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 проекта 21-79-10167
НазваниеМикроструктура и механизмы разрушения в интервале вязко-хрупкого перехода ультрамелкозернистых двухфазных титановых сплавов, полученных интенсивной пластической деформацией
Руководитель Модина Юлия Михайловна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан
Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые слова Титановые сплавы, деформационно-термическая обработка, ультрамелкозернистая структура, текстура, прочность, ударная вязкость, вязко-хрупкий переход, вязкость разрушения.
Код ГРНТИ53.49.09
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
На сегодняшний день одним из перспективных подходов, позволяющих кардинально изменить и улучшить механические свойства металлов и сплавов, является формирование в них ультрамелкозернистых состояний различными методами интенсивной пластической деформации (ИПД), когда материал подвергается большим деформациям в условиях высоких приложенных давлений. Данный подход к двухфазным титановым сплавам на примере сплавов ВТ6 и ВТ8М-1 позволил значительно повысить их прочность и предел выносливости, реализовать высокоскоростную и/или низкотемпературную cверхпластичность. Сочетание вышеперечисленных свойств является актуальным для конструкционных материалов деталей газотурбинного двигателя (ГТД), таких как лопатки компрессора, испытывающих в процессе эксплуатации значительные, иногда экстремальные, нагрузки при повышенных температурах.
Как известно, высокие остаточные напряжения, очень высокая плотность внесенных дефектов кристаллической решетки, сильно неравновесные границы ультрамелких зерен, типичные для материалов, подвергнутых ИПД, негативно отражаются на их пластичности и вязкости разрушения. Поэтому конструкционное применение УМЗ титановых сплавов требует решения ряда материаловедческих задач, связанных с влиянием УМЗ структуры на механизмы разрушения, особенно в интервале вязко-хрупкого перехода. Критическим фактором в данном случае является сопротивление хрупкому разрушению при эксплуатационных температурах, учитывая, что на ударную вязкость и трещиностойкость оказывает сильное влияние не только уменьшение размера фазовых структурных составляющих, но и кристаллографическая текстура, сформированная при пластической деформации. Кроме того, часто такие детали, как лопатки ГТД, получают путем горячей объемной формовки/штамповки. Формирование УМЗ структуры в заготовки позволяет снизить температуру деформации примерно на 150-200°С за счет проявления низкотемпературной и/или высокоскоростной сверхпластичности, о чем свидетельствуют недавние публикации. Очевидно, что в ходе формообразования детали происходит трансформация УМЗ структуры и текстуры за счет развития процессов динамической рекристаллизации и возврата, что может положительно повлиять на характеристики трещиностойкости материала в результате формирования более равновесной структуры с преимущественно большеугловыми границами зерен. Более того, в результате ДТО возможно «размытие» кристаллографической текстуры, тем самым снижение ее негативного влияния на ударную вязкость и вязкость разрушения без значительного падения уровня прочности. Таким образом, научная идея настоящего проекта заключается в том, что достижение требуемых эксплуатационных свойств высоконагруженных деталей из титановых сплавов обеспечивается на стадии деформационно-термической обработки (ДТО) (например, объемной штамповкой) полуфабрикатов с УМЗ структурой, полученной предварительно методами ИПД.
Выполненные ранее исследования в рамках диссертационной работы руководителя проекта показали, что критическим фактором, обеспечивающим повышенную трещиностойкость УМЗ двухфазных титановых сплавов, является сочетание высокой прочности и пластичности. Прочность сплавов достигается за счет комбинации механизмов упрочнения в результате формирования ультрамелких зерен α и β-фаз и присутствия нанодисперсных выделений в сплаве, а пластичность – бимодальным распределением по размерам зерен α-фазы при наличии микронных зерен первичной α-фазы с общей долей до 30 %. Также было показано, что вязкость разрушения УМЗ двухфазных титановых сплавов зависит от их способности к деформационному упрочнению, связанному с равномерным удлинением δр. При этом важным фактором обеспечения повышенной вязкости разрушения является формирование бимодальной УМЗ структуры, когда продвижение трещины происходит по границам ультрамелких зерен α- и β-фаз в двухфазной области, а ориентация первичной α-фазы оказывает тормозящее влияние на рост трещины. В частности, на примере сплава ВТ8М-1 была продемонстрирована возможность баланса прочности и трещиностойкости (предел прочности 1230 МПа и К1с 34 МПа√м), который не был достигнут традиционной термомеханической обработкой.
С целью оценки инновационного применения УМЗ титановых сплавов для высоконагруженных деталей в энерго- и авиа-машиностроении предлагаемый проект, который является продолжением диссертационный работы руководителя проекта, направлен на изучение механизмов разрушения УМЗ титановых сплавов ВТ6 и ВТ8М-1, особенно в интервале вязко-хрупкого перехода, когда возможен текстурный минимум ударной вязкости. Актуальность исследования в рамках данного проекта заключается в изучении эволюции УМЗ структуры в ходе последующей ДТО, ее влияния на механические свойства титановых сплавов, выявлении интервала вязко-хрупкого перехода и механизмов разрушения в широком интервале температур.
Для реализации поставленной цели будут получены заготовки сплавов ВТ6 и ВТ8М-1 с УМЗ структурой, характеризующейся бимодальным распределением по размерам α-фазы, методами ИПД в сочетании с деформационно-термическими обработками. Будут проведены детальные исследования эволюции УМЗ структуры (фазовый состав, размер фаз, текстура, субструктура и т.д.). в ходе последующей ДТО и ее влияние на механические свойства сплавов (прочность и пластичность при растяжении, предел выносливости, вязкость разрушения). Будут проведены исследования ударной вязкости в широком интервале температур для выявления интервала вязко-хрупкого перехода и изучения механизмов разрушения образцов из УМЗ сплавов. Полученные зависимости будут использованы для сравнения способности известных количественных моделей пластического разрушения при прогнозировании вязкости разрушения и возможного их уточнения для УМЗ материалов на примере исследуемых титановых сплавов.
Полученные в рамках проекта закономерности и фундаментальные знания о механизмах разрушения и вязкопластическом поведении УМЗ титановых сплавов при эксплуатационных температурах являются научной основой современных технологий изготовления лопаток ГТД из титановых сплавов с повышенным ресурсом и надежностью.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ