0,09-0,13) существенно ниже, чем у латуни (μ = 0.3), для шайб, с просверленными отверстиями диаметром 0,3 и 0,5 мм К тр остается постоянным 0,11 при изменении нагрузки при трении от 10 до 50 N. КМ имеют достаточно высокую удельную электротехническую проводимость (36 МСм/м), которая незначительно ниже, чем у эталонного медного сплава (42 МСм/м) и существенно выше, чем у КМ, полученного из смеси порошков металла и фуллерита (10 МСм/м). У наноалмазов, спеченных методом термобарического синтеза без связки, а также с медной и кремниевой связками, наивысшая твердость (48 ГПа) достигнута у КМ с кремниевой связкой благодаря формированиюДля миниатюрных подшипников и токоподводов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, синтезированы КМ на основе латуни и меди с регулярным 3D проводящим каркасом и сверхтвердым наполнителем в регулярно расположенных отверстиях. Углеродные включения обеспечивают хорошие триботехнические свойства КМ: коэффициент трения μ образцов КМ (μ = 0,09-0,13) существенно ниже, чем у латуни (μ = 0.3), для шайб, с просверленными отверстиями диаметром 0,3 и 0,5 мм К тр остается постоянным 0,11 при изменении нагрузки при трении от 10 до 50 N. КМ имеют достаточно высокую удельную электротехническую проводимость (36 МСм/м), которая незначительно ниже, чем у эталонного медного сплава (42 МСм/м) и существенно выше, чем у КМ, полученного из смеси порошков металла и фуллерита (10 МСм/м). У наноалмазов, спеченных методом термобарического синтеза без связки, а также с медной и кремниевой связками, наивысшая твердость (48 ГПа) достигнута у КМ с кремниевой связкой благодаря формированию карбида кремния в процессе спекания, что обеспечивает наилучшие триботехничесие свойства: Ктр = 0,06 при интенсивности изнашивания 0,002 мг/м. Твердые износостойкие углеродные покрытия получены из пучка ускоренных ионов C60 путем осаждения на полированные Ti подложки при температуре 300. Осаждение ускоренных ионов С60 в атмосфере азота с энергией 5 кэВ приводит к формированию покрытий с твердостью до 72 ГПа. В покрытиях, осажденных из пучка С60 и азота с энергией 7 кэВ, появляются области с твердостью 94 ГПа. Все покрытия имеют высокую износостойкость (износ <10-5) при Ктр=0,05. карбида кремния в процессе спекания, что обеспечивает наилучшие триботехничесие свойства: Ктр = 0,06 при интенсивности изнашивания 0,002 мг/м. Твердые износостойкие углеродные покрытия получены из пучка ускоренных ионов C60 путем осаждения на полированные Ti подложки при температуре 300. Осаждение ускоренных ионов С60 в атмосфере азота с энергией 5 кэВ приводит к формированию покрытий с твердостью до 72 ГПа. В покрытиях, осажденных из пучка С60 и азота с энергией 7 кэВ, появляются области с твердостью 94 ГПа. Все покрытия имеют высокую износостойкость (износ <10-5) при Ктр=0,05. Методом наноиндентирования выполнены измерения нанотвёрдости H, модуля упругости E и упругого восстановления W плёнок трёх составов, полученных магнетронным осаждением: (I) Fe72.4Ti5.4B19.2O3.0; (II) Fe54.8Ti15.8B27.4O2.0 и (III) Fe74Y5O21. Используя полученные значения H, E, W были оценены значения H3/E2 (показатель сопротивления деформации разрушения материала) и H/E (индекс пластичности материала). Плёнка I имеет самую высокую твёрдость, H = 12,8±0,8 ГПа и среднее среди исследованных плёнок значение модуля упругости E = 168±6 ГПа, что определяет наибольший показатель износостойкости H3/E2 = 0,074 ГПа этой плёнки. Плёнка II характеризуется наименьшими среди исследованных плёнок величинами H = 9,9±0,9 ГПа и E = 125±8 ГПа и средней в сравнении с плёнкой I и III величиной H3/E2 = 0,062 ГПа. Плёнка III характеризуется наибольшими значениями H = 11,6±1,9 ГПа и E = 170±9 Гпа и наименьшим значением величины H3/E2 = 0,054 ГПа. Индекс пластичности H/E (0,076, 0,079 и 0,068) наименьший у плёнки III, а величина упругого восстановления W (60, 42 и 39%) уменьшается от плёнок I к II и к III. Наблюдаемое поведение механических свойств плёнок объясняется различием химического состава и структурного состояния исследованных плёнок. Кн. 2. Целью работы было изыскание возможности улучшения механических свойств легких конструкционных сплавов на основе магния и алюминия для практического использования, а также повышения механических характеристик, электропроводности, износостойкости и вязкости разрушения низколегированных медных бронз. Достигнуто наибольшее упрочнение сплава ИМВ7-1 системы Mg-Y-Gd-Zr и сплава ИМВ7-1 с самарием за счет применения ротационной ковки. Определены свойства и особенности поведения при упрочняющем старении многокомпонентных сплавов типа ИМВ7-1, содержащих цинк и скандий. Показана эффективность комбинации ротационной ковки и последующего старения для повышения механических характеристик, электропроводности и износостойкости сплавов Cu-0,8%Hf, Cu-0,77%Cr-0,86%Hf и Cu-0,47%Cr-0,23%Nb. Показаны возможности получения ультрамелкозернистых Al-Mg2Si и Al – Mg – Sc сплавов с применением ротационной ковки и равноканального углового прессования для получения сплавов с повышенной прочностью. Кн. 3. Выполнено комплексное исследование влияния смешанных мод и предварительного циклического нагружения образцов из конструкционной стали 30ХГСА на поврежденность, механические свойства, микрорельеф изломов и характеристики неразрушающего контроля, включающие акустическую эмиссию, коэффициент затухания ультразвуковых волн, вихретоковый параметр, коэрцитивную силу и напряженность остаточного магнитного поля. Установлены основные закономерности, отражающие влияние циклической деградации и угла ориентации образца на взаимосвязь механических, физических свойств неразрушающего контроля и поврежденность. Впервые оценены критерии диагностики материала на разных стадиях при смешанных модах нагружения. Кн. 4. Методом центробежного литья отлита лигатура Al-B в виде кольца диаметром 350 мм и контрольные слитки диаметром 40 мм при различных условиях термовременной обработки. Определены технологические этапы производства лигатуры для модифицирования алюминиевых сплавов. Проведены металлографические исследования полученных образцов лигатуры и проверена их модифицирующая способность на модельном сплаве (Al6%Cu). Определено, что после высокотемпературных выдержек в лигатуре, отлитой в виде кольца, выделяются мелкодисперсные фазы алюминидов бора различных модификаций размером менее 1 мкм, а также компактные до 5 мкм и реечные размером 2х20 мкм выделения. Увеличение времени выдержки при приготовлении расплава перед центробежным литьем приводит к повышению в дальнейшем модифицирующей способности лигатуры. Размер зерна модельного сплава после модифицирования измельчается с 390 мкм до 90 мкм. Кн. 5. Проведен анализ влияния термической обработки, включающей горячее изостатическое прессование, на структуру и механические свойства литейного алюминиевого сплава Al8Si3,5Cu, изучено влияние примесей железа и кремния на структуру и фазовый состав сплавов на базе Al2Cu2Mn. Исследовано влияние радиально-сдвиговой прокатки (РСП) на структуру и свойства сплава типа АА7075, проведены работы по анализу влияния скорости селективного лазерного плавления (СЛП) сплава на основе TiAl. Проведено термографическое исследование методами ДСК при атмосферном давлении, и ДБА при умеренно высоком давлении аргона ~ 100 МПа двойных сплавов Al-2,5Ca, Al-5Mg, Al-10Mg. Al-4Zn и Al-9Zn (ат.%). Установлены барические коэффициенты температур солидуса и ликвидуса сплавов, изучена микроструктура исходных сплавов, установлены физико-механические свойства баротермически обработанных двойных сплавов. Предложена термодинамическая модель повышенной растворимости элементов II группы Периодической системы в алюминии при высоком давлении. Кн. 6. «Стали». Исследовано влияние неметаллических включений (НВ) в азотосодержащих сталях аустенитного и мартенситного классов на их структуру и механические свойства, включая свойства сварных соединений аустенитной стали, в т.ч. хладостойкость. В аустенитной стали оксисульфиды марганца не охрупчивают сталь при -110…-160оС, как при статическом нагружении, так и при ударном изгибе. Для использования этой стали в качестве сварочной присадки должен проводиться рафинирующий переплав. Для хорошей деформируемости при ковке высокопрочных мартенситных сталей 05Х16Н5АЦ и 05Х16Н5АБ и сопротивления удару необходим рафинирующий переплав. В стали 05Х16Н5АЦ сумма %Zr+%V должна быть не более 0,2%. Показано, что высокоазотистые (с 0,6, 0,7 и 0,9% N) аустенитные стали с 20-23%Сr, 10-12 %Mn, 6-8% Ni, 2% Mo могут в результате горячей прокатки, в т.ч. в сочетании с холодной прокаткой составить эффективную конкуренцию жаропрочных высоконикелевым сплавам как материал для валов насосов. «Интерметаллиды». Рассмотрены возможности получения высококачественных порошков из жаропрочных сплавов на основе тугоплавких моноалюминидов NiAl и RuAl для изготовления компактных образцов/изделий сложной формы методами аддитивных технологий с минимальной итоговой механообработкой, предназначенных для высокотемпературных элементов, работоспособных при температурах 1400-1800 ºС в окислительной среде газовых потоков. «Деформация и сверхпластичность». Исследованы микроструктура и механическое поведение Al-Mg-Li-Zr сплава 1420, деформированного растяжением в условиях сверхпластичности (СП). Показано, что СП-течение осуществляется за счёт внутризёренного скольжения. Отмечены: рост и удлинение зёрен, формирование субструктуры, развитие кристаллографической текстуры, упрочнение.