Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За отчетный период выполнены все запланированные работы. В частности, проведено комплексное исследование структуры и механических свойств легкого (ρ = 3,92 г/см3) среднеэнтропийного интерметаллидного сплава Al55Cr23Ti22 (ат.%). Исходная литая структура состояла из L12 матрицы, обогащенной Al и Ti, и богатых Cr ламелей фазы C11b с полукогерентными границами, обеспечиваемыми ориентационным соотношением (ОС) (111)L12 || (110)C11b, [1-10]L12 || [3-3-1]C11b. Сплав продемонстрировал достаточно высокие пластичность (ε = 17-19 %) и прочность (σ0,2 = 600-610 МПа) при 22 и 600°C. При этом сплав сохранял приемлемую прочность (σ0,2 = 155 МПа) и при 1000°C с одновременным увеличением пластичности свыше 40%. По сравнению с существующими легкими тугоплавкими высоко/среднеэнтропийными сплавами, преимущественно состоящими из В2 фазы и фазы Лавеса, сплав Al55Cr23Ti22 обладал лучшим сочетанием удельной прочности при 1000°C и пластичности при комнатной температуре. Детально изучены деформационное поведение и фазовые превращения сплава Al55Cr23Ti22. Сплав показал резкое и продолжительное деформационного упрочнение при Т ≤ 800°C, а также высокую устойчивость ламеллярной структуры при Т = 1000°C. Стабильность ламеллярной структуры была связана с полукогерентными межфазными границами L12/C11b, а высокое деформационное упрочнение обеспечивалось фазой C11b, тонкие ламели которой служили одновременно препятствиями для движения дислокаций и дополнительными источниками зарождения/размножения дислокаций за счет создания обратных напряжений, тогда как крупные отдельные частицы эффективно замедляли рост трещин. В свою очередь, деформация при 600 и 800°C приводила к выделению (полу)когерентных частиц C11b_1 и Al2Ti внутри L12 матрицы и фазы C11b, соответственно, что было связано с перераспределением элементов внутри исходных фаз и благоприятным кристаллографическим сопряжением между частицами и фазами, в которых они формировались. Исследована жаростойкость сплава Al55Cr23Ti22 при Т = 1000°C. Установлено, что после выдержки в течение 1 ч прирост массы сплава Al55Cr23Ti22 составил менее 0,01 мг/см^2, а после 100 ч – всего 0,29 мг/см^2, что было ниже, чем у всех существующих на сегодняшний день Al/Cr-содержащих тугоплавких высоко/среднеэнтропийных сплавов. Превосходная жаростойкость сплава Al55Cr23Ti22 связана с ранним образованием плотного защитного оксида Al2O3, на формирование которого не влияло присутствие фазы C11b с меньшим, по сравнению с L12 матрицей, содержанием Al. Предложены перспективные модификации сплава Al55Cr23Ti22, полученные путем последовательного замещения Cr на Fe (сплавы Al55Cr18Ti22Fe5 и Al55Cr13Ti22Fe10), Mn (сплавы Al55Cr18Ti22Mn5 и Al55Cr13Ti22Mn10) или одновременно на Fe и Mn (сплав Al55Cr13Ti22Fe5Mn5). Практически во всех модифицированных сплавах наблюдалось формирование дополнительной фазы D8a с когерентными границами, обеспечиваемыми ОС ((-103)С11b || (044)D8a, [3-31]C11b || [-11-1]D8a). Среди исследуемых сплавов композиция Al55Cr13Ti22Fe10 оказалась наиболее прочной во всем температурном интервале с σ0,2 = 250 МПа при 1000°С, но наименее пластичной при комнатной температуре. Сплавы с Mn показывали меньшую прочность, чем исходный сплав Al55Cr23Ti22, но несколько большую пластичность. Сплав Al55Cr13Ti22Fe5Mn5 оказался более прочным, чем другие сплавы (за исключением сплава Al55Cr13Ti22Fe10) при 600°С, но при остальных температурах показал прочность, сравнимую со сплавом Al55Cr23Ti22. В свою очередь, наиболее жаростойкими при 1000 °C были сплавы Al55Cr18Ti22Fe5 и Al55Cr18Ti22Mn5. Однако, при росте содержания Fe или Mn и при одновременном замещении Сr на Fe и Mn прирост массы после 100 ч оказывался несколько больше исходного сплава Al55Cr23Ti22, вследствие формирования более рыхлого слоя Al2O3. Для системы тугоплавких сплавов Nb-Ti-Zr-Cr мы показали, что влияние возрастающей химической сложности, которая считается основным источником уникальных свойств высокоэнтропийных сплавов, на прочность и жаростойкость чувствительно к добавлению определенных элементов. Переход от чистого Nb к эквиатомным сплавам NbTi и NbTiZr, при котором сохранялась однофазная ОЦК структура, повышал прочность в интервале 22-800°C и жаростойкость при 1000°C. Однако, дальнейшее добавление Cr, приводившее к образованию фазы Лавеса, нарушало эту тенденцию. В случае двухфазных сплавов ОЦК + фаза Лавеса бинарные сплавы Nb100-xCrx, которые содержали фазу Лавеса стехиометрического состава, оказывались значительно прочнее при Т > 600°C, чем аналогичные по микроструктуре многокомпонентные тугоплавкие композиционно-сложные сплавы с нестехиометрической фазой Лавеса. В свою очередь, тройные сплавы (NbTi)100-xCrx с высоким (х ≥ 25 ат.%) содержанием Cr обладали лучшей жаростойкостью, по сравнению с менее или более композиционно-сложными аналогами, за счет исключительного образования защитного слоя Cr2O3. Предложен перспективный сплав (CrHfMoNbTaTiVZr)83,9Si16,1. Сплав обладал композитоподобной микроструктурой, которая состояла из четырех фаз со сложным химическими составами: (i) матричной фазы, обогащенной Zr, Hf и Si, и внедренных в нее (ii) частиц фазы Лавеса C14, обогащенных Сr, Hf и V, (iii) богатых Zr и Si частиц фазы M5Si3, (iv) обогащенных Mo, Ta, Nb и Ti ОЦК частиц. Между ОЦК и M5Si3 фазами была обнаружено ОС (10-1)ОЦК || (300)M5Si3, (111)ОЦК || (001)M5Si3, свидетельствовавшее о когерентных границах. При этом экспериментально наблюдаемый фазовый состав отличался от предсказываемого с помощью термодинамического моделирования, что указывало на ограниченную применимость данного метода для дизайна новых композиционно-сложных силицидов. Исследования механических свойств сплава продемонстрировали, что, несмотря на практически полное отсутствие пластической деформации, сплав показал высокую прочность при 22 и 800°С, которая составила 2110 и 1190 МПа, соответственно. При 1000°С сплав оставался достаточно прочным (σ0,2 = 580 МПа), при этом стал более пластичным (ε ≈ 18%). Предложена технология сварки разнородных материалов, а именно режимы лазерной сварки-пайки титанового сплава ВТ6 с алюминиевым сплавом 1545 с получением бездефектных сварных соединений. На основе высокопроизводительных вычислений и экспериментальных исследований предложены перспективные составы высоко/среднеэнтропийных промежуточных слоев для лазерной сварки сплавов ВТ6 и 1545. Проведены предварительные исследования по отработке технологии лазерной сварки сплавов ВТ6 и 1545 через промежуточный слой NbTiZr, показавшие отсутствие хрупких фаз TiAl и TiAl3 в сварном шве. На примере сплавов перспективных для практического применения систем Ti-(43-45)Аl-2,0V-1,0Nb-1,0Zr, Ti-(43-45)Аl-2,0V-1,0Nb-2,0Cr и Ti-(42-45)Аl-4,0Nb-1,0Mo ат.% показано, что наиболее быстро и полно трансформация структуры в ходе ячеистой реакции наблюдается при содержании Al ~43,5-44,0%. Определена оптимальная композиция, Ti-44,0Аl-2,0V-1,0Nb-1,0Zr-0,2Gd, в которой структура может быть полностью трансформирована в ходе ячеистой реакции. По результатам выполнения проекта опубликованы 3 статьи, из них 3 – в журналах первого квартиля (Q1). Было представлено 14 докладов на Российских и международных конференциях. 09-13 октября на базе Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (СПбГМТУ) была проведена международная школа-конференция «Перспективные высокоэнтропийные материалы» (https://shea.bsu.edu.ru/shea/2023). В работе школы-конференции принимало 139 человек, большинство (77 человек) из которых – молодые ученые.