Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1) Проведен анализ температурного поля заготовки при РСП сплава Co-28Cr-6Mo на основе моделирования МКЭ. Установлено, что: - В процессе РСП возможно эффективное управление температурным полем деформируемой заготовки за счет подбора оптимального сочетания технологических параметров, что позволяет добиться необходимого структурного состояния и свойств сплава (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=70140099). - Наиболее значимыми технологическими параметрами, влияющими на распределение температурного поля прутка, являются температура нагрева заготовки и скорость прокатки. Предпочтительная частота вращения валков составляет 30-50 об/мин, что позволит обеспечить температуру центральной зоны на уровне температуры нагрева заготовки, при этом температура поверхности не снизится менее 1050 °С. - Варьирование коэффициента вытяжки показало, что деформационный разогрев сплава Co-28Cr-6Mo компенсируется естественным охлаждением при контакте с инструментом и окружающей средой. При изменении µ от 1.2 до 2.4 температура в поверхностной зоне не достигает значений фазового перехода. Величина обжатия при разработке режима деформации может быть определена требуемым диаметром прутка или уровнем ЭСП. - Увеличение диаметра заготовки приводит к росту неравномерности температуры по поперечному сечению, в то время как уменьшение диаметра больше влияет на продольную неравномерность. Использование заготовки диаметром более 75 мм дает возможность прокатки в несколько проходов без промежуточных подогревов. Для получения прутков малых диаметров (до 10-14 мм) необходимо либо увеличение скорости прокатки в каждом последующем проходе, либо промежуточный подогрев прутка. 2) Проведен анализ ЭСП процесса РСП при моделировании прокатки прутков по различным режимам применительно к опытно-промышленным станам. - Увеличение коэффициента вытяжки (µ) с 1,2 до 2,8 на каждые 0,4 ед. приводит к линейному росту радиального усилия в среднем на 50 кН. При µ =2,0 и 2,4 усилие одинаково и составляет 340 кН, что объясняется интенсивным ростом температуры прутка за счет деформационного разогрева при µ>2. Также особенностью РСП сплава Co-Cr-Mo является некоторое снижение усилия по ходу прокатки, что также вызвано снижением сопротивления деформации сплава. - С понижением температуры отмечается увеличение длительности прокатки (машинного времени). При 1200 °С для выбранной заготовки время прокатки составляет 3,4 с, а при 1000 °С увеличивается до 4 с, т.е. на 15 %, что связано с изменением условий скольжения (трения) на контактной поверхности с валками. - Выполнен сопоставительный анализ уровня ЭСП при деформации углеродистой стали 45 и сплава Co-Cr-Mо для 2 проходов с коэффициентами вытяжки 1,6 и 2,0. В качестве профиля валка выбрана классическая калибровка валка с углом конусности 10° и калибрующим участком. Установлено, что при сопоставимых температурных условиях деформации, ЭСП для исследуемого сплава на 52-58 % (или в 2,0…2,3 раза) выше, чем для стали 45, что соответствует нержавеющим хромоникелевым сталям. 3) Проведена модернизация универсальной калибровки валков стана РСП для многопроходной прокатки высокопрочных сплавов за счет сокращения длины калибрующего участка. Моделирование МКЭ показало, что опытная калибровка валков обеспечивает при прокатке сплава Co-Cr-Mo: снижение радиального усилия на валок на 12-25 %, уменьшение перепада температур в очаге деформации между центром и поверхностью на 5-7 %, уменьшение цикличности процесса на 20 %, повышение уровня максимальных сжимающих напряжений на 10-15 %. Выполнено опытное опробование модернизированной калибровки. Анализ температурных условий прокатки и микроструктуры полученных прутков показал возможность реализации прокатки высокопрочного сплава Co-Cr-Mo с коэффициентом вытяжки до 2 даже при существенном снижении температуры поверхности прутка (https://doi.org/10.52351/00260827_2024_9_83). 4) Выполнен аналитический анализ траекторно-скоростных и деформационных условий течения метала в очаге деформации РСП с учетом цикличности процесса. Показано, что углы подъёма траекторий уменьшаются против хода прокатки, причем наиболее интенсивно на 3-5 циклах от выхода из валков. В этой связи многопроходная прокатка с числом циклов до 4-5 более предпочтительна, чем прокатка в 1-2 прохода с числом циклов более 8. Градиентность распределения траекторных коэффициентов деформации представлена одновременной реализацией 5 качественно различных схем линейных деформаций, определяющих характер структурного строения металла в различных слоях проката (https://doi.org/10.17580/cisisr.2024.01.06) 5) Проведен анализ и выявлены потенциально негативные факторы, оказывающих влияние на формирование несплошностей или дефектов в прутках при РСП, такие как высокая скорость деформации, связанная с локальным разогревом поверхностных слоев и интенсивным скоростным упрочнением; низкая температура деформации (≤1100-1120 °С), что приводит к началу формирования хрупкой фазы и фазовой трансформации; высокая цикличность деформации, приводящая к ослаблению центральных слоев металла. Для получения высокого качества поверхности прутков без дефектов прокатного происхождения и вероятности осевого разрушения металла, а также учитывая приемлемый уровень нагрузок на оборудование, рациональными диапазонами деформации являются: температура прокатки 1160-1190 °С; частота вращения валков 25-60 об/мин; коэффициент вытяжки за проход 1,2-2,0; суммарный коэффициент вытяжки 3,0-8,0; угол подачи 18-20°; рекомендуется снижать количество циклов деформации на калибрующем участке (https://www.elibrary.ru/item.asp?id=75086716). 6) Для прутков из сплава Co-Cr-Mo, получены предварительные данные о микроструктуре и механических свойствах. Размер зерна существенно уменьшается в процессе РСП. По мере увеличения ∑µ в целом наблюдается измельчение зерна как в центре, так и у поверхности. Однако при ∑µ = 2 отмечается недостаточная проработка структуры сплава (выраженная крупнозернистость в центральной зоне прутка), в то время как значительное измельчение зерна получено при ∑µ = 9,7. Минимальный ∑µ при РСП прутков из сплава Co-Cr-Mo должен составлять не менее 3,5-4,0 (https://doi.org/10.1007/s12540-024-01791-w, https://www.elibrary.ru/item.asp?id=70140929) 7) Проведен анализ влияния постдеформационного охлаждения на микроструктуру и твердость прутков. Показано, что охлаждение на воздухе приводит к более крупному зерна за счет метадинамической и статической рекристаллизации и возможности выделения интерметаллидной фазы, что связано с более медленной скоростью прохождения температурного диапазона ее выделения (600-1100 °С). Прутки после закалки в воде имеют более равномерное распределение твердости по сечению и микроструктуру без выделений сигма-фазы. При этом фазовый состав сплава (в отсутствии γ -стабилизаторов в виде азота или никеля) в обоих случаях будет представлен смесью ε и остаточного γ.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе реализации третьего года проекта проведены комплексные исследования, основное внимание в которых сосредоточено на подробном анализе структуры сплава Co-Cr-Mo после РСП и ее связи с механическими свойствами. Определено влияние на свойства технологических параметров и разработаны режимы деформации с варьированием основных параметров в определенных на ранее выполненном этапе диапазонах. Подробно изучены микроструктура, фазовый состав и механические свойства полученных образцов после деформации и дополнительной термообработки. 1. С использованием методов ОМ, СЭМ, ПЭМ, EBSD, а также рентгено-фазового анализа изучена эволюция микроструктуры и фазового состава сплава на каждом этапе обработки. а основе сопоставления микроструктуры и механических свойств по сечению установлено, что увеличение суммарного коэффициента вытяжки приводит к сужению диапазона значений пластичности между поверхностью и центром, и одновременно расширяет диапазон по величине предела текучести за счет его интенсивного роста в поверхностной части прутка.(https://doi.org/10.3390/jmmp9040110, https://elibrary.ru/item.asp?id=82985947) Фрактографический анализ показал четкое соответствие механизма разрушения, формирующейся микроструктуры и уровня механических свойств в зависимости от деформационно-термический условий РСП. При крупнозернистой структуре с выраженным градиентом по сечению разрушение образцов происходит преимущественно внутри зерен по полосам мартенсита по механизму квазискола, по мере измельчения зерна и снижения градиента по сечению формируются области с ямочным рельефом. Увеличение суммарного коэффициента вытяжки ведет к увеличению доли вязкой составляющей, т.е. к уменьшению среднего размера зерна по сечению и повышению общего уровня прочности. 2. Экспериментально показано, что скорость кристаллизации при разливке слитков из сплава системы Co-Cr-Mo значительно влияет как на структуру слитка, так и на структуру получаемых из него деформированных полуфабрикатов. Показано, что слитки, полученные с различной скоростью кристаллизации, требуют использования различных режимов гомогенизационного отжига и горячей деформации. Снижение скорости кристаллизации при разливке слитков из сплава системы Сo-Cr-Mo позволяет после гомогенизационного отжига получить более равномерную структуру заготовок с минимальной долей избыточной σ-фазы (или ее отсутствием), что должно благоприятно сказаться на технологической пластичности материала при дальнейшей прокатке. (https://elibrary.ru/item.asp?id=81535401). 3. Установлено, что применение постдеформационной термической обработки прутков после РСП в виде отжига при 850 С в течение 2 ч позволяет улучшить как прочностные, так и пластические характеристики сплава, что может быть использовано в случае необходимости получения требуемого уровня свойств и структуры сплава для конкретных условий применения. (https://doi.org/10.1007/s11665-025-11546-2, https://elibrary.ru/item.asp?id=82985978) 4. РСП сплава Co-28Cr-6Mo при температуре выше 1100 °С и закалка непосредственно с прокатного нагрева обеспечивает быстрое прохождение зоны образования σ-фазы, фиксацию сформированной градиентной структуры по сечению прутка, а также получение смешанной фазовой структуры (по примеру дуплексных сталей), что в совокупности обеспечивает получение стабильной прочности и сохранение высокой пластичности. 5. На основе проведенной работы предложена экспериментально и научно обоснованная схема технологического процесса изготовления деформированных полуфабрикатов из сплава системы Co-Cr-Mo, включающая следующие основные операции: 1– Получение исходного слитка методом вакуумно-индукционной плавки; 2 – Проведение гомогенизационного отжига в вакуумной печи в зависимости от исходной микроструктуры слитка (наличия вторичных фаз, химической неоднородности, размера дендритной ячейки); 3 – Проведение комбинированной деформационной обработки, включающей изотермическую ковку слитка на установках с подогреваемыми бойками для обеспечения температурного интервала деформации с последующей многопроходной радиально-сдвиговой прокаткой; 4 – постдеформационная термическая обработка прутков выполняется при необходимости корректировки соотношения прочности/пластичности. После термической и деформационной обработки для предотвращения выделения вторичных охрупчивающих фаз рекомендуется выполнять охлаждение в воде. 6. Как показали комплексные исследования (аналитические расчеты и моделирование), к числу особенностей кинематического состояния при РСП относится достаточно высокий уровень поворотной деформации в центральных слоях заготовки, которая на фоне положительных значений коэффициента жесткости напряженного состояния, снижает деформируемость металла в этой зоне, особенно литого c развитой рыхлостью, ликвационной неоднородностью и крупнозернистой структурой. Для разработки и реализации технологии получения деформированных полуфабрикатов из медицинского сплава системы Co-Cr-Mo, применяющихся для изготовления имплантатов предлагаются ряд принципов, обеспечивающих её эффективность: - комплексность подхода, ориентированного на разработку сквозной технологии от выплавки и получения слитка до готового полуфабриката с углубленным исследованием и оптимизацией каждой технологической операции; - разработка схем и режимов термодеформационной обработки на основании исследования структуры и реологических и свойств конкретного сплава; - применение в качестве технологической основы комбинированной схемы деформирования, включающей два взаимодополняющих процесса, образующих синергетическую пару - предварительную мультиосевую ковку слитка и финишную многопроходную РСП с термостатическими выдержками. При комбинации процессов повышается равномерность по сечению и общий уровень деформационной проработки и измельчения структуры металла в длинномерных прутках. 7. На основании теоретического анализа, проведения комплексных экспериментальных исследований и компьютерного моделирования предложена схема технологического процесса получения деформированных полуфабрикатов в виде длинномерных прутков из биомедицинского сплава Co-Cr-Mo, включающая все основные операции и режимы обработки от выплавки исходного слитка до конечного прутка. Исходя из целей проекта и необходимости соответствия нормативной документации разработанная термо-деформационная технология ориентирована на получение деформированных полуфабрикатов из сплава системы Co-Cr-Mo с экстремально высокой пластичностью (в 2-3 раза выше требований по ГОСТ Р ИСО 5832-12-2009: δ=12 %) и стабильной прочностью (не ниже требований ГОСТ Р ИСО 5832-12-2009: σв=1000 МПа, σт=700 МПа).(https://elibrary.ru/item.asp?id=80658058)