Ультрамелкозернистые гетерогенные легкие сплавы с превосходной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью

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 22-19-00445

НазваниеУльтрамелкозернистые гетерогенные легкие сплавы с превосходной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью

Руководитель Валиев Руслан Зуфарович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан

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 ультрамелкозернистые металлы; гетерогенные структуры; наночастицы и нанокластеры; интенсивная пластическая деформация; высокоэнтропийные сплавы; границы зёрен; прочность и пластичность; трещиностойкость; ударная вязкость

Код ГРНТИ53.49.09 53.49.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема создания конструкционных металлических материалов с одновременно высокой прочностью, пластичностью и трещиностойкостью является объектом активных исследований уже в течение многих десятилетий. Традиционно ее решают путем модифицирования химического состава, а также целенаправленного изменения микроструктуры материалов, применяя для этой цели сочетание разнообразных методов литья и режимов деформационно-термической обработки. За последние два десятилетия было показано, что значительные улучшения механических свойств в металлических материалах можно достичь благодаря применению специально разработанных методов интенсивной пластической деформации (ИПД). Эти методы позволяют целенаправленно изменять на наноуровне микроструктуру сплавов на основе различных металлов и, тем самым, добиваться в них существенного повышения комплекса свойств. Более того, ИПД имеет значительный потенциал для улучшения свойств материалов за счет управления фазовыми превращениями, что позволяет создавать в сплавах наноструктурную архитектуру с образованием нановыделений, сегрегаций на границах зерен, что в свою очередь позволяет реализовать новые механизмы упрочнения и деформации. В проекте предполагается развитие этого перспективного направления, основанного на разработке оригинального микроструктурного/наноструктурного дизайна для создания конструкционных материалов с новым уровнем прочностных характеристик. За счет использования ИПД и его проведения в различных температурно-скоростных условиях планируется целенаправленно управлять в материалах исследования измельчением и степенью гетерогенности зеренной структуры, состоянием, строением и локальным химическим составом межзеренных границ, фазовыми превращениями, распределением наночастиц и другими параметрами микроструктуры. Рациональное сочетание вышеуказанных параметров, а также степень гетерогенности распределения зерен в объеме материалов исследования, позволят получить в них сочетание высокой прочности и пластичности, что в свою очередь ведет к повышению эксплуатационных свойств материалов, таких как ударная вязкость и трещиностойкость. В ходе выполнения проекта необходимую степень гетерогенности разрабатываемых наноструктур, характеризующихся ультрамелкими зернами и прослойками сегрегаций на границах зерен, планируется достигать за счет использования ИПД и оригинальных методов ее реализации при варьировании режимов обработки. Полученные гетерогенные УМЗ материалы обладают разной механической прочностью границ и тела зерен, что создает условия для реализации в них высокой прочности и пластичности. В проекте будут исследованы несколько легких сплавов на основе Al, Mg и Ti. В качестве выбранных материалов будут также впервые использованы высокоэнтропийные сплавы на основе Ti, новый класс металлических материалов с необычным химическим составов. Полученные материалы будут всесторонне проанализированы с помощью методов просвечивающей и сканирующей микроскопии высокого разрешения, рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа, а также испытаны с использованием различных схем напряженно-деформированного состояния. В результате осуществленного комплекса исследований будет продемонстрировано, что механические и эксплуатационные свойства (прочность, пластичность, ударная вязкость и трещиностойкость) могут быть значительно повышены в сверхпрочных легких сплавах, которые представляют непосредственный интерес для применения в различных областях техники и медицины.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Жанг Ж., Жоу Д.,Панг Х.,Жанг Б.,Ли Ю.,Сан В.,Валиев Р.З., Жанг Д. Deformation-induced concurrent formation of 9R phase and twins in a nanograined aluminum alloy Acta Materialia, 244 (2023) 118540 (год публикации - 2023)
10.1016/j.actamat.2022.118540

2. Валиев Р. З., Усманов Э. И., Резяпова Л. Р. СВЕРХПРОЧНОСТЬ НАНОСТРУКТУРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ: ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2022, том 123, № 12, с. 1355–1361 (год публикации - 2022)
10.31857/S0015323022601180

3. Валиев Р.Р., Панин А.В., Усманов Э.И., Савина Я.Н., Валиев Р.З. Microstructural transformation and enhanced strength of wire-feed electron-beam additive manufactured Ti–6Al–4V alloy induced by high-pressure torsion Advanced Engineering Materials, (2023) 2300814 (год публикации - 2023)
10.1002/adem.202300814

4. Дангвал Ш., Эдалати К., Валиев Р.З., Лэнгдон Т. Breaks in the Hall–Petch relationship after severe plastic deformation of magnesium, aluminum, copper, and iron Crystals, 13(3), 413 (год публикации - 2023)
10.3390/cryst13030413

5. Шуай Гуолианг, Жанг Менг, Ли Жен, Валиев Р.З., Медведев А.Е., Жанг Диянтао, Элхефнавэй Магед, Чен Фенг, Ли Ли Microstructural evolution and superior properties of conductive Al-Fe alloy processed by ECAP International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, 6(4) 552-562 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijlmm.2023.04.003

6. Хоффман Эндрю К., Жанг Юнгфенг, Ариву Маалаван, Хе Ли, Шридхаран Кумар, Ву Якиао, Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З., Вен Хайминг Novel effects of grain size and ion implantation on grain boundary segregation in ion irradiated austenitic steel Acta Materialia, 246(2023)118714 (год публикации - 2023)
10.1016/j.actamat.2023.118714

7. Никитина М.А., Исламгалиев Р.К., Ганеев А.В., Фрик А.А. Enhanced fatigue limit in ultrafine-grained ferritic–martensitic steel Materials, 16(4), 1632 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16041632

8. Валиев Р.З. Nanostructural design of superstrong metallic materials by severe plastic deformation processing Microstructures, Microstructures 2023;3:2023004 (год публикации - 2023)
10.20517/microstructures.2022.25

9. Резяпова Л.Р., Сафаргалина З.А., Усманов Э.И., Валиев Р.Р., Минасов Т.Б., Валиев Р.З. Nanostructured titanium with ultrafine-grained structure as advanced engineering material for biomedical application Advanced Engineering Materials, 26(19)2400394 (год публикации - 2024)
10.1002/adem.202400394

10. Ганеев А.В., Фрик А.А., Исламгалиев Р.К., Хайбулина Н.А., Никитина М.А. Principles of increasing the strength and toughness of ferritic/martensitic steel produced by cold rolling Russian Physics Journal, 67(5)550–557 (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03156-7

11. Нафиков Р.К., Ганеев А.В., Валиев Р.З., Салищев Г.А., Семенюк А.О., Степанов Н.Д. Исследование нанодисперсных частиц в высокоэнтропийном сплаве CoCrFeMnNi после теплой интенсивной пластической деформации кручением Materials. Technologies. Design , Т. 6, № 1(16)47-58 (год публикации - 2024)
10.54708/26587572_2024_611647

12. Валиев Р.З., Александров И.В., Кавасаки М., Лэнгдон Т.Дж. Ultrafine-grained materials The Minerals, Metals & Materials Series, Springer Nature Switzerland AG, The Minerals, Metals & Materials Society 2024, 170 с. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-31729-3

13. Усманов Э.И., Савина Я.Н., Валиев Р.Р. Microstructure and strength of a 3D-printed Ti–6Al–4V alloy subjected to high-pressure torsion Frontier Materials & Technologies, no. 3, pp. 109–116 (год публикации - 2024)
10.18323/2782-4039-2024-3-69-10

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках третьего завершающего года выполнения проекта были выполнены и завершены работы по достижению высокого комплекса механических свойств исследуемых сплавов за счет их наноструктурирования методами интенсивной пластической деформации (ИПД) обработки, позволяющей не только формировать в сплавах ультрамелкозернистую структуру (УМЗ), но и создавать наноструктурные особенности, связанные с образованием наноразмерных выделений, нанодвойников, сегрегаций примесей и легирующих элементов на границах зерен. Выполнены как модельные расчеты, так и проведены комплексные экспериментальные исследования, где в качестве методов ИПД предложены и использованы оригинальные режимы обработки ИПД кручением - ИПДК, а также равноканального углового прессования (РКУП). Объектами явились несколько перспективных материалов. Во-первых, это титановый сплав ВТ6, полученный 3D печатью по методу ЭЛАТ - электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии, проведенной нашими коллегами в ИФПМ СО РАН, г.Томск. Были выполнены детальные исследования в ПЭМ микроструктуры 3D-напечатанных образцов после комбинированной деформационно-термической обработки по режиму: 5 об. ИПДК + ТО1 + 5 об. ИПДК + ТО2, которые показали, что в объеме сформировалась однородная УМЗ структура, состоящая из равноосных зерен со средним размером около 81 ± 23 нм с преимущественно большеугловыми границами. Исследование химического состава материала в данном состоянии с помощью ПЭМ приставки с EDX детектором выявили наличие значительного количества кислорода в объеме материала, концентрация которого варьировалась в зависимости от места съемки. При этом на дифрактограмме материала наблюдаются только пики, соответствующие различным плоскостям α-фазы титана без выраженной текстуры в определенном направлении. Небольшая ширина пиков свидетельствует о низком уровне остаточных напряжений, а полное отсутствие пиков, соответствующих β-фазе титана, свидетельствует о полном растворении β-фазы в результате обработки. Комплексные исследования механических свойств 3D-напечатанных образцов сплава ВТ6 после каждого этапа комбинированной деформационно-термической обработки по режиму - 5 об. ИПДК + ТО1 + 5 об. ИПДК + ТО2 показали, что проведение такой комбинированной с отжигами обработки ИПДК сплава ВТ6, полученного методом аддитивной технологии, позволило значительно увеличить его прочность при реализации определенной пластичности, что является результатом повышения однородности микроструктуры и формирования ультрамелких зерен. Вместе с тем, проведенные исследования показали, что наибольшая прочность сплава ВТ6 обусловлена не только присутствием ультрамелких зерен, но и очевидно состоянием границ зерен, связанных с сегрегациями легирующих элементов и возможно примесей. Решение этой фундаментальной проблемы требует дополнительных прецизионных исследований тонкой структуры границ зерен в полученном УМЗ сплаве, и мы планируем их провести совместно с экспертами по атомно-зондовой томографии из Нанкинского института науки и технологий с кем уже имеются предварительные договоренности. В проекте также выполнены комплексные исследования высокоэнтропийного сплава CoCrFeMnNi - сплава Кантора, где была определена морфология и кристаллическое строение наноразмерных фаз выделяемых из твердого раствора в сплаве Кантора, подвергнутом интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) при 300 °С (0,2 Тпл). Показана эффективность такой обработки для повышения механических свойств сплава. Впервые также выполнен комплексный анализ структуры и свойств сплава Кантора, легированного примесными атомами углерода(С) и азота(N) в зависимости о температуры ИПДК и концентрации легирующих элементов. Как уже нами отмечалось ранее, наиболее перспективными с точки зрения сочетания высокой прочности и пластичности при формировании наноструктуры являются сплавы, дополнительно легированные 1,1 % С и 1,4% N. Высокие механические свойства для сплава с составом 1С были обнаружены после ИПДК при 300°С, где одновременно растет и предел прочности до 1490 МПа и пластичность до 4,23%, Благоприятные механические свойства для сплава с составом 0,2N наблюдали после ИПДК при 300 °C: предел прочности составил 1490 МПа, удлинение достигло 13,7%. Представлено описание и дано объяснение необычного механического поведения сплава Кантора после обработки методом ИПДК. Еще одним объектом исследования явилась ферритно-мартенситная сталь ЭИ-961Ш, которая является важным материалом, в частности, для изготовления лопаток компрессора низкого давления в газотурбинных установках. В рамках настоящего проекта проведены исследования по повышению механических свойств этой стали за счет ее обработки методами ИПД и термообработки. Установлено, что не только прочность, но и ударная вязкость этой стали могут быть значительно повышены за счет формирования УМЗ структуры, а также образования нанодвойников внутри мелких зерен. По данной тематике в текущем году завершена подготовка диссертации аспирантом кафедры А.А.Фрик, которая будет представлена к защите в начале 2025 г. В текущем году был также выполнен и завершен ряд исследований по сверхпрочным наноструктурным биоматериалам для медицинских применений – CP титану Grade4 и Mg сплаву системы Mg-Zn-Ca. На основе подхода о природе высокой прочности полученных методами ИПД наноструктурных материалов, которая обусловлена не только формированием УМЗ структуры, но и образованием других наноструктурных особенностей – появлением нанодисперсных частиц вторых фаз, нанокластеров, сегрегаций на границах зерен и пр., на данных материалах получены уникальные механические свойства, что весьма важно для их медицинских применений. В целом, по результатам, полученным в ходе выполнения работ в текущем году по проекту была опубликована монография издательством Springer Nature, а также 4 статьи, 1 из которых в рецензируемом научном журнале Web of Science и Scopus, относящемуся к Q1. В рамках выполнения проекта была подготовлена и отправлена заявка на патент (изобретение). По полученным результатам руководителем и участниками проекта было представлено 12 докладов на российских и международных конференциях. Также была завершена диссертационная работа аспиранта Л.Р. Резяповой, которая успешно защищена в этом году.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Создание прогрессивных материалов с улучшенными механическими свойствами, что показано в проекте, имеет весьма важное значение для их применения в транспорте, машиностроении и медицинской технике. В представленных публикациях эта информация представлена более подробно.