Разработка научных основ повышения поверхностной прочности и износостойкости термоупрочняемых медных сплавов системы Cu-Cr-Zr с помощью обработки трением с перемешиванием

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 24-29-00628

НазваниеРазработка научных основ повышения поверхностной прочности и износостойкости термоупрочняемых медных сплавов системы Cu-Cr-Zr с помощью обработки трением с перемешиванием

Руководитель Бодякова Анна Игоревна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" , Белгородская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова термоупрочняемые медные сплавы, обработка трением с перемешиванием, механические свойства, электрическая проводимость, износостойкость

Код ГРНТИ53.49.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие производственных технологий с каждым годом приводит к ужесточению требований к материалам, что способствует разработке новых материалов с уникальными сочетаниями свойств – мультифункциональных материалов. Например, медным сплавам для ряда применений, таких как корпуса сопел для ракетных двигателей, кристаллизаторы на сталелитейных предприятиях, коллекторы электрических двигателей, электроды для контактной сварки и т.д., предъявляются требования по поверхностной прочности, износостойкости и термостойкости. Создание новых материалов может быть осуществлено только при комплексном понимании структурных изменений под воздействиями различных факторов и связи микроструктурных изменений со свойствами. Часто для практических применений нет существенной необходимости использовать новый материал во всем объеме образца. Микроструктрный дизайн поверхностного слоя может позволить значительно сократить расходы, как на исследовательские работы, так и в производственном цикле, поэтому модифицирование поверхностного слоя материалов с целью придания им мультифункциональных свойств – одна из перспективных и актуальных задач как с производственной, так и с научной точки зрения. Предложенный проект позволит разработать научные основы повышения поверхностной прочности и износостойкости медных термоупрочняемых сплавов при сохранении высоких проводящих характеристик. Уточнение закономерностей влияния микроструктуры на механические и функциональные свойства позволит прогнозировать поведение материала при воздействии различных условий. В качестве метода поверхностного упрочнения термоупрочняемых медных сплавов будет применена инновационная обработка трением с перемешиванием (ОТП), которая позволяет получать регламентированную структуру и фазовый состав благодаря варьированию параметров обработки. Установление закономерностей дисперсионного упрочнения поверхностного слоя меди с помощью частиц, выделяющихся в процессе ОТП и/или отжига, позволят разработать новую методику поверхностного упрочнения. Использование ОТП в качестве метода поверхностной обработки меди и ее сплавов слабо освящено в литературе и представляет значительный научный и практический интерес, как в России, так и в мире ввиду возможности получения требуемого структурно-фазового состояния в процессе ОТП благодаря широкому температурно-скоростному окну деформационного воздействия. Впервые в России будет проведено исследование механизмов формирования микроструктуры в поверхностном слое термоупрочняемых медных сплавов в процессе ОТП и после отжигов. Работы по установлению закономерностей дисперсионного упрочнения поверхностного слоя медных сплавов с помощью выделяющихся в процессе ОТП и/или отжига частиц не имеют аналогов в мире на сегодняшний день. Будут установлены закономерности влияния частиц вторых фаз, сформированных после обработки на физико-механические свойства и износостойкость модифицированного поверхностного слоя термоупрочняемых медных сплавов. Применение современных методов поверхностной обработки и упрочнения позволит получить материалы с новым комплексом свойств с помощью новых методик. Достижимость заявленных результатов подтверждается обширным опытом исследования проектной группы в области металловедения и обработки металлов давлением. Не смотря на молодой возраст участников проекта, коллективом было опубликовано свыше 50 работ в области металловедения медных сплавов и сварки трением с перемешиванием. Наличие обширного парка необходимого высокотехнологичного оборудования и опыта работы на нем позволит осуществить техническую часть проекта. Успешный опыт командной работы над несколькими проектами ФЦП и РНФ гарантирует своевременное выполнение плана работ. Опыт руководителя в управлении другими проектами позволит скоординировать работу коллектива и проконтролировать выполнение индикаторов проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Скорость подачи инструмента при обработки трением с перемешиванием (ОТП) Cu-Cr-Zr-Y сплава значительно влияет на температурные условия процесса деформации. С повышением скорости подачи с 25 до 150 мм/мин при постоянной скорости вращения 1000 мин^-1 происходит аномальный рост максимальной температуры процесса с 337 °С до 534 °С. С увеличением скорости подачи при постоянной скорости вращения 1000 мин^-1 сокращается время охлаждения заготовки до 100 °С со 102 сек при скорости подачи 25 мм/мин до 10 сек при скорости подачи 375 мм/мин. Формирование бездефектных швов обеспечивает ОТП при скорости подачи 150 мм/мин. Вне зависимости от скорости подачи инструмента ОТП приводит к формированию равноосной зеренной структуры в зоне перемешивания с высокой долей большеугловых границ и плотностью дислокаций (7-11)*10^14 м^-2. Размер зерен увеличивается с ростом скорости подачи от 25 до 150 мм/мин с 0,47 мкм до 1,50 мкм, а затем падает до 0,78 мкм при скорости 375 мм/мин. ОТП низколегированного термоупрочняемого Cu-Cr-Zr сплава сопровождается развитием непрерывной динамической рекристаллизации, которая обеспечивает формирование ультрамелкозернистой структуры в зоне перемешивания с размером зерен порядка 0,57 мкм и долей большеугловых границ 0,8. В структуре формируется высокая плотность дислокаций порядка 10^15 м^-2. ОТП сопровождается деформационным старением, в процессе которого происходит выделение дисперсных частиц средним размером 6 нм и объемной долей 0,00028. ОТП сопровождается 2-4-х кратным ростом твёрдости в зоне перемешивания по сравнению с исходным состоянием. Электрическая проводимость в зоне перемешивания повышается вне зависимости от условий ОТП. Максимальные значения проводимости слабо зависят от режимов обработки и достигают примерно 70-75 % IACS. После обработки на пересыщенный твердый раствор, а также обработки на пересыщенный твердый раствор с последующей обработкой трением с перемешиванием в условиях сухого трения при температуре Т = 250°С и скорости вращения образца 10 м/c в области фрикционного контакта с аустенитной сталью AISI 316 на поверхности дорожки трения присутствуют следы как абразивного механизма износа, так и адгезионного. Формирование ультрамелкозернистой структуры с высокой плотностью дислокаций и небольшой объемной долей дисперсных частиц вторых фаз после ОТП обеспечивает снижение скорости износа по сравнению с крупнозернистым состоянием после обработки на пересыщенный твердый раствор или старения. Измельчение зеренной структуры, повышение плотности дислокаций и выделение дисперсных частиц обеспечивает значительное упрочнение в зоне обработки без заметного снижения пластичности: предел текучести составляет 330 МПа, предел прочности – 415 МПа, относительное удлинение до разрушения - 26%. Повышение электрической проводимости после ОТП обусловлено в основном распадом пересыщенного твердого раствора и уменьшением количества точечных дефектов замещения, на которых происходит большинство актов рассеяния электронов. Оптимальным режимом ОТП следует считать обработку со скоростью подачи 150 мм/мин и скоростью вращения 900 мин^-1. Этот режим обеспечивает формирование бездефектных швов с твердостью около 150 HV и электрической проводимостью 70 % IACS.

Публикации

1. A. Bodyakova, S. Malopfeev, M. Tkachev, E. Chistyukhina, S. Mironov, N. Lezhnin, Y. Fu, A. Makarov, R. Kaibyshev Effect of friction-stir processing and subsequent aging treatment on microstructure and service properties of Cu-Cr-Zr alloy Materials Characterization, Materials Characterization, 216 (2024) 114225 (год публикации - 2024)
10.1016/j.matchar.2024.114225

2. Э.И. Чистюхина, М.С. Ткачев, С.С. Малофеев, А.И. Бодякова Влияние старения после обработки трением с перемешиванием на электрическую проводимость и твердость медного сплава системы Cu-Cr-Zr Актуальные вопросы прочности: Сборник тезисов LXVII Международной конференции (г. Екатеринбург, 2 апреля 2024 г.) , Актуальные вопросы прочности: Сборник тезисов LXVII Международной конференции (г. Екатеринбург, 2 апреля 2024 г.) / отв. редакторы Д.В. Зайцев. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2024. – 341 с. (год публикации - 2024)

3. Бодякова А.И., Чистюхина Э.И., Ткачев М.С., Малофеев С.С. Обработка трением с перемешиванием медного сплава системы Cu-Cr-Zr Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии: тезисы докладов Международной конференции, 09-12 сентября 2024 года, Томск, Россия., Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии: тезисы докладов Международной конференции, 09-12 сентября 2024 года, Томск, Россия. – 665 с. (год публикации - 2024)

4. Бодякова А.И., Чистюхина Э.И., Ткачев М.С., Малофеев С.С., Кайбышев Р.О. Влияние обработки трением с перемешиванием на структуру и свойства низколегированного сплава Cu-Cr-Zr Физика металлов и металловедение, Т. 125. – №. 11. – С. 1192-1200 (год публикации - 2024)
10.31857/S0015323024110035

5. Никитин И.С., Калиненко А.А., Малофеев С.С., Миронов С.Ю., Бодякова А.И. Особенности формирования микроструктуры в Cu–Cr–Zr–Y бронзе в условиях низкотемпературной обработки трением с перемешиванием Frontier Materials & Technologies, №. 3. – С. 67-80 (год публикации - 2025)
10.18323/2782-4039-2025-3-73-5

6. Никитин И.С., Калиненко А.А., Малофеев С.С., Миронов С.Ю., Бодякова А.И. Однородность макроструктуры и свойств Cu-Cr-Zr-Y бронзы после серийной обработки трением с перемешиванием Перспективные материалы и технологии. Минск, 2025., С. 215-217 (год публикации - 2025)

7. Никитин И.С., Калиненко А.А., Малофеев С.С., Миронов С.Ю., Бодякова А.И. Особенности формирования микроструктуры в Cu–Cr–Zr–Y бронзе в условиях низкотемпературной обработки трением с перемешиванием Физическое материаловедение (ШФМ-2025) : XII Международная школа-конференция, Тольятти, 15–19 сентября 2025 года : сборник материалов / отв. ред. Д.Л. Мерсон. – Тольятти : Издательство ТГУ, 2025, С. 94 (год публикации - 2025)

8. Никитин И.С., Малофеев С.С., Калиненко А.А., Миронов С.Ю., Бодякова А.И. Особенности обработки трением с перемешиванием термоупрочняемого медного сплава системы Cu-Cr-Zr-Y Уральская школа молодых металловедов = Ural School for Young Metal Scientists. Сборник статей XXIII Международной научно-технической конференции Уральской школы-семинара металловедов - молодых ученых, посвященной 100-летию кафедры Термообработки и физики металлов . Екатеринбург, 2025, С. 44-48 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Многопроходная обработка трением с перемешиванием (ОТП) с шагом по поверхности 2,5 мм и 5 мм по схеме, предполагающей отсчет глубины внедрения инструмента от вновь образованной в ходе предыдущего прохода ОТП поверхности, обеспечивает формирование бездефектного поверхностного слоя, в котором происходит значительное измельчение зеренной структуры в сравнении с исходным состоянием. ОТП привела к разрушению Cux(Y,Zr) фазы, располагавшейся по границам исходных зерен, и сопровождалась выделением Y-обогащенной фазы. В процессе ОТП произошло изменение морфологии первичных крупных частиц Cr за счет их деформирования и вытягивания в направлении вращения инструмента. Благодаря тому, что в процессе ОТП происходил разогрев материала, в зоне перемешивания наблюдалось выделение нанометровых дисперсных частиц Cr. Термоциклирование в процессе ОТП приводит к возврату микроструктуры и росту дисперсных частиц хрома, которые выделяются в материале в результате динамического старения. ОТП обеспечивает рост твердости и электрической проводимости предварительно закаленного Cu-Cr-Zr-Y сплава. Твердость сплава после ОТП с шагом 2,5 мм варьируется от 110 HV до 160 HV, в то время как твердость после ОТП с шагом 5 мм достигает 90-120 HV. Электрическая проводимость вне зависимости от шага по поверхности варьируется в пределах 70-75% IACS. ОТП приводит к значительному повышению прочностных свойств и падению пластичности после первого прохода: предел текучести увеличивается с 80 МПа до 405 МПа, предел прочности – с 230 МПа до 445 МПа, относительное удлинение до разрушения падает с 46% до 10,9%. В результате термоциклирования при последующих проходах ОТП прочностные свойства снижаются: предел текучести составляет 310 МПа, временное сопротивление разрушению – 365 МПа. Пластичность при этом практически не изменяется и составляет 10,3%. Формирование ультрамелкозернистой структуры с высокой плотностью дислокаций и дисперсными частицами в процессе многопроходной ОТП приводит к двукратному снижению фактора износа по сравнению со стандартной термообработкой в виде закалки и последующего старения в случае высокотемпературных трибологических испытаний, которые имитируют работу кристаллизатора сталеплавильной машины непрерывного литья. Возврат и дополнительное старение в процессе термоциклирования при многопроходной ОТП ухудшает износостойкость сплава, однако способствует и снижению износа контртела. ОТП представляет собой перспективный метод поверхностного упрочнения материалов, включая токо- и теплопроводящие элементы. Основными преимуществами ОТП является: а) Возможность одновременного воздействия деформации и температуры, что приводит к пластической деформации и перемешиванию материала без его расплавления. Б) Формирование ультрамелкозернистой структуры в случае холодных режимов деформации. В) Локальное упрочнение материала. Г) Низкое энергопотребление. Д) Улучшение электро- и теплопроводности в термоупрочняемых сплавах. Благодаря указанным особенностям ОТП имеет ряд преимуществ перед основным конкурентом в восстановлении поверхностного слоя и нанесении покрытий – электродуговой наплавкой. Дальнейшие исследования могут быть направлены на формирование в поверхностном слое композитных структур, для чего на поверхность могут быть внесены дополнительные армирующие компоненты карбидов, оксидов, боридов металлов, что позволит дополнительно повысить твёрдость и износостойкость поверхностного слоя.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Установленные в результате выполнения проекта режимы получения упрочненного поверхностного слоя могут быть использованы для упрочнения или реновации поверхности кристаллизаторов плавильных печей непрерывной разливки стали.