Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов получения высокопрочных наноструктурных титановых сплавов для изготовления ответственных элементов конструкций космических спутниковых систем

Докладчик: Найденкин Евгений Владимирович

Должность: Заведующий лабораторией, д.ф.-.м.н.

Цель проекта:
Разработка методов получения высокопрочных наноструктурных титановых сплавов с использованием интенсивной пластической деформации и создание экспериментальных образцов высокопрочного титанового сплава ВТ22 с ультрамелкозернистой (нано-) структурой и повышенной удельной прочностью в виде прутков круглого сечения для изготовления ответственных элементов конструкций космических спутниковых систем.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта будет сделан аналитический обзор современной российской и зарубежной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему формирования ультрамелкозернистой (нано-) структуры в титановых сплавах с использованием методов интенсивной пластической деформации. На основании анализа литературных данных будет проведено обоснование выбора направления исследований и способов решения поставленных задач. Будут выполнены теоретические исследования (оценки) и определены режимы возможной технологической обработки для получения прутков титанового сплава ВТ22 с ультрамелкозернистой структурой методом радиально-сдвиговой прокатки в сочетании с термообработкой. С использованием методов оптической металлографии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии, а также рентгеноструктурного анализа будут проведены экспериментальные исследования структуры и фазового состава круглых прутков ультрамелкозернистого титанового сплава ВТ22, полученных методом радиально-сдвиговой прокатки в сочетании с термической обработкой. В результате проведенных исследований будут определены оптимальные режимы и разработан лабораторный технологический регламент на получение прутков указанного сплава с высокой удельной прочностью. Прочностные характеристики полученных прутков сплава ВТ22 с ультрамелкозернистой структурой будут по крайней мере на 15% выше (не менее 150 кг/мм2), чем у используемых в настоящее время с крупнозернистой структурой. Предлагаемые в проекте технологические подходы являются новыми, что позволит на основе проведенных патентных исследований сформулировать и подать заявку на патент. Ранее круглые прутки сплава ВТ22 с такими характеристиками не получали. Для проведения запланированных в проекте работ у авторов имеется все необходимое технологическое (включая стан радиально-сдвиговой прокатки) и аналитическое оборудование. Кроме того, имеется большой опыт в проведении подобных прикладных научных исследований.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут быть использованы на металлургических предприятиях при разработке технологических процессов и методов получения конструкционных материалов на основе титановых сплавов с высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью и усталостной выносливостью для применения в авиакосмической и автомобильной промышленности.
Разрабатываемые экспериментальные образцы из высокопрочного титанового сплава ВТ22 с ультрамелкозернистой (нано-) структурой в виде прутков круглого сечения могут быть, в частности, использованы для изготовления ответственных элементов высоконагруженных конструкций бортовых систем, штанг и устройств отделения космических аппаратов, разрабатываемых в ОАО "Информационные спутниковые системы" имени М.Ф. Решетнева, с целью улучшения технических характеристик и обеспечения минимально возможной массы. Потребность в таких прутках на ОАО "ИСС" оценивается в настоящее время не менее 100 шт в год и может увеличиться в случае утверждения новой Федеральной целевой программы Космических исследований.
Применение разрабатываемых круглых прутков сплава ВТ22 с ультрамелкозернистой структурой и повышенной удельной прочностью вместо используемых в настоящее время прутков этого сплава с крупнозернистой структурой для изготовления различных элементов космических спутниковых систем позволит повысить надежность уже разработанных конструкций, а также разработать новые конструкции с улучшенными габаритно-массовыми характеристиками.

Текущие результаты проекта:
На основании сделанного аналитического обзора современной литературы, а также проведенных патентных исследований показана принципиальная возможность измельчения крупно-кристаллической структуры в альфа+бэтта титановых сплавах до ультрамелкозернистого состояния при достижении истинных степеней деформации больше 2. Теоретические оценки технологических режимов обработки показали, что указанные степени деформации могут быть достигнуты при по-лучении круглых прутков методом радиально-сдвиговой прокатки с коэффициентом вытяжки >3. Кроме того, как было обнаружено ранее авторами настоящего проекта, средний размер элементов зеренно-субзеренной структуры титановых сплавов может быть еще понижен в результате последующей после интенсивной пластической деформации низкотемпературной термообработки. На основании этого была выполнена деформационно-термическая обработка титанового сплава ВТ22 с исходной крупнозернистой структурой с использованием метода радиально-сдвиговой прокатки по нескольким режимам. Проведенные с использованием методов просвечивающей и растровой электронной микроскопии, а также рентгеноструктурного анализа экспериментальные исследования структурно-фазового состояния полученных прутков под-твердили сделанные выше оценки. Действительно, было установлено, что после радиально-сдвиговой прокатки в титановом сплаве ВТ22 наблюдается значительное измельчение среднего размера зерен (с ~50 до 0,8 мкм). Это сопровождается существенным увеличением объемной доли бэтта-фазы (с 42% в исходном состоянии до 73% после прокатки). Кроме того, в результате такой обработки в исследуемом сплаве формируется метастабильная омега-фаза, характерная для обработки титановых сплавов в условиях высоких давлений. Последующая после прокатки низкотемпературная термообработка (старение) приводит по данным рентгеноструктурного анализа к обратному бэтта-альфа превращению с уменьшением доли бэтта-фазы до величины, близкой к исходному состоянию. Просвечивающая электронная микроскопия показала, что распад бэтта-фазы в этом случае протекает путем образования развитой полосовой структуры (с толщиной полос менее 100 нм), которая может быть следствием формирования мартенситных α'- и α"-фаз при отжиге (старении).
Изучение механических свойств полученных прутков путем испытаний на растяжение, вырезанных в продольном сечении образцов показало, что, несмотря на измельчение структуры, прочностные свойства прутков непосредственно после радиально-сдвиговой прокатки снижаются. Это может быть связано с наблюдаемым существенным увеличением в объеме материала доли менее прочной бэтта-фазы. В то же время, последующие низкотемпературные отжиги напротив значительно повышают механические характеристики по сравнению с исходным сплавом и состоянием после прокатки. Так предел прочности полученных методом радиально-сдвиговой прокатки и последующей низкотемпературной термообработки прутков по сравнению с прокатанным состоянием возрастает более чем в 1,5 раза с 980 до 1490-1540 МПа (в зависимости от температуры старения) при сохранении удовлетворительной пластичности ( > 6,5%). Проведенные предварительные экспериментальные исследования структурно-фазового состояния и механических свойств прутков сплава ВТ22, полученных методом радиально-сдвиговой прокатки и последующей термообработки, показывают близкие к заявленным в Техническом задании характеристики.
Как показали предварительные патентные исследования, предложенный в работе техно-логический подход к измельчению зеренно-субзеренной структуры титанового сплава ВТ22 методом радиально-сдвиговой прокатки в сочетании с низкотемпературной обработкой является новым и может быть в дальнейшем оформлен виде заявки на патент, как способ получения круглых прутков с ультрамелкозернистой структурой и повышенными прочностными (эксплуатационными) свойствами.
Проведенные предварительные экспериментальные исследования структурно-фазового состояния и механических свойств прутков сплава ВТ22, полученных методом радиально-сдвиговой прокатки и последующей термообработки, показали, что в результате указанного деформационно-термического воздействия формируется ультрамелкозернистая зеренно-субзеренная структура со средним размером элементов близким, к заявленному в требованиях Технического задания, а по механическим (прочностным) характеристикам, превышающим эти требования. Полученные результаты дают хорошие предпосылки для дальнейшего продолжения работ и успешного решения поставленных в проекте задач.