Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В отчетный период получены научные результаты, демонстрирующие новые подходы к разработке перспективных конструкционных сплавов, включая жаропрочные, и управлению их структурно-фазовым состоянием, существенно улучшающим механические свойства. 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 стабильность при отжиге до 1000С. Анализ двойных и тройных фазовых диаграмм не 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 сплавов при Т = 1200С с предсказанными ранее с помощью термодинамического 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.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 году в ходе разработки высокоэнтропийных жаропрочных сплавов были изучены фазовые превращения в сплавах Ti40Nb30Hf15Al15 и Ti40Nb30Zr20Al10. Прокатка и отжиг при 900°С в течение 15 минут привели к формированию в обоих сплавах структуры, состоящей из матричной В2 фазы и небольшого количества частиц с гексагональной (ГПУ) структурой. Последующие отжиги сплава Ti40Nb30Zr20Al10 при 500-700°С разной продолжительности не изменяли фазовый состав, но првели к росту объемной доли и среднего размера частиц, обогащенных Zr и Al. Отжиги сплава Ti40Nb30Hf15Al15 при 500°С не приводят к фазовым превращениям. В результате отжигов при 600-700°С выделялись частицы с орторомбической (О-фаза) структурой и ориентационными соотношениями [001]B2||[100]O, (110)B2||(001)O и [-111]B2||[1-10]O, (110)B2||(001)O. Сформировавшаяся при 600-700°С структура сплава Ti40Nb30Hf15Al15 отличалась высокой стабильностью – средний размер и объемная доля О-фазы не изменялся с увеличением продолжительности отжигов. При одинаковой объемной доле О-фазы, средний размер частиц при 600°С меньше, чем при 700°С. Показана удовлетворительная сходимость экспериментальных данных по фазовому составу сплавов с результатами термодинамического моделирования. Было установлено, что отжиги сплава Ti40Nb30Zr20Al10 при 500°С приводят к очень слабому росту микротвердости, тогда как при 600-700°С сплав разупрочняется с увеличением времени выдержки. Отжиги сплава Ti40Nb30Hf15Al15 при 500°С вызывали незначительный рост микротвердости. Выделение О-фазы в ходе отжигов при 600°С привело к резкому повышению микротвердости, по сравнению с отжигами при 700°С. Также была предложена универсальная стратегия поиска тугоплавких высокоэнтропийных сплавов (ВЭСов) с эвтектической структурой посредством термодинамического моделирования. Анализ равновесных фазовых диаграмм и неравновесной кристаллизации по модели Шейла позволил точно предсказать типы микроструктур в пятикомпонентной системе Al-Cr-Nb-Ti-Zr – от однофазной в сплаве Nb30Ti40Zr30 до эвтектической сплаве в Al28Cr20Nb15Ti27Zr10. Установлено, что образование эвтектической структуры, состоящей из В2 фазы и фазы Лавеса С14 (ГПУ), не наблюдается в более простых системах, содержащих аналогичные элементы, и обусловлено многокомпонентной природой ВЭСов. Формирование такой структуры энергетически выгодно вследствие образования впервые наблюдаемого ориентационного соотношения (011)B2||(10-13)C14, [1-11]B2||[3-30-1]C14, обеспечивающего хорошее кристаллографическое сопряжение между фазами. Анализ механических свойств сплавов Al-Cr-Nb-Ti-Zr показал, что однофазная ОЦК композиция Nb30Ti40Zr30 обладает высокой пластичностью, но низкой прочностью при комнатной и повышенной температурах. Показано, что фаза Лавеса приводит к линейному повышению прочности и резкому снижению пластичности при температурах до 700°С. При 800°С был обнаружен экспоненциальный рост прочности, связанный с трансформацией микроструктуры из однофазной в эвтектическую при увеличении объемной доли фазы Лавеса. На примере эвтектического сплава Al28Cr20Nb15Ti27Zr10 была исследована эволюция микроструктуры многофазных тугоплавких ВЭСов в процессе деформации при повышенной температуре. Установлено, что на стадии деформационного упрочнения пластическая деформация осуществляется за счет движения дислокаций в «мягкой» В2 фазе. После достижения пикового напряжения, пластическая деформация активируется в «твердой» фазе Лавеса С14, что сопровождается значительным разупрочнением сплава. На поздних стадиях деформации отмечалось интенсивное образование субструктуры в В2 фазе, а также образование микрополос в изгибающихся ламелях фазы Лавеса С14. Высокотемпературная деформация сплава Al28Cr20Nb15Ti27Zr10 также приводит к выделению новой фазы с упорядоченной ГПУ (D019) структурой. Между тремя фазами было обнаружено следующее ориентационное соотношение (011)B2||(10-13)C14||(0-221)D019. Высокая устойчивость ламеллярной структуры к фрагментации и/глобуляризации была связана с сохранением исходного ориентационного соотношения между В2 фазой и фазой Лавеса С14. Для поиска сплавов с высокими прочностными характеристиками была разработана и реализована комбинированная система прогнозирования фазового состава и прочностных характеристик. Разработанные подходы для предсказания прочностных характеристик высокоэнтропийных сплавов системы Al-Cr-Nb-Ti-V-Zr с использованием метода машинного обучения позволили выявить некоторые закономерности влияния химического состава на прочностные характеристики сплавов, в частности, показано, что алюминий и хром являются наиболее эффективными «упрочнителями». Были выбраны и экспериментально изготовлены 8 перспективных модельных сплавов. Для комнатной температуры и 600°С суррогатная модель на основе алгоритмов машинного обучения показывают хорошую точность, средняя погрешность не превышает 15%. Некоторые из предложенных сплавов показали высокие механические свойства. Так, сплав номинального состава Al13Cr12Nb20Ti20V35 со структурой на основе ОЦК твердого раствора и небольшим количеством гексагональной (С14) фазы Лавеса показал предел текучести на сжатие при комнатной температуре 1295 МПа при пластичности порядка 12%. С повышением температуры испытаний до 600°С и 800°С предел текучести снижался до 1113 МПа и 898 МПа, соответственно. С помощью термодинамического моделирования были разработаны новые тугоплавкие суперсплавы с ОЦК/В2 структурой. Было обнаружено, что при определенной термической обработке в сплаве Nb37,5Mo12,5Ti25Zr25 возможно получение двухфазной ОЦК/ОЦК, а в сплавах Al5,9Nb35,3Mo11,8Ti23,5Zr23,5 и Al11,1Nb33,4Mo11,1Ti22,2Zr22,2 - В2/ОЦК структуры, в обоих случаях они приводили к резкому росту микротвердости. С целью создания новых высокоэнтропийных высокопрочных конструкционных сплавов с использованием подхода Bo-Md были разработаны новые метастабильные высокоэнтропийные сплавы на основе объемно-центрированной решетки (ОЦК) с повышенным содержанием титана. За счет исключительно высокого деформационного упрочнения пределы прочности сплавов Ti38Zr25Hf25Ta10Sn2 и Ti35Zr27.5Hf27.5Nb5Ta5 достигли 925 МПа и 574 МПа (пределы текучести 407 МПа и 121 МПа), соответственно. Удлинение сплавов до разрушения составило 26 и 19%, соответственно. Наблюдаемое деформационное поведение обуславливалось развитием фазового превращения в ходе деформации (TRIP эффект) с формированием ГПУ α’ мартенсита. Для оценки вклада твердорастворного упрочнения в прочность были исследованы механические свойства трех- четырех- и пятикомпонентных средне- и высокоэнтропийных ОЦК сплавов: NbTiZr, HfNbTa, HfTaTiZr, HfNbTaTiZr в сравнении с чистым ниобием. Результаты испытаний на растяжение показали рост предела текучести с увеличением количества элементов от чистого Nb (предел текучести ~90 МПа) до эквиатомного ВЭСа HfNbTaTiZr (предел текучести ~1000 МПа). Была выявлена линейная зависимость между кажущимся активационным объемом V* и пределом текучести, позволяющая предположить, что деформация во всех сплавах контролируется преодолением барьера Пайерлса-Набарро, а твердорастворное упрочнение связано с закреплением дислокаций группами атомов замещения, а не изолированными атомами. Было исследовано механическое поведение сплава HfNbTaTiZr при 77К. Установлено, что снижение температуры деформации с комнатной до криогенной в сплаве с размером зерен d = 60 мкм, увеличивает предел текучести с 984 МПа до 1638 МПа. Также уменьшение размера зерен с 60 до 10 мкм увеличивало при 77 К предел текучести с 1000 до 1750 МПа, но уменьшало пластичность с 20 до 2%. На основании оценки кажущегося активационного объема V* было установлено, что деформация ВЭСа HfNbTaTiZ контролируется образованием двойных перегибов при 77 К и механизмом Пайерлса при 300 К, также, как и у чистых ОЦК металлов. Для разработки технологии повышения механических свойств сварных соединений из сплавов на основе орторомбического алюминида титана было исследовано формирование структуры в сплавах после термомеханической обработки. Показано, что совокупность изотермической abc-деформации и двухступенчатой термической обработки по режиму «Закалка 900 °С + Старение 840 °С» обеспечивает наилучшее сочетание прочности и пластичности в сплаве ВТИ-4 за счет измельчения β-зерен при благоприятном соотношении объемной доли, размеров и морфологии α2 и О частиц. Результаты исследования лопаток моноколес, обработанных поверхностно-пластическим деформированием, электролитно-плазменным полированием, ионной имплантацией азотом с последующим ионно-плазменным напылением демонстрируют закономерное снижение адгезионной прочности эрозионностойкого покрытия в направлении по ее длине к дисковой части, обусловленное не только изменением геометрии лопатки, но и увеличением плотности дефектов, наследованных после механической обработки и образованных питтинговой коррозией в процессе электролитно-плазменного полирования. При исследовании влияния микротекстуры полых широкохордных лопаток из титанового сплава ВТ6 на механические свойства прочности и пластичности установлено, что горячая пластическая деформация сплава ВТ6 приводит к формированию выраженной кристаллографической и металлографической текстуры, а также микротекстуры. При этом с ростом максимума интенсивности кристаллографической текстуры имеет место рост прочности и увеличение анизотропии пластичности. Наиболее высокие характеристики прочности и пластичности наблюдаются в направлении прокатки, вдоль которого вытянуты (α+β)-области с локальной микротекстурой. Использование термической обработки значительно уменьшает анизотропию механических свойств. 14-16 октября 2020 г. на базе НИУ БелГУ проведена международная конференция и Школа молодых ученых «Получение, структура и свойства высокоэнтропийных материалов». В связи с ситуацией из-за распространения короновирусной инфекции был выбран онлайн-формат проведения. В работе конференции и школы приняли участие 12 ведущих ученых и 76 молодых ученых. К работе над проектом по результатам открытого конкурса привлечено 3 молодых ученых-кандидатов наук, которые уже вносят весомый вклад в выполнение исследований. По результатам работы в 2020 году было опубликовано 13 статей, из них 10 – в журналах первого квартиля (Q1).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 годы были продолжены исследования жаропрочных высокоэнтропийных сплавов. Так, для сплава Ti40Nb30Hf15Al15 были исследованы закономерности статической рекристаллизации при Т = 900-1200°C. В ходе анализа кинетики роста зерен был определен показатель степени роста зерен n = 3 и кажущаяся энергия активации Q = 432 кДж/моль. Согласно полученным данным, укрупнение В2 зерен в сплаве Ti40Nb30Hf15Al15 контролировалось объемной диффузией Nb. Был предложен новый подход к разработке тугоплавких ВЭСов с ОЦК-В2 структурой, основанный на сочетании пластичной упорядоченной матрицы и упрочняющих твердых разупорядоченных частиц. На примере системы Nb-Mo-Co-Hf показано формирование различных типов микроструктур: от однофазных ОЦК или В2 в бинарных сплавах Nb50Mo50 или Co50Hf50 до смеси ОЦК/В2 фаз в четырехкомпонентных сплавах. Установлена применимость метода CALPHAD для предсказания структуры с заданным соотношением ОЦК и B2 фаз. В сплаве Nb12,5Mo12,5Hf37,5Co37,5 была обнаружена близкая к эвтектической микроструктура, в ОЦК/В2 ламелях которой выделялись В2/ОЦК наночастицы (~ 4-7 нм) с ориентационным соотношением (ОС) «куб-на-кубе» {100}ОЦК/В2||{100}В2/ОЦК, <001>ОЦК/В2||<001>В2/ОЦК. Аналогичное ОС было обнаружено между ОЦК и В2 фазами в сплавах Nb30Mo30Co20Hf20 и Nb37,5Mo37,5Co12,5Hf12,5. Используя идентифицированные ОС, был рассчитан параметр несоответствия кристаллических решеток, δ, согласно теории Брамфитта. Полученная величина δ ≈ 2% указывала на когерентность межфазных ОЦК/В2 границ. Анализ механических свойств сплавов системы Nb-Mo-Co-Hf показал, что формирование двухфазной ОЦК-В2 структуры значительно повысило прочность, по сравнению с обоими бинарными сплавами Nb50Mo50 и Co50Hf50; при этом предел текучести ОЦК-В2 сплавов слабо зависел от объемной доли более прочной ОЦК фазы. Установлено, что по скорости деформационного упрочнения сплав Nb30Mo30Co20Hf20 при Т ≤ 600°С превосходил известные много- и однофазные тугоплавкие ВЭСы. На примере сплава Nb30Mo30Co20Hf20 были исследованы механизмы деформации в двухфазных ОЦК-В2 сплавах. Было обнаружено, что B2 матрица демонстрировала более высокую подвижность дислокаций, чем ОЦК частицы в процессе одноосного сжатия при 600°С. Относительно легкое скольжение дислокаций в B2 матрице приводило к интенсивному фрагментированию, сопровождающемуся постоянным размножением дислокаций с ростом степени деформации. Между тем, непрерывный характер B2 матрицы сдерживал растрескивание твердых ОЦК частиц, продлевая стадию деформационного упрочнения. Высокая пластичность В2 матрицы могла быть связана с действием «вторичных» <011> или/и <111> систем скольжения, активированных за счет релаксации дальнодействующих полей обратных напряжений от твердых ОЦК частиц. Для сплава ОЦК-В2 сплава Nb30Mo30Co20Hf20 были определены термоактивационные параметры пластической деформации при Т = 900-1100°С. В ходе анализа были определены среднее значение энергии активации Q = 377 кДж/моль и параметра Зинера-Холломона n ≈ 7. Полученные данные свидетельствовали о том, что пластическая деформация в данном температурном интервале контролировалась скольжением дислокаций. Изучена возможность замены Hf в представленных ОЦК-В2 сплавах на более дешевые и легкие Ti и Zr. Сплавы Nb30Mo30Co20Ti20 и Nb30Mo30Co20Zr20 с плотностью 8,2 и 8,5 г/см3, соответственно, обладали преимущественно двухфазной ОЦК/В2 структурой с малой долей (не более 1%) дополнительных (Ti, O)-обогащенной ГЦК (Nb30Mo30Co20Ti20) или Nb-обогащенной ОЦК (Nb30Mo30Co20Zr20) фаз. В сравнении со сплавом Nb30Mo30Co20Hf20, сплав Nb30Mo30Co20Zr20 оказался более пластичным при комнатной температуре и менее прочным при Т = 22-1000°С. Сплав Nb30Mo30Co20Ti20 показал схожую со сплавом Nb30Mo30Co20Hf20 абсолютную и более высокую удельную прочность, но был менее пластичным при 22-800°С. Дополнительно было исследовано влияние термической обработки на структуру и свойства ОЦК-В2 сплавов. Установлено, что в ОЦК фазе отожженного при 1200°С в течение 24 часов сплава Nb30Mo30Co20Ti20 присутствовали наноразмерные полукогерентные (Co, Ti)-обогащенные В2 частицы, (Ti, O)-обогащенные ГЦК частицы, и иерархические частицы, состоящие из В2 и ГЦК сегментов. Иерархические частицы были доминирующими в структуре и зарождались по гетерогенному механизму из-за хорошего взаимного кристаллографического сопряжения, обеспечиваемого ОС Бейкера-Наттинга {001}В2||{001}ГЦК, <110>В2||<001>ГЦК. Обнаружен положительный эффект отжига при 1200°С в течение 24 часов на механические свойства сплава Nb30Mo30Co20Ti20. По сравнению с литым состоянием, отожженный сплав показал вдвое большую пластичность (εлитой = 9% против εотожженный = 22%). Анализ показал, что возможной причиной удваивания пластичности отожженного сплава являлось поглощение избытка кислорода из твердого раствора за счет выделения полукогерентных оксидов титана ((Ti, O)-обогащенные ГЦК частицы). В свою очередь, связанное с обеднением твердого раствора по кислороду снижение прочности частично компенсировалась упрочнением от наночастиц по механизму Орована. Были разработаны генетические алгоритмы для предсказания фазового состава и пластичности высокоэнтропийных сплавов с высокой точностью. Применительно, к высокоэнтропийным сплавам с высокой удельной прочностью, на примере сплава NbTiZr было изучено влияние температуры деформации на механические свойства и контролирующие механизмы деформации. При криогенной температуре сплав имел высокую прочность; предел текучести составлял 1410 МПа. С повышением температуры прочность неоднородно снижалась. Было установлено, что прочностные характеристики сплава во многом обусловлены ступеньками на винтовых дислокациях. При 473K была обнаружена аномально высокая величина активационного объема, характерные флуктуации на кривой напряжение-деформация и отрицательная величина коэффициента скоростной чувствительности обусловленные проявлением эффекта деформационного старения. Был разработан высокопрочный сплав Ti35Zr25Hf25Nb5Ta5Al5, демонстрирующий хорошую способность к деформационному упрочнению, не типичную для “стабильных” ОЦК сплавов. В рекристаллизованном состоянии (размер зерен 8 мкм) в сплаве в ходе деформации при комнатной температуре развивается TRIP эффект, за счет чего достигается предел текучести 1026 МПа, предел прочности 1369 МПа, и относительное удлинение 25%. Установлено, что изотермическая abc-деформации сплава ВТИ-4 перед импульсной лазерной сваркой, в результате которой структура состояла из зерен β-фазы размером 15±2 мкм и пластинчатой О-фазы длиной 0,7±0,2 мкм и глобулярных частиц α2-фазы диаметром 2–3 мкм (фазовый состав сплава: 29,6% α2-фазы и 7,4% О-фазы, остальное β), и оптимально-подобранные режимы сварки позволяют достичь механических свойств сварного шва не ниже 80% от основного металла и обеспечить благоприятную форму сварного шва и бездефектность сварного соединения. Варьированием режимами диффузионной сварки в диапазоне температур 940-960°С, временем сварки до 2 ч, усилием сжатия до 25 МПа с последующей скоростью охлаждения 15°С/мин и термической обработкой (закалка 920-960°С и старение 800°С) после диффузионной сварки достигнуто оптимальное структурное состояние (72,67 % О-фазы, 11,26 % α2-фазы) обеспечивающее равнопрочность диффузионного соединения (на уровне 90 % от основного металла). Были проведены сравнительные исследования влияния поверхностного упрочнения заготовок из титанового сплава ВТ6 методами лазерного удара и обработкой керамическими шариками. Установлено, что лазерный удар приводит к повышению величины остаточных напряжений по сравнению с исходным состоянием. Показано, что увеличение числа циклов лазерного удара с 1 до 3 приводит к росту величины сжимающих остаточных напряжений: -200 МПа против -300 МПа на поверхности; -500 МПа против -700 МПа на глубине 0,5 мм. По результатам измерения микротвердости глубина упрочненного лазерным ударом слоя составила 0,6 мм; значения микротвердости после лазерного удара возросли на 20% по сравнению с исходным состоянием. Сопоставлены остаточные напряжения после лазерного удара и после поверхностно-пластического деформирования керамическими шариками. Установлено, что при сравнимых величинах остаточных сжимающих напряжений в приповерхностной области после каждой из обработок, их глубина в первом случае существенно выше. Установлены температурно-скоростные условия формирования наиболее однородной мелкозернистой микроструктуры при изотермической штамповке сплава ВИТ1 на основе орторомбического алюминида титана. Разработан режим изотермической штамповки заготовок с целью измельчения микроструктуры, обеспечивающий получение в штамповках формирование однородной микроструктуры с размером зерен/частиц ~ 1 мкм. Разработан оптимальный режим термической обработки штамповок сплава ВИТ1 для обеспечения баланса прочности и пластичности, заключающийся в закалке из α2+β-фазовой области и старении в α2+β+O-фазовой области. Выявлены закономерности в формировании структуры: размера зерна β-фазы, объемных долей, дисперсности и морфологии частиц α2- и О-фаз, позволившие определить режимы деформационно-термических обработок и требуемый баланс механических свойств. По результатам выполнения проекта опубликовано 14 статей, из них 7 – в журналах первого квартиля (Q1). Представлено 15 докладом на конференциях. Проведена III Международная школа-конференция «Получение, структура и свойства высокоэнтропийных материалов» (г. Екатеринбург. 11-15 октября 2021), в которой приняли участие 20 ведущих ученых-лекторов и 51 молодой ученый.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Было исследовано сопротивление окислению тугоплавких высокоэнтропийных сплавов (ВЭСов) на основе системы Al-Cr-Nb-Ti-Zr c эвтектическими структурами, состоящими из В2 фазы и фазы Лавеса С14, в интервале 800-1000°С и выдержке до 100 часов. По сравнению с существующими тугоплавкими ВЭСами на основе системы Al-Cr-Nb-Ti-(V)-Zr, исследуемые сплавы показали превосходную жаростойкость при 800°C и оставались конкурентоспособными при 1000°C. На примере доэвтектического сплава Al23Cr20Nb15Ti32Zr10 изучены кинетика и механизмы окисления тугоплавких ВЭСов с эвтектической структурой. Сплав демонстрировал параболическую кинетику окисления при 800-1000°С. Установлено, что рост оксидного слоя контролируется диффузией Ti наружу и диффузией O внутрь. Обнаружено, что образование оксидов Al2O3, CrO2, Ti0,4Al0,3Nb0,3O2 и TiO2 было предпочтительным в фазе B2, в то время как фаза Лавеса выступала прекурсором для Zr0,5Al0,5O2. Исследована жаропрочность тугоплавких ВЭСов с эвтектической структурой на основе системы Al-Cr-Nb-Ti-Zr. При 800°С эвтектический сплав Al28Cr20Nb15Ti27Zr10 показал более высокую удельную жаропрочность, чем существующие жаропрочные материалы, включая интерметаллидные сплавы на основе TiAl и промышленные никелевые суперсплавы. Также было исследовано сопротивление окислению тугоплавких ВЭСов (HfCo)x(NbMo)100-х с ОЦК-B2 структурой. Сравнение по жаростойкости с существующими тугоплавкими сплавами и ВЭСами показало значительное превосходство одного из двухфазных ОЦК-В2 сплавов (HfCo)90(NbMo)10 при 800°С за счет образования Co3O4 и высокую конкурентоспособность при 1000°С, обеспечиваемую смесью оксидов CoO, HfO2 и Nb2Co4O9. Для сплава (HfCo)90(NbMo)10 с оптимальными механическими свойствами, включая обратную температурную зависимость предела текучести, связанную с изменением систем скольжения с а<001> на a<011>, высокой фазовой стабильностью и приемлемой жаростойкостью была исследована жаропрочность при 800°С. Предварительные исследования показали близкую к интерметаллидным сплавам на основе TiAl удельную жаропрочность и, как следствие, высокий потенциал сплава (HfCo)90(NbMo)10 в качестве конструкционного материала для изготовления лопаток газотурбинных двигателей. В системе Nb-Mo-Co-Hf был предложен новый сплав Co40Mo28Nb25Hf7 со сниженным содержанием дорогого Hf, обладающий композитопободной структурой, которая состоит из матричной (Сo, Hf)-богатой фазой Лавеса С14 и внедренных ОЦК частиц, обогащенных Nb и Mo. Удельная прочность сплава Co40Mo28Nb25Hf7 оказалась выше таковой для сплавов данной системы с ОЦК-В2 структурой, а также некоторых промышленных никелевых и кобальтовых суперсплавов, что делает его перспективным материалом для высокотемпературных применений. Была разработана суррогатная модель для оценки пластичности на растяжение высокоэнтропийных сплавов, которая показала балансированную точность 92% при классификации сплавов на пластичные (деформация до разрушения более 10%) и непластичные (деформация до разрушения менее 10%). Была исследована зависимость свойств титансодержащих ВЭСов системы Ti-Zr-Nb-V-Al-Mo от величины молибденового эквивалента (Moeq). Были выбраны сплавы Ti51Zr18Nb15V5Al6Mo6, Ti60Zr15Nb10V5Al5Mo5, и Ti75Zr5Nb8V5Al6Mo1 с величиной Moeq 15,55, 12,85 и 5,9, соответственно. Механические испытания при комнатной температуре выявили линейную зависимость прочности от молибденового эквивалента, а предел текучести изменялся от 580 МПа для сплава Ti75Zr5Nb8V5Al6Mo1 до 1085 МПа для сплава Ti51Zr18Nb15V5Al6Mo6. Пластичность сплавов составляла 17-20%, при этом в сплаве Ti75Zr5Nb8V5Al6Mo1 отмечалось в ходе деформации развитие мартенситного превращения (TRIP эффекта). На примере сплава Ti75Zr5Nb8V5Al6Mo1 было изучено влияние размера зерен на механическое поведение. Различный размер ОЦК зерна в диапазоне 20-180 мкм был получен отжигом при температурах 900-1200°С. Было обнаружено, что уменьшение размера зерна приводит к снижению предела текучести сплавов. Так, при величине зерна 180 мкм предел текучести сплава составлял 580 МПа, а при 20 мкм – 235 МПа. При этом снижение размера зерна способствовало резкому росту способности к деформационному упрочнению, в результате чего предел прочности сплава с зерном 20 мкм достигал почти 1000 МПа. Установлено, что необычная зависимость прочности от размера зерен, по-видимому, не связана с интенсификацией мартенситного превращения в более крупнозернистых состояниях. Было исследовано влияние деформационно-термической обработки на свойства сплава Ti75Zr5Nb8V5Al6Mo1. Осадка в интервале температур 500-800°С показала развитие фазового превращения при температурах ниже 600°С, сопровождающееся заметным ростом напряжения течения. При более высокой температуре сплав находился в однофазном состоянии, а его механическое поведение контролировалось развитием динамической рекристаллизации. Из листа сплава была сформировать деталь типа «конус» при температуре 800˚С и скорости пуансона 10-2 с-1. Cплав после большой деформации при 800°С демонстрирует некоторое снижение пластичности до ~7% удлинения, однако термическая обработка (отжиг) при 900°С восстанавливает свойства сплава, приводя к хорошему сочетанию прочности (предел текучести - 680 МПа) и пластичности (относительное удлинение - 17%) в изделии. За счет варьирования режимов аргонодуговой сварки сплава на основе орторомбического алюминида титана ВТИ-4 в диапазоне сварочных токов 80-115 А, на постоянных токах, низкочастотных и высокочастотных импульсных режимах с модуляцией сварочного тока были достигнуты оптимальная структура и размер зерна (длина ~1,25 мм и ширина ~0,39 мм дендритов и ~0,15 мм средний размер глобулярных зерен) обеспечивающие прочность сварного соединения до уровня 90 % от основного металла. Благодаря комплексному влиянию выбранной исходной структуры, оптимально-подобранного режима плазменной сварки проникающей дугой и последующей термической обработки сварного соединения (920 °С, 2 ч, 800 °С, 6 ч, охлаждение на воздухе), достигнуто оптимальное структурное состояние (43-46 % О-фазы, до 10,3 % α2-фазы) обеспечивающее равнопрочность сварного соединения (на уровне >90 % от основного металла). Предложен режим электронно-лучевой сварки, обеспечивающий ~90 % уровень прочностных свойств относительно исходного сплава ВТИ-4. Было выявлено различие в эволюции структуры между поверхностно-пластическим деформированием керамическими шариками и лазерным ударом заготовок из сплава ВТ6, заключающееся во влиянии разного уровня остаточных напряжений. Показано, что образцы после лазерного удара обладают несколько большим значением амплитудного напряжения (500 МПа), чем после поверхностно-пластического деформирования (480 МПа) на той же базе циклов, что, вероятно, связано с изменением механизма разрушения по сравнению с обработанными поверхностно-пластическим деформированием. На основе комплекса структурных исследований особенностей развития фазовых превращений при закалке, старении и отжиге в сплаве ВИТ1 были установлены температуры, времена выдержки, последовательность операций, позволившие разработать оптимальный режим термической обработки, обеспечивающий баланс прочностных, пластических и жаропрочных характеристик лопаток газотурбинного двигателя. За 2022 было опубликовано 7 статей, из них 7 – в журналах первого квартиля (Q1). Было представлено 14 докладов на Российских и международных конференциях. 26-30 сентября на базе Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А.Г. Мержанова РАН (Черноголовка, Московская область) была проведена международная школа-конференция «Перспективные высокоэнтропийные материалы» (https://shea.bsu.edu.ru/shea/2022). В работе школы-конференции принимало около 100 человек, большинство из которых – молодые ученые. К работе над проектом были привлечены 3 молодых кандидата наук (постдоков), внесший весомый вклад в успешную реализацию проекта.