Пористость конструкционных и функциональных материалов новых поколений: изучение механизмов образования пор, развитие методов оценки и залечивания пористости с целью минимизации ее негативного влияния на служебные характеристики материалов и изделий.

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 22-19-00126

НазваниеПористость конструкционных и функциональных материалов новых поколений: изучение механизмов образования пор, развитие методов оценки и залечивания пористости с целью минимизации ее негативного влияния на служебные характеристики материалов и изделий.

Руководитель Алымов Михаил Иванович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова порошковая металлургия, композиционные материалы, аддитивные технологии, монокристаллические никелевые жаропрочные сплавы, пористость, прочность, диффузия, высокоразрешающая копьютерная томография, математическое моделирование

Код ГРНТИ53.39.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие новых материалов и технологий их получения требует решения ряда научно-технических проблем, одна из которых – проблема пористости, которая является опасным структурным дефектом, инициирующим образование трещин и последующее разрушение. Поэтому решение проблемы пористости новых материалов является актуальной задачей современного материаловедения. В настоящем проекте предлагается изучить механизмы образования пор в новых материалах, развить методы оценки и залечивания пористости с целью минимизации ее негативного влияния на служебные характеристики материалов. Объектами исследования будут являться следующие материалы: 1. Дисперсно-упрочненные высоколегированные никелевые жаропрочные сплавы (НЖС) новых поколений, используемые для литья монокристаллических лопаток горячего тракта авиационных газотурбинных двигателей. Эти лопатки, работающие в чрезвычайно тяжелых эксплуатационных условиях, являются критическими деталями, и поэтому их конструкционная прочность определяет надежность газотурбинных двигателей, а следовательно и безопасность авиационных полетов. Опасными дефектами монокристаллических лопаток являются микропоры, образующиеся в процессе направленной кристаллизации, термической обработки (ТО) и длительного высокотемпературного нагружения. Несмотря на низкую объемную долю пор (несколько десятых долей процента) и малый размер (несколько десятков микрон) они сокращают на порядок усталостную долговечность монокристаллических НЖС. При этом для сильнолегированных НЖС новых поколений характерен значительно более высокий уровень микропористости. На протяжении последних лет авторы интенсивно занимались исследованием образования микропор в монокристаллических НЖС и их залечивания методом горячего изостатического прессования (ГИП). Были проведены оптические и электронно-микроскопические исследования пористости, эксперименты по ГИП, механические испытания и моделирование процесса аннигиляции пор в процессе ГИП. Несмотря на значительные полученные результаты, опубликованные в ведущих международных журналах, ряд важных проблем пористости остается нерешенным. В частности, не ясно каким образом можно минимизировать пористость, образующуюся в процессе высокотемпературной ТО, применяемой к высоколегированным монокристаллическим НЖС новых поколений. Не ясно почему после промышленно применяемого ГИП поры большего размера сжимаются, но не аннигилируют. Отсутствуют надежные данные о кинетике накопления повреждения (микропористости) в процессе длительного высокотемпературного нагружения монокристаллических НЖС. Эти актуальные вопросы будут детально изучены в представляемом проекте с использованием передовых экспериментальных и теоретических методов, включая высокоразрешающую синхротронную рентгеновскую субмикронную компьютерную томографию и численное моделирование деформационных и диффузионных процессов в твердых телах. 2. Второй тип исследуемых объектов - это химически неоднородные структуры, в которых при повышенных гомологических температурах возникает несбалансированная интердиффузия атомов и как следствие образуется пористость Киркендалла. К таким структурам относятся, например, биметаллы, паяные соединения в микроэлектронике и др. Рост пористости Киркендалла приводит к повреждению соединения, а при накоплении критического значения пористости даже к его разделению и последующему разрушению. В настоящем проекте будет исследована пористость Киркендалла в соединениях никелевых сплавов – случаи интердиффузии между материалом газотурбинной лопатки и жаростойким покрытием, или в соединениях паянных лопаток. Поэтому при проектировании жаростойких покрытий и паянных соединений важно знать, как их химический состав и температура влияют на кинетику роста пористости Киркендалла. Рост пористости Киркендалла будет исследован при высоких температурах, типичных для условий эксплуатации лопаток авиационных газотурбинных двигателей. В этих исследованиях также планируется применить метод высокоразрешающей компьютерной томографии. Для объяснения полученных экспериментальных результатов будут проведены теоретические исследования интердиффузии легирующих элементов. 3. Третий тип исследуемых материалов - материалы, получаемые методами порошковой металлургии, в том числе аддитивными технологиями. Для таких материалов характерна высокая пористость и поэтому проблема минимизации и залечивания пор особенно актуальна. Проблема образования несплошностей (пористости и трещин) должна быть решена для успешного промышленного применения аддитивных технологий, например, таких как метод селективного лазерного плавления (СЛП). Это в особенности касается применения метода СЛП для изготовления высокотемпературных материалов, когда в зоне плавления возникают сильные термические напряжения. Особенно сложной задачей является залечивание газонаполненных пор, образующихся при прессовании или селективном плавлении на воздухе или в атмосфере инертного газа. Такие поры сложно полностью залечить, а внутреннее давление газа в них создает дополнительные напряжения, способствующие образованию и раскрытию микротрещин. В отдельных случаях для разрушения материала может быть достаточно одной закрытой поры с большим внутренним давлением. Для выбора режимов ГИП материалов, получаемых методами порошковой металлургии, и оценки степени опасности газонаполненных пор требуется знать величину давления газа в порах, но методы прямого экспериментального измерения этого давления отсутствуют. Поэтому в последние годы авторы настоящего проекта интенсивно работают над развитием экспериментально-расчетных методов определения давления газа в порах. Суть этого нового подхода состоит в том, что давление газа в порах оценивают либо по распределению размеров пор (метод 1), либо по механическому поведению пористого материала (метод 2). В первом методе на основании металлографического анализа определяется минимальный критический размер пор, при котором давление газа в поре находится в равновесии с ее поверхностным натяжением (Лапласовым давлением), а затем по полученному авторами аналитическому выражению рассчитывается давление газа. Второй метод основан на исследовании отклика пористого материала на внешнюю механическую нагрузку с последующим расчетом давления газа в порах по полученным экспериментальным данным. Метод 2 предлагается развить при выполнении настоящего проекта, для чего будет создана специальная установка, позволяющая проведение экспериментальных исследований по измерению давления газа в замкнутых объемах цилиндрических и сферических образцов. Так как поры инициируют образование трещин, актуальной задачей механики разрушения пористых материалов является формулирование критерия разрушения материала с газонаполненной трещиной (подобного энергетическому критерию Гриффитса). Такой новый критерий будет разработан в настоящем проекте. Для различных видов нагружения будут определены аналитические выражения для оценки влияния внутреннего давления газа в трещине на величину критического разрушающего напряжения. В заключении следует отметить, что актуальность задачи минимизации негативного влияния пористости объясняется необходимостью создания новых конструкционных и функциональных материалов с высокими служебными характеристиками, а научная новизна предлагаемой заявки состоит в изучении нерешенных проблем пористости с применением передовых методов исследования, таких как высокоразрешающая синхротронная рентгеновская субмикронная компьютерная томография и развиваемого авторами экспериментально-расчетного метода определения внутреннего давления в газонаполненных порах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Епишин А.И., Нользе Г., Алымов М.И. Pore morphology in single crystals of a nickel-based superalloy after hot isostatic pressing Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 54. P. 371-379. (год публикации - 2023)
10.1007/s11661-022-06893-x

2. Епишин А.И., Алымов М.И. Определение объемной доли микропористости в монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов Заводская лаборатория. Диагностика материалов, Т. 88. № 11. С. 32-40 (год публикации - 2022)
10.26896/1028-6861-2022-88-11-32-40

3. Алымов М.И., Аверин С.И., Анкудинов А.Б. Расчет внутреннего давления в цилиндрической поре Перспективные материалы, № 12. С. 76-81 (год публикации - 2022)
10.30791/1028-978X-2022-12-76-81

4. Алымов М.И., Аверин С.И., Петров Е.В. Метод оценки внутреннего давления газа в порах модельного сферического образца Деформация и разрушение материалов, № 11. С. 37-40 (год публикации - 2022)
10.31044/1814-4632-2022-11-37-40

5. Епишин А.И. Исследование высокотемпературной гомогенизации монокристаллического никелевого жаропрочного сплава 3-го поколения Физика и химия обработки материалов, №6 (год публикации - 2022)
10.30791/0015-3214-2022-6-44-53

6. Алымов М.И., Епишин А.И., Галиев Ф.Ф. О пористости консолидированных методом газовой экструзии компактов из никелевых нанопорошков Перспективные материалы, Vol. 14. No. 5-6. pp. 1497-1499. (год публикации - 2023)
10.1134/S2075113323050039

7. Епишин А.И., Алымов М.И. Deformation and Fracture of CMSX-4 and CMSX-10 Nickel Superalloy Single Crystals during Creep and Fatigue Loading Russian Metallurgy (Metally), № 4. P. 460-465 (год публикации - 2023)
10.1134/S0036029523040079

8. Алымов М.И., Анкудинов А.Б., Аверин С.И., Зеленский В.А., Галиев Ф.Ф. Максимальное давление газа в порах Перспективные материалы, № 9. С. 83-88. (год публикации - 2023)
10.30791/1028-978X-2023-9-83-88

9. Епишин А.И., Лисовенко Д.С. Comparison of isothermal and adiabatic elasticity characteristics of the single crystal nickel-based superalloy CMSX-4 in the temperature range between room temperature and 1300 °C Mechanics of Solids, Vol. 58. No. 5. P. 1587-1598 (год публикации - 2023)
10.3103/S0025654423601301

10. Анкудинов А.Б., Алымов М.И., Зеленский В.А., Капустин Р.Д., Сычев А.Е., Шустов В.С. Сравнение разных методик определения характеристик пористости Заводская лаборатория. Диагностика материалов, Т. 90. № 2. С. 47-52. (год публикации - 2023)
10.26896/1028-6861-2024-90-2-47-52

11. Анкудинов А.Б., Зеленский В.А., Черезов Н.П., Ерасов В.С., Шустов В.С., Сайков И.В., Алымов М.И. Синтез пористого титана из TiH2 методом порошковой металлургии и его прочность Неорганические материалы, Т. 60. № 1. С. 17-25. (год публикации - 2024)
10.31857/S0002337X24010037

12. Епишин А.И., Лисовенко Д.С. Model for the Pore Formation During Incipient Melting of Single-Crystal Nickel-Based Superalloys Mechanics of Solid, Vol. 58, No. 6. P. 1-12 (год публикации - 2023)
10.3103/S002565442360174X

13. Зеленский В.А., Анкудинов А.Б., Шустов В.С., Устюхин А.С., Алымов М.И., Черезов Н.П. Свойства магнитотвердого порошкового сплава Fe-30Cr-20Co-Mo с повышенной пористостью Физика и химия обработки материалов, №6 (год публикации - 2022)
10.30791/0015-3214-2022-6-70-75

14. Епишин А.И., Лисовенко Д.С., Алымов М.И. Модель диффузионной аннигиляции газонаполненных сферических пор в процессе горячего изостатического прессования Известия Российской академии наук механика твердого тела (год публикации - 2025)
10.1134/S0025654424604981

15. Алымов М.И., Галиев Ф.Ф., Сайков И.В., Петров Е.В. Влияние размера газонаполненных пор и давления газа в порах на объемный модуль упругости материала Перспективные материалы, № 12. С. 73-78. (год публикации - 2024)
10.30791/1028-978X-2024-12-73-78

16. Епишин А.И., Лисовенко Д.С. Определение изотермических постоянных упругости монокристаллического никелевого жаропрочного сплава в широком температурном интервале Авиационные материалы и технологии, № 2 (75). С. 122-136 (год публикации - 2024)
10.18577/2713-0193-2024-0-2-122-136

17. Анкудинов А.Б., Зеленский В.А., Черезов Н.П., Ерасов В.С., Сайков И.В., Алымов М.И. Влияние пористости на модуль упругости компактов из порошка титана, изготовленного из гидрида титана Деформация и разрушение материалов, № 8. С. 34-39. (год публикации - 2024)
10.31044/1814-4632-2024-8-34-39

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Развиты две модели аннигиляции изолированных пор в процессе ГИПа – модель аннигиляции пор по механизму пластической деформации пористого материала и более сложная модель, учитывающая возможность как пластической деформации, так и вакансионного растворения пор. Обе предложенные модели могут применены как для анализа материала с вакуумными порами, так и с порами, содержащими нерастворимый в металле газ, например, аргон, или растворимые в металле газы, такие как азот или кислород. Предложенные физические модели были реализованы в виде систем математических уравнений и соответствующих компьютерных программ, позволяющих количественно предсказывать кинетику аннигиляции изолированных пор в процессе ГИПа различных материалов. Разработанное программное обеспечение было использовано для моделирования кинетики аннигиляции пор в процессе промышленного ГИПа монокристаллического никелевого жаропрочного сплава 2-го поколения при температуре 1288 °C и давлении 103 МПа. В результате проведенного моделирования было показано, что в процессе промышленного ГИПа монокристаллов в них действуют оба механизма аннигиляции пор – пластическое течение и диффузия вакансий, но первый механизм (пластика) более активен на начальной стадии ГИПа, тогда как второй механизм (диффузия) более активен на конечной стадии. Этот результат позволяет дать ответ на часто дискутируемый вопрос: по какому механизму, пластики или диффузии, происходит аннигиляция пор в процессе ГИПа монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов? С практической точки зрения важным является обеспечение на заключительной стадии ГИПа «залечивающего» вакансионного растворения пор, а не пластическое их закрытие, которое может заканчиваться схлопыванием пор. Предложенная комплексная модель (пластика+диффузия) и разработанное программное обеспечение могут быть использованы для выбора благоприятных условий ГИПа, обеспечивающих залечивающий эффект диффузионного закрытия пор. При моделировании ГИПа монокристаллов с газонаполненными порами было показано, что поры содержащие растворимые в никеле азот и кислород постепенно сжимаются по мере растворения этих газов в металле, и по достижении субмикронного размера ускоренно аннигилируют под действием давления Лапласа, обусловленного поверхностным натяжением поры. Если же материал содержит нерастворимый в металле аргон, что типично для изготовления материалов методом SLM в защитной атмосфере при высокой температуре, то при последующем ГИПе поры с аргоном сжимаются, но их сжатие останавливается, когда давление в порах сравнивается с внешне приложенным давлением ГИПа. В этом случая поры не достигают критического субмикронного размера, при котором начинается ускоренное их сжатие под действием давления Лапласа. Такое различное поведение газонаполненных пор в процессе ГИПа следует учитывать на практике. Методами порошковой металлургии изготовлены пористые титановые образцы с различной пористостью. Экспериментально определены величины плотности, пористости, прочности и упругих модулей. Шихтовым материалом при прессовании образцов являлась смесь гидрида титана с порообразователем (порошок NH4HCO3). Объемную долю порообразователя изменяли от 0 до 60%. Полученную шихту прессовали под давлением 300 МПа. Отжиг прессовок для удаления порообразователя NH4HCO3 и дегидрирования TiH2 проводили в вакуумной печи при остаточном давлении ≈10 Па при 800 °C в течение 120 мин с промежуточной выдержкой при 100 °C. В процессе выдержки при 100 °C происходило разложение порообразователя с выделением газообразных продуктов, а при изотермической выдержке при 800 °C происходило дегидрирование по реакции: TiH2 → Ti + H2. Окончательное спекание производилось при температурах 1150 и 1200 °C в течение 150 минут. Использовали две среды спекания: вакуум и аргон. Полученные образцы имели пористость от 3 до 59 %. Размер пор составляет 10—200 мкм. Предел прочности на сжатие снижается с 1450 до 30 МПа при увеличении пористости с 3 до 59%. В случае спекания при 1200 °C прочность на сжатие, как правило, выше, чем после спекания при 1150 °C, благодаря большей плотности образцов. Прочность образцов, спеченных в вакууме, на 5—20% превышает прочность образцов, полученных спеканием в аргоне, что обусловлено развитием процессов дегазации и дегидрирования, снижающих содержание газовых примесей. С увеличением пористости модуль упругости титановых образцов уменьшается. Максимальный модуль упругости (49,5 ГПа) отмечен у образцов пористостью 7,9%, полученных спеканием в аргоне при 1200 °C, минимальный (2 ГПа) — у образцов пористостью 57—59% после спекания в вакууме при 1200 °C и в аргоне при 1150 °C. При высокой пористости (более 59%) на зависимости σ—ε упругий участок практически не наблюдается. Проведен теоретический анализ и построена модель связи упругих модулей и максимального внутреннего давления газа в закрытых порах пористых материалов с размером закрытых пор. Получена аналитическая формула отношения объёмных модулей упругости Z(r) двух материалов с одинаковой пористостью в зависимости от радиуса поры - в одном материале поры без газа, а в другом материале в порах находится газ под максимальным давлением. Исходя из этой формулы, построены зависимости отношения объёмных модулей упругости от радиуса поры для никеля, же¬леза и титана при значении пористости 0,1 и произведено их сравнение. Также проведена сравнительная оценка зависимости отношения объёмных модулей упругости Z(r) от радиуса поры для каждого из этих материалов при значениях пористости 0,1, 0,05 и 0,01. Разница в значении объёмных модулей упругости двух материалов с одинаковой пористостью, в одном из которых поры без газа, а в другом в порах находится газ под максимальным давлением, составляет менее одного процента. Измерение упругих модулей пористых тел может быть интересным с точки зрения измерения давления газа в закрытых порах.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта планируется использовать практически в таких сферах экономики как авиационная и металлургическая промышленность.