Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В 2015 году в ходе выполнения проекта методом искрового плазменного спекания были изготовлены заготовки композита с металлической матрицей Ti/TiB. Оценено влияние следующих факторов процесса на структуру и свойства получаемого композита Ti/TiB: метод, продолжительность и условия охлаждения при смешивании порошков титана и диборида титана, количество диборида титана в смеси, температура, давление и продолжительность синтеза. Показано, что наиболее оптимальными режимами изготовления образцов композита Ti/TiB для получения максимально плотной и однородной структуры являются: перемешивание в дисковой мельнице (700 об/мин, среда этанола, охлаждение стакана жидким азотом) и спекание при температуре 900-1000°С в течение 15 мин при давлении 40 МПа. Установлено, что в композите борид титан формируется в виде игл, прорастающих с границы между титаном и диборидом титана в зерна титана. Измерены параметры структуры композита Ti/TiB, полученного по разным режимам. В образце с содержанием диборида в исходном составе 10% вес. после спекания при 1000°С: длина/толщина игл TiB - 4,5/0,7±1,5/0,2 мкм, размер зерен альфа фазы (расстояние между частицами TiB) 1,5±0,5 мкм, размер частиц TiB2 - 2,5±1,5 мкм, объемная доля TiB по данным рентгеноструктурного анализа 17,1%, TiB2 - 2,9%. Пористость образца не превышает 1%. Показано, что микротвердость композита повышается с увеличением содержания TiB в образцах, синтезированных при температуре 900 и 1000°С и, наоборот, снижается с увеличением TiB в образцах, полученных ниже температуры полиморфного превращения. Величины напряжений в вершине трещины Кс имеют тенденцию к снижению при повышении температуры синтеза и/или содержания TiB в композите и изменяется в интервале 4,5-6 МПа м1/2. Определены ориентационные соотношения между ГПУ альфа Ti, ОЦК бета Ti и орторомбическим TiB: - альфа титан // бета титан: (0001)альфа // (110)бета и [11-20]альфа // [111]бета. - альфа титан // TiB: (10-10)альфа // (100)TiB и [011]альфа // [0-11] TiB. - бета титан // TiB: (110)бета // (001)TiB и [-111]бета // [010] TiB. Проведен анализ энергии межфазных границ. Показано, что минимальную энергию альфа/бета межфазной границы обеспечивает сопряжение по поверхности со «структурными уступами» по плоскостям (-1100)альфа//(-112)бета в направлении ~[335]бета. - 0,053 Дж/м2. Для сопряжения Tiальфа/Tiбета по плоскостям (0001)альфа // (110)бета энергия межфазной границы составляет 0,22 Дж/м2, а для границы, образованной плоскостями (19 7 -26 0)альфа//(-35-5)бета имеют энергию 4,8 Дж/м2. Оценочный расчет сопряжения между Tiальфа/TiB показал, что наименьшей энергией (1,82 Дж/м2) обладает граница, образованная плоскостями (10-10)альфа и (100)TiB, а максимальной энергией (2,75Дж/м2) - граница, образованная плоскостями (0001)альфа//(010)TiB (некогерентная граница, нормальная направлению роста). Установлено, что в паре Tiбета/TiB наименьшей энергией (0,88 Дж/м2) обладает граница, образованная плоскостями (1-12)бета и (100)TiB, а максимальная энергия (2,03Дж/м2) соответствует границе, образованной плоскостями (111)бета//(010)TiB. В случае образования TiB в бета области (искровое спекание выше 882°С), при охлаждении из бета матрицы выделяется альфа фаза, которая имеет 6 возможных вариантов сопряжения с имеющимися частицами TiB. Показано, что только один вариант обеспечивает точную реализацию ОС между альфа титаном/TiB, когда (110)бета//(001)TiB//(0001)альфа (соответственно [-111]бета//[010]TiB//[11-20]альфа). В остальных 5 вариантах точное ОС между плоскостями с низкими индексами не обеспечивается. Оценена энергии таких межфазных границ между альфа титаном и TiB: 5,54Дж/м2 для плоскостей (001)TiB и (1-101)альфа, которые не параллельны на 1,4° (направления [010] TiB и [11-20]альфа параллельны). Выявлены три температурные области при деформации титана, в которых эволюция структуры контролируется разными механизмами. При температурах ниже 750°С одним из основных механизмов деформации является двойникование. Обнаружено, что наиболее интенсивно двойникование идет в титане с размером зерен более 15 мкм, тогда как при размере зерен 1 мкм и меньше двойникование не наблюдается. Подавление двойникования в мелкозернистом композите Ti/TiB может являться фактором снижающим его пластичность при пониженных температурах. Было оценено изменение структуры межфазных границ в ходе пластической деформации. Обнаружено, что во всех случаях энергия межфазной границы быстро увеличивается на начальных стадиях деформации. Для террасированной альфа/бета границы, образованной «структурными уступами» по плоскостям (-1100)альфа//(-112)бета в направлении ~[335]бета, максимальное значение 0,27 Дж/м2 было достигнуто при истиной степени деформации е = 0,5-0,6. Энергия межфазной границы между альфа фазой и TiB, образованная плоскостями (100)Tiальфа // (100)TiB ([01-11]альфа//[0-11]TiB) достигает значения 1,45 Дж/м2 при истинной степени деформации е = 0,7. Для плоскостей в альфа титане и в дибориде изначально не образующих когерентное сопряжение и потому имеющих высокую энергию (например, для плоскостей отклоняющихся от точного параллельного положения на 1,4°) энергия после деформации на е=0,5-0,6 достигает 6 Дж/м2.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
На втором этапе выполнения проекта были проведены исследования по влиянию деформационно-термической обработки на структуру и свойства Ti/TiB композита и установлены основные закономерности эволюции структуры матрицы, армирующих частиц и межфазной поверхности в различных условиях деформации. Искровым плазменным спеканием при температурах 850°С (альфа фаза) и 1000°С (бета фаза) были изготовлены образцы композита Ti/TiB размером ф19х15мм с использованием в качестве исходного продукта смесь порошков Ti и TiB2 с массовой доля диборида титана 10% (соответствует ~17 объемных процентов TiB в композите). Исследования были выполнены с использованием методов рентгеноструктурного анализа, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, оценки механического поведения и фрактографического анализа. Было обнаружено, что деформируемость и механическое поведение композита Ti/TiB зависит от температуры искрового плазменного спекания и условий деформации. Образцы, спеченные при 1000°С (выше температуры полиморфного альфа/бета превращения), показывают более высокую прочность при низких температурах деформации (500 и 700°С) и деформируются без трещин в ходе осадки при температурах выше 850°С по сравнению с образцом, спеченным при 850°С. Подобная разница в деформационном поведении образцов, полученных в разных фазовых областях может быть связана с большими остаточными напряжениями, что, в свою очередь, является результатом отклонения от ориентационного соотношения между решетками упрочнителя и матрицы при альфа/бета переходе в ходе охлаждения с температуры искрового плазменного спекания. Более высокий уровень остаточных напряжений в образце, полученном при 1000°С подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа. Более высокая прочность и меньшая пластичность образца, спеченного при 1000°С, по сравнению с образцом, спеченным при 850°С, обнаружена в ходе испытаний на растяжение в интервале температур 20-700°С. Полученные величины удлинения до разрушения, работы деформации и результаты фрактографических исследований указывают на повышение температуры хрупко-вязкого перехода образца, спеченного при 1000°С (до 500-600°С) по сравнению с образцом, полученным при 850°С (400-500°С). Была выявлена температурная зависимость характера эволюции микроструктуры титановой матрицы композита Ti/TiB в ходе деформации в интервале температур 500-1050°С при скорости 10-3с-1. В ходе осадки при 500°С происходит формирование ячеистой микроструктуры с высокой плотностью дислокаций; повышение температуры деформации до 700°С приводит к развитию непрерывной динамической рекристаллизации; при температурах деформации выше 850°С реализуется прерывистая динамическая рекристаллизация. Изменение в механизме эволюции микроструктуры связано с уменьшением кажущейся энергии активации с Q≈300 кДж/моль для интервала 500-800°С до Q=107-168 кДж/моль при Т=800-950°С. Еще одно изменение кажущейся энергии активации деформации до Q=239-250 кДж/моль связан с переходом матрицы из альфа в бета состояние. Величина показателя степени n для обоих состояний (n=7 для образца, спеченного при 1000°С и n=8 для образца, спеченного при 850°С) и энергии активации свидетельствует о преобладании дислокационных механизмов (скольжение и переползание), контролируемых трубочной диффузией в ходе деформации в интервале 800-1050°С. Повышение энергии активации до ~300 кДж/моль в низкотемпературной области может быть связано с деформацией, реализуемой скольжением по призматическим плоскостям и контролируемой термически активированным процессами преодоления препятствий, образованных атомами внедрения. Установлено, что деформация в исследуемом интервале температур 500-1050°С сопровождается к переориентации волокон TiB в направлении пластического течения и значительному уменьшению их длины. Оба этих процесса происходят менее интенсивно в более пластичной и мягкой ОЦК β-фазе по сравнению с жесткой ГПУ альфа фазой. Стабильное соотношение длины к диаметру волокон TiB было достигнуто в ходе деформации в области существования альфа фазы и составило ~10 для обоих состояний композита. Было обнаружено, что межфазные Ti/TiB границы имеют полу- или некогерентное строение после деформации; развитые аккомодационные процессы в титановой матрице и хорошее сопряжение матрица-упрочнитель препятствует образованию макроскопических дефектов (пор и трещин) по межфазным границам. Существенное (с ~450°C до ~300°C) снижение температуры хрупко-вязкого перехода композита Ti/TiB может быть достигнуто использованием всесторонней изотермической деформации при температуре 700°С до суммарной истиной деформации ~2 образцов, полученных искровым плазменным спеканием при 1000°С (с объемной долей TiB 17%). В текущем году по полученным результатам были опубликованы 4 статьи, три из которых в журналах с импакт-фактором более 2 по данным Web of Science. Результаты проекта докладывались на пяти Российских и международных конференциях, в том числе с приглашенным докладом. Выступление одного из исполнителей проекта (Озеров М.С.) был отмечен дипломом на семинаре «Берншейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов» за лучший доклад среди молодых ученых. Информация по проекту была опубликована в Интернет-издании "Газета.ru" от 11.11.2016, раздел "Наука" («Российские ученые сделали титан более износостойким», https://www.gazeta.ru/science/news/2016/11/11/n_9321665.shtml), агенством "РИА Новости" от 11.11.2016, раздел "Наука" («Российские физики сделали титан еще более "титаническим"», https://ria.ru/science/20161111/1481163357.html) и в газете «Вести БелГУ» №10 (41) от 29.11.2016 («Золотая середина композита», http://www.bsu.edu.ru/upload/iblock/c5a/041.pdf).

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
На третьем этапе выполнения проекта были выполнены исследования по оценке механических и функциональных свойства композита Ti-17об.%TiB, подвергнутого деформационно-термической обработке. На основании анализа механического поведения и эволюции структуры композита в ходе всесторонней изотермической ковки (ВИК) при 700 и 850°С до суммарной степени Σе=5,2 были определены механизмы, контролирующие формирование структуры. Уменьшение длины волокон TiB и развитие динамическое рекристаллизации в титановой матрице в результате ВИК приводит к повышению пластичности сплава до 5% в ходе сжатия при комнатной температуре. Расчет прочности с помощью суммирования вкладов субструктурного (дислокационного) упрочнения, зернограничного (Холла-Петча) упрочнения, упрочнения за счет передачи нагрузки от матрицы к частице TiB по межфазной границе, а также упрочнения частицами TiB по механизму Орована дал значение, близкое к экспериментальному. Наиболее ощутимый вклад вносит упрочнение частицами TiB по механизму Орована – 1430 МПа (~65%). Упрочнение передачи нагрузки по межфазной границе составило 10%, и остальное дали в сумме субструктурное и зернограничное (Холл-Петч) упрочнение. В ходе испытаний на растяжение при 400°С композит в исходном состоянии показывает пластичность около 0,5%, тогда как после ВИК пластичность композита возрастает до 8-14% при той же температуре. Прочностные характеристики (предел прочности) исходного композита при 500°С практически равны прочности при 400°С после ВИК: 540 и 560 МПа, соответственно. В ходе исследования влияния интенсивной пластической деформации, реализованной сдвигом под высоким давлением при 400°С, на структуру и свойства композита Ti-17об.%TiB было обнаружено формирование микроструктуры с размером (суб)зерен размером ~34 нм после пяти поворотов. Анализ влияния различных механизмов упрочнения на твердость композита Ti-17об.%TiB в ходе сдвига под давлением показал, что наибольший вклад (~65%) дает дисперсное упрочнение. Ударная вязкость и трещиностойкость композита заметно увеличиваются благодаря ВИК, однако вследствие низких исходных значений материал остается весьма хрупким. Анализ изломов исходного и деформированного (ВИК) образцов, испытанных на ударную вязкость не выявил разницы в характере распространения трещин и механизме излома. Трещина распространялась прямолинейно, без формирования вторичных трещин и гребней отрыва. Наблюдался преимущественно хрупкий излом. Испытания на износ показали увеличение коэффициента трения композиций Ti/TiB по сравнению с чистым титаном с 0,55 до 0,71. Фактор износа композита примерно в 2 раза выше, чем у технически чистого титана ВТ1-0. Показано, что ВИК не меняет существенно трибологические характеристики. Установлено изменение механизма износа с адгезионного в случае технически чистого титана на абразивный в композите Ti/TiB, причем интенсивность последнего возрастает из-за наличия в структуре композита кристаллов TiB с поперечным размером, лежащим в нанометровом диапазоне. Результаты исследования электрохимической коррозии композита показывают, что введение упрочнителей TiB в титановую матрицу не привело к значительному изменению ее коррозионных свойств. Более высокие, по сравнению с титаном ВТ1-0 значения стационарного потенциала композита в обоих состояниях указывают на повышение коррозионной стойкости в исследуемых условиях. В то же время анализ анодных поляризационных кривых показывает заметно более низкие потенциалы коррозии и пассивации композита по сравнению с титаном ВТ1-0. Однако в области малых потенциалов (до потенциала коррозии) оба состояния композита имеют сравнимые характеристики, не уступающие чистому титану. В текущем году по полученным результатам были опубликованы 4 статьи, одна из которых в журнале из первого квартиля (импакт-фактор 1,98) по данным Web of Science. Кроме того, две статьи находятся на рассмотрении в редакциях журналов. Результаты проекта докладывались на четырех конференциях, проходящих в России и за рубежом, в том числе с приглашенным докладом. К полученным результатам проявили интерес представители промышленности и два опытных образца композита Ti/TiB (в исходном состоянии и после всесторонней ковки) были переданы на AO “Химико-металлургическая компания” (г. Подольск) для оценки их обрабатываемости и режущих свойств в коррозионной атмосфере.