Мелкозернистость как гарантия прочности

В журнале Frontier Materials & Technologies Тольяттинского государственного университета (ТГУ) опубликованы результаты исследований учёных Уфимского университета науки и технологий (УУНИТ), которые нашли способ повысить прочность титановых сплавов. Исследование проводилось в рамках гранта Российского научного фонда.

Титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, благодаря чему они активно применяются в производстве двигателей для авиации. Но развитие отрасли двигателестроения подразумевает всё более жёсткие требования к конструкционным материалам, поэтому учёные постоянно работают над повышением их надёжности, прочностных и эксплуатационных свойств.

– Такие ответственные изделия, как лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД), работают в достаточно агрессивных условиях, в частности в условиях повышенных нагрузок в сочетании с термическим воздействием. Эти детали изготавливают из титановых сплавов, поскольку высокая удельная прочность в сочетании с жаропрочностью в необходимом диапазоне делают их особенно важными для авиации. При создании всё более мощных газотурбинных установок возникает необходимость модифицировать материал изделий, – поясняет младший научный сотрудник УУНИТ Юлия Модина.  

Разработка новых композиций сплавов требует больших затрат с точки зрения апробации сплава, проведения испытаний для аттестации его эксплуатационных свойств. Между тем классические методы деформационно-термических обработок для повышения механических свойств практически исчерпали свой потенциал. В отличие от них методы интенсивной пластической деформации показывают несравненно более высокие механические характеристики для многих материалов, поэтому вызывают большой интерес у исследователей. Такие методы позволяют достичь высоких прочностных показателей в металлах и сплавах за счёт формирования ультрамелкозернистого (УМЗ) состояния.

Однако важным аспектом УМЗ состояния материалов является их структурный и текстурный эффект, который может привести к сильной анизотропии* свойств материала. Для исследований специалисты УУНИТ взяли титановый сплав ВТ6: он имеет широкое применение в авиастроении и его значимость как конструкционного материала для отрасли остаётся высокой.

– Чтобы оценить перспективы инновационного применения УМЗ титановых сплавов для высоконагруженных деталей в энерго- и авиамашиностроении, наша группа провела исследование их ударной вязкости, – говорит Юлия Модина. – Мы подвергли титановый сплав ВТ6 деформационно-термической обработке и обнаружили, что анизотропия его свойств незначительна.

Формирование УМЗ состояния действительно позволяет получить высокие прочностные характеристики конструкционных титановых сплавов при удовлетворительном значении ударной вязкости, однако вопрос о текстурном влиянии на сопротивление разрушению требует дальнейшего более тщательного изучения – такой вывод делают учёные из Уфы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Frontier Materials & Technologies, который выпускает Тольяттинский государственный университет.

В исследовании принимали участие специалисты УУНИТ:

– Юлия Модина, кандидат технических наук, младший научный сотрудник;

– Григорий Дьяконов, кандидат технических наук, научный сотрудник;

– Андрей Стоцкий, младший научный сотрудник;

– Данил Мифтахов, оператор электронно-вычислительных и вычислительных машин;

– Ирина Семёнова, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник.

*Анизотропия — различие свойств среды (например физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды. Пример анизотропии: дерево легко растрескивается вдоль волокон, но сломать его поперёк волокон гораздо сложнее.

Журнал Frontier Materials & Technologies является рецензируемым научным журналом и издаётся с 2008 года. До декабря 2021 года выходил под названием «Вектор науки Тольяттинского государственного университета» (Science Vector of Togliatti State University / Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta)