Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках проекта проведены комплексные исследования влияния технологических параметров электронно-лучевого сплавления (ЭЛС) и последующего насыщения водородом на микроструктуру, фазовый состав и дефектное состояние образцов Ti–6Al–4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si. Установлено, что микроструктура образцов Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si изготовленных ЭЛС, содержит α пластины, объединенные в колонии, мартенситную фазу α' и β фазу титана в виде прослоек между α пластинами. Структура образцов Ti-6Al-4V, изготовленных ЭЛС, характеризуется наличием пластинчатой альфа фазы, β фазы в виде пластин и глобулярных зерен, а также мартенситных фаз α'' и ω. Изменение параметров электронно-лучевого сплавления в исследуемом диапазоне не приводит к значительным изменениям фазового состава и соотношения основных элементов в изготовленных образцах титановых сплавов. Для Ti–6Al–4V содержание β фазы варьируется от 2,4 до 3,1 об.% в зависимости от параметров печати, для Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3S содержание β фазы варьируется от 12 до 16 об.%. Изменение параметров ЭЛС оказывает существенное влияние на размеры структурных составляющих, таких как α пластины, прослойки β фазы. Установлено, что средний размер α пластин уменьшается с увеличением скорости перемещения электронного луча при фиксированном токе электронного луча. К примеру, для образцов Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, изготовленных методом ЭЛС, размер α пластин уменьшается с 0,78 до 0,44 мкм при увеличении скорости перемещения электронного луча. Увеличение тока электронного луча с 3 до 4 мА при фиксированной скорости перемещения электронного луча приводит к увеличению размеров альфа-пластин с 0,33 до 0,8 мкм. Установлено, что при увеличении скорости перемещения электронного луча происходит увеличение микронапряжений в β фазе титана. Изменение размеров зерна, в том числе α пластин, обусловлено временем существования и размерами области расплава. При этом высокая скорость перемещения электронного луча при печати приводит к формированию дефектов, вызванных недостаточным проплавом порошка (происходит уменьшение области расплава). Согласно данным позитронной спектроскопии образцов Ti-6Al-4V, полученных методом ЭЛС при исследуемых параметрах, основными типами дефектов являются дислокации и вакансионные комплексы. Для образцов Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si характерно наличие большого числа моновакансий, концентрация которых превышает предельную чувствительность методов позитронной спектроскопии (СV> 100 ppm). В рамках проекта исследованы процессы поглощения водорода и выявлены закономерности эволюции микроструктуры и фазового состава образцов Ti–6Al–4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, изготовленных методом ЭЛС. Исследование влияния различных факторов на поглощение водорода титановыми сплавами важно с точки зрения защиты от водородного охрупчивания, и с точки зрения разработки методов термоводородной обработки титановых сплавов. Выявлена корреляционная зависимость между интенсивностью поглощения водорода и сформированной микроструктурой образцов, изготовленных методом ЭЛС. На кинетику поглощения титановыми сплавами водорода существенно влияет величина и форма микрозерен, доля и распределение β фазы, дефектная структура. Установлено, что уменьшение размеров альфа пластин приводит к повышению средней скорости сорбции водорода образцами. Определены оптимальные, с точки зрения водородной стойкости, технологические параметры ЭЛС для образцов Ti–6Al–4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si. Установлено, что водород, в диапазоне исследуемых концентраций, индуцирует существенные изменения в микроструктуре образцов. Согласно результатам оптической, сканирующей электронной и просвечивающей микроскопии, насыщение образцов из газовой среды приводит к уменьшению размеров α пластин и к существенному увеличению толщины прослоек β фазы и ее объемной доли. При концентрациях выше 0,58 масс.% в структуре обнаруживаются выделения гидридов. Объемное содержание β-фазы увеличивается с увеличением концентрации водорода до 0,29 масс.%, поскольку водород является стабилизатором β-фазы. При достижении концентрации водорода в образце сплава 0,58 масс.%, помимо фазы α-Ti, формируются кубическая δ и тетрагональная γ-фазы гидрида титана и интерметаллическая фаза Ti3Al. Дальнейшее наводороживание до 0,90 масс.% приводит к увеличению объемного содержания гидридных фаз δ-TiH и γ-TiH и уменьшение содержания β-фазы. Установлено, что структура образцов Ti-6Al-4V, полученных методом ЭЛС и насыщенных водородом до концентраций 0,9 масс.% , содержит следующие дефекты: дислокации, малоугловые границы зерен, сложные водород-вакансионные комплексы. Плотность дислокаций в образцах сплава Ti-6Al-4V полученных методом ЭЛС при различных режимах печати находится в диапазоне (5÷76) 10^(13) м^(-2), а концентрация тетравакансий от 0,001 до 2 ppm. На основе данных in situ рентгеновской дифрактометрии были выявлены несколько основных этапов, соответствующих структурным изменениям в процессе наводороживания сплава Ti-6Al-4V, изготовленного методом ЭЛС. В образцах Ti–6Al–4V, изготовленных методом ЭЛС, после насыщения водородом и последующего охлаждения происходят следующие структурно-фазовые преобразования: α(α'',ω)+β]→[α(α2)+β+δ+γ]. В образцах Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, изготовленных методом ЭЛС, под действием водорода индуцируются следующие структурно-фазовые изменения: [α(α')+β]→[α(α2)+β+δ]. Дальнейшие исследования будут направлены на установление закономерностей изменения физико-механических свойств данных сплавов под действием водорода, а также разработку методики формирования градиентных поверхностных слоев при ЭЛС с целью защиты от водородной коррозии и повышения функциональных свойств поверхности формируемых изделий.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках проекта проведены исследования влияния параметров электронно-лучевого сплавления на твердость, износостойкость, ударную вязкость, стойкость к циклическим нагрузкам изделий, полученных методом электронно-лучевого сплавления (ЭЛС) из порошков Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si. Выявлены закономерности изменения механических свойств титановых сплавов Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, полученных методом электронно-лучевого сплавления, в зависимости от технологических параметров электронно-лучевого сплавления и насыщения водородом. Титановые сплавы были подвергнуты насыщению водородом из газовой среды при температуре 650 °C, давлении водорода 1 атм., насыщение проводилось до различных концентраций (от 200 до 1000 ppm). Для обеспечения равномерного распределения водорода по объему образцов после внедрения водорода, проводилась выдержка образцов при температуре 650 °C в среде гелия. Проведено исследование изломов и микроструктуры поверхности образцов Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, изготовленных ЭЛС, и насыщенных водородом, методом растровой электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Установлено, что уменьшение тока сплавления при фиксированной скорости перемещения электронного луча приводит к увеличению твердости образцов. При токе сплавления 17 мА среднее значение твердости образцов составляет 360±10 Hv0,5, при 15 мА – 390±15 Hv0,5, при 13 мА – 480±10 Hv0,5. Для образцов Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si первой серии (17 мА) образцов твердость составляет 405±15 Hv0,5, для второй серии (15 мА) – 420±10 Hv0,5, для третьей серии (12 мА) – 510±15 Hv0,5. Увеличение твердости образцов обусловлено измельчением структурных составляющих с уменьшением тока сплавления. Высокие, по сравнению с литыми титановыми сплавами, значения твердости образцов, изготовленных ЭЛС, обусловлены наличием мелкой пластинчатой микроструктуры и внутренними напряжениями в материале. Установлено, что насыщение водородом в диапазоне концентраций от 200 до 3000 ppm незначительно увеличивает микротвердость образцов Ti-6Al-4V, полученных ЭЛС. Так для образцов при содержании водорода до 600 ppm среднее значение твердости 412±10 Hv0.5, для образцов с содержанием водорода до 900 ppm – 417±10 Hv0.5. При дальнейшем увеличении концентрации водорода (от 2900 до 9000 ppm) наблюдается тенденция снижения твердости образцов. Высокое значение микротвердости сплава Ti-6Al-4V, изготовленного ЭЛС, обусловлено тонкой пластинчатой структурой, а также наличием мартенситной α // фазы в структуре сплава. Для концентраций до 900 ppm водород находится как в твердом растворе, так и виде гидридных выделений, что подтверждается данными рентгеноструктурного анализа (рис. 3 в приложении). Растворение водорода и образование гидридов приводит к искажению кристаллической решетки и росту микронапряжений в материале, что обуславливает увеличение твердости сплавовTi-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, изготовленных ЭЛС и насыщенного водородом. При увеличении содержания водорода до 2900 ppm появляется еще один «упрочняющий» фактор, а именно пластинчатые выделения фазы α2 (интерметаллид Ti3Al), имеющей более высокую твердость в сравнении с α и β фазами. Исследования износостойкости образцов проводились при сухом трении при нагрузке 2 Н, число оборотов составляло 2000. В качестве контртела использовался шар из карбида вольфрама диаметром 3 мм. Как показали измерения, износостойкость образцов зависит от режимов их сплавления. Внедрение водорода (при рассматриваемых концентрациях) приводит к снижению износа образцов Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, изготовленных ЭЛС. Данное обстоятельство обусловлено измельчением микроструктуры под действие водорода и образованием выделений вторичных фаз. Коэффициент трения сплава Ti-6Al-4V, полученного ЭЛС, составил 0,500. С ростом содержания водорода с 200 до 900 ppm наблюдается уменьшение коэффициента трения с 0,500 до 0,408. Исследование ударной вязкости образцов проводилось на моторизованном маятниковом копре Instron 450MPX. Средняя величина ударной вязкости образцов, полученных ЭЛС из порошка Ti-6Al-4V составила 16 Дж/см2 (энергия 13,11 Дж). Значение ударной вязкости для образцов Ti-6Al-4V, изготовленных литьем составили 17 Дж/см2 (энергия 14,27 Дж). Исследование влияние водорода на ударную вязкость сплава Ti-6Al-4V, изготовленного ЭЛС, проводилось на образцах с сечением 10 на 10 мм и длиной 50 мм. Насыщение водородом приводит к снижению величины ударной вязкости образцов (таблица 1 в приложении). При этом при концентрациях водорода до 200 ppm снижение ударной вязкости незначительно. При содержании водорода 900 ppm происходит снижение ударной вязкости на 26% по сравнению с ненасыщенными исходными образцами Ti-6Al-4V, изготовленными ЭЛС. Циклические испытания образцов проводили асимметрии цикла 0,1 и частотой 20 Гц. Насыщение водородом приводит к снижению стойкости к циклическим нагрузкам образцов Ti-6Al-4V, изготовленных ЭЛС. При содержании водорода 300 ppm среднее значение циклов до разрушения составило 7300, снижение практически на 80%, по сравнению с исходными ненасыщенными водородом образцами. Как показали исследования, титановые сплавы Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, изготовленные методом электронно-лучевого сплавления в данном проекте, характеризуются высокими значениями твердости и износостойкости в сравнении с литыми сплавами. На основе полученных результатов представлены рекомендации по оптимальным режимам изготовления изделий из титановых сплавов Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si методом электронно-лучевого сплавления с целью повышения механических характеристик исследуемых изделий и стойкости к воздействию водорода.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведены исследования влияния различных видов дополнительных обработок на поглощение водорода, микроструктуру, механические свойства титановых сплавов Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, изготовленных с помощью электронно-лучевого сплавления (ЭЛС). Выявлены закономерности изменения микроструктуры, твердости и износостойкости, стойкости к циклическим нагрузкам образцов с градиентной структурой поверхностных слоев из титановых сплавов Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si, полученных ЭЛС, в зависимости от режима обработки и степени наводороживания. Установлено, что термообработка при 750 °C снижает величину микронапряжений на 30% в образцах ЭЛС Ti-6Al-4V, и на 26% в образцах ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si по сравнению с образцами, не подвергнутыми отжигу. Обработка при 850+500 °С вызывает уменьшение микронапряжений на 50% в образцах ЭЛС Ti-6Al-4V, и на 25% в образцах ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si по сравнению с образцами, не подвергнутыми отжигу. Особенностью образцов, подвергнутых двухстадийным термическим обработкам, является увеличение содержания доли бета-фазы. Наиболее ярко такой эффект проявляется при термическом воздействии в режиме 980+500 °С. В этом случае содержание β-фазы возрастает до 10,2 об.% в ЭЛС Ti-6Al-4V и до 13,1% в ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si. Микроструктура отожжённых при температуре 750 °С образцов схожа с микроструктурой образцов до отжига. Наблюдаются незначительные изменения в средней толщине пластин альфа-фазы, доля более мелких пластин уменьшается, что повышает средние размеры этих структурных составляющих в отожженных образцах. При отжигах 850+500 °С и 980+500 °С пластинчатые зерна альфа-фазы начинают укрупняться, что обусловлено уменьшением межфазной энергии, происходит процесс коагуляции альфа-пластин. Для образцов ЭЛС Ti-6Al-4V после термической обработки при 980+500 °С толщина пластин альфа-фазы находится в диапазоне от 0,7 до 6,7 мкм, для образцов ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si – от 0,6 до 1,4 мкм. Установлено, что термообработка при 750 °С не оказывает влияние на скорость поглощения водорода ЭЛС Ti-6Al-4V и Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si при газофазном наводороживании. После термической обработки при 9800+500 °С происходит резкое увеличение скорости поглощения водорода ЭЛС образцами. После термической обработки при 850+500 °С скорость поглощения водорода уменьшается в 1,6 раза. Различие в скорости поглощения водорода образцами после термической обработки обусловлено несколькими причинами. Во-первых, содержание бета-фазы в образцах. Во-вторых, скорость поглощения водорода определяется также микроструктурой образцов, наибольшей скоростью сорбции обладают образцы, характеризующиеся более измельченной микроструктурой. Насыщение водородом до концентраций 0,3 масс.% образцов, подвергнутых термической обработке, приводит к незначительному уменьшению толщины пластины альфа-фазы, увеличению толщины прослоек бета-фазы. Наводороживание (до концентраций 0,3 масс.%) приводит к уширению и небольшой асимметрии рефлексов α-фазы титана. Рефлексы β-фазы смещаются в сторону меньших углов в результате растворения атомов водорода в ней. Насыщение водородом вызывает увеличение доли бета-фазы, поскольку водород является ее стабилизатором. Термообработка и последующее насыщение водородом приводят к изменению значений микротвердости (средние значения микротвердости материала по Виккерсу после различных обработок представлены в дополнительных материалах). Образцы ЭЛС Ti-6Al-4V характеризуются значениями микротвердости около 390±10 HV0.5, ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si – 420±10 HV0.5. Наибольшее уменьшение микротвердости происходит при обработке 980+500 °С, так для образцов ЭЛС Ti-6Al-4V твердость составляет 315±10 HV0.5, для ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si – 355±10 HV0.5. Уменьшение микротвердости при термообработках при 850+500 °С и 980+500 °С обусловлено уменьшением внутренних напряжений в материале, укрупнением микроструктуры и ростом содержания β-фазы титана. Для всех образцов наблюдается увеличение микротвердости после насыщения водородом 0,3 масс.%. Для образцов, отожженных при 980+500 °С и насыщенных водородом, микротвердость увеличивается до 520±10 HV0.5 для ЭЛС Ti-6Al-4V и до 606±10 HV0.5 для ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si. Данные результаты обусловлены измельчением пластин альфа-фазы в результате наводороживания. Установлено, что термообработка практически не оказывает влияние на коэффициент износа экспериментальных образцов. В тоже время, двухстадийная термическая обработка позволяет повысить усталостную прочность титановых сплавов, изготовленных методом ЭЛС. Модифицирование поверхности пучками заряженных частиц и последующее наводороживание оказывают существенное влияние на микроструктуру и свойства титановых сплавов, изготовленных методом электронно-лучевого сплавления. После облучения импульсным ионным пучком (ИИП) происходит распад бета-фазы титана, в образцах фиксируются α'- и α"-фазы титана. Наблюдаемые изменения связаны с пересыщением твердого раствора легирующими элементами, в результате чего происходит образование мартенситных α'- и α"-фаз. Образование метастабильных фаз в результате облучения импульсным ионным пучком сплава ЭЛС Ti-6Al-4V обусловлено высокими скоростями нагрева и охлаждения поверхности. Воздействие 3 и 5 импульсами при неизменной плотности энергии в пучке незначительно влияет на величину микронапряжений в ЭЛС Ti-6Al-4V. В тоже время при обработке 10 импульсами наблюдается уменьшение величины микронапряжений с 2,1 до 1,5·10^-3. Установлено, что постобработка поверхности ЭЛС Ti-6Al-4V и ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si импульсными пучками приводит к значительному снижению скорости поглощения водорода. После насыщения водородом образцов, модифицированных ИИП, на дифрактограммах наблюдается только α-фаза титана. Мартенситная α"-фаза распадается под действием водорода, что подтверждается литературными данными. Анализ дифрактограмм не показал наличие гидридных фаз после наводороживания. После обработки наблюдается сглаживание рельефа поверхности образцов, наблюдаются единичные кратеры на поверхности. Более детальное исследование поперечных шлифов образцов с помощью просвечивающей электронной микроскопии показало, что структурные изменения простираются на глубину 1,5 мкм. Сформировавшаяся структура имеет несколько ярко выраженных зон. В первой зоне, глубиной порядка 600 нм, образовалась мелкодисперсная структура с пластинчатыми зернами со средней толщиной 10 нм. Следующий слой (со средней толщиной 600 нм) также характеризуется пластинчатым строением, однако здесь в большом количестве присутствуют выделения дисперсных частиц. Микроструктура на глубинах более 1,5 мкм представлена пластинами альфа-фазы, толщина которых варьируются от 0,12 до 1 мкм. Для образцов, модифицированных при 3 и 5 импульсах, твердость увеличивается до 650±20 HV0.3, для модифицированных при N=10 – до 680±20 HV0.5. При этом облучение ИИП не оказывает заметного влияния на коэффициент трения образцов. Насыщение водородом увеличивает микротвердость поверхности образцов. Установлено, что воздействие ИИП позволяет повысить усталостную прочность ЭЛС Ti-6Al-4V, при этом наилучший результат с числом циклов до разрушения 25100 наблюдается при N=5. Проведен неразрушающий контроль дефектной структуры образцов методами ультразвукового контроля, позитронной спектроскопии, компьютерной рентгеновской томографии. В структуре образцов присутствуют небольшие сферические поры, которые образовались вследствие захвата газа при затвердевании расплава. Наличие более крупных нерегулярных пор обусловлено слиянием небольших сферических пор во время частичного переплавления уже сформированных слоев. Увеличение тока пучка приводит к образованию более плотной структуры. Наименьшая пористость 0,086 % соответствует режиму сплавления при токе в пучке 17 мА, пористость 0,13 % соответствует току сплавления 13 мА. При более низких тока (до 5 мА) сплавления в структуре образцов присутствуют единичные крупные поры размером до 250 мкм, а также мелкие поры со средним размером 20 мкм. Методам спектрометрии временного распределения аннигиляции позитронов (ВРАП) и доплеровского уширения аннигиляционной линии (ДУАЛ) показано, что в образцах ЭЛС Ti-6Al-4V и ЭЛС Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si с градиентной структурой основными типам дефектов являются дислокации и вакансионные комплексы. Обработка при температурах ниже 980 °С приводит лишь к частичному отжигу данных дефектов. При двухстадийных термических обработках происходит формирование некогерентных включений вторичных фаз, межфазная граница которых обогащена дефектами. Наводороживание приводит к образованию водород-индуцированных дефектов (дислокации и простые водород-вакансионных комплексов), независимо от режима термообработки. На основе анализа полученных результатов разработаны рекомендации по выбору оптимальных технологических параметров электронно-лучевого сплавления и постобработки титановых сплавов Ti-6Al-4V, Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si для повышения их водородной стойкости.