Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Путем анализа литературных данных по влиянию легирующих элементов на формирование микроструктуры, показатели сверхпластичности и механические свойства титановых сплавов, а также термодинамических расчетов, выбраны перспективные составы модельных титановых сплавов. Получена серия сплавов разного химического состава на основе системы Ti-Al-V-Mo с разным содержанием элементов: никеля, железа, и молибдена. Также получена серия сплавов с полной заменой молибдена на железо, кобальт и никель, содержание которых было выбрано по термодинамическим расчетам с учетом обеспечения одинаковой температуры бета-трансуса и близкого соотношения объемных долей альфа и бета фаз при оптимальной температуре сверхпластической деформации модельного сплава Ti-4Al-1V-3Mo. Определены фазовые составы и температуры фазовых переходов полученных материалов. Путем термической и деформационной обработки получены листовые полуфабрикаты и проведен детальный анализ микроструктуры в интервале предполагаемых температур проявления сверхпластичности, в результате чего определены экспериментальные зависимости изменения объемных долей и размеров зерен альфа и бета-фаз от температуры отжига. Определены показатели сверхпластичности полученных сплавов в интервале температур и скоростей, а также механические свойства при комнатной температуре после сверхпластической деформации. Исследовано влияние легирующих элементов на кинетику статического и динамического роста зерен в процессе сверхпластической деформации. Путем анализа эволюции микроструктуры установлено, что в сплавах с полной заменой молибдена на элементы с большей диффузионной способностью (никель, кобальт, железо) в количестве, обеспечивающем одинаковое соотношение альфа и бета фаз) увеличивается размер зерен после термомеханической обработки и отжига, а также происходит сильный рост зерен в процессе сверхпластической деформации, что в свою очередь снижает показатели сверхпластичности. Результаты исследования влияния легирования сплава Ti-Al-Mo-V различным содержанием железа (0.5-2%) на микроструктуру и показатели сверхпластичности показали, что увеличение содержания железа способствует облегчению рекристаллизации и фрагментации альфа и бета фаз во время сверхпластической деформации, а также зернограничного скольжения вследствие ускорения диффузии. С другой стороны, увеличение содержания железа способствует ускоренному росту зерен в процессе деформации. Сплавы проявляют высокий коэффициент скоростной чувствительности m (0,45–0,5) и максимальное удлинение до разрушения (500–1000 %) при постоянной скорости деформации 0.001 1/с и в диапазоне низких температур (625–775 °С). Легирование сплава железом также повышает предел прочности при комнатной температуре после сверхпластической деформации на 90–220 МПа и снижает пластичность на 1–2 %. В результате показано, что 0.5% Fe достаточно для обеспечения хорошей сверхпластичности сплава при 700–775 °С и высоких прочностных свойств при комнатной температуре без существенной потери пластичности. Результаты исследования влияния легирования 0.5–1.8%Ni сплава Ti-Al-Mo-V также показали, что благодаря понижению температуры бета-трансуса и увеличению коэффициента диффузии увеличение содержания Ni значительно улучшает показатели сверхпластичности: в 1.5–3 раза более низкое напряжение течения, в 2.5–3 раза большее удлинение до разрушения и в 1.4–1.7 раза более высокий коэффициент скоростной чувствительности по сравнению со сплавом, не содержащим Ni. Однако, при увеличении содержания никеля до 1.8 % происходит выделение интерметалидной фазы Ti2Ni при пониженных температурах деформации, что в свою очередь приводит к снижению показателей сверхпластичности. В результате показано, что сплав Ti-4Al-3Mo-1V-0.9Ni-0.1B обладает хорошим сочетанием низкотемпературной сверхпластичности и механических свойств при комнатной температуре: удлинение до разрыва 500–900 % в температурном диапазоне 625–775 °С и постоянной скорости деформации 0.001 1/с, пределе текучести 885 МПа и временном пределе прочности 1020 МПа после предварительного деформирования на 100 % в режиме сверхпластичности и упрочняющей термической обработки. Результаты исследования сплавов Ti-4Al-1V-1Fe-1Ni-(2-5Mo)-0.1B показали незначительное влияние увеличения содержания молибдена относительное удлинение и рост зерен в процессе сверхпластической деформации при температурах выше 700 С. Однако, благодаря увеличению объемной доли бета фазы увеличение содержания молибдена до 5 % позволяет получить высокие удлинения и значительно снизить напряжение течения при низкой температуре деформации 625 °С. В ходе первого года выполнения проекта было сделано два устных доклада на международных научных конференциях и опубликованы две научные статьи в журналах первого квартиля (Q1): Kotov, A.D.; Postnikova, M.N.; Mosleh, A.O.; Cheverikin, V.V.; Mikhaylovskaya, A.V. Microstructure and Superplastic Behavior of Ni-Modified Ti-Al-Mo-V Alloys. Metals 2022, 12, 741. https://doi.org/10.3390/met12050741 Kotov, A.D.; Postnikova, M.N.; Mosleh, A.O.; Mikhaylovskaya, A.V. Influence of Fe on the microstructure, superplasticity and room-temperature mechanical properties of Ti-4Al-3Mo-1V-0.1B alloy. Materials Science and Engineering A, 2022, 845, 15 June 2022, 143245. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143245

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Выполнены исследования сплавов с частичной заменой 1%Мо в базовом сплаве Ti-4%Al-1%V-3%Mo на элементы с высокой диффузионной способностью Fe, Co, Ni в количестве, обеспечивающем одинаковую температуру β-трансуса с целью более комплексного анализа влияния элементов с разной диффузионной способностью на эволюцию микроструктуры и показатели сверхпластичности. Путем анализа эволюции микроструктуры и сравнения полученных результатов с результатами первого этапа работы для сплавов с полной заменой Mo, показано, что увеличение концентрации Мо до 2% и, следовательно, снижение концентрации β-стабилизаторов в сплаве Ti-Al-Mo-V способствовало формированию более мелкозернистой микроструктуры перед началом сверхпластической деформации в сравнении со сплавами с полной заменой 3%Mo и большей стабильности микроструктуры в процессе деформации. Также, сплавы демонстрировали в 1,5–2 раза более низкие напряжения течения при пониженных температурах 675–725 °С по сравнению с базовым сплавом Ti-4Al-3Mo-1V. Таким образом была показана необходимость содержания в сплавах помимо β-стабилизаторов с высокой диффузионной способностью Fe, Ni и Co также и медленнодиффузионного β-стабилизатора Mo. Также выполнены исследования по влиянию легирования 0,5–2% Co на микроструктуру и показатели сверхпластичности сплава системы Ti-Al-V-Mo. В результате легирование 0,5–2% Со привело к эффективному снижению температуры сверхпластической деформации и повышению показателей сверхпластичности за счет увеличения объемной доли β-фазы и повышения коэффициента диффузии сплава. Было показано, что при минимальной температуре деформации (625 °C) сплав с 2% Со сохранял высокое значение показателя m, равное 0,5. Сверхпластическая деформация при 625 °C сплава 2Со сопровождалась равномерным течением с удлинением до разрушения равным 850% с наименьшим напряжением течения по сравнению со сплавами с аналогичным содержанием Fe и Ni. Таким образом была показана перспективность использования добавки кобальта для выбора состава сплава. Выявлены закономерности влияния малых добавок бора и редкоземельных металлов (Er, Y, Yb) на фазовый состав, а также на параметры зеренной структуры, ее термическую и деформационную стабильность, а также на показатели сверхпластичности. В сплавах с добавками 0,01–0,1%В показано образование в процессе кристаллизации дисперсных частиц фазы TiB, а в сплавах с добавками Y и Er показано формирование дисперсных частиц Y2О3 и Er2O3. Установлено, что увеличение содержания бора до 0,1%, позволяет уменьшить средний размер зерен в литом состоянии более чем в три раза. Добавка 0,2%Y также способствует измельчению литой зеренной микроструктуры более чем в три раза. Малые добавки Er и Yb при этом не оказали влияния на размер первичных β-зерен при кристаллизации. Также добавки бора, а также иттрия и эрбия, обеспечивают снижение напряжения течения при сверхпластической деформации, что объясняется ускорением процессов рекристаллизации и глобуляризации микроструктуры благодаря присутствию в микроструктуре частиц TiB, Y2О3 и Er2O3. Также, путем анализа эволюции микроструктуры было установлено благоприятное влияние добавки иттрия на деформационную стабильность зеренной структуры, особенно при пониженных скоростях сверхпластической деформации. Проведен анализ полученных результатов по влиянию легирования элементами с разным коэффициентом диффузии на показатели сверхпластичности при помощи расчета эффективного коэффициента диффузии и построения зависимости показателей сверхпластичности от диффузионного параметра и объемной доли β-фазы. В результате анализа полученных закономерностей был выбран состав сплава Ti-4Al-1V-5Mo-1Fe-1Co-0,05B-0,05Y. Получены закономерности влияния параметров термомеханической обработки на конечную микроструктуру путем испытаний на сжатие на комплексе физического моделирования Gleeble 3800 в интервале температур 700–780 °С и скоростях 0,1-10 1/c, а также разработана модель деформационного поведения исследуемого сплава. На основании полученных результатов были предложены режимы термомеханической обработки сплава. Показано, что деформация в температурной области 700–740 °С при скоростях 0,1-1 1/c обеспечивает формирование ультрамелкозернистой микроструктуры исследованного сплава. Были получены листы исследованного сплава по разным режимам термомеханической обработки и показано, что наилучшие показатели сверхпластичности обеспечивает термомеханическая обработка сплава при 700 °С. При прокатке при данной температуре сплав обеспечивает наибольшее относительное удлинение 700–1000% и наименьшее напряжение течения при низкотемпературной сверхпластической деформации при 625-700 °С при скорости 0,001 1/c в сравнении с термомеханической обработкой при более высоких температурах. В ходе второго года выполнения проекта было сделано 3 устных и 3 стендовых доклада на международных научных конференциях и опубликованы три научные статьи, две в журналах первого квартиля (Q1) по JCR Science Edition и SJR и одна в журнале, индексируемым RSCI. 1. Maria N. Postnikova; Anton D. Kotov; Andrey I. Bazlov; Ahmed O. Mosleh; Svetlana V. Medvedeva; Anastasia V. Mikhaylovskaya. Effect of Boron on The Microstructure, Superplastic Behavior, and Mechanical Properties of Ti-4Al-3Mo-1V Alloy. Materials 2023, 16(10), 3714. https://doi.org/10.3390/ma16103714 2. Kotov, A.D.; Postnikova, M.N.; Mosleh, A.O.; Mikhaylovskaya, A.V. Effect of Mo content on the microstructure, superplastic behavior, and mechanical properties of Ni and Fe-modified titanium alloys. Materials Science and Engineering A 2023. (В печати). 3. Постникова М.Н., Котов А.Д. Исследование влияния Fe и Ni на температуру сверхпластической формовки сплава ВТ14. Вестник Московского авиационного института. 2023, Т. 30, № 1, С. 217-226. DOI: 10.34759/vst-2023-1-217-226