Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Данный проект направлен на изучение влияния ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры на механизмы разрушения при повышенных температурах, особенно в интервале вязко-хрупкого перехода, а также достижение компромисса между прочностью, пластичностью и вязкостью разрушения в УМЗ двухфазных титановых сплавах, подвергнутых дополнительной деформационно-термической обработке (ДТО), имитирующей формообразование детали. В соответствии с заявленным в проекте планом работ были выполнены следующие научно-исследовательские работы: 1. Проведена аттестация исходной микроструктуры сплава ВТ6 в заготовках диаметром 20 мм. Исходная микроструктура представляла собой деформированную ламеллярную структуру, типичную для сплава ВТ6, подвергнутого горячей прокатке в (α+β) области. Предел прочности в исходном состоянии составляет 1060 МПа, относительное удлинение до разрушения 12%. Методом пробных закалок была определена температура полиморфного превращения, которая составила 975±5℃. 2. С целью получения дуплексной (глобулярно-пластинчатой) структуры в титановом сплаве ВТ6 заготовки подвергали термической обработке (ТО) по ранее разработанному режиму. Микроструктура характеризовалась крупнозернистой (КЗ) глобулярно-пластинчатой структурой со средним размером первичных α-глобулей около 4 мкм, объемная доля первичных α-глобулей составляет ~ 50 %. 3. Были получены заготовки титанового сплава ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой, которую формировали интенсивной пластической деформацией (ИПД) методом равноканального углового прессования (РКУП). Деформация проводилась при температуре 700 ℃ с углом пересечения каналов 120 ° (e = 2,8). 4. Для имитации процесса формообразования деталей газотурбинного двигателя (ГТД) методом штамповки УМЗ заготовки подвергли ДТО, включающей в себя нагрев заготовки до Т=750℃ длительностью 30 мин, плющение (ε = 30 %) при температуре 750℃ и охлаждение заготовки на воздухе. 5. Для оценки влияния структуры после РКУП и РКУП+ДТО на прочностные свойства и ударную вязкость была проанализирована микроструктура в трех плоскостях – YZ, XY, XZ. Выявлено, что большая часть пластинчатой +β составляющей преобразовалась в частицы равноосной формы. Первичная α-фаза также подверглась формоизменению. В плоскости XZ большая часть первичной α-фазы сохраняет очертания равноосных глобулей. При этом микроструктурный анализ показал металлографическую текстуру в двух направлениях YZ и XY, что особенно заметно по форме и направленности первичной α-фазы. Согласно результатам просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) после РКУП деформации в результате процессов фрагментации и глобуляризации пластинчатой составляющей формируется ультрамелкозернистая структура со средним размером зерен/субзерен 0,4 мкм с преимущественно высокоугловой разориентировкой зеренной структуры. ДТО после РКУП деформации привела к заметному росту глобулярных частиц α- и β-фазы до 0,5-1 мкм. Зерна первичной α-фазы вытянутой формы, которые наблюдали в микроструктуре после РКУП, потеряли свою целостность и практически не различимы в микроструктуре сплава после плющения. В малом количестве наблюдаются области размером около 2 мкм, что, возможно, говорит об остаточной целостной первичной α-фазе в структуре. Более высокая температура деформации методом плющения и смена схемы деформации приводят к дроблению уже первичной α -фазы. Так сильная вытянутость α-глобулей в направлении оси X и Z и, соответственно, их поперечное расположение по отношению к направлению сжатия при плющении позволяют даже при относительно небольшой степени деформации в 30% разделить первичную α-фазу на отдельные небольшие глобули. В результате после плющения формируется достаточно однородная структура, состоящая из глобулярных УМЗ-частиц α и β фаз с редкими глобулами остаточной первичной α-фазы. По результатам ПЭМ выявлено, что ДТО после РКУП деформации вносит существенную деформацию в структуру, так наблюдается более «сильная» размытость общей структуры и границ зерен и образование субзеренной структуры во вновь рекристаллизованных зернах. Общая картина исследования микроструктуры методом ПЭМ показывает формирование УМЗ структуры с наличием достаточно крупных зерен до 1 мкм. 6. Были проведены механические испытания на растяжение стандартных образцов диаметром рабочего сечения 3 мм. Предел прочности сплава (σв) ВТ6 в УМЗ состоянии после РКУП составляет 1220 Мпа и в среднем почти на 15% выше предела прочности в исходном состоянии за счет значительного уменьшения размера зерен α-фазы, однако наблюдается уменьшение относительного удлинения (δ) до 10,2% и равномерного удлинения (δр) до 1,7%. Предел прочности в УМЗ состоянии после РКУП+ДТО уменьшается до 1150 МПа с небольшим увеличением равномерного и относительного удлинения до 10,8 и 1,9 %, соответственно, что может быть связано с ростом зерен в результате процессов рекристаллизации и возврата при дополнительной ДТО после РКУП. Также были проведены испытания на растяжение малых плоских образцов, вырезанных из плоскостей XY, YZ, XZ, где после РКУП наблюдается выраженная анизотропия механических свойств в заготовке, однако проведение дополнительной ДТО позволяет сгладить анизотропию за счет «размытия» металлографической текстуры. Испытания на ударную вязкость стандартных образцов размером 10х10х55 мм, вырезанных в продольном сечении заготовок после РКУП и РКУП+ДТО, с концентратором напряжений типа-V были проведены при комнатной температуре на копре с падающим грузом. Для определения влияния анизотропии механических свойств и сформированной текстуры испытания на ударную вязкость в УМЗ титановом сплаве после РКУП+ДТО были также проведены в двух направлениях распространения трещины в плоскости YZ. Результаты испытаний показали, что формирование УМЗ состояний приводит к понижению значений ударной вязкости (KCV) по сравнению с КЗ состоянием, что вполне закономерно, поскольку равномерное удлинение УМЗ образцов меньше, чем равномерное удлинение КЗ сплава. Было выявлено, что значения ударной вязкости УМЗ сплава ВТ6 после РКУП и после РКУП+ДТО идентичны поскольку равномерное удлинение в направлении распространения трещин практически одинакова, такая же тенденция наблюдается для полной работы разрушения (A). Работа распространения трещины, которая характеризует надежность материала, после РКУП+ДТО (в направлении 2) равна 6,9 Дж и несколько больше, чем после РКУП (4,2 Дж), что связано с некоторым увеличением равномерного удлинения (0,7 и 0,6%, соответственно). Обнаружено, что УМЗ состояние после РКУП+ДТО (распространение трещины в направлении 1) показало наименьшее значение KCV = 0,31 МДж/м2. Причиной этого может служить металлографическая и кристаллографическая текстура в заготовках после РКУП+ДТО, так как анизотропия характера разрушения в УМЗ материалах зависит от формы и ориентации зерна, что может способствовать распространению межзеренной трещины при испытаниях на ударную вязкость и вязкость разрушения. Влияние кристаллографической структуры на комплекс механических свойств и механизмы разрушения будет более подробно рассмотрено в следующем отчетном периоде. Фрактографический анализ изломов образцов титанового сплава ВТ6 в различных состояниях после испытаний на ударную вязкость показал типичные для титановых сплавов изломы, которые имеют плоскую область, представленную волокнистой зоной с характерными для нее ямками разрушения, и сдвиговую кромку. Изломы имеют матовую однородную поверхность, что свидетельствует о макропластическом характере разрушения. Ямки разрушения РКУП и РКУП+ДТО (направление 2) немного вытянуты, имеют гладкую поверхность, что связано с пластическим течением (вытяжкой ямок). Ямки разрушения РКУП+ДТО (направление 1) более мелкие, что свидетельствует о меньшем размере и большей концентрации УМЗ-структурных элементов, которые являются центром зарождения микропор. 7. По результатам выполненных исследований была опубликована научная статья в журнале Metals (Q1, Scopus/WoS, IF=2.351), тезис в трудах научных конференций, а также выступление с устным докладом на научной конференции.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Был проведен рентгенофазовый анализ ультрамелкозернистого (УМЗ) титанового сплава ВТ6 после равноканального углового прессования (РКУП) и РКУП+осадки. Выявлено увеличение доли β-фазы в результате интенсивной пластической деформации (ИПД) методом РКУП, а также после его дальнейшей деформационно-термической обработки (ДТО) осадкой. Выравнивание объемной доли β-фазы по сечениям заготовки в процессе осадки, также демонстрирует о более изотропном характере сформированной УМЗ структуры. 2. Анализ кристаллографической текстуры УМЗ титанового сплава ВТ6 после РКУП продемонстрировал, что нормали повернуты в плоскости XZ, что считается классическим объяснением образования кристаллографической текстуры в плоскости сдвига, наклон которого определяется углом сопряжения каналов и в данном случае составляет около 10° по отношению к оси Z. Изменение текстуры в результате осадки заготовок приводит к переориентации базисной нормали в направлении оси сжатия на углы 85 и 57°, что обеспечивает значительное снижение полюсной плотности при угловом расстоянии 70–90° от оси сжатия Z. Базисное скольжение способствует плавной переориентации базисных нормалей в направлении оси сжатия. 3. Было проанализировано механическое поведение УМЗ титанового сплава ВТ6 после РКУП при осадке. Осадку цилиндрических образцов с размерами 6×7 мм со скоростями 5×10-1, 5×10-2, 1×10-2, 5×10-3, 1×10-3, 5×10-4, 1×10-4 с-1 проводили при температурах 650, 700 и 750°С. Были установлены температурно-скоростные диапазоны проявления эффекта сверхпластичности. При сочетании относительно высоких скоростей и низких температур деформация осуществляется по традиционному механизму за счет дислокационного скольжения, что сопровождается упрочнением. Повышение температуры и/или снижение скорости деформации активизирует развитие динамической рекристаллизации, при этом в определенных температурно-скоростных условиях сплав демонстрирует сверхпластическое поведение, а при других условиях наибольший вклад в микроструктурные изменения и механическое поведение УМЗ сплава ВТ6 вносят динамическая рекристаллизация и образование α2-фазы. Были рассчитаны кажущаяся энергия активации и проведен анализ коэффициента скоростной чувствительности, которые выявили, что для сверхпластического поведения УМЗ ВТ6 характерен диапазон 160 – 200 кДж/моль. Повышение величины кажущейся энергии активации свыше 200 кДж/моль сопровождалось уменьшением коэффициента m<0.3 и указывало на изменение механизма от скольжения по границам зерен к объемной диффузии. 4. Были проведены механические испытания на растяжение стандартных цилиндрических образцов диаметром базы 3 мм и расчетной длиной 15 мм, вырезанные в продольном сечении (XY) заготовок после РКУП и РКУП+осадка, для определения механических свойств и стабильности УМЗ структуры в широком интервале температур от –196 до 500°С. Было выявлено, что УМЗ титановый сплав ВТ6 после РКУП сохраняет высокие прочностные показатели вплоть до 300°С, дальнейшее повышение температуры механических испытаний на растяжение приводит к деформационному разупрочнению в виду процессов роста зерна и рекристаллизации и при 500°С выходит на уровень прочностных показателей после дальнейшей осадки. 5. Были проведены испытания на растяжение в широком интервале температур малых плоских образцов титанового сплава ВТ6 после РКУП+осадка для их сопоставления со значениями ударной вязкости в широком интервале температур в зависимости от направления разрушения (XZ – по направлению осадки №1, YZ – перпендикулярно направлению осадки №2). Было отмечено, что предел прочности, а также общее и равномерное удлинения при положительных температурах в плоскости XZ больше, чем в плоскости YZ, что может быть обусловлено облегченным скольжением по призматическим плоскостям в связи с чем обеспечивается повышение деформационной способности и материал способен выдержать большие напряжения до разрушения. Однако при криогенной температуре прочностные и пластические характеристики в плоскости YZ становятся выше, чем в XZ, что, по-видимому, может быть связано с подавлением термически активируемых процессов движения дислокаций и большим вкладом двойникования, поскольку действующие системы двойникования в титане и титановых сплавах могут измениться в зависимости от температуры деформации. 6. Были проведены испытания на ударную вязкость в широком интервале температур от – 196 до 500°C стандартных образцов 10х10х55 с надрезом типа-V титанового сплава ВТ6 в УМЗ состоянии после РКУП и РКУП+осадка (в направлении №1 – вдоль оси осадки и №2 – перпендикулярно оси осадки). С увеличением температуры испытаний ударная вязкость сплава ВТ6 в УМЗ состояниях после РКУП и РКУП+осадки (№1, №2) плавно растет. До 100 ℃ значения KCV близки, большая разность наблюдается при температурах испытаний от 200 ℃ и выше. При температуре 500 ℃ ударная вязкость УМЗ сплава ВТ6 после РКУП выходит на уровень после РКУП+осадки в направлении разрушения №1 (1,60 и 1,77 МДж/м2, соответственно). 7. Были определены интервалы вязко-хрупкого перехода и температура хладноломкости (Tхр). В УМЗ титановом сплаве ВТ6 после РКУП она составила с 350°С. Увеличение размера зерна, а также снижение текстурной анизотропии при осадке УМЗ титанового сплава уменьшает температуру хрупко-вязкого перехода до 275°С (по направлению осадки) и до 210°С (перпендикулярно направлению осадки), что повышает температурный запас вязкости конструкционного материала и снижает риск катастрофического разрушения изделия. 8. Был проведен фрактографический анализ изломов УМЗ титанового сплава ВТ6 после РКУП и РКУП+осадки (№1, №2), который выявил особенности механизмов разрушения. Изломы имели однородную поверхность, также в них выявлены зона зарождения и распростренения трещины, а также губы среза. С увеличением температуры испытаний прослеживается увеличение площади зоны медленного распространения трещины и губ среза, что соответствует увеличению ударной вязкости с повышением температуры испытаний. Разрушение во всех случаях проходило по внутризеренному вязкому механизму, который характеризуется образованием ямок разрушения в результате слияния микропор. Образование вторичных трещин в результате релаксации напряжения при движении магистральной трещины требует дополнительной энергии и затрудняет распространение магистральной трещины, в результате чего значения ударной вязкости в сплаве РКУП+осадка больше, чем при РКУП. Сглаживание ямок в изломах УМЗ титанового сплава РКУП+осадка (№2) сопровождается значительной пластической деформации и свидетельствует о большей вязкости разрушения в интервале температур от – 196 до 500°C. 9. Было проанализировано влияние текстурного эффекта на ударную вязкость. Размытие текстуры при осадке обеспечило увеличение энергии распространения трещины. Распространение трещины в направлении Y (перпендикулярно оси сжатия) — почти параллельно оси с ГПУ-решеткой — затруднено из-за отсутствия систем легкого скольжения. Следовательно, трещина вынуждена изгибаться и менять свое направление за счет более благоприятной ориентации, в результате чего достигается максимальное значение энергии распространения трещины, значение ударной вязкости увеличивается во всем интервале температур от –196°С до 500°С.