Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Отработана методика высокотемпературного синтеза металломатричных композиционных материалов. Выбраны оптимальные составы шихтовых материалов. Изучены механизмы горения стехеометрических составов 63.5 масс. % NiB + 36.5 масс. % Ti и 54 масс.% CrN +46 масс.%TiNi. Показано, что для исследуемых систем реализуется механизм спинового горения, определены кинетические особенности и температуры реакции синтеза. Получены опытные партии порошков металлокерамических композиционных материалов систем NiCr-TiN и NiTi-TiB2. 2. Проведены исследования структурно-фазового состояния металломатричных композиционных материалов. Получены данные о морфологии частиц композиционных материалов на основе систем NiCr-TiN и NiTi-TiB2 и порошков сплавов марки Inconel 625. Установлено бимодальное распределение керамических частиц в металлической матрице. Разработаны паспорта качества на используемые порошковые материалы. 3. Выполнен комплекс экспериментальных работ по получению образцов металломатричных композиционных материалов Inconel 625+NiCr-TiN и Inconel 625+NiTi-TiB2 с применением технологии прямого лазерного выращивания при различных режимах. Определены оптимальные параметры (скорости, мощности, стратегии прямого лазерного выращивания) для получения бездефектных структур композиционных материалов. Дополнительно определены параметрические особенности получения жаропрочных композиций с применением технологии селективного лазерного сплавления. Исследованы особенности формирования материалов при селективном лазерном плавлении сплавов жаропрочных материалов, определены механические свойства полученных образцов. Исследовано влияние режимов термообработки на механические характеристики. Показано, что предел прочности образцов из жаропрочного никелевого сплава без термической обработки составляет ~ 950 МПа; образцов, подвергнутых термообработке, составляет ~ 1070 МПа. Сверх установленных в плане задач проведены экспериментальные работы по механической (фрезерной) обработке образцов металломатричных композиционных материалов, полученных с применением технологии прямого лазерного выращивания. 4. Проведена сравнительная оценка структурных параметров металломатричных композиционных материалов, полученных с применением классических подходов (прессование с последующим спеканием) и с применением технологии прямого лазерного выращивания. Установлены закономерности формирования структурных параметров и фазового состава полученных металломатричных композиционных материалов. Показано, что при использовании аддитивной технологии прямого лазерного выращивания формируются структуры с меньшим количеством дефектов в виде пор, при этом наследуется композиционная структура материалов. 5. Проведены комплексные экспериментальные исследования механического поведения металломатричных композиционных материалов. Получены результаты исследований физико-механических свойств композиционных материалов, выявлены параметры напряженно-деформируемого состояния композиционных материалов. Показано, что предел прочности при сжатии для системы NiTi-TiB2 составил 2100 МПа, в то же время для системы NiCr-TiN предел прочности при сжатии составил не более 1200 МПа. По-видимому, меньшие значения предела прочности при сжатии для системы NiCr-TiN связаны с большей дефектностью структуры, вызванной технологическими сложностями спекания данной системы. Следует отметить, что твердость по Виккерсу полученных спеканием металломатричных композиционных материалов составляла не менее 8 ГПа. При введении синтезированных систем NiCr-TiN и NiTi-TiB2 (на уровне 5 масс.%) в матрицу на основе сплава типа Inconel 625 с применением технологии прямого лазерного выращивания наблюдалось повышение твердости полученных материалов на уровне 30% от исходного сплава, при этом установлено снижение пластичности и предела текучести полученных материалов. 6. Проведены экспериментальные исследования образцов, полученных с применением аддитивной технологии прямого лазерного выращивания, методом динамических ударно-волновых испытаний. Получены новые фундаментальные результаты по ударно-волновому нагружению материалов, полученных с применением технологии прямого лазерного выращивания. Представлены результаты исследований скоростных зависимостей сопротивления деформированию и разрушению. Установлено, что значения откольной прочности для материалов, полученных с применением аддитивных технологий, значительно превышают значения откольной прочности для сплавов, полученных с помощью традиционной технологии. 7. Проведена разработка модели, отражающей особенности структурной организации на микро-, мезо- и макроуровнях металломатричных композиционных материалов. Сформированные структурные модели будут использованы на последующих этапах выполнения проекта для расчетов квазистатичесого и динамического нагружения представительных мезообъемов. При этом процентное содержание армирующих частиц размера может быть задано в любом доступном диапазоне (5-90%). Комплекс полученных результатов был представлен на двух крупных научных конференциях. Часть полученных экспериментальных данных опубликована в высокорейтинговых изданиях, входящих в Q1 (2 статьи).Также опубликована 1 статья РИНЦ/Scopus. Ссылка на информационные ресурсы, посвященные проекту: https://www.riatomsk.ru/article/20201012/kak-materialovedi-tgu-kardinaljno-menyayut-splavi/.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На втором этапе выполнения проекта были выполнены следующие работы. 1. Получены экспериментальные образцы металломатричных композиционных материалов Inconel 625-TiB2 в диапазоне варьирования содержания частиц диборида титана от 5 до 90 вес% с применением технологии прямого лазерного выращивания; 2. Проведены исследования структуры, фазового и элементного состава, а также тонкой кристаллической структуры образцов металломатричных композиционных материалов Inconel 625-TiB2 с содержанием частиц диборида титана от 5 до 90 вес%. 3. Проведены исследования физико-механических свойств металломатричных композиционных материалов Inconel 625 -TiB2 с содержанием частиц диборида титана от 5 до 90 вес.% выращивания в условиях квазистатических нагружений; 4. Проведены исследования физико-механических свойств металломатричных композиционных материалов Inconel 625 -TiB2 в условиях квазистатических нагружений при температурах 400оС, 550оС, 700оС, 800оС и 1000оС; 5. Проведены серии экспериментов по ударно-волновому нагружению полученных металломатричных композиционных материалов Inconel 625 -TiB2. Проведены исследования скоростных зависимостей сопротивления деформированию и разрушению композиционных материалов и анализ кинетических закономерностях высокоскоростной деформации и разрушения; 6. Выполнено построение прогностических физико-математических моделей, отражающих особенности дисперсного упрочнения материалов на основе металломатричных композитов Inconel 625 -TiB2, полученных с применением прямого лазерного выращивания. 7. Проведена верификация разработанных моделей, проведены серии тестовых расчетов напряжённо-деформированного состояния металломатричных композиционных материалов Inconel 625 -TiB2, полученных с применением прямого лазерного выращивания, c различным содержанием упрочняющих частиц, для оценки эффективных свойств. 8. Полученные результаты представлены на международных конференциях и симпозиумах. 9. Опубликованы 2 статьи в высокорейтинговых научных журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и/или «Скопус» (Scopus). Получены следующие научные результаты. 1. Проведен синтез композиционных порошков системы (Ni-Ti)-TiB2 с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Установлен спиновый характер распространения фронта экзотермической реакции. Установлен фазовый состав продуктов синтеза. С применением сканирующей электронной микроскопии показано, что матричный материал частиц состоит из интерметаллидов типа Ni-Ti, внутри которого распределены частицы диборида титана. Подобраны оптимальные режимы процесса получения образцов в каждом случае. 2. Исследования фазового состава полученных образцов показали, что с увеличением содержания композиционных порошков в матричном Inconel 625 наблюдалось уменьшение областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей для всех фаз (Ni, NiTi). При этом повышение концентрации частиц NiTi-TiB2 приводит к увеличению содержания частиц диборида титана и их удельной поверхности в исходной смеси. Следует выделить результаты по формированию внутренней структуры полученных композиционных материалов. Показано, что оптимальная, с точки зрения гомогенности фаз, структура формируется в композитах Inconel 625 + 5 масс. % NiTi-TiB2. Увеличение содержания частиц NiTi-TiB2. приводит к росту среднего размера керамических включений. При этом сохраняется их равномерное распределение. Однако в образцах с содержанием порошков NiTi-TiB2 свыше 50% наблюдались дефекты в виде пор и трещин, вероятно, связанные с накоплением внутренних напряжений. 3. Исследования физико-механических свойств полученных металломатричных композиционных материалов показали, что с увеличением концентрации (Ni-Ti)-TiB2 в исходной смеси от 5 до 90 масс. % наблюдается увеличение микротвердости выращенных образцов от 460 до 790 HV0,1. Увеличение концентрации частиц (Ni-Ti)-TiB2 в исходной смеси от 0 до 30 масс. % приводит к росту предела прочности от 860 до 1000 МПа. Дальнейшее повышение концентрации частиц от 30 до 90 масс. % приводит к снижению предела прочности до 400 МПа. При этом деформация образцов линейно снижается от 48 до 2,5 % с увеличением доли композиционных частиц (Ni-Ti)-TiB2 в исходной смеси от 0 до 90 масс. %. 4. Испытание на прочность при трёхточечном изгибе образцов Inconel 625 и Inconel 625 - 5 масс.% (Ni-Ti)-TiB2 показали, что при комнатной температуре предел прочности и деформация материалов, полученных из чистого Inconel 625, составили 2095 МПа и 5,8% соответственно. Повышение температуры до 1000°С привело к снижению механических параметров до 687 МПа и 0,7% соответственно. Добавление 5 масс. % композиционных частиц NiTi–TiB2 позволяет увеличить предел прочности образцов как при комнатной температуре (2410 МПа), так и при повышенных (760 МПа при 1000°С). При этом наблюдается снижение деформации материалов относительно образцов Inconel 625. 5. Проведенные исследования по ударно-волновому нагружению металломатричных композиционных материалов показали, что в поведении деформации наблюдаются относительно незначительные различия для образцов, вырезанных вдоль и поперек слоев выращивания. Измерены откольная прочность и предел упругости Гюгонио, построены ударные Гюгонио и определена скорость сжатия в пластической ударной волне образцов металломатричных композиционных материалов, полученных методом прямого лазерного напыления. Измерения проводились вдоль и перпендикулярно направлению оси прямого лазерного выращивания. Измерения показали незначительное (т.е. практически отсутствующее) влияние направления лазерного выращивания относительно направления удара на зависимость скорости ударной волны от скорости частиц и величину откольной прочности. 6. В качестве модели разрушения был использован критерий «пластическая деформация». Эта модель может быть указана с любой моделью пластического течения. Объемное разрушение в ячейке происходит, когда эффективная пластическая деформация превышает заданное предельное значение. Когда это происходит, девиаторы напряжения устанавливаются равными нулю, и при послеразрушающем течении в этой ячейке материал не может выдерживать никакой прочности на сдвиг. Для керамических включений модель прочности Джонсона-Холмквиста и модель разрушения Джонсона-Холмквиста должны использоваться вместе. Поведение модели при растяжении позволяет использовать основное растягивающее напряжение, начало разрушения и гидродинамический предел растяжения для улучшения представления радиальных и конусных трещин при моделировании высокоскоростного взаимодействия. Для моделирования динамической нагрузки вычислительной представительной ячейки микросекундным импульсом использовался метод конечных разностей, реализованный в программном комплексе ANSYS-19 / AUTODYN. 7. Для верификации разработанных моделей были проведены серии расчетов для скоростей нагружения 200 - 1200 м/c. Результаты эффективной пластической деформации для последовательных интервалов времени свидетельствуют о формировании локальных повреждений керамических включений в зоне ударного перехода. Проведенные расчеты показали, что локализация пластических деформаций наблюдается в волне разрежения у границ упрочняющих частиц и областях между упрочняющих частиц при скоростях деформации 200 м/с. Максимальная диссипация энергии, основанная на критерии анализа кривых характерных работ разрушения показывает, что для выбранных моделей максимальные значения достигаются для композитов с наполнением 15%.Для керамических включений пластические деформации локализуются на микроскопическом уровне в области ударного перехода. Существенного изменения в развитии изменения форм и размеров конфигурации зон локального повреждения после увеличения времени гидростатического сжатия не обнаружено.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На третьем этапе выполнения проекта были выполнены следующие работы: 1. Получены экспериментальные образцы металломатричных композиционных материалов Inconel 625-TiN в диапазоне варьирования содержания частиц диборида титана от 5 до 90 вес% с применением технологии прямого лазерного выращивания; 2. Исследованы структура, фазовый и элементный состав, а также тонкая кристаллическая структура образцов металломатричных композиционных материалов Inconel 625-TiN с содержанием частиц диборида титана от 5 до 90 вес%. 3. Проведены исследования физико-механических свойств металломатричных композиционных материалов Inconel 625-TiN с содержанием частиц диборида титана от 5 до 90 вес.% выращивания в условиях квазистатических нагружений. 4. Проведены исследования физико-механических свойств металломатричных композиционных материалов Inconel 625-TiN в условиях квазистатических нагружений при температурах 400оС, 550оС, 700оС, 800оС и 1000оС. 5. Проведено построение прогностических физико-математических моделей, отражающих особенности дисперсного упрочнения материалов на основе металломатричных композитов Inconel 625-TiN, полученных с применением прямого лазерного выращивания. 6. Выполнена верификация разработанных моделей, проведены серии тестовых расчетов напряжённо-деформированного состояния металломатричных композиционных материалов Inconel 625-TiN, полученных с применением прямого лазерного выращивания, c различным содержанием упрочняющих частиц, для оценки эффективных свойств. 7. Представление полученных результатов на международных конференциях и симпозиумах. 8. Опубликованы 2 статьи в высокорейтинговых научных журналах, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) и/или «Скопус» (Scopus). Получены следующие научные результаты: 1. Методом СВС проведен синтез порошковых компонентов CrN и TiNi . Установлено, что температура реакции экзотермической реакции компонентов смеси несколько выше в образцах большего размера и массы, что связано с повышением поверхности реагирования компонентов. С применением прямого лазерного выращивания получены образцы композиционных материалов системы Inconel 625 – TiN. Установлено, что элементы титана, хрома, никеля, алюминия и карбона имеют высокую концентрацию в области, содержащей частицы CrNi-TiN, тогда как железо распределяется равномерно по всей поверхности образца. Установлено наличие включений частиц CrNi-TiN в матрице Inconel 625. 2. Концентрация СВС-частиц в исходной смеси оказывает существенное влияние на свойства получаемых композитов. При низкой концентрации (5 масс. %) частицы равномерно распределены в матрице и образуют композит с хорошими механическими свойствами. Однако, увеличение концентрации СВС-частиц до 90 масс. % приводит к образованию крупных агломератов керамических включений и снижению качества получаемых композитов. Полученные результаты могут быть полезны при проектировании и оптимизации процессов получения аддитивных композитов на основе порошковых смесей. Прямое лазерное выращивание из порошковой смеси Inconel 625 – TiN и Inconel 625 – CrNi - TiN позволяет получать материалы прямоугольной формы с равномерным построением слоев оболочки без ярко выраженных дефектов. Рентгенофазовый анализ показывает, что все композиционные материалы содержат фазы Ni и TiN, а с увеличением массовой концентрации частиц CrNi - TiN в исходной смеси происходит увеличение фазы нитрида титана и уменьшение никелевой фазы. Параметры решетки всех обнаруженных фаз близки к теоретическим. Размер области когерентного рассеяния материалов характеризует размер кристаллитов в материалах, и его увеличение связано с повышением концентрации частиц CrNi - TiN в исходной смеси. РЕМ-изображения структур образцов композиционных материалов показывают, что керамические включения TiN распределены неравномерно, и их размер изменяется с увеличением доли частиц CrNi - TiN в исходной смеси. 3. Установлено, что увеличение концентрации CrNi – TiN в исходной смеси от 0 до 30 масс. % приводит к росту предела прочности от 830 до 940 МПа, однако, дальнейшее повышение концентрации частиц до 90 масс. % приводит к снижению предела прочности до 380 МПа. Увеличение предела прочности при растяжении композиционных материалов связано с механизмом гетерофазного армирования металлической матрицы керамическими включениями и уменьшением среднего размера матричного зерна. Однако, дальнейшее повышение доли СВС-частиц в исходной смеси до 90 масс. % приводит возникновению внутренних напряжений и образованию трещин и дефектов, снижающих показатель прочности композитов. Оптимальной концентрацией композиционных СВС-частиц CrNi – TiN в исходной порошковой смеси является 5 масс. %, при которой структура материалов имеет равномерное распределение обособленных частиц нитрида титана в матричном материале без образования их агломератов и не обнаружено дефектов и пор. Полученные результаты позволяют выбрать оптимальный состав материалов для проведения высокотемпературных испытаний на трехточечный изгиб. 4. В результате проведенных испытаний на трехточечный изгиб было выявлено, что добавление 5 масс. % СВС-частиц CrNi – TiN в порошковую смесь Inconel 625 приводит к увеличению предела прочности образцов как при комнатной температуре, так и при повышенных (1000°С) температурах. При этом наблюдается снижение деформации композиционных материалов относительно образцов из чистого Inconel 625. Увеличение предела прочности связано с механизмами гетерофазного армирования и измельчения зерен матричного материала за счет частиц нитрида титана, выступающих в качестве центров их кристаллизации. 5. При воздействии ударных волн на композиты Inconel 625 -TiN происходит интенсивная многолокальная пластическая деформация, провоцирующая образование микротрещин, которые могут привести к общей разрушаемости материала. Было показано, что при росте давления в области фронта ударной волны возрастает максимальное значение пластической деформации и общее значение эффективного упругого модуля сдвига. При этом, при увеличении температуры наблюдается снижение модуля сдвига, что необходимо учитывать при разработке композитных материалов для применения в условиях высоких температур. Использование математических моделей и численных методов позволяет получить более точные прогнозы поведения композитных материалов при различных динамических воздействиях и оптимизировать их свойства для конкретных применений. 6. Установлено, что максимальные работы на разрушение для металломатричных композитов достигаются при содержании упрочняющих частиц в размере 15%. Выявлено, что развитие пластического течения в металлической матрице обеспечивает частичный перенос кинетической энергии частиц на упрочняющие частицы, что приводит к формированию зон локальных повреждений керамических включений в зоне ударного перехода. Микроповреждения локализованы на мезоскопическом уровне в местах расположения армирующих керамических частиц. При увеличении времени гидростатического сжатия фронтом ударной волны не обнаружено существенного изменения размеров и конфигурации зон локальных повреждений.