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 22-79-10264

НазваниеСоздание в высокопрочном титановом сплаве линейно изменяющейся структуры обратимым легированием водородом для обеспечения повышенной динамической стойкости

РуководительШалин Алексей Владимирович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 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, структура, свойства, градиентная структура, динамическая стойкость, баллистические свойства, барьерное покрытие, оксид, нитрид, водород, легирование, отжиг

Код ГРНТИ53.49.05, 53.49.15, 53.49.21

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель настоящей работы состоит в изучении влияния однонаправленного легирования водородом на протекание фазовых и структурных превращений в полуфабрикатах из высокопрочных титановых сплавов ВТ23 и ВТ22 для формирования в них линейно изменяющейся структуры, обеспечивающей высокую удельную баллистическую стойкость и живучесть. В настоящее время в мире постоянно ведутся работы по увеличению поражающей способности боевой техники, поэтому совершенствование материалов для бронирования, которые обладают более высокой удельной прочностью и меньшей толщиной, является актуальной задачей. Одной из основных тенденций в этом направлении является создание материалов с градиентными структурами. Для этого применяют различные методы, в частности, локальный высокоэнергетический нагрев, сварку взрывом, пакетную прокатку, наплавку, а также химико-термическую обработку. Обратимое легирование водородом является одним из перспективных направлений управления процессами структурообразования в титановых сплавах. Водород – это уникальный легирующий элемент внедрения для гидридообразующих материалов. При определенных условиях он может достаточно легко как «вводиться», так и «выводиться» из материала без изменения его агрегатного состояния. Обладая сильным β-стабилизирующим действием, его введение позволяет увеличивать на промежуточной стадии обработки количество β-фазы почти до 100% даже в псевдо α-титановых сплавах, в которых ее объемная доля при нормальных условиях не превышает 10%. Это дает возможность при последующей дегазации в более широком диапазоне изменять структуру в титановых сплавах и, соответственно, получать уникальные свойства, которые невозможно достичь традиционными способами обработки. Вследствие более высокой диффузионной подвижность атомов водорода по сравнению с основными легирующими элементами, изменение режимов термического воздействия, в том числе наводороживающего и вакуумного отжигов, позволят контролировать процесс структурообразования в титановых сплавах. Создание в материале на основе титана линейно изменяющейся по толщине структуры от мелкодисперсной с одной стороны полуфабриката, обеспечивающей высокую прочность и работу зарождения трещины, до крупнопластинчатой с противоположной стороны, обеспечивающей низкую скорость её распространения, должно повысить динамическую стойкость и живучесть материала при минимальной удельной поверхности бронезащиты по сравнению с классическими броневыми сталями. Научная новизна проекта заключается в разработке нового материала на основе титана с линейно изменяющейся по толщине структурой, обеспечивающей ему высокую удельную баллистическую стойкость и живучесть. В работе предполагается изучить стойкость оксидных и нитридных покрытий к проникновению водорода. Это позволит создать условия его однонаправленного проникновения в материал и формирования линейно изменяющейся структуры. Такая структура будет обладать рядом значимых преимуществ над «классическими» гетерогенными структурами и обеспечит повышенную ударную вязкость, трещиностойкость и высокую баллистическую стойкость. Таким образом, разработка нового метода создания линейной градиентной структуры, включающего нанесение барьерных покрытий для обеспечения условий однонаправленного обратимого легирования водородом соответствует общей мировой тенденции и является актуальной. Полученные в результате проведенных исследований результаты лягут в основу создания нового вида материала на основе титана и технологии его обработки, который может быть использован в защитных облегченных конструкциях, способных противостоять высокоэнергетическим ударным воздействиям.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие результаты: - Закономерности влияния различных параметров обработки (температуры, времени выдержки, состава электролита и т.д.) на толщину формируемых барьерных оксидных и нитридных покрытий. На основании проведённых исследований будут определены режимы их нанесения. - Закономерности влияния температуры на стойкость сформированных оксидных и нитридных покрытий при обработке в вакууме. На основании проведенных исследований будут определены типы барьерных покрытий и технологии их получения. - Закономерности влияния содержания водорода на стойкость оксидных и нитридных покрытий к его проникновению. Будет определена максимально возможная вводимая концентрация водорода, при которой каждое из покрытий сохраняет свои защитные свойства. - Закономерности влияния концентрации вводимого водорода на изменение структуры и глубину его проникновения. На основании проведенных исследований будут разработаны режимы наводороживающего отжига, обеспечивающие поверхностное однонаправленное насыщение титановых сплавов водородом. - Закономерности влияния температуры вакуумного отжига на формирование структуры и глубину преобразованного слоя. На основании проведенных исследований будет выбран режим, обеспечивающий формирование дисперсной структуры в поверхностных слоях, обеспечивающий максимальную твердость. - Закономерности влияния линейно изменяющейся структуры на комплекс механических свойств. Будет определено влияние глубины преобразованной структуры на динамические высокоскоростные нагрузки. - Разработана технология получения материала на основе титана, обладающего повышенной ударной вязкостью, замедленной скоростью распространения трещины и высокой удельной динамической стойкостью. Научная значимость работы состоит в получении нового материала на основе титана, обладающего высокой баллистической прочностью и меньшим весом, по сравнению со специальными сталями и сплавами. Полученные в ходе выполнения проекта результаты соответствуют мировому уровню, а приоритет по изучению и внедрению водородных технологий обработки титановых сплавов принадлежит России. Полученные в ходе реализации проекта результаты лягут в основу нового вида материала, который может быть использован при изготовлении бронезащитных изделий.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения первого годового этапа проекта обоснован выбор для проведения исследований деформируемых двухфазных титановых сплавов ВТ23 и ВТ22 системы легирования Ti–Al–V–Mo–Cr–Fe мартенситного и переходного класса, соответственно. Показано, что для получения крупнопластинчатой структуры в образцах из сплава ВТ23 и ВТ22 необходимо проведение отжига при температурах однофазной β-области с последующим охлаждением со скоростью 0,01 и 0,002 К/с, соответственно. Изучена структура исследуемых сплавов в деформированном состоянии и после β-отжига. Показано, что повышение степени легирования в (α+β)-титановых сплавах приводит к формированию более дисперсной структуры при одинаковых условиях. Показано, что такая структура представляет бывшие β-зёрна, окружённые α-оторочкой с расположенными внутри пластинами α-пластинами. Исследованы закономерности влияния температуры нагрева, состава электролита и времени выдержки при термической, электрохимической, микро-дуговой и вакуумной ионно-плазменной обработок на внешний вид и свойства оксидных и нитридных барьерных покрытий. Установлено, что термооксидное покрытие формируется по диффузионному механизму с образованием слоя хрупкой окалины и протяжённого диффузионного кислородонасыщенного слоя. При нагреве в вакууме, имитирующего температурно-временные условия однонаправленного наводороживающего отжига стойкими являются только термооксидное покрытие, сформированное при 900ºС, толщиной около 210 мкм. Показано, что электрохимическое анодирование в однокомпонентных водных электролитах не зависимо от их состава формирует тонкие покрытия толщиной от 1,0 мкм до 3,7 мкм, которые полностью растворяются при последующем нагреве в вакууме. Определено, что микро-дуговая обработка, выполненная в импульсном мягком анодно-катодном режим в двухкомпонентном силикатно-щелочном водном электролите с напряжением анода 450 - 470В, приводит к формированию оксидно-керамического покрытия стойкого при последующем нагреве в вакууме. Установлено, что вакуумная ионно-плазменная низкотемпературная обработка формирует нитридное покрытие толщиной 2,8 мкм стойкое к нагреву в вакууме. Определены режимы термической, электрохимической и вакуумной ионно-плазменной обработок, обеспечивающие формирование стойких к нагреву в вакууме оксидных и нитридных покрытий на поверхности образцов из титановых сплавов ВТ23 и ВТ22. На основании проведённых исследований разработана методика нанесения на поверхность плит из титановых сплавов ВТ23 и ВТ22 оксидных и нитридных барьерных покрытий, обеспечивающих условия для одностороннего ввода водорода.

 

Публикации

1. Скворцова С.В., Шалин А.В., Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Гуртовая Г.В. Формирование пластинчатой структуры в (α+β)- титановых сплавах Деформация и разрушение материалов, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31044/1814-4632-2023-7-29-35

2. Скворцова С.В., Шалин А.В., Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Гуртовая Г.В., Смирнов П.А. Влияние параметров обработки на толщину и свойства оксидного покрытия на двухфазных титановых сплавах мартенситного и переходного классов Сборник материалов «Материалы Международной научно-практической конференции "Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2023", - (год публикации - 2023)

3. Шалин А.В., Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Ручина Н.В., Скоблин А.А. Формирование на титановом сплаве ВТ23 оксидных барьерных покрытий, стойких к проникновению водорода Деформация и разрушение материалов, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31044/1814-4632-2023-6-9-15

4. Шалин А.В., Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Сарычев С.М., Смирнов П.А. Влияние параметров ионно-плазменной и вакуумной обработок на толщину и свойства нитридного покрытия на титановом сплаве ВТ23 Электрометаллургия, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31044/1684-5781-2023-0-8-10-17