Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основной задачей, стоящей перед исполнителями проекта, в 2018 году было получение высокочистого металла в объемах, необходимых для проведения исследований структуры и прочностных свойств поликристаллического рения. Главная трудность состояла в том, что для это должен быть металл, получаемый путем переплава высокочистого порошкового рения на установках электронно-лучевой плавки (ЭЛП), что требует значительных затрат как времени, так и материальных ресурсов. В связи с чем возникла необходимость в сотрудничестве с отечественными производителями благородных и тугоплавких металлов. В результате в распоряжении участников проекта оказалось достаточно высокочистого рения, чтобы выполнить программу исследований структуры и прочностных свойств рения, запланированную на 2018 год. Разработана методика приготовления малогабаритных образцов для механических испытаний по схемам одноосного сжатия, 3-х точечного изгиба и сдвиги под давлением в наковальнях Бриджмена (НРТ) из поликристаллического рения ЭЛП и рения, полученного по технологии порошковой металлургии, включающая в себя электроискровую резку слитков или штабиков и подготовку рабочих поверхностей по состояния, позволяющего проводить металлографические исследования накопления деформационных дефектов при нагружении. Были подготовлены образцы для испытаний на 3-х точечный изгиб в форме брусков размерами порядка 30 х 2 х 1 мм3 из рения ЭЛП и порошкового металла, а также образцы для НРТ из металла ЭЛП. В качестве «спутника» рения для сравнения его деформационного поведения с ГПУ-металлом, близкими структурой и механическими свойствами, выбрали титан, вернее сплав Ti4Al, поскольку на нем можно получить крупное зерно (до нескольких сантиметров), как на слитках металла ЭЛП. Из этого сплава изготовили образцы с такой же геометрией, что и из рения. Отработана методика приготовления тонких фольг (ТФ) для просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ) из поликристаллического рения электронно-лучевого переплава и металла, полученного по методу порошковой металлургии. Определены режимы ионного утонения заготовок тонких фольг рения с минимальным уровнем радиационного повреждения металла. Качество ТФ позволяет проводить ТЕМ исследования дефектной структуры поликристаллического рения в процессе приложения нагрузки. Основная трудность состоит в значительных трудозатратах на приготовление одной ТФ (около 10 часов только на ионное травление и необходимости постоянно проверять качество фольги на микроскопе). Проведены эксперименты по нагружению рения по схеме НРТ при комнатной температуре. Получено необходимое количество образцов для ТЕМ и синхротронных исследований структуры и деформационных дефектов в рении на разных стадиях деформации (с разной концентрацией деформационных дефектов) и в процессе рекристаллизационных отжигов. Впервые в мире проведены испытания поликристаллов порошкового рения и металла ЭЛП по схеме 3-х точечного изгиба при комнатной температуре и изучены дефекты микроскопического масштаба, возникающие на поверхности образцов при нагружении. Показано, что при 3-х точечном изгибе при комнатной температуре (схеме, представляющей собой комбинацию растягивающих и сжимающих нагрузок без жесткой фиксации образца в разрывной машине) рений ведет себя как титан. При нагружении в металле ЭЛП происходит проскальзывание по границам зерен, а не образование хрупких зернограничных трещин из-за низкой когезионной прочности межзеренных границ в рении (как считалось ранее). Порошковый рений ведет себя как титан, полученный по технологии порошковой металлургии. На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что поликристаллический рений, независимо от технологии получения, способен к необратимой / пластической деформации при комнатной температуре. Оснований считать, что в при комнатной температуре в поликристаллическом рении существуют некие альтернативные механизмы деформации, чем те, которые существуют в поликристаллическом титане нет. Впервые в мире выполнен расчет электронной структуры и когезионных характеристик (химическая связь, упругие модули) Re (в сравнении с Ti) методами теории функционала электронной плотности (DFT) с использованием псевдопотенциального метода на базисе присоединенных волн (PAW), реализованного в пакете VASP. Расчеты проведены с использованием обобщенного градиентного приближения для обменно-корреляционной энергии (GGA), с обрезанием по кинетической энергии 350 eV при однородной сетке Монкорста-Пака k-точек 4×4×4; при этом проводилась полная релаксация позиций всех атомов в расчетной сверхячейке. Ab-initio расчет PAW-VASP методом немного завышает параметры решетки Re и, наоборот занижает в случае Ti. В тоже время, в обоих случаях, он дает отношение c/a весьма близкое к экспериментальному. При этом значение c/a для Re близко к идеальному (1.633), реализующемуся в случае плотной упаковки жестких сфер, что указывает на металлический характер связи. Для Ti отношение c/a существенно ниже, что свидетельствует о значительной ковалентной составляющей в химической связи, обусловленной s-d гибридизацией электронных состояний. Рассчитано распределение зарядовой плотности валентных электронов в Re и Ti. Распределение электронной плотности в случае Re подобно тому, что реализуется в тугоплавком ГЦК-металле Ir и соответствует упаковке сфер, почти касающихся друг друга. В тоже время в случае Ti электронная плотность распределена анизотропно, что свидетельствует о ковалентном характере химической связи, формирующейся вследствие сильной локализации s-d электронных орбиталей. Благодаря направленному характеру ковалентной связи отношение c/a в Ti оказывается существенно меньше идеального. В тоже время в Re, где распределение электронной плотности существенно более изотропно это отношение близко к значению, соответствующему плотной упаковке сфер. Рассчитана плотность электронных состояний (DOS). В ГПУ Ti уровень Ферми попадает на узкий минимум плотности состояний, отделяющий связывающие и антисвязывающие состояния, что является характерным для металлов с квази-ковалентной связью. В тоже время в Re уровень Ферми располагается на границе связывающих состояний, предшествующей широкому минимуму DOS. Такая картина типична для тугоплавких металлов с. сильной связью (Ir, W). В типичных металлах, таких как Al, Au, радиус ионов мал по сравнению с расстоянием между ними. Это особенность обеспечивает легкость процессов сдвиговой релаксации и оказывается причиной относительной малости модуля сдвига C44 по сравнению модулем всестороннего сжатия B. В тугоплавком Re (как и в Ir) реализуется иная ситуация: размер ионов велик, так что они почти соприкасаются в решетке. Это должно приводить к затрудненности процессов сдвиговой релаксации и более высокому значению модуля C44.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 году в ходе реализации проекта в сотрудничестве с ведущим отечественным производителем изделий из драгоценных металлов Екатеринбургским заводом по обработке цветных металлов (ОАО) разработана опытно-промышленная технология получения слитков рения электронно-лучевого переплава (ЭЛП) массой до 500 грамм. Технология позволяет перерабатывать порошковый рений марки Ре-0 (ТУ 48-4-195-87) в слитки размерами 30х60х13,5 мм3 с минимальным содержанием летучих примесей и газовых включений. Для переплава использовали промышленную электронно-лучевую печь УЭ-193. Разработан порядок проведения плавок в изложницах разного типа. Определены оптимальные режимы плавки. Полученные слитки можно использовать при производстве рениевой проволоки и проката на технологических линиях ЕзОЦМ. Было проведено исследование деформационного поведения монокристаллов рения при растяжении при комнатной температуре, которое позволило определить механизмы деформации рения при этих условиях и оценить их вклад в пластичность материала и его упрочнение. Методом металлографического анализа кристаллогеометрии и формы следов деформации на боковых поверхностях деформированных монокристаллов рения было показано, что основным механизмом, вносящим вклад в пластическое течения рения при растяжении, является БАЗИСНОЕ СКОЛЬЖЕНИЕ. Призматическое скольжение в рении при комнатной температуре НЕ АКТИВИРУЕТСЯ. Ресурс пластичности монокристалла рения за счет базисного скольжения ограничен на уровне 13% удлинения. Вклад механического двойникования в пластичность монокристалла рения при растяжении незначителен в сравнении с вкладом базисного скольжения. Говорить о сильном упрочнении монокристалла рения в процессе деформирования НЕТ ОСНОВАНИЙ, поскольку оно, если величину микротвердости в деформированном состоянии рения отнормировать на его микротвердость в недеформированном, оказывается близким к титану. Механическое двойникование НЕ ВНОСИТ вклада в упрочнение монокристалла рения при растяжении. При растяжении поликристаллического ЭЛП рения, особенности его деформационного поведения определяются проскальзыванием по границам зерен, из-за чего его общая пластичность при прокатке и изгибе оказывается незначительной. В случае, когда схема деформирования включает минимальный уровень расклинивающих напряжений, как это имеет место при сдвиге под давлением и срезе, деформационное поведение поликристаллического ЭЛП рения оказывается близким к поведению титана. Изучено деформационное поведение поликристаллического рения при срезе / сдвиге при комнатной температуре. Особенность этой схемы состоит в том, что в ней растягивающая нагрузка локализована в очень узкой обрасти образца. В этих условиях рений продемонстрировал значительную вязкость / пластичность, подобно меди и титану. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что поликристаллический рений, независимо от технологии получения, при срезе ведет себя как обычный металл с ГПУ-решеткой, более того, по некоторым свойствам он оказывается похожим на такой пластичный и вязкий металл, как медь. Было проведено электронно-микроскопическое (на просвет) исследование эволюции дефектной структуры поликристаллического рения в процессе деформирования по схеме сдвига под давлением в наковальнях Бриджмена (НРТ) при комнатной температуре. Строение поликристаллического рения в недеформированном состоянии походит на структуру поликристаллического иридия и титана: часть зерен оказывается «забитой» дислокациями, а другая – нет. Иногда вблизи межзеренных границ можно видеть скопления дислокаций, однако таких морфологических особенностей в рении существенно меньше, чем в иридии. Анализ кристаллогеометрии дислокаций в недеформированном поликристаллическом рении показал, что это обычные для ГПУ-решетки полные дислокации, которые можно отнести к дислокациям леса. Двойниковых ламелей в тонких фольгах рения обнаружено не было. Приложение нагрузки по схеме НРТ не приводило к качественным изменениям в морфологии тонких фольг во всем интервале поворотов от 15о до 180о. Увеличилась плотность дислокаций леса в скоплениях внутри зерен, однако сказать, что площадь бездислокационных участков в зернах рения по сравнению с недеформированным состоянием, было нельзя. Признаков механического двойникования в деформированных фольгах не обнаружено. Изучение взаимосвязи между структурой и прочностными свойствами промышленного проката и проволоки из иридия позволил определить, какую структуру следует сформировать в поликристаллическом рении, чтобы получить изделия с высокими механическими свойствами. С этой целью были изучены структура и прочностные свойства иридиевых проволоки и проката на разных стадиях производства. Оптимальной структурой иридиевой заготовки для производства проката и проволоки является ламельная структура, состоящая из вытянутых вдоль направления прокатки / волочения тонких зерен. Снимающие наклеп иридиевой заготовки промежуточные отжиги можно проводить на воздухе, но при температурах порядка 800оС (значительно ниже температуры рекристаллизации иридия) и не более, чем в течении 20 минут. На основании полученных результатов сформулированы рекомендации по термомеханической обработке рения, которые можно принять за основу при разработке опытно-промышленной технологии производства проката и проволоки из рения. Использовать штабики ПМ рения, которые предлагают к поставке поставщики металлов, мы НЕ РЕКОМЕНДУЕМ, поскольку когезионная прочность такого металла очень низкая. Получение качественных заготовок для ТМО возможно только от производителей тугоплавких металлов, специализирующихся на производстве изделий из ПМ рения. В качестве заготовок для ТМО мы РЕКОМЕНДУЕМ использовать металл электронно-лучевого переплава, полученного из порошкового рения производства завода Красцветмет. Этот металл в состоянии поставки НЕ ТРЕБУЕТ дополнительной очистки перед переплавом. Методика компактирования скрапа и режимы переплава подобраны таким образом, чтобы слиток можно было сразу подвергать прокатке или волочению (в этом случае его необходимо порезать на заготовки) на имеющемся у Екатеринбургского завода ОЦМ оборудовании, в связи с чем, масса слитка ограничена 500 г. Ограничение пластичности поликристаллического ЭЛП рения связано с проскальзыванием по границам зерен. Следует отметить, что нет оснований считать деформационное упрочнение рения аномально высоким. Представляется, что получить проволоку из ЭЛП рения будет проще, чем прокат, поскольку при волочении реализуется схема приложения нагрузки, близкая к всестороннему сжатию, когда проскальзывание по границам зерен (основная причина, мешающая механической обработке заготовки из поликристаллического рения) затруднено. Мы полагаем, что в рениевой проволоке следует сформировать ламельную структуру, как в иридии, при которой он демонстрирует высокие прочностные свойства и которая не сказывается на таких физико-химических свойствах иридия, как сопротивление коррозии и электропроводность. Сочетание холодного волочения (при комнатной температуре) с отжигами при температурах ниже температуры рекристаллизации, которые позволяют снять наклеп, но не меняют моды разрушения материала, позволяет надеяться, что ламельная структура может быть сформирована и в поликристаллическом рении. Поскольку величина упрочнения рения при деформировании не превышает упрочнения титана (в относительных / приведенных величинах), при волочении рениевых заготовок можно использовать методики ТМО, разработанные для высокопрочных сталей и сплавов, которые демонстрируют высокую твердость в состоянии поставки, тогда как при механической обработке их твердость возрастает также, как у обычных металлов и сплавов. Информация о проекте, включая публикации, представлена на портале Resarchgate.net: https://www.researchgate.net/project/Examination-of-the-deformation-mechanisms-and-the-causes-of-the-anomalous-strong-work-hardening-of-the-refractory-HCP-metal-rhenium-at-low-homological-temperatures

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Основное внимание участников на завершающем этапе проекта (2020 г.) было сосредоточено на разработке научных основ технологии механической обработки рения. Для этого было необходимо определить причину, почему рений практически не поддается механической обработке при комнатной температуре, хотя ГПУ-металлы, согласно эмпирическим знаниям, являются пластичными материалами. Ранее участниками проекта было показано, в крупнозернистом рении под действием растягивающих напряжений происходит зернограничное проскальзывание (ЗП), с которым связывают плохую обрабатываемость крупнозернистого цинка - высокопластичного металла с ГПУ-решеткой. Поэтому первый вопрос, который необходимо решить, как поведет себя крупнозернистых рений электронно-лучевого переплава (ЭЛП) в отсутствие растягивающих напряжений, когда ЗП подавляется. Схема испытания «сдвиг под давлением» (НРТ) позволяет решить эту задачу. В рамках работы над проектом, впервые в мире выполнено детальное электронно-микроскопическое (на просвет) исследование эволюции структуры поликристаллического рения при НРТ. Показано, что при небольших деформациях (поворот на 5о - 15о) в крупнозернистом металле (размер зерна 5-10мм) начинает формироваться ультра мелкодисперсная зеренная (УМЗ) структура с ячейками размером 20÷40нм. С ростом деформации УМЗ структура становится однородной, а размер ячейки приближается к 20нм. Формирование УМЗ структуры происходит на фоне значительного упрочнения образцов, оцененного по измерению микротвердости по Виккерсу. Внутри УМЗ наблюдали дислокации и двойники тех же ориентировок, что и в ГПУ-металле с близким отношением параметров решетки с/а, например, в титане. На основании полученных данных сделано заключение, что крупнозернисты рений ведет себя при НРТ (в отсутствие растягивающих напряжений), как пластичный металл. Вторая задача, решение которой важно для понимания причины плохой обрабатываемости рения следующая. Известно, что ЗП лучше всего экспериментально изучать на примере цинка, ГПУ-металла (с большим с/а), который при комнатной температуре, деформируется только за счет базисного скольжения. Ранее участниками проекта было показано, что основным механизмом деформации в монокристаллическом рении при растяжении при комнатной температуре является скольжение по плоскости базиса. Для выяснения причин такого поведения было изучено сопротивление сдвигу в кристаллите Re, в сравнении с другим тугоплавким ГПУ-металлом Os и Ti. Для этого, впервые в мире, был выполнен ab-initio расчет (методом PAW) энергии GSF в плоскости базиса и плоскости призмы. Величина энергии GSF для Re (и Os) оказалась существенно больше, чем у Ti, что связано с большей величиной энергии связи (и, соответственно, температурой плавления) в тугоплавких Re и Os по сравнению с Ti. Другой особенностью Re (и Os) является то, что у них величины GSFE в плоскости призмы оказываются примерно на порядок больше, чем в плоскости базиса, тогда как у Ti в плоскости призмы она несколько ниже, чем в плоскости базиса. Следовательно, скольжение дислокаций в плоскости призмы в Re (и Os) должно быть затруднено. Полученные расчетные данные позволили оценить тип деформационного поведения модельных материалов (по критерию Райса-Томпсона): если Ti демонстрирует вязкое, а Os хрупкое поведение, то Re занимает промежуточное положение между ними. На основании полученных данных делается заключение, что рений, как и положено ГПУ-металлу, является пластичным, а причиной плохой обрабатываемости крупнозернистых рениевых заготовок является ЗП. Значительный эффект ЗП в рении вызван тем, что в нем затруднено призматической скольжение. На базе этих положений разработаны основы методики механической обработки рения. Один из путей, это снизить долю растягивающих напряжений в крупнозернистом ГПУ-металле, что достигается путем использования в качестве заготовки для прокатки тонких пластин ЭЛП рения (толщина которых значительно меньше их длины и ширины). Эксперименты показывают, что в этом случае ЭЛП рений способен выдержать 10% обжатия без появления на поверхности образца следов ЗП, а заготовки, деформированные на степени до 30% не разрушаются, несмотря на интенсивное ЗП. Второй способ, это измельчить зерно в заготовке, что можно сделать, путем деформирования металла в состоянии поставки на 5-10% и последующего рекристаллизационного отжига. Высокая пластичность ЭЛП рения позволяет это сделать. Поскольку при пропускании заготовок квадратного сечения через фильеру, существенно снизить уровень растягивающих напряжений не удается, волочение крупнозернистого рения при комнатной температуре невозможно.