Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Данный проект направлен на решение научной проблемы повышения удельной прочности титановых сплавов ВТ8М-1 и ВТ6, применяемых для производства элементов газотурбинных двигателей и других деталей аэрокосмической отрасли, а также для улучшения их эксплуатационных характеристик, в частности, термостабильности и жаропрочности. В соответствии с заявленным в проекте планом работ на 1 год проекта (2018-2019) год были выполнены следующие научно исследовательские работы: 1. В отчетный период были получены прутки из титановых сплавов ВТ6 и ВТ8М-1 диаметром 40 и 70 мм, соответственно (производство «ВСМПО-АВИСМА» г. Верхняя Салда). Проведена аттестация микроструктуры и механических свойств прутков в состоянии поставки. Для обеспечения условий пластической деформации труднодеформируемых титановых сплавов была проведена предварительная термическая обработка (ТО) с целью формирования дуплексной микроструктуры, состоящей из первичной α-фазы в объёме заготовки не более 30% и тонкопластинчатой α+β структуры. Для сплава ВТ6 была выбрана ТО, представляющая собой закалку в воду с температуры 960 °С в течение 1 часа с последующим отжигом при температуре 675 °С с выдержкой в течение 4 часов и охлаждением на воздухе. Прутки из сплава ВТ8М-1 были также подвергнуты ТО, включающей закалку с 940 °С 1час в воду с последующим нагревом до 700 °C и выдержкой один час. 2. УМЗ состояние в сплаве ВТ6 получали с помощью равноканального углового прессования (РКУП) по маршруту BC с углом пересечения каналов ψ=120°. Для формирования УМЗ структуры в сплаве ВТ8М-1 были использованы два метода термомеханической обработки (ТМО). С помощью РКУП были получены заготовки диаметром 30 мм по режиму 4 прохода по маршруту BC с углом пересечения каналов ψ=120° при температуре 750 °C. Также были получены прутки методом ротационной ковки (РК) при температуре 750 °С с постепенным обжатием по диаметру, с 70 мм до 32 мм. 3. По результатам аттестации микроструктуры образцов из сплава ВТ6, подвергнутого РКУП, в микроструктуре зерна первичной α-фазы имели искривленную форму и слаборазвитую внутреннюю субструктуру, при этом их размер изменился мало и составлял в среднем не более 8 мкм. В двухфазных α+β областях сформировалась УМЗ структура со средним размером зерен/субзерен α и β-фазы около 0,35 мкм. Трансформация микроструктуры в сплавах ВТ6 и ВТ8М-1 после РКУП имели общие закономерности, при этом средний размер зерен/субзерен в сплаве ВТ8М-1 был больше и составлял около 0,5 мкм. Выявлены отличительные особенности в микроструктуре сплава ВТ8М-1, подвергнутого ротационной ковке (РК). По результатам ПЭМ в структуре образца ТО+РК средний размер субзерен в результате деформации и фрагментации пластин α-фазы был заметно меньше по сравнению с РКУП и варьировался от 0,2 до 0,3 мкм. 4. По результатам проведенных экспериментальных исследований было установлено, что РК обеспечивает формирование УМЗ структуры с размером зерен/субзерен менее 0.3 мкм и повышенные прочностные и пластические свойства относительно обработки методом РКУП. Поэтому для проведения дальнейших исследований, запланированных в данном проекте, была выбрана термомеханическая обработка, включающая ТО и ротационную ковку. Основное внимание будет уделено сплаву ВТ8М-1, так как он является более интересным в качестве современного жаропрочного материала. 5. Исследовано механическое поведение КЗ и УМЗ сплава ВТ8М-1, полученного ТО+РК, при температурах в интервале от 300 до 550 °С В случае УМЗ структуры характер зависимости предела прочности и текучести от температуры испытания изменился по сравнению с КЗ состоянием: более интенсивное снижение прочности в РК сплаве по сравнению с КЗ. При 550 °С предел прочности и текучести РК и КЗ состояний практически идентичны. Пластичность обоих состояний с повышением температуры испытаний растет по закону близкому к экспонентному. 6. Исследование деградации микроструктуры КЗ и УМЗ (РК) сплава ВТ8М-1 проводилось после длительных выдержек в печи (до 500 часов) при температуре 450°С. Для исследования были использованы методы растровой, просвечивающей микроскопии, рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа. Сравнение микроструктуры сплава в КЗ и РК состояниях до и после длительных 500 часовых отжигов свидетельствует о том, что проведение отжигов не привело к каким либо значимым изменениям морфологии и размеров элементов структуры. Вместе с тем, исследование тонкой структуры РК образца после отжига в течение 300 ч, показало, что в результате расшифровки дифракционной картины были идентифицированы дополнительные рефлексы, которые образовали кольцо рядом с рефлексом (-1-10)β. Предположительно, в процессе длительных нагревов происходит выделение вторичных частиц на основе Ti, Zr, Si в результате старения, что требует более детального изучения в следующем году. Исследование термостабильности РК состояния показывает небольшие флуктуации пределов прочности, текучести и относительного удлинения, значения которых находящиеся в пределах ошибки измерения. Такое поведение свидетельствует о высокой термостабильности механических свойств РК сплава ВТ8М-1 при эксплуатационной температуре.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Данный проект направлен на улучшение эксплуатационных характеристик, термостабильности и жаропрочности (расширенное применение и/или увеличенный срок службы) титанового сплава ВТ8М-1, применяемого для производства элементов газотурбинных двигателей и других деталей аэрокосмической отрасли, как и повышения удельной прочности материала (снижение веса изделий) за счет создания ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры и выделения зернограничных термостабильных сегрегаций на основе Zr, Si, В отчетный период были проведены испытания на длительную прочность в области эксплуатационных температур (250-450 °С), в частности, при температурах 300, 400, 450 и 500 °С. Получены результаты исследования длительной прочности образцов двухфазного сплава ВТ8М-1 с ультрамелкозернистой структурой бимодального типа, полученной методом ротационной ковки с предварительной термообработкой. Показано, что формирование ультрамелкозернистой структуры в образцах титанового сплава ВТ8М-1 приводит к повышению сопротивления ползучести в интервале температур испытаний до 450 °C. Сто часовая длительная прочность при температуре 400 °C образцов сплава с ультрамелкозернистой структурой превосходит аналогичные данные для обычного крупнозернистого состояния сплава и составила 850 МПа по сравнению с 750 МПа, соответственно. Проведены исследования тонкой структуры образцов сплава ВТ8М-1 с ультрамелкозернистой структурой до и после испытаний на длительную прочность с целью выявления деградации УМЗ структуры (фазовые изменения, выделения вторичных фаз и их идентификация и т.п.). По результатам исследований микроструктуры установлено, что при формировании в образцах сплава ВТ8М-1 ультрамелкозернистого состояния методом ротационной ковки при температуре 750 °С, в структуре выделяются частицы силицидов типа (TiZr)xSiy. Такие частицы имеют ГПУ решетку. Размер частиц составляет 80-100 нм. Установлено, что частицы располагаются преимущественно по межфазным α/β границам. Их объемная доля составляет примерно 1%. Получены результаты исследований микроструктуры образцов сплава ВТ8М-1 в ультрамелкозернистом состоянии после испытания на длительную прочность. Установлено, что форма, размеры и места расположения частиц заметно не меняются. Повышенная, относительно обычного крупнозернистого состояния сплава ВТ8М-1, прочность образцов сплава в ультрамелкозернистом состоянии при постоянном напряжении в интервале температур ползучести 250-450 °С обеспечивается частицами силицидов, располагающимися на межфазных границах, которые сдерживают миграцию границ зерен.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на улучшение эксплуатационных характеристик, термостабильности и жаропрочности (расширенное применение и/или увеличенный срок службы) титановых сплавов ВТ8М-1 и ВТ6, применяемых для производства элементов газотурбинных двигателей и других деталей аэрокосмической отрасли, как и повышения удельной прочности материала (снижение веса изделий) за счет создания бимодальной ультрамелкозернистой структуры методами РКУП и/или ротационной ковки и выделения сегрегаций Si, Zr и их соединений. В отчетном периоде были проведены испытания на сопротивление усталости в малоцикловой области образцов УМЗ сплава ВТ6 в сравнении с обычном КЗ состоянием микроструктуры при эксплуатационной температуре 400°C. Показано, что в случае УМЗ структуры наблюдается более сильный наклон аппроксимированной прямой относительно оси абсцисс вплоть до 105 циклов. По сравнению с КЗ аналогом сплав демонстрирует повышенную долговечность при одинаковых амплитудах циклических напряжений. По результатам фрактографических исследований изломов образцов как сплава ВТ6 с обычной КЗ и УМЗ структурой до и после усталостных испытаний при повышенной температуре показано, что усталостное разрушение УМЗ сплава ВТ6 при 400С в области МЦУ имеет характерные для титановых сплавов признаки: стадийность разрушения, долом с типичным для титановых сплавов ямочным рельефом. Выявлены некоторые отличительные особенности разрушения УМЗ сплава: большая площадь зоны I (стабильная скорость роста трещины) при одинаковой амплитуде напряжений; менее грубые площадки сдвига в зоне I и более мелкие ямки в зоне долома. Проведенные исследования микроструктуры УМЗ сплава ВТ6 после усталостных испытаний не выявили значительных изменений по сравнению со структурой до испытаний, что свидетельствовало о ее достаточно стабильности при циклическом нагружении при температуре эксплуатации сплава (400С). Повышение термостабильности и жаропрочности двухфазных титановых сплавов на примере сплавов ВТ8М-1 и ВТ6, может быть обусловлено следующими причинами: - в отличие от КЗ сплава ВТ8М-1, в УМЗ состоянии уже после интенсивной пластической деформации в структуре наблюдали дисперсные частицы типа (TiZr)6Si3 размером до 100 нм, располагающиеся преимущественно на межфазных границах α/β фаз и сдерживающие их перемещение; - формирование бимодальной УМЗ структуры в сплавах ВТ6 и ВТ8М1, состоящей из равноосных зерен α фазы и фрагментированных α/β пластин шириной 150 нм, также может оказывать влияние на характеристики жаропрочности при невысоких (до 400С) эксплуатационных температурах, когда процессы возврата еще малоактивны. Это обусловлено уменьшением размеров структурных элементов, то есть уменьшением длины свободного пробега дислокаций, увеличением площади межфазных границ, наличием развитой субструктуры и др.