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 19-79-10108

НазваниеПовышенные эксплуатационные свойства и механизмы разрушения ультрамелкозернистых титановых сплавов в сочетании с наноструктурированными покрытиями

РуководительВалиев Роман Русланович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий», Республика Башкортостан

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2022 

Конкурс№41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаТитановый сплав; эксплуатационные свойства; ультрамелкозернистая структура; вакуумно-плазменное покрытие; механизмы разрушения; длительная прочность; ползучесть; циклическая прочность; эрозионная стойкость.

Код ГРНТИ55.20.27; 55.09.43, 55.22.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Как показывают недавние исследования формирование объемной ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в титановых сплавах методами интенсивной пластической деформации (ИПД) позволяет значительно увеличить их удельную прочность, сопротивление усталости, повысить их технологическую пластичность и деформационную способность при пониженных температурах. Сочетание вышеперечисленных свойств является актуальным для конструкционных материалов, используемых для создания высоконагруженных деталей газотурбинного двигателя (ГТД), таких как лопатки компрессора, испытывающих в процессе эксплуатации значительные растягивающие знакопеременные нагрузки и подвергающиеся интенсивным эрозионным воздействиям. Для изготовления лопаток компрессора ГТД широко используются двухфазные (α+β) титановые сплавы, работающие в широком интервале температур от -196 до 500°С. В частности, это сплавы ВТ6 и ВТ8М-1, разработанные ВИАМ. Комплекс легирующих элементов в данных сплавах и стандартные виды термообработки обеспечивают в них предел прочности до 1050 МПа и предел выносливости около 600 МПа при комнатной температуре, которые, однако, уже не удовлетворяют возросшие требования к механическим свойствам конструкционных материалов, применяемых в авиации и двигателестроении. Одним из перспективных подходов к комплексному повышению эксплуатационных свойств титановых сплавов, включающий создание УМЗ структуры в объеме металла в сочетании с нанесением вакуумно-плазменных покрытий, был продемонстрирован в наших недавних работах. В частности, такой комплексный подход к упрочнению сплава ВТ6 обеспечивает повышение прочности при комнатной температуре не менее чем на 40%, а стойкости к эрозии - в 2-3 раза. Вместе с тем, как показали первые усталостные испытания при комнатной температуре УМЗ сплава с покрытием предел выносливости заметно снижается. Это может быть обусловлено несколькими негативными факторами, связанными со структурой покрытия, высокими остаточными напряжениями в покрытии, разным откликом на пластическую деформацию в более твердом покрытии и УМЗ сплаве и др. Однако систематических исследований механизмов пластической деформации и разрушения композиции «УМЗ подложка-покрытие» при статических и циклических нагрузках до сих пор не проводилось. Вместе с тем, знания таких механизмов, в частности, при повышенных эксплуатационных температурах, являются чрезвычайно важными и актуальными, поскольку от этого зависит разработка и применение перспективных упрочняющих технологий для различных деталей и конструкций. Объектами предлагаемого исследования являются двухфазные титановые сплавы ВТ6 и ВТ8М-1, широко применяемые в авиадвигателестроении. При этом сплав ВТ8М-1 может эксплуатироваться при температурах 450–550 °С в отличие от сплава ВТ6, термостабильность которого ограничена 350 °С. В последние годы этот сплав все более широко применяется взамен ВТ6, так как он обладает не только более высокой жаропрочностью за счет введения легирующих элементов Si и Zr, но и пониженной склонностью к концентраторам напряжений. Формирование в нем УМЗ структуры методами ИПД направлено на значительное увеличение удельной прочности и предела выносливости. В данном проекте для формирования УМЗ структуры в сплавах предлагается использовать метод равноканального углового прессования (РКУП), который является наиболее оптимальным для создания однородной ультрамелкозернистой структуры в объеме заготовки. Для достижения заданных механических свойств будут разработаны научно-обоснованные режимы РКУП в сочетании с термомеханическими обработками. В рамках предлагаемого проекта будут решены задачи, направленные на получение фундаментальных знаний закономерностей формирования наноструктурированного покрытия системы Ti-(Ti+V)N на подложке из УМЗ сплавов вакуумно-плазменной технологией. Ванадий в данной системе повышает пластичноть покрытия, а обеспечение адгезионной прочности покрытия предлагается за счет подготовки поверхности путем электролитно-плазменного полирования (ЭПП) и ионной имплантации N+ для создания диффузионного слоя перед плазменным напылением. Также нанесение на модифицированную поверхность сплава тонкого подслоя чистого Ti создает плавный переход от подложки к покрытию и способствует повышению адгезионной прочности. Данное покрытие, разработанное при участии авторов проекта, является наиболее перспективным для использования на титановых деталях ГТД. При этом особое внимание будет уделено исследованию напряженно-деформированного состояния композиции «УМЗ подложка-покрытие», изучению механизмов пластической деформации и разрушения данной композиции в условиях растяжения и циклических нагрузок при комнатной и повышенных температурах. Будут также подробно изучены адгезионные свойства покрытия, которые обычно выше на подложке из УМЗ сплава. Прикладной задачей настоящего проекта является получение прутков из сплавов с УМЗ структурой и заданными свойствами и изучение их эксплуатационных свойств в сочетании с ионным модифицированием поверхности и наноструктурированным покрытием системы Ti-(Ti+V)N. Особое внимание будет уделено усталостным испытаниям и длительной прочности образцов при максимальной рабочей температуре 450 °С, которые продемонстрируют перспективность сплавов для использования его в деталях ГТД. Будут проведены также испытания на определение предела ползучести при температурах 300-450 °С, испытания на эрозионную стойкость с вариацией угла атаки, размера и скорости абразивных частиц. Научная значимость проекта заключается, во-первых, в получении научных знаний о механизмах, реализующих в композиции «УМЗ подложка-покрытие» повышение усталостной и длительной прочности, сопротивления ползучести при эксплуатационных температурах. Во-вторых, формирование УМЗ структуры в сплавах ВТ6 и ВТ8М-1 в сочетании с наноструктурированным покрытием Ti-(Ti+V)N приведет к повышению усталостных свойств и длительной прочности при эксплуатационных температурах, не менее чем на 30%, а эрозионной стойкости - в 2-3 раза. Полученные научные и научно-технические результаты проекта будут являться фундаментальной основой современных технологий изготовления лопаток ГТД с повышенной долговечностью и надежностью.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения НИР с использованием комплекса современных методов исследований будут получены следующие научно-технические результаты: - разработаны научно-обоснованные режимы получения регламентированной ультрамелкозернистой структуры (с размером зерен альфа-фазы меньше или равен 1 мкм) методами РКУП в сочетании с термомеханическими обработками в двухфазных титановых сплавах ВТ6 и ВТ8М-1; - установлены особенности структурно-фазового состава ионно-имплантированного поверхностного слоя и физико-химических свойств (остаточные напряжения, адгезионная прочность, твердость, модуль упругости и др.) наноструктурированного покрытия системы Ti-(Ti+V)N, нанесенного на УМЗ подложку вакуумно-плазменной методом; - выявлены механизмы пластической деформации и разрушения композиции «УМЗ подложка-покрытие» в условиях растяжения и циклических нагрузок при комнатной и повышенных температурах; - показано, что ультрамелкозернистые сплавы ВТ6 и ВТ8М-1 с наноструктурированным покрытием Ti-(Ti+V)N демонстрируют повышенный уровень эксплуатационных свойств: повышение предела выносливости и длительной прочности при температурах до 450°С не менее чем на 30%, эрозионной стойкости – не менее чем в 2-3 раза, что существенно превышает уровень свойств достигнутый к настоящему времени в титановых сплавах. Фундаментальные знания о механизмах, реализующих в композиции «УМЗ подложка-покрытие» повышение усталостной и длительной прочности, сопротивления ползучести при эксплуатационных температурах являются научной основой современных технологий изготовления лопаток ГТД с повышенной долговечностью и надежностью. На основе результатов НИР предполагается написание не менее 8 статей, индексируемых в базе данных «Web of Science». Результаты проведенных НИР представляют непосредственный интерес для проведения опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание опытно-промышленного технологического процесса изготовления рабочих лопаток компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) с повышенными эксплуатационными свойствами. Полученные результаты особенно актуальны для рабочих лопаток малых ГТД для вертолетной техники, которые работают в экстремальных условиях эрозионных воздействий.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Настоящий проект направлен на создание научных основ повышения эксплуатационной надежности титанового сплава ВТ8М-1 (Ti – 5.7Al – 3.8 Mo – 1.2Zr –1.3Sn) за счет комплексной модификации его микроструктуры и фазового состава в объеме и поверхности, включая формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры методами интенсивной пластической деформации (ИПД) и модифицирования поверхности ионно-плазменными технологиями, с нанесением защитного покрытия. В соответствии с планом работ на 1 год были выполнены следующие работы и экспериментальные исследования: 1) Проведена аттестация исходной микроструктуры титанового сплава ВТ8М-1 производства ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» в заготовках диаметром 40 мм. Исходная струкутра сплава ВТ8М-1 представляла собой первичную альфа-фазу глобулярной формы, которая окружена пластинчатой альфа+бета смесью. Предел прочности титанового сплава ВТ8М-1 в исходном состоянии составляет 1030 МПа, относительное удлинение до разрушения 18%. Методом пробных закалок была определена температура полиморфного превращения титанового сплава, которая составила 980 ± 5°С. 2) С целью формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в сплаве ВТ8М-1 использовали метод интенсивной пластической деформации(ИПД)- равноканальное угловое прессование (РКУП). Предварительно в заготовках создавали глобулярно-пластинчатую (дуплексную) структуру путем нагрева сплава до температуры 940°С и закалки в воду, с последующим отжигом закаленного сплава в течение часа при температуре 700°С и охлаждения на воздухе. Деформацию методом РКУП проводили по режиму 4 прохода по маршруту Bc при температуре 750° С в оснастке с углом пересечения каналов 120°. Степень деформации составляла e=2.7 при скорости деформирования 4 мм с-1. Были получены бездефектные заготовки,которые использовали для дальнейшей модификации поверхности и нанесения покрытия. В рамках выполнения проекта проведены исследования микроструктуры сплава после РКУП методами растровой (РЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Средний размер зерен и субзерен альфа-фазы в областях с УМЗ (α+β) структурой после 4 проходов по данным ПЭМ- изображений составил 0,4 мкм. 3) Результаты исследований механических свойств УМЗ сплава на одноосное растяжение цилиндрических образцов с диаметром базы 3 мм и длиной 15 мм при комнатной и повышенных температурах (20…500°) показали повышение предела прочности (до 1170 МПа), предела текучести (до 1100 МПа) наряду с относительным удлинением около 10% сплава при комнатной температуре, по сравнению с крупнозернистым состоянием (1030 МПа и 970 МПа соответственно), что является принципиально важным для проведения модификации поверхности и дальнейших исследований согласно плану проекта. 4) Впервые была проведена комплексная модификация поверхности УМЗ титанового сплава ВТ8М-1, которая заключалась в предварительной электролитно-плазменной полировке (ЭПП) поверхности и дальнейшем напылении защитного вакуумно-плазменного покрытия TiVN общей толщиной 6 мкм, архитектура которого представляла собой два видимых функциональных слоя и два подслоя толщиной 0,2 мкм. Комплексные исследования покрытия TiVN на подложках с исходной крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой включали в себя ряд измерений - измерение твердости на приборе Struers Duramin, измерение толщины покрытия, используя прибор Calotest, позволяющий изготовить сферический шлиф покрытия до основного материала (подложки), прецизионные измерения адгезионной прочности методом царапания на приборе CSM Scratch Test индентором типа Роквелла, а также исследование механических свойств образцов с покрытием при комнатной и повышенной температурах. По результатам измерения микротвердости покрытия TiVN, было установлено значительное повышение микротвердости покрытия на подложке с УМЗ структурой, с 1685 Hv на крупнозернистой подложке, до 2630 Hv на подложке с УМЗ структурой. Природа этого эффекта может быть связана с увеличением количества точек роста при кристаллизации материала покрытия при его вакуумно-плазменном нанесении, в результате чего уменьшается размер зерен кристаллов в самом покрытии. Механические испытания образцов с покрытием при комнатной температуре показали, что предел прочности УМЗ сплава достигает 1220 МПа, который почти на 20% выше предела прочности КЗ сплава (1030 МПа) Аналогичное механическое поведение наблюдается и на образцах с покрытием при повышенной температуре. Например, предел прочности при 400°С УМЗ образцов составлял 1010 МПа, а с покрытием составлял 980 МПа, что значительно выше, чем предел прочности крупнозернистого образца как с покрытием, так и без него (около 800 МПа.) 5) Проведенное впервые исследование адгезионных свойств вакуумно-плазменного покрытия TiVN с подслоями ванадия на образцах УМЗ титанового сплава ВТ8М1 показало, что измельчение зерна подложки напрямую влияет не только на прочность адгезии, но и на весь комплекс физико-механических свойств покрытия. Полученные экспериментальные данные методом “Scratch” теста показали, что в результате измельчения структуры сплава наблюдается заметное увеличение критической нагрузки адгезионного разрушения покрытия Lc2, с 7,69 Н на крупнозернистой подложке до 18.17 Н на подложке с УМЗ структурой. Эти результаты непосредственно свидетельствуют, что в покрытии на подложке с УМЗ структурой наблюдается повышение адгезионной прочности. 6) В рамках 1 года проекта были также проведены испытания на 100-часовую длительную прочность образцов сплава с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой и нанесенным на их поверхность вакуумно-плазменным защитным покрытием TiVN. Подробный анализ полученных результатов и механизмов разрушения будет описан в отчете за второй год работы проекта. 7) В отчетный период для исследования дислокационной структуры модифицированной поверхности и нанесенного покрытия была использована экспериментальная методика получения тонких фольг с отработкой ее режимов с использованием ионного утонения на установке JEOL Ion Slicer EM-09100 IS. По результатам данных исследований обнаружено, что структура вакуумно-плазменного покрытия TiVN представляет собой нанокристаллическую двухфазную структуру с размером зерен 80-140 нм вероятнее всего нитрида титана и размером 40-70 нм нитрида ванадия, в которых имеются тонкие дислокационные сетки высокой плотности. Более детальные исследования структуры покрытия будут продолжены в ближайшем будущем. 8) Кроме того, в отчетный период были проведены испытания на эрозионную стойкость титанового сплава в крупнозернистом и ультрамелкозернистом структурных состояниях с нанесенным на поверхность покрытием. Исследуемые образцы из титанового сплава ВТ8М-1 в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях с нанесенным вакуумно-плазменным защитным покрытием (Ti+V)N и без него были изготовлены в виде пластин размером 20х15х4 мм и шероховатостью рабочей поверхности Rz = 0,16- 0,32 мкм, без острых кромок. В качестве абразивного материала в соответствии с ГОСТ 23.201-78, “Метод испытания материалов и покрытий на газоабразивное изнашивание с помощью центробежного ускорителя” использовали электрокорунд F-280 с размером частиц d = 40 – 50 мкм, время одного цикла испытаний t = 65 c, частота вращения диска n = 8600 об/мин, расход абразива за один цикл P = 100 г, угол атаки 60°. Износостойкость образцов оценивали путем сравнения его износа (уноса массы) с износом эталонного образца. По результатам предварительных эрозионных испытаний была доказана эффективность комбинации УМЗ сплав ВТ8М-1+покрытие TiVN для повышения эрозионной стойкости сплава, при этом относительная эрозионная стойкость по сравнению с эталонным образцом увеличилась в 2 раза. Последующие испытания на эрозионную стойкость с вариацией угла атаки, размером частиц и скоростью потока частиц, а также детальный анализ поверхности после испытаний будут детально описаны в отчете за второй год работы над проектом, согласно плану второго года проекта. 9) В целом по результатам выполненных исследований была опубликована научная статья в журнале Advanced Engineering Materials (AEM) Q1 SJR (Scopus, WoS) IF=2.906, два тезиса в трудах научных конференций, а также 3 выступления с докладами на научных конференциях.

 

Публикации

1. Валиев Р.Р., Селиванов К.С., Модина Ю.М., Дыбленко Ю.М., Семенова И.П., Валиев Р.З. Architecture and Increased Adhesive Strength of Vacuum‐plasma Coating on Ultrafine‐grained Titanium Alloy Advanced Engineering Materials, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/adem.202000121

2. Валиев Р.Р., Модина Ю.М., Савина Я.Н. Механическое поведение ультрамелкозернистого титанового сплава с вакуумно-плазменным защитным покрытием Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов, - (год публикации - 2020)

3. Валиев Р.Р., Селиванов К.С., Дыбленко Ю.М.,Модина Ю.М.,Семенова И.П. Adhesive strength of vacuum-plasma coatings on ultrafine-grained titanium alloy Technical Program & Book of Abstract The 6th International Symposium BULK NANOMATERIALS: from fundamentals to innovations, - (год публикации - 2019)


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Настоящий проект направлен на создание научных основ повышения эксплуатационной надежности конструкционных титановых сплавов за счет комплексной модификации его микроструктуры и фазового состава в объеме и поверхности, включая формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры методами интенсивной пластической деформации (ИПД) и модифицирования поверхности ионно-плазменными технологиями, с нанесением защитного покрытия. В соответствии с планом работ на 2 год был выполнен ряд экспериментальных исследований на титановом сплаве ВТ-6 проведены комплексные аттестация микроструктуры и механических свойств в исходном крупнозернистом состоянии и в УМЗ состоянии, полученным равноканальным угловым прессованием (РКУП). На полученных образцах проведена модификация поверхности ионно-плазменными методами, выполнено напыление покрытия TiVN и показано положительное влияние проведенных обработок на механические, эрозионные и адгезионные свойства материала, что важно для его перспективных применений. По результатам исследований, проведенных в текущем году опубликовано 6 научных работ, еще одна находится на стадии публикации, сделано 2 выступления с докладами на международных конференциях. Третий доклад на международной конференции COMAT-2020 (Чехия) был перенесен на 2022 год организаторами. Описание выполненных работ и достигнутых результатов: 1) В двухфазном титановом сплаве ВТ6 была сформирована ультрамелкозернистая (УМЗ) структура в заготовках диаметром 20мм, используя интенсивную пластическую деформацию методом равноканального углового прессования (РКУП) по ранее предложеннному режиму: 6 проходов по маршруту Bc при температуре 650° С и углом пересечения каналов 120°. Суммарная степень деформации после 6 проходов РКУП составляла e=3 при скорости деформирования 4 мм с-1. Анализ структуры полученных заготовок показал, что средний размер зерен и субзерен в структуре сплава ВТ6 после 6 проходов по данным просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) составил около 0,3 мкм. 2) Были изготовлены цилиндрические образцы с диаметром базы 3 мм и выполнены исследования влияния сформированной УМЗ структуры методом РКУП на механическое поведение сплава при комнатной и повышенных температурах. Установлено, что сплав ВТ6, подвергнутый РКУП демонстрирует за счет значительного уменьшения размера зерен, предел прочности 1320 МПа, предел текучести 1200 МПа и относительное удлинение около 7% что заметно выше механических свойств сплава в крупнозернистом (КЗ) состоянии, где предел прочности составляет 1040 МПа, предел текучести 950 МПа. Механические испытания при 300°С также показали преимущество сплава с УМЗ структурой, который сохранил повышенные свойства по сравнению со сплавом в исходном крупнозернистом состоянии 3) В соответствии с планом работ над проектом в текущем году поверхностной модификации методами электролитно-плазменной полировки (ЭПП) и ионной имплантации (ИИ), а также нанесению вакуумно-плазменного покрытия TiVN подвергались целый ряд образцов для различных испытаний, такие как: образцы специальной геометрии для эрозионных испытаний, образцы для микроскопических исследований, цилиндрические образцы для механических испытаний при повышенных температурах, образцы-свидетели. 4) В продолжении первого года работы над проектом были также проведены комплексные исследования служебных свойств покрытия TiVN на подложках титанового сплава ВТ6 с различной микроструктурой, которые дополнительно включали в себя целый ряд измерений - измерение твердости на приборе Struers Duramin, измерение толщины покрытия, используя прибор Calotest, позволяющий изготовить сферический шлиф покрытия на основном материале (подложке), и прецизионные измерения адгезионной прочности методом царапания на приборе CSM Scratch Test индентором типа Роквелла, с интенсивностью прилагаемой нагрузки от 0,03 до 10 Н/мин и скоростью индентирования 2мм/мин, а также исследование механических свойств образцов с покрытием при комнатной и повышенных температурах, равным температуре эксплуатации. 5) По результатам измерения микротвердости покрытия TiVN на подложках с исходной крупнозернистой (КЗ) и ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, было установлено значительное повышение микротвердости покрытия с 3 ГПа в случае КЗ подложки до 3.6 ГПа в случае подложки с УМЗ структурой. Такая же картина наблюдалась и на сплаве ВТ8М-1 (см. отчет за 1 год). Природа этого эффекта очевидно связана с увеличением количества точек роста при кристаллизации вещества покрытия при его вакуумно-плазменном нанесении на подложку с УМЗ структурой, в результате чего уменьшается размер зерен/ кристаллов в самом покрытии. Исследования этого важного эффекта будут продолжены в 3 году работы над проектом и будут включать прецизионные исследования структуры покрытия на подложках с различной микроструктурой. 6) Используя просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ), были проведены исследования тонкой структуры модифицированного слоя методами ЭПП и ИИ на сплаве ВТ6 в различных структурных состояниях. Было обнаружено, что в приповерхностном слое наблюдается формирование сетчатой и неоднородно-ячеистой дислокационной субструктуры внутри крупных зерен первичной α-фазы. Скопления дислокаций наблюдали на межфазных границах первичных зерен α-фазы и между пластинами, что согласуется с результатами РСА поверхности КЗ образцов после ЭПП, когда было отмечено значительное повышение плотности дислокаций с 0.05 до 2.0х1014 м-2. Вероятной причиной формирования развитой дислокационной субструктуры в поверхности образца после ЭПП может быть связано с тем, что межфазные границы являются препятствием для движения дислокаций, формирующихся при микроразрядах в процессе ЭПП. При исследовании УМЗ образцов после ЭПП было обнаружено, что в поверхности образцов сохраняется характер микроструктуры, однако она становится более неоднородной за счет перераспределения и частичной аннигиляции дислокаций внутри и по границам ультрамелких зерен/субзерен Наибольшие скопления дислокаций наблюдали на границах зерен и фаз. Данные ПЭМ согласуются с результатами РСА, когда общая плотность дислокаций немного уменьшилась с 12.0 до 9.0 х1014 м-2 в отличие от КЗ подложки. При этом общая величина плотности дислокаций в приповерхностной зоне УМЗ подложки остается в несколько раз выше, чем КЗ сплава (9.0 и 2.0 х1014 м-2, соответственно). 7) Сравнении микроструктуры модифицированного слоя после ЭПП и ИИ показали, что вследствие ударного воздействия ионов с высокой кинетической энергией структура как в КЗ, так и в УМЗ подложке претерпевает значительные изменения, что приводит к формированию сильно неравновесного состояния с большим количеством дефектов кристаллического строения в результате радиационно-стимулированной диффузии. В случае КЗ подложки отмечается сильное разупорядочение структуры, формирование блоков с высокой плотностью дислокаций. По результатам РСА было обнаружено заметное уменьшение размера ОКР (с 93 до 42 нм), а общая плотность дислокаций повысилась еще в 5 раз: с 2.0 до 10х1014 м-2 по сравнению с состоянием поверхности после ЭПП. В случае УМЗ подложки также наблюдали скопления дислокаций и других дефектов кристаллического строения, в основном, по границам субзерен. При этом в отдельных областях (в том числе внутри субзерен) можно наблюдать некоторое снижение плотности дислокаций в результате их перераспределения и частичной аннигиляции. При этом прирост плотности дислокаций по сравнению с необработанным УМЗ состоянием составляет только 2.5 раза (с 9.0 до 23.0 х1014м-2) по сравнению с состоянием после ЭПП, в отличие от КЗ подложки. Это можно объяснить тем, что после интенсивной пластической деформации сплава плотность дислокаций достигала критических значений, поэтому ионная бомбардировка поверхности УМЗ подложки привела к их частичной аннигиляции. Об этом также свидетельствует увеличение размера ОКР до 63 нм. Вместе с тем сохранение высокой плотности дислокаций в УМЗ подложке выше, чем в поверхности КЗ сплава, что можно объяснить закреплением дислокаций на преципитатах нитридных и оксидных фаз в результате внедрения ионов азота в кристаллическую решетку. Данный факт подтверждается результатами РСА и наличием нитридов TiN. При этом объемная доля преципитатов нитридных и оксидных фаз в обоих состояниях примерно одинаковое и находится в пределах 0.10-0.12 %. В отчетный период были проведены механические испытания титанового сплава ВТ6 в УМЗ и КЗ состояниях с вакуумно-плазменным покрытием TiVN при температурах 20°С, 350°С и 400°С. Результаты исследований механических свойств показали, что формирование УМЗ-структуры в сплаве ВТ6 привело к повышению прочности как при комнатной, так и при повышенных температурах. Выявлено, что покрытие TiVN оказывает положительное влияние на прочность УМЗ сплава при 350°С и 400°С. Предел прочности образца с УМЗ структурой и покрытием при 400°С составил 950 МПа, что заметно превышает значения образцов УМЗ и КЗ без покрытия (900 и 600 МПа соответственно). Как известно, на стадии макроупругого деформирования пластическая деформация растяжением происходит преимущественно в поверхностных слоях с самоорганизацией дислокационной субструктуры точечных и других дефектов. Это приводит к градиентной плотности дислокаций и образованию усиленного поверхностного слоя, который служит «барьером» для дислокаций, выходящих изнутри материала к его поверхности. Следовательно, это приводит к перераспределению нагрузки между внешней и внутренней поверхностями в металле и изменению механических свойств подложки. Таким образом, титановый сплав ВТ6, как и сплав ВТ8М-1 с УМЗ структурой и нанесенным на его поверхность вакуумно-плазменным покрытием TiVN привлекателен для практического применения как при комнатной, так и при эксплуатационных температурах. 8) Для испытаний на 100-часовую длительную прочность были изготовлены цилиндрические образцы с длиной базы 18 мм и диаметром 3 мм. Эксперимент проводили на испытательной машине Instron 8862 (ЦКП «Нанотех» УГАТУ) при постоянном напряжении в интервалах температур 300…400°C в соответствии со стандартом ASTM E139-11. Статистика составляла по 3 образца на каждую температуру. При температурах 300 и 350 °C образец с покрытием демонстрирует повышенную длительную прочность по сравнению с образцом без покрытия. При повышении температуры до 400 °C значение длительной прочности УМЗ титанового сплава ВТ6 с покрытием и без почти одинаково и составляет 600 МПа, что обусловлено процессами возврата и рекристаллизации микроструктуры в течение длительной нагрузки, которые в УМЗ сплаве протекают более активно. Об этом свидетельствуют также кривая ползучести при 400 °C, которая характеризуется типичными стадиями ползучести, состоящими из первичной, вторичной – установившейся ползучести, когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, и третичной стадии – ускоренной ползучести, что связано с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины). Фрактографические исследования изломов УМЗ образцов с покрытием, показали, что разрушение образца происходило с образованием в нем шейки и чашечного излома под углом 45 ° с углубленной текстурой, характерной для титановых сплавов. В образцах можно выделить две зоны – волокнистую зону с характерными ямками разрушения в середине образца, где происходит медленный рост пластичной трещины, а также зону статического разрушения, где преобладает сдвиговая деформация, в этой зоне наблюдались более удлиненные и плоские ямки разрушения. Однако деформационный рельеф образцов с покрытием и без покрытия после испытаний был различен – образец без покрытия в условиях растяжения и температурного воздействия, непрерывного увеличения значений дислокаций и полос скольжения, разрушился с типичным рельефом - полосами Чернова-Людерса и кольцевыми микротрещинами, а образец с покрытием имел сеть микротрещин, развивающихся под углом примерно 45° к оси образца, что подтверждает развитие деформаций сдвига и последующее разрушение покрытия. Таким образом, нанесение вакуумно-плазменного защитного покрытия TiVN на УМЗ титановый сплав ВТ6 приводит к повышению прочности в условиях приложенной длительной нагрузки в ограниченном интервале температур, т.е. не выше 400°C. Результаты испытаний образцов титанового сплава ВТ8М-1 в КЗ и УМЗ состояниях с покрытием и без будут представлены в отчете за 3 год работы над проектом. 9) В текущем отчетном периоде были продолжены исследования эрозионной стойкости титановых сплавов ВТ6 и ВТ8М-1 в крупнозернистом (КЗ) и ультрамелкозернистом (УМЗ) состояниях с нанесенным на поверхность покрытием TiVN и без него. Испытания образцов на эрозионную стойкость проводили с вариацией углов атаки абразивных частиц. Более подробно параметры испытаний описаны в отчете за 1 год проекта. После испытаний на эрозионный износ при угле атаки 65° на образцах без покрытия наблюдаются две отчетливые области: 1 - область, не подвергавшаяся износу и 2 - область интенсивного износа. В образцах с покрытием можно выделить три области: 1 - область, не подвергавшаяся износу, 2 - область умеренного износа и 3 - область интенсивного износа до материала подложки. На образцах хорошо видна область интенсивного износа (матовая область серого цвета), причем в образцах без покрытия эта область намного больше, чем в образцах с покрытием. В образцах без покрытия эта область имеет одинаковые площади, поскольку потеря массы при испытаниях практически идентична. Однако для образцов с покрытием картина совершенно иная. В образце с ультрамелкозернистой структурой площадь износа основного материала намного меньше из-за снижения интенсивности износа в результате повышенной прочности сцепления покрытия с подложкой. Обнаруженный эффект может косвенно указывать на более высокую стойкость к эрозионному износу, но это требует проведения дальнейших исследований, которые будут продолжены в ближайшем будущем. По результатам проведенных эрозионных испытаний при угле атаки в 65° убедительно продемонстрировано, что нанесение вакуумно-плазменного защитного покрытия TiVN на поверхность титановых сплавов ВТ6 и ВТ8М-1 в КЗ и УМЗ состояниях значительно снижает унос массы и при этом повышается эрозионная стойкость сплавов с УМЗ структурой и покрытием в сравнении с КЗ сплавом и покрытием, что подтверждается повышенной адгезионной прочностью покрытия. При углах атаки в 15° интенсивность износа настолько мала, что после 10 циклов покрытие на подложках с КЗ и УМЗ структурой практически не было подвержено износу. Однако, при испытаниях образцов без покрытия наблюдалась аналогичная закономерность, как и на образцах с покрытием при угле атаки 65° – эрозионная стойкость подложки с УМЗ структурой значительно выше, чем у подложки с исходной КЗ структурой. Таким образом, проведенные эрозионные испытания доказывают эффективность комбинации УМЗ сплав + покрытие TiVN на значительное повышение эрозионной прочности и износостойкости сплава ВТ-6- этого важного конструкционного материала, широко используемого для изготовления лопаток компрессора ГТД. 10) За текущий год была также проведена оценка остаточных внутренних напряжений в покрытии TiVN на примере сплава ВТ8М-1 в КЗ и УМЗ состояниях, используя рентгеновский метод “sin2ψ” на дифрактометре Rigaku Ultima IV (ЦКП “Нанотех” УГАТУ). Было установлено присутствие сжимающих напряжений в покрытии TiVN как на КЗ, так и на УМЗ подложках, причем уровень остаточных напряжений в покрытии на УМЗ подложке ниже, чем в покрытии на КЗ подложке (-837МПа и -928 МПа соответственно). Можно предположить, что уровень сжимающих напряжений в покрытии влияет на эрозионную стойкость композиции “подложка-покрытие”. Эта гипотеза безусловно требует продолжения исследований в этом направлении. 11) Был проведен рентгенофазовый анализ покрытия TiVN на подложках титановых сплавов ВТ6 и ВТ8М-1 в КЗ и УМЗ состояниях. Более подробный анализ дифрактограмм и обнаруженных фаз будет описан в отчете за 3 год проекта. Таким образом, в отчетном периоде по результатам проведенных исследований были выполнены все поставленные задачи, согласно текущему плану работ.

 

Публикации

1. Валиев Р.Р.,Модина Ю.М.,Дыбленко Ю.М.,Семенова И.П. Ion-plasma modification of surface of ultrafine-grained titanium alloys: effect of substrate on coating properties IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, - (год публикации - 2021)

2. М.К.Смыслова,Р.Р.Валиев,А.М.Смыслов,Ю.М.Модина,В.Д.Ситдиков,И.П.Семенова Microstructural Features and Surface Hardening of Ultrafine-Grained Ti-6Al-4V alloy through Plasma Electrolytic Polishing and Nitrogen Ion Implantation Metals, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/met11050696

3. Модина Ю.М.,Валиев Р.Р.,Дыбленко Ю.М., Смыслова М.К., Семенова И.П. Mechanical behavior of titanium alloy Ti-6Al-4V with vacuum-plasma protective coating V+(Ti-V)N at elevated temperatures IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, - (год публикации - 2021)

4. Семенова И.П.,Смыслова М.К.,Селиванов К.С.,Ситдиков В.Д.,Валиев Р.Р. High Energy Surface Implantation by Ion Nitrogen of Ultra- Fine Grained Ti-6Al-4V Alloy for Engineering Application Materials Science Forum, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1016.1305

5. А.В. Поляков, Ю.М. Модина, Р.Р. Валиев, И.П. Семенова UFG Ti-6Al-4V alloy and modification of its surface THERMEC‘2021 – International Conference on Processing & Manufactoring of advanced Materials, - (год публикации - 2021)

6. Модина Ю.М., Валиев Р.Р.,Дыбленко Ю.М., Семенова И.П. МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫМ ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ V+(TiV)N ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Получение, структура и свойства высокоэнтропийных материалов, - (год публикации - 2020)


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Настоящий проект направлен на создание научных основ повышения эксплуатационной надежности конструкционных титановых сплавов за счет комплексной модификации его микроструктуры и фазового состава в объеме и поверхности, включая формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры методами интенсивной пластической деформации (ИПД) и модифицирования поверхности ионно-плазменными технологиями, с нанесением защитного покрытия. Актуальность данной тематики состоит в том, что впервые исследуется влияние УМЗ структуры подложки титановых сплавов на архитектуру и свойства ионно-плазменных защитных покрытий с целью повышения служебных свойств изделий, работающих в экстремальных условиях. В соответствии с планом работ на 3 год был выполнен и завершен ряд экспериментальных исследований на образцах титановых сплавов ВТ-6 и ВТ8М-1 с ионно-плазменным покрытием TiVN который включал в себя: проведение малоцикловых усталостных испытаний при температурах эксплуатации, эрозионные испытания с вариацией размера частиц и скорости потока, проведены дополнительные микроструктурные исследования покрытия TiVN на подложке титанового сплава ВТ8М-1 в УМЗ состоянии. Кроме того, были выполнены испытания на 100-часовую длительную прочность образцов сплава ВТ8М-1 с покрытием и без него. Проведен анализ механизмов разрушения образцов после усталостных испытаний и на длительную прочность. По полученным результатам в текущем году опубликовано 6 научных работ ( в плане было заявлено 3 статьи), из которых 1 статья в журнале 1 квартиля (Q1). Руководителем проекта сделано 2 доклада на международных конференциях и 2 доклада в соавторстве другими участниками проекта и магистрантом 2 года обучения Савиной Я.Н. Описание выполненных работ и достигнутых научных результатов: 1) В титановом сплаве ВТ6 методом равноканального углового прессования (РКУП) была сформирована ультрамелкозернистая (УМЗ) структура со средним размером зерен около 350 нм по ранее разработанному режиму: 6 проходов по маршруту Bc при температуре 650°С и углом пересечения каналов 120°. Суммарная степень деформации после 6 проходов РКУП составляла e=3 при скорости деформирования 4 мм с-1. Из полученных заготовок (с прошлого этапа проекта) были изготовлены образцы для испытаний на 100-часовую длительную прочность, усталостных и эрозионных испытаний. В титановом сплаве ВТ8М-1 была сформирована УМЗ структура двумя методами интенсивной пластической деформации (ИПД): РКУП и ротационной ковкой (РК). РКУП проводили по режиму – 6 проходов по маршруту Bc при температуре 750° С, температура оснастки 550°С, угол пересечения каналов 120°. Из полученных заготовок были изготовлены образцы для усталостных и эрозионных испытаний. Методом РК было получено УМЗ состояние с размером зерен около 400 нм. Пруток диаметром 70 мм и длиной 1000 мм подвергался предварительной термической обработке по режиму: закалка в воду с температуры 940°С и последующий отжиг при температуре 700°С с охлаждением на воздухе. Затем методом РК диаметр прутка уменьшился с 70 мм до 32 мм, а длина увеличилась с 1 до 4 м (е ~ 1.7, скорость деформирования выше 300 мм с-1). Из полученных прутков были изготовлены образцы для испытаний на 100-часовую длительную прочность, рентгенофазовый анализ. 2) В текущем году целый ряд образцов подвергался напылению ионно-плазменного покрытия TiVN, которое как и в предыдущих наших исследованиях имело 4-слойную архитектуру. Напылению покрытия подвергались образцы специальной геометрии для эрозионных испытаний, образцы для микроскопических исследований, цилиндрические образцы для 100-часовой длительной прочности и малоцикловых усталостных испытаний. 3) Применяя специальную методику с использованием ионного утонения были подготовлены фольги из покрытия TiVN на подложках УМЗ титановых сплавов ВТ-6 и ВТ8М-1,затем используя просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) были проведены исследования тонкой структуры покрытия. По результатам микроскопических исследований было установлено, что покрытие является наноструктурным, так как в нем присутствуют зеренные структуры в нанометровом диапазоне (50-100 нм) преимущественно нитрида титана (TiN) и нитрида ванадия (VN). 4) В отчетный период были полностью завершены испытания на 100-часовую длительную прочность титановых сплавов ВТ6 и ВТ8М-1 в УМЗ и КЗ состояниях с ионно-плазменным покрытием TiVN при температурах эксплуатации. Эксперимент проводили на испытательной машине Instron 8862 при постоянном напряжении в соответствии со стандартом ASTM E139-11. Сплав ВТ6 испытывали при температурах 300°С, 350°С и 400°С, сплав ВТ8М-1 при 300°С, 350°С, 400°С, 450°С. Результаты испытаний длительной прочности показали, что формирование УМЗ состояния в сплавах ВТ6 и ВТ8М-1 с покрытием и без повышает сопротивление материала в условиях ползучести вплоть до 350 °С и 400 °С по сравнению с КЗ состоянием. 5) В текущем отчетном периоде были продолжены и полностью завершены исследования эрозионной стойкости титановых сплавов ВТ6 и ВТ8М-1 в крупнозернистом (КЗ) и ультрамелкозернистом (УМЗ) состояниях с осажденным на поверхность покрытием TiVN и без него c вариацией размера частиц и скорости потока. Для сравнительных испытаний на эрозионный износ была уменьшена скорость потока до 30 м/с и выбран песок с бо́льшим размером частиц от 180 до 400 мкм. Результаты эрозионных испытаний с учетом изменившихся параметров, показали, что нанесение ионно-плазменного покрытия TiVN на поверхность титановых сплавов в УМЗ состояниях также значительно снижает унос массы и при этом эрозионная стойкость сплавов с УМЗ структурой и покрытием по сравнению с КЗ структурой и покрытием заметно повышается. Таким образом, проведенные эрозионные испытания, используя более крупные частицы, в очередной раз показали значительную эффективность комбинации УМЗ сплав + покрытие TiVN повышения эрозионной прочности и износостойкости сплавов ВТ6 и ВТ8М-1- важных конструкционных материалов, широко применяемых в авиадвигателестроении. 6) В соответствии с планом работ, были проведены малоцикловые усталостные испытания цилиндрических образцов титановых сплавов ВТ-6 и ВТ8М-1 в ультрамелкозернистом состоянии с осажденным на их поверхность ионно-плазменным покрытием TiVN. Испытания проводили по схеме растяжение-сжатие с частотой 1 Гц и коэффициентом асимметрии цикла R=0,1. Усталостные испытания образцов проводили при амплитудах напряжений: 700, 750, 800, 900 МПа при рабочих температурах эксплуатации этих сплавов – ВТ6 при 350°С, ВТ8М-1 при 400°С соответственно. В целом можно отметить, что все образцы с УМЗ структурой и покрытием выдерживают большее количество циклов до полного разрушения по сравнению с образцами в исходном крупнозернистом состоянии. 7) Был проведен рентгеноструктурный анализ покрытия TiVN на подложке титанового сплава ВТ6 в КЗ и УМЗ состояниях. Прецизионный анализ дифрактограмм показал, что в покрытии на УМЗ сплаве многие из пиков фаз, особенно осборнита, существенно уширены, по сравнению с таковым, характерным для покрытия КЗ сплава. В случае покрытия, нанесенного на УМЗ сплав титана, происходит перераспределение интегральных интенсивностей рефлексов, что особенно четко проявляется для дифракционных максимумов (111), (200) и (220). Сравнительный анализ характеристик микроструктуры, полученных методом РСА, показал, что на покрытиях, нанесенных на КЗ и УМЗ сплав ВТ6, параметр решетки, размер областей когерентного рассеяния (ОКР), уровень упругих микроискажений кристаллической решетки, а также плотность дислокаций в фазе осборнита существенно отличается друг от друга. Выявленные изменения параметров микроструктуры свидетельствуют о повышении прочностных характеристик покрытия TiVN на подложке с УМЗ структурой. Таким образом, проведенные в текущем году исследования показали, что напыление защитного покрытия TiVN на подложки из УМЗ титановых сплавов ВТ-6 и ВТ8М-1 способствует обеспечению наиболее высоких служебных свойств этих материалов при температурах эксплуатации, что указывает на перспективность их исследования в изделиях, работающих в экстремальных условиях.

 

Публикации

1. Валиев Р.Р., Модина Ю.М., Селиванов К.С., Семенова И.П., Хафизова Э.Д., Валиев Р.З., Савина Я.Н. Enhanced service properties of a protective coating on a titanium alloy with an ultrafine-grained structure Materials Letters, Volume 305 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130781

2. Валиев Р.Р., Селиванов К.С., Смыслова М.К., Дыбленко Ю.М., Савина Я.Н.,Валиев Р.З., Семенова И.П. Enhanced erosion resistance of an ultrafine-grained Ti alloy with a PVD coating Metals, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/met12050818

3. Валиев Р.Р., Савина Я.Н. Повышенные прочностные характеристики ультрамелкозернистого титанового сплава с ионно-плазменным покрытием Девятая Международная конференция «КРИСТАЛЛОФИЗИКА И ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ», стр. 41 (год публикации - 2021)

4. Валиев Р.Р., Савина Я.Н., Модина Ю.М. Increased erosion resistance of UFG titanium alloys with protective ion-plasma coating ПОЛУЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ: Тезисы III Международной школы – конференции молодых ученых (г. Екатеринбург, 11-15 октября 2021 г.), стр. 94 (год публикации - 2021)

5. Савина Я.Н., Валиев Р.Р. Эрозионная стойкость ультрамелкозернистых титановых сплавов с ионно-плазменным покрытием Девятая Международная конференция «КРИСТАЛЛОФИЗИКА И ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ», стр. 150 (год публикации - 2021)

6. Савина Я.Н., Валиев Р.Р., Модина Ю.М. Mechanical properties of ultrafinegrained titanium alloy with vacuum-plasma protective coating ПОЛУЧЕНИЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ: Тезисы III Международной школы – конференции молодых ученых, стр. 81-82 (год публикации - 2021)


Возможность практического использования результатов
Проведенные в рамках настоящего проекта исследования показали, что напыление защитного ионно-плазменного покрытия TiVN на подложки из ультрамелкозернистых (УМЗ) титановых сплавов ВТ-6 и ВТ8М-1 способствует обеспечению наиболее высоких служебных свойств этих материалов при температурах эксплуатации, что указывает на перспективность их применения в изделиях, работающих в экстремальных условиях для современного авиадвигателестроения.