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

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 проекта 22-79-10264

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

Руководитель Шалин Алексей Владимирович, Кандидат технических наук

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

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 слова Титановый 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.31044/1814-4632-2023-6-9-15

2. 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)
10.31044/1814-4632-2023-7-29-35

3. 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)
10.31044/1684-5781-2023-0-8-10-17

4. 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)

5. Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Шалин А.В., Гуртовая Г.В., Ручина Н.В. Формирование градиентных структур в титановом сплаве при обратимом легировании водородом Деформация и разрушение материалов, №5, стр. 10-16 (год публикации - 2024)
10.31044/1814-4632-2024-5-10-16

6. Скворцова С.В., Шалин А.В., Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Зайнетдинва Г.Т. Особенности кинетики объемного и поверхностного наводороживания и формирования структуры в титановом сплаве ВТ22 Электрометаллургия (год публикации - 2024)

7. Степушин А.С., Гвоздева О.Н., Шалин А.В., Смирнов П.А., Журбенко А.С. Закономерности формирования линейных градиентных структур в титановых сплавах при термоводородной обработке Электрометаллургия (год публикации - 2024)

8. Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Шалин А.В., Гуртовая Г.В., Ручина Н.В. Влияние температуры нагрева в вакууме на морфологию структурных составляющих в предварительно наводороженном титановом сплаве ВТ22 Деформация и разрушение материалов (год публикации - 2024)

9. Скворцова С.В., Шалин А.В., Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Смирнов П.А. Влияние легированности титановых сплавов на кинетику диффузии водорода и формирование структуры Сборник материалов «Материалы Международной научно-практической конференции "Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2024" (год публикации - 2024)

10. Скворцова С.В., Шалин А.В., Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Журбенко А.С. Влияние концентрационно-временных условий наводороживающего отжига на насыщение водородом титанового сплава ВТ23 Деформация и разрушение материалов, №4, стр. 25-31 (год публикации - 2024)
10.31044/1814-4632-2024-4-25-31

11. Гвоздева О.Н., Шалин А.В., Степушин А.С., Журбенко А.С., Кусакина Ю.Н. Влияние термической и термоводородной обработок на структуру и механические свойства сплава ВТ22 Электрометаллургия , №6, стр. 17-23 (год публикации - 2025)
10.31044/1684-5781-2025-0-6-17-23

12. Скворцова С.В., Мамонов А.М., Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Шалин А.В. Агаркова Е.О. Формирование однородных и градиентных структур разных типов в (α+β)- титановых сплавах при термической и термоводородной обработках Металловедение и термическая обработка металлов , №5 (839), стр. 50-56 (год публикации - 2025)
10.30906/mitom.2025.5.50-56

13. Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Смирнов П.А., Смирнов А.А., Журбенко А.С. Создание барьерных покрытий стойких к проникновению водорода на титановых сплавах Ползуновский вестник, №4 (год публикации - 2025)

14. Гвоздева О.Н., Шалин А.В., Степушин А.С., Смирнов П.А., Журбенко А.С. Влияние термической и термоводородной обработок на структуру и механические свойства сплава ВТ23 Титан, №3, стр. 28-33 (год публикации - 2024)

15. Гвоздева О.Н., Степушин А.С., Ручина Н.В., Смирнов А.А. Динамическая стойкость титанового сплава ВТ23 с линейной градиентной и однородной пластинчатой структурами Титан, №4, стр. 17-22 (год публикации - 2024)

16. Егорова Ю.Б., Скворцова С.В., Давыденко Л.В., Гвоздева О.Н., Зайнетдинова Г.Т. Оптимизация химического состава отожженных полуфабрикатов из титанового сплава ВТ22 с повышенными прочностными свойствами Деформация и разрушение материалов, номер 1, страницы 31-39 (год публикации - 2025)
10.31044/1814-4632-2025-1-31-39

17. Степушин А.С., Гвоздева О.Н., Скворцова С.В., Сарычев С.М., Шляпин С.Д. Компьютерное моделирование поведения пластин из титановых сплавов при высокоэнергетическом динамическом воздействии Деформация и разрушение материалов , №6, стр. 33-40 (год публикации - 2025)
10.31044/1814-4632-2025-6-33-40

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках выполнения третьего годового этапа проекта были проведены стендовые испытания высокоскоростного динамического взаимодействия ударника с преградой толщиной 14 мм из титановых сплавов ВТ23 и ВТ22. Фронтальной стороной считалась сторона с дисперсной структурой, тыльной стороной - противоположная сторона с крупнопластинчатой структурой. Удары наносились по фронтальной стороне с дистанций 10 метров под углом 90º. Установлено, что пластины толщиной 14 мм из обоих титановых сплавов с однонаправленной градиентной структурой способны поглотить энергию удара не более 3400 кДж без существенных повреждений фронтальной стороны и с сохранением целостности тыльной стороны пластины. Пластина с исходной крупнопластинчатой структурой пробиваются даже ударником с энергией соударения порядка 1500 кДж с образованием пластически расширяющегося отверстия. Разработана научная основа схемы процесса получения нового материала на основе титана, обладающего повышенной ударной вязкостью, замедленной скоростью распространения трещины, высокой удельной динамической стойкостью и живучестью. Такая схема включает термическую и химико-термическую обработку. Однонаправленное преобразование структуры происходит под действием водорода в присутствие барьерного покрытия. Завершающим этапом обработки следует вакуумный отжиг для удаления водорода. Однонаправленная градиентная структура состоит из слоя дисперсной (α+β)-структурой плавно переходящего в слой с крупнопластинчатого (α+β)-структурой. При этом толщина слоя с дисперсной (α+β)-структурой должна быть не менее 1/3, но не более 2/5 от толщины пластины.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы как технологический задел для совершенствования и промышленного внедрения технологии производства материалов на основе высокопрочных титановых сплавов со сложной регламентированной структурой, обеспечивающей высокий уровень специальных свойств, таких как повышенная стойкость к динамическим нагрузкам и живучесть.