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 19-73-00295

НазваниеИсследование структурно-фазовых особенностей перспективных титановых сплавов с повышенной коррозионной стойкостью

РуководительАндреев Павел Валерьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского", Нижегородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2019 - 06.2021

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые словаТитан, рентгенофазовый анализ, коррозионная стойкость, мелкозернистая структура, ротационная ковка, электроимпульсное плазменное спекание

Код ГРНТИ55.23.13

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научная цель проекта – анализ влияния структурно-фазовых особенностей титановых сплавов на механизмы коррозии в титановых сплавах, получаемых с использованием новых технологий. Практической целью проекта является разработка рентгеновских методик аттестации титановых сплавов с повышенной стойкостью к высокотемпературной межкристаллитной коррозии (МКК) и водородному охрупчиванию. Применение рентгеновских методик позволит корректно оценивать структурно-фазовое состояние сплавов, а также – при изучении структуры и состава продуктов коррозии на поверхности титановых образцов – получить информацию о механизмах их коррозионного разрушения. Следует отметить, что одними из наиболее опасных разрушающих процессов для титановых сплавов, используемых в ядерной энергетике и нефтехимической промышленности, является МКК, скорость развития которой очень высока (особенно при повышенных температурах – т.н. горячей солевой коррозии (ГСК)), а также водородное охрупчивание. Это существенно ограничивает ресурс безопасной работы высокоответственных элементов конструкций ядерных энергетических установок и нефтеперекачивающего оборудования. Не менее актуальна проблема ГСК для изделий и конструкций морской авиации, часто изготавливаемых из титановых сплавов. Проблема осложняется тем обстоятельством, что механизмы этих процессов (МКК, водородное охрупчивание) в современных многофазных титановых сплавах с мелкозернистой структурой настоящее время остаются плохо изученными (в отличие от вопроса о влиянии фазового состава на склонность титановых сплавов к общей коррозии), что существенно затрудняет прогноз их поведения в условиях длительной эксплуатации. В качестве объектов исследования выступают: - крупнозернистые промышленные титановые сплавы, вступающие в качестве «реперных точек» для отработки методик, а также аналогичные сплавы с ультрамелкозернистой структурой сформированной методом ротационной ковки, представляющего одну из разновидностей технологий высокоскоростного интенсивного пластического деформирования; - новые титановые сплавы различного состава, получаемые с использованием искрового плазменного спекания (ИПС, в иностранной литературе - «Spark Plasma Sintering», SPS) порошков заданного состава и компонент различного состава в различных пропорциях. Научная новизна проекта связана с изучением структурно-фазового состояния перспективных титановых сплавов, разработкой новых методик контроля особенностей их коррозионного разрушения, а также изучением механизмов их коррозионного разрушения в условиях близких к эксплуатационным.

Ожидаемые результаты
Общими (глобальными) ожидаемыми научными результатами проекта являются данные о физико-химической природе процессов коррозионного разрушения перспективных титановых сплавов в условиях близких к эксплуатационным – данные о механизмах горячей солевой коррозии и водородного охрупчивания титановых сплавов применяемых в ядерной энергетике, нефтехимической промышленности и авиации. Эти результаты будут основаны на успешном решении более частных задач и следующих частных научных результатах, полученных в ходе реализации проекта: 1. Методика рентгенофазового контроля продуктов коррозионного разрушения (оксидов, солей, гидридов) перспективных титановых сплавов, в том числе – тонких слоев продуктов коррозии на поверхности перспективных титановых сплавов. 2. Методика контроля наноструктуры перспективных титановых сплавов с использованием малоуглового рентгеновского рассеяния, позволяющая получать информацию о наличии и параметрах (размер, объемная доля) нанопор, наночастиц второй фазы (в том числе – гидридов) и других наноразмерных «рассеивающих центров» в структуре перспективных титановых сплавов, а также характере их эволюции при различных внешних воздействиях (искровое плазменное спекание, ротационная ковка, отжиг). 3. Результаты аттестации параметров структуры и фазового состава перспективных титановых сплавов в различных состояниях: исходное состояние, ультрамелкозернистое состояние после ротационной ковки, мелкозернистое состоянии после ИПС; состояние после различных рекристаллизационных отжигов. 4. Результаты рентгеновских и электронно-микроскопических исследований состава продуктов горячей солевой межкристаллитной коррозии (солей, оксидов и др.), позволяющие получить информацию о химических/электрохимических реакциях, протекающих в новых титановых сплавах при МКК. 5. Результаты рентгеновских и электронно-микроскопических исследований фазового состава новых титановых сплавов после наводораживания при различных температурах, позволяющие получить информацию о влиянии параметров структуры (размера зерна) и фазового состава титановых сплавов на их склонность к наводораживанию. 6. Не менее 3 статей в журналах, индексируемых в системах «Web of Science» и «Scopus», в том числе - не менее двух публикаций в ведущих зарубежных журналах с высоким импакт-фактором («Corrosion Science», «Journal of Alloys and Compounds», «Journal of Nuclear Materials» и др.), входящих в первый квартиль (Q1) базы «Web of Science». Результаты работы ежегодной будут представляться на конференциях всероссийского международного уровня. Полученные результаты будут соответствовать мировому уровню. Научно-практические результаты проекта могут быть востребованы ведущими отечественными предприятиями, занимающимися разработкой нового поколения конструкционных титановых сплавов с повышенными служебными характеристиками для перспективных приложений в авиации, нефтехимической промышленности, специальном машиностроении и ядерной энергетике. Новые методики рентгеновского контроля могут быть использованы для неразрушающего прогноза их коррозионной стойкости в эксплуатационных условиях, когда получение образца-свидетеля весьма затруднено и сопряжено с демонтажем всей конструкции (узла ЯЭУ, элемента нефтехимического оборудования, крыла самолета и др.).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Целью настоящего проекта является изучение механизмов коррозионного разрушения перспективных титановых сплавов, широко используемых в ядерной энергетики, нефтехимической промышленности и военно-морской авиации. Для этих материалов одним из наиболее опасных и плохо предсказуемых коррозионных процессов является горячая солевая коррозия, физико-химическая природа которой вплоть до настоящего времени остается плохо исследованной, а также водородное охрупчивание, сопровождающее длительную эксплуатацию титановых сплавов при высокой температуре. На первом этапе решались методические задачи анализа структурно-фазового состояния промышленных и модифицированных методами ротационной ковки и равноканального углового прессования мелкокристаллических титановых сплавов, в том числе подверженных коррозионным испытаниям. На первом этапе было изучено влияние пробоподготовки поверхности титановых сплавов на результаты рентгенодифракционных исследований. Продемонстрирована необходимость применения независимых методик в случае количественного определения содержания α'- и β-фазы в рассматриваемых титановых α- и псевдо-α сплавах. Разработана методика анализа продуктов горячей солевой коррозии титановых сплавов, включающая независимое исследование водорастворимых и рентгенодифракционный анализ нерастворимых продуктов коррозии. С использованием разработанного подхода изучены механизмы горячей солевой межкристаллитной коррозии трубок теплообменников, изучены механизмы щелевой, язвенной и межкристаллитной коррозии сварных соединений в титановых сплавах. Проведены исследования структурно-фазового состояния образцов псевдо-α сплава ПТ3В, подвергнутых отжигу в водородной печи (водородному охрупчиванию). Выявлено существенное различие фазового состава поверхности и внутренних слоев, что объясняется как градиентом концентрации водорода по глубине, а также неравномерным распределением β-фазы титана, связанным с процессом изготовления заготовок методом горячей деформации.

Публикации

1. Андреев П В, Гудзь Д А, Сметанина К Е Surface Treatment of Titanium Alloys for the X-ray Diffraction Study AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2020)

2. Андреев П.В., Сметанина К.Е., Гудзь Д.А., Табачкова Н.Ю., Шадрина Я.С. Методика подготовки поверхности α- и псевдо-α титановых сплавов для рентгеновского исследования фазового состава Заводская Лаборатирия Диагностика материалов, - (год публикации - 2020)

3. Чувильдеев В.Н., Нохрин А.В., Андреев П.В., Сандлер Н.Г., Тряев П.В., Востоков М.М., Лихницкий К.В., Копылов В.И., Болдин М.С., Михайлов А.С., Табачкова Н.Ю. Investigation of corrosion resistance of the welded joints from the ultrafine-grained near-α titanium alloys Ti-5Al-2V for nuclear engineering Journal of Materials Science, - (год публикации - 2020)

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Целью настоящего проекта является изучение механизмов коррозионного разрушения перспективных титановых сплавов, широко используемых в ядерной энергетике, нефтехимической промышленности и военно-морской авиации. Для этих материалов одним из наиболее опасных и плохо предсказуемых коррозионных процессов является горячая солевая коррозия, физико-химическая природа которой вплоть до настоящего времени остается плохо исследованной, а также водородное охрупчивание, сопровождающее длительную эксплуатацию титановых сплавов при высокой температуре. На втором этапе решались методические задачи анализа структурно-фазового состояния титановых сплавов ВТ1-0, ПТ-3В, ВТ-6, обладающих различной микроструктурой. Особенность этих сплавов состояла в том, что они были синтезированы методом электроимпульсного плазменного спекания из сферических порошков российского производства. Определено, что структурно-фазовое состояние исходных порошков всех сплавов эквивалентно (α-Ti). В процессе спекания сплав ВТ1-0 сохраняет однофазный состав, сплавы ПТ-3В и ВТ-6 спекаются при более высокой температуре и имеют фазу β-Ti в составе. Испытания сплавов на внешние воздействия, в том числе на горячую солевую коррозию и электрохимическую коррозию показали, что среди сплавов, полученных методом электроимпульсного плазменного спекания, образцы сплава ВТ1-0 в условиях ГСК имеют 6 балл коррозионной стойкости, обусловленный, интенсивной общей (равномерной) коррозией. Сплав ВТ-6 имеет 2-3 балл коррозионной стойкости, а сплав ПТ-3В, полученный методом ЭИПС, имеет 1 балл коррозионной стойкости. Проведенная аттестация образцов таких сплавов как до, так и после коррозионных испытаний показали высокую твердость образцов, сопоставимую с микротвердостью ультрамелкозернистых сплавов (полученных методами интенсивной пластической деформации). По результатам этапа сделан вывод, что эффект диффузионного насыщения углеродом поверхности титанового сплава позволяет объяснять наблюдаемое в экспериментах повышение твердости и коррозионной стойкости титановых сплавов

Публикации

1. Гудзь Д. А., Андреев П. В., Сметанина К. Е. ВЛИЯНИЕ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦОВ ПСЕВДО-α ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РЕНТГЕНОФАЗОВОГО АНАЛИЗА сборник материалов XX Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (Екатеринбург, 3–7 февраля 2020 г.) ; М‑во науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун‑та, 2020. — 625 с., C. 438-441 (год публикации - 2020)

2. Нохрин А.В., Андреев П.В., Болдин М.С., Чувильдеев В.Н., Чегуров М.К., Сметанина К.Е., Назаров А.А., Щербак Г.В., Мурашов А.А., Нагичева Г.С. Investigation of Structure and Corrosion Resistance of Titani-um Alloys Obtained by Spark Plasma Sintering MDPI Metals, - (год публикации - 2021)

3. Нохрин А.В., Андреев П.В., Болдин М.С., Чувильдеев В.Н., Чегуров М.К., Сметанина К.Е., Назаров А.А., Щербак Г.В., Мурашов А.А., Нагичева Г.С. Исследование структуры и коррозионной стойкости титановых сплавов, полученных методом электроимпульсного (искрового) плазменного спекания Перспективные материалы, - (год публикации - 2021)

4. Нохрин А.В., Андреев П.В., Лихницкий К.В., Востоков М.М., Копылов В.И., Чувильдеев В.Н., Гудзь Д.А., Чегуров М.К., Мурашов А.А. Studying Corrosion Resistance of Weld Joints of Ultrafine-Grained Titanium Alloys IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 1014, Issue 1, 29 January 2021, Номер статьи 012037 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1757-899X/1014/1/012037

5. Чувильдеев В.Н., Нохрин А.В., Андреев П.В., Сандлер Н.Г., Бахметьев А.М., Востоков М.М., Лихницкий К.В., Копылов В.И., Болдин М.С., Гудзь Д.А., Табачкова Н.Ю. Коррозионная стойкость сварных соединений ультрамелкозернистого псевдо-α-титанового сплава Ti–5Al–2V Physics of Metals and Metallography, - (год публикации - 2021)

6. Андреев П. В., Гудзь Д. А., Сметанина К. Е. Локальный рентгеновский дифракционный анализ псевдо α–титанового сплава ПТ-3В, деформированного методом ротационной ковки Материалы ... прогр. И материалы 18-й Междунар. науч. конф.-шк., Саранск, 15–18 сент. 2020 г. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2020. – 228 с., с. 143 (год публикации - 2020)

7. Андреев П.В., Гудзь Д.А., Сметанина К.Е. Local XRD analysis of the near α-titanium alloy PT3V modified by severe plastic deformation. Конференция и школа для молодых ученых Терморентгенография и Рентгенография Наноматериалов (ТРРН-4) (Сборник тезисов). С.-Петербург, 2020. 126 с., c. (год публикации - 2020)

8. Андреев П.В., Гудзь Д.А., Сметанина К.Е., Шадрина Я.С. Подготовка поверхности псевдо-a-титановых сплавов для рентгеновского исследования фазового состава VII Всероссийская конференция по наноматериалам Сборник материалов. ИМЕТ РАН, VII Всероссийская конференция по наноматериалам Сборник материалов. ИМЕТ РАН, 2020, 317 с. 2020. С. 287-288. (год публикации - 2020)

Возможность практического использования результатов
Научно-практические результаты проекта могут быть востребованы ведущими отечественными предприятиями, занимающимися разработкой нового поколения конструкционных титановых сплавов с повышенными служебными характеристиками для перспективных приложений в авиации, нефтехимической промышленности, специальном машиностроении и ядерной энергетике. Новые методики рентгеновского контроля могут быть использованы для неразрушающего прогноза их коррозионной стойкости в эксплуатационных условиях, когда получение образца-свидетеля весьма затруднено и сопряжено с демонтажем всей конструкции (узла ЯЭУ, элемента нефтехимического оборудования, крыла самолета и др.).