КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 18-13-00111
НазваниеРазработка научно-технологических основ процесса синтеза функционально-градиентных титановых сплавов методом селективного лазерного плавления
РуководительПопович Анатолий Анатольевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2021 г. - 2022 г. |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (28).
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые словааддитивные технологии, селективное лазерное плавление, титановые сплавы, порошковая металлургия, in-situ синтез, функционально-градиентные материалы
Код ГРНТИ53.39.00; 53.39.31
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Аддитивные технологии объединяют использование цифрового проектирования для создания компьютерной модели будущей детали и изготовление самого изделия путем послойного добавления материала на специальном оборудовании.
Помимо возможности изготовления изделий сложной геометрической формы, аддитивные технологии и, в частности метод селективного лазерного плавления, позволяют изготавливать функционально-градиентные материалы с переменными составом, структурой или плотностью. Вместе с тем, на данный момент вопросы, связанные с формированием микроструктуры, отличной от традиционных литой и деформированной, возможностью управлением структурообразованием в процессе селективного лазерного плавления и последующей термической обработки, а также зависимости структурно-фазового состояния таких материалов с их эксплуатационными характеристиками, являются недостаточно изученными.
Среди титановых сплавов наибольший интерес представляют интерметаллидные титановые сплавы, т.к. они обладают высокой удельной прочностью, жаропрочностью и жаростойкостью. Наилучшее сочетание свойств имеют т.н. орторомбические титановые сплавы на базе соединения Ti2AlNb. Несмотря на комплекс высоких свойств, промышленное применение титановых орто-сплавов на текущий момент является ограниченным вследствие их низкой пластичности при комнатной температуре, плохой обрабатываемости резанием и трудоемких традиционных методах производства изделий из них.
В связи с этим, актуальным является применение аддитивных технологий для изготовления изделий из орто-сплавов, с помощью которых возможно получение изделий сложной конфигурации с формой максимально приближенной к окончательной. В то же время важным является изготовление сплавов с заданной структурой и возможностью локального управления структурно-фазовым состоянием материала с помощью параметров аддитивного изготовления.
Ранее научной группой СПбПУ под руководством А.А. Поповича была продемонстрирована возможность изготовления интерметаллидного титанового сплава методом селективного лазерного плавления с минимальным количеством дефектом и без трещин путем использования высокотемпературного подогрева платформы в процессе аддитивного изготовления.
Разработанные научно-технологические основы послойного синтеза интерметаллидного титанового сплава методом селективного лазерного плавления с заданной структурой позволили определить уровень механических свойств изготовленного орто-сплава. В то время как прочностные свойства сплава находятся на высоком уровне, материал обладает низкой пластичностью, которая является важной характеристикой для изделий различного назначения. С целью улучшения прочностных свойств предлагается провести комплекс исследований по возможности управлению структурой и свойствами титанового орто-сплава, изготовленного методом селективного лазерного плавления. Предлагается провести следующие комплексные исследования: 1) изучение закономерностей формирования структуры титанового сплава и возможности ее управления при одновременном термическом воздействии на материал с помощью многократного лазерного сканирования и высокотемпературного подогрева платформы; 2) исследование влияния термической обработки на микроструктуру и свойства титанового орто-сплава с градиентной микроструктурой, полученной в процессе СЛП; 3) исследование возможности применения микродобавок редкоземельных элементов для модификации микроструктуры и свойств орто-сплава, изготовленного методом СЛП.
Коллектив СПбПУ обладает достаточным заделом в данной области для решения поставленных задач и имеет современное оборудование для аддитивного изготовления изделий с возможностью высокотемпературного подогрева платформы до 1200 ºC, работы в вакууме и контроля процесса изготовления с помощью высокоскоростной камерой и пирометров, а также проведения комплекса исследований микроструктуры и механических характеристик при комнатной и повышенных температурах.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты:
1. Экспериментальные результаты исследования формирования структуры титанового сплава и возможности ее управления при одновременном термическом воздействии на материал с помощью многократного лазерного сканирования и высокотемпературного подогрева подложки;
1.1. Закономерности структурообразования титанового орто-сплава при использовании в процессе селективного лазерного плавления стратегий сканирования с многократным лазерным воздействием для реализации “in-situ” термической обработки;
1.2. Результаты исследования механических характеристик сплава;
2. Результаты исследования влияния термической обработки на микроструктуру и свойства титанового орто-сплава с градиентной микроструктурой, полученной в процессе селективного лазерного плавления;
3. Результаты исследований возможности применения микродобавок редкоземельных элементов для модификации микроструктуры и свойств орто-сплава, изготовленного методом селективного лазерного плавления, в частности, для повышения высокотемпературной прочности и увеличения пластичности орто-сплава при комнатной температуре.
3.1 Результаты исследования влияния микродобавок редкоземельных элементов на формирование микроструктуры орто-сплава в процессе селективного лазерного плавления
3.2 Результаты механических испытаний при комнатной и повышенной температуре.
Данный проект будет направлен на создание новых технологических решений и материалов с управляемыми структурой и свойствами. В ходе проведения исследования закономерности формирования структуры титановых интерметаллидных сплавов при их изготовлении методом селективного лазерного плавления с учетом дополнительного термического воздействия в виде высокотемпературного подогрева подложки и модифицированных стратегий лазерного сканирования слоев материала. Разрабатываемые методы и материалы будут соответствовать или превосходить существующие мировые аналоги. Соответствие мировому уровню исследований подтверждается наличием у научного коллектива публикаций по теме исследований в высокорейтинговых зарубежных журналах. Для проведения исследований будет использовано современное оборудование аддитивного производства, являющееся уникальным на территории РФ и Европы.
Разработанные подходы могут быть использованы для изготовления различных изделий авиационной промышленности, автомобилестроения, энергетических установок и др.
Внедрение новых технологий и разработанных материалов в материаловедческом секторе позволит решить значимые социально-экономические проблемы, в том числе создание новых рабочих мест, подготовка инженерных кадров, техническая модернизация производств с целью перехода на новые цифровые технологии и материалы.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
- Изготовлены экспериментальные образцы титанового орто-сплава с градиентной структурой, полученной в результате воздействия высокотемпературного подогрева платформы и многократной лазерной обработки в процессе селективного лазерного влияния.
На основе экспериментальных исследований определены зависимости формирования микроструктуры титанового орто-сплава от условий термического воздействия в виде повторного лазерного сканирования слоев в процессе селективного лазерного плавления с высокотемпературным подогревом платформы. Установлено, что за счет одновременного термического воздействия повторным лазерным сканированием и подогревом платформы возможна реализация “in-situ” термической обработки сплава и модификация морфологии микроструктуры и фазового состава. Показано, что в зависимости от частоты воздействия на материал повторным лазерным сканированием возможно изменение степени распада интерметаллидной орто-фазы и объемной доли твердого раствора B2-фазы в материале.
- Показано, что при селективном лазерном плавлении титанового орто-сплава одновременное термическое воздействие в виде подогрева платформы и многократного лазерного сканирования может применяться как для локального управления структурой, так и для получения более гомогенной структуры по высоте образца. Дополнительное лазерное сканирование в процессе селективного лазерного плавления титанового орто-сплава позволяет получить микроструктуру материала, аналогичную сплаву, изготовленному при использовании более высоких температур подогрева платформы без дополнительного сканирования.
- Проведено исследование зависимости микротвердости орто-сплава, изготовленного при различных параметрах повторного лазерного сканирования. Установлено, что реализация “in-situ” отжига в процессе селективного лазерного плавления с помощью дополнительной лазерной обработки приводит к снижению значений микротвердости материала, что главным образом вызвано частичным распадом интерметаллидной орто-фазы с образованием B2/бета-фазы. Так, орто-сплав, изготовленный без доп. лазерного сканирования при подогреве платформы 700 ºC, имеет микротвердость HV 525±15. Применение доп. сканирования на каждом третьем слое привело к снижению микротвердости до HV 456±15, а на каждом слое – до HV 348±10.
- Проведено исследование влияния термической обработки на микроструктуру и свойства титанового орто-сплава с градиентной микроструктурой, полученной в процессе селективного лазерного плавления. Установлено, что термическая обработка орто-сплава с исходной градиентной микроструктурой приводит к получению гомогенной структуры, состоящей из двух фаз B2 и Ti2AlNb вследствие частичного распада фазы Ti2AlNb на B2+Ti2AlNb с образование твердого раствора B2-фазы с ОЦК решеткой. Интерметаллидная О-фаза (Ti2AlNb) после Т/О присутствует в образце в виде выделений по границам первичных зерен, а также мелкодисперсных игольчатых выделений внутри этих зерен. При этом размер и количество выделений орто-фазы выше в области, которая в исходном состоянии полностью состояла из орто-фазы.
- По результатам проведенных исследований в 2021 г. опубликованы 4 статьи в журналах, индексируемых в БД Scopus / Web of Science. Из них две статьи в журналах первого квартиля.
Публикации
1. Полозов И.А., Попович А.А., Суфияров В.Ш. EFFECTS OF HEAT TREATMENT AND HOT ISOSTATIC PRESSING ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF TI2ALNB-BASED ALLOY FABRICATED BY SLM Proceedings 30th Anniversary International Conference on Metallurgy and Materials, P.948-952 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.37904/metal.2021.4239
2. Полозов И.А., Стариков К.А., Попович А.А., Суфияров В.Ш. Mitigating Inhomogeneity and Tailoring the Microstructure of Selective Laser Melted Titanium Orthorhombic Alloy by Heat Treatment, Hot Isostatic Pressing, and Multiple Laser Exposures Materials, 14(17), 4946 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/ma14174946
3. Полозов И.А., Суфияров В.Ш., Кантюков А.Д., Попович А.А. Effects of SiC addition on microstructure and mechanical properties of titanium aluminide alloy produced by selective laser melting Proceedings 30th Anniversary International Conference on Metallurgy and Materials, P. 953-957 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.37904/metal.2021.4240
4. Полозов И.А., Суфияров В.Ш., Стариков К.А., Попович А.А. In situ synthesized Ti2AlNb-based composites produced by selective laser melting by addition of SiC-whiskers Materials Letters, Volume 297, 15 August 2021, 129956 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.129956
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
- Установлено влияние параметров селективного лазерного плавления относительную плотность образцов орто-сплава с модифицированным химическим составом. Показано, что для предотвращения образования трещин необходимо применять высокотемпературный подогрев рабочей зоны до 850 ºC с целью снижения остаточных напряжений. Установлен режим СЛП, при котором обеспечивается относительная плотность компактных образцов 99,9%.
- Установлено влияние температуры подогрева рабочей зоны в процессе селективного лазерного плавления и дополнительных легирующих элементов на формирование структуры и фазовый состав титанового орто-сплава. Установлено, что в зависимости от используемой температуры подогрева микроструктура и фазовый состав изменяются от однофазной β-структуры (подогрев 300 ºC), однофазной O (Ti2AlNb)-структуры (подогрев 700 ºC), и двухфазной β+O структуры (подогрев 850 ºC),
Показано, что микролегирование орто-сплава редкоземельным элементов привело к уменьшению микротрещин по границам первичных β-зерен за счет снижения содержания кислорода. При этом исследование микроструктуры образцов орто-сплава с модифицированным составом показало, что характер изменения структуры и фазового состава сплава, морфология микроструктурных элементов аналогичны орто-сплаву со стандартным составом без микролегирования.
- С помощью дифференциальной сканирующей калориметрии для образцов из орто-сплава с модифицированным составом определены температуры фазовых превращений. Установлено, что температуры фазовых превращений исследуемого орто-сплава с модифицированным составом аналогичны сплаву стандартного состава.
- Установлена зависимость микроструктуры и фазового состава изготовленного орто-сплава в зависимости от режимов термической обработки и горячего изостатического прессования. Установлено, что после ГИП микроструктура состояла из первичных β зерен и пластинчатых выделений O фазы. При этом орто-сплав с модифицированным составом после ГИП имел размер первичных β зерен значительно меньше по сравнению со стандартным орто-сплавом. Установлена зависимость структурно-фазового состояния изготовленного орто-сплава в зависимости от условий охлаждения после отжига. Показано, что с увеличением скорости охлаждения с температуры отжига увеличивается содержание β фазы, при этом размер интерметаллидных выделений O фазы уменьшается. После проведения дополнительного старения после отжига наблюдается увеличение объемной доли O фазы в виде пластинчатых выделений внутри первичных β зерен.
- Установлены механические свойства орто-сплава с модифицированным составом, изготовленного методом селективного лазерного плавления. Определены значения предела прочности и относительного удлинения при разрушении для образцов орто-сплава в зависимости от режима термической обработки. В исходном состоянии после селективного лазерного плавления сплав имеет невысокие значения предела прочности (650 МПа) при комнатной температуре. При температуре испытания 650 ºC предел прочности составил 647 МПа при относительном удлинении 3%. Проведение ГИП с последующей термической обработкой привело к существенному повышению прочности как при комнатной, так и повышенной температуре. При этом скорость охлаждения после отжига оказала значительное влияние на пластичность сплава. проведение ГИП с последующим отжигом с охлаждением в воду привело к повышению предела прочности при комнатной температуре на ~70%, при повышенной температуре – на ~20–30%, относительного удлинения – на ~100–450% по сравнению со сплавом в исходном состоянии. Проведение старения после отжига привело к повышению предела прочности на ~10%. Изготовленный орто-сплав с модифицированным составом после ГИП и термической обработки по сравнению со сплавом со стандартным составом продемонстрировал предел прочности при комнатной температуре выше на ~200 МПа при более высокой пластичности.
- По результатам проведенных исследований опубликована статья “Processing, Microstructure, and Mechanical Properties of Laser Additive Manufactured Ti2AlNb-Based Alloy with Carbon, Boron, and Yttrium Microalloying” в журнале Metals https://doi.org/10.3390/met12081304
Публикации
1. Полозов И.А., Грачева А.М., Попович А.А. Processing, Microstructure, and Mechanical Properties of Laser Additive Manufactured Ti2AlNb-Based Alloy with Carbon, Boron, and Yttrium Microalloying Metals, Том 12, Выпуск 8, 1304 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/met12081304
2. Грачева А.М., Полозов И.А., Попович А.А. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ОРТОРОМБИЧЕСКОГО АЛЮМИНИДА ТИТАНА Инновационные идеи в машиностроении : сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, Инновационные идеи в машиностроении : сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022. – с. 586-590 (год публикации - 2022)
3. Полозов И.А., Грачева А.М., Попович А.А. Microstructure and properties of selective laser melted titanium orthorhombic alloy with Mo, Si, C, B, and Y alloying elements Materials Science Forum, - (год публикации - 2022)
Возможность практического использования результатов
Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, а именно в области синтеза интерметаллидных титановых сплавов методом селективного лазерного плавления, зависимостей структурно-фазового состояния, механических свойств титанового орто-сплава от параметров селективного лазерного плавления с высокотемпературным подогревом, а также микролегирования орто-сплава, позволяют расширить номенклатуру используемых сплавов и области применения аддитивных технологий. Полученные результаты могут быть применены в аэрокосмической, авиационной и двигателестроительной отрасли, энергетической, автомобильной отраслей промышленности, в частности при разработке технологий изготовления узлов и компонентов авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок с использованием аддитивных технологий. Созданный в ходе выполнения проекта научно-технический задел может применяться при создании технологии изготовления сложнопрофильных изделий из жаропрочных титановых сплавов на основе орторомбического алюминида титана методом селективного лазерного плавления, что актуально в случае изготовления элементов газотурбинных двигателей, секций корпусов компрессоров, турбинных лопаток, и др.
Применение аддитивных технологий для изготовления изделий сложной формы из титанового орто-сплава с заданной структурой позволяет расширить области применения интерметаллидных сплавов, что актуально для развития таких отраслей промышленности как авиация, автомобилестроение, энергетика.