На 1000% пластичнее: в НИТУ МИСИС усовершенствовали титановые сплавы

Ученые НИТУ МИСИС предложили новые титановые сплавы, из которых можно создавать элементы сложных форм для авиационных, транспортных и медицинских отраслей. Структуру и свойства материалов улучшили добавки железа, никеля, кобальта и других металлов. Высокая пластичность сплава при высоких температурах позволит получать детали сложной геометрии и существенно снизит количество бракованных изделий, а пониженные температуры формовки — экономить энергопотребление на производстве. С помощью разработанных материалов можно получать изделия с высокой конструкционной прочностью.

Титановые сплавы широко используются в промышленности благодаря их легкости, устойчивости к коррозии и экстремальным температурам. Тем не менее их сложно обработать традиционными методами из-за высокой прочности и чувствительности к условиям обработки. Это приводит к браку, тем более если у деталей сложная форма.

Сверхпластическая формовка помогает решить эти проблемы, позволяя создавать сложные элементы при низком давлении газа. Однако для этого требуются температуры около 850-900°С, что приводит к износу оборудования и повышенным затратам энергии. Сверхпластичность возникает благодаря различным механизмам деформации. Важный фактор — размер зерна материала: чем он меньше, тем легче обрабатывать его при более низких температурах.

«Чтобы усовершенствовать свойства новых титановых сплавов, нужно увеличить содержание элементов, которые помогают снизить температуру обработки и улучшают структуру материала. Также важно понимать, как добавки влияют на поведение сплавов в процессе деформации», — сказал старший научный сотрудник, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС Антон Котов.

Ученые НИТУ МИСИС изучили влияние разных легирующих элементов на структуру титановых сплавов при высоких температурах и скоростях деформации. Были добавлены железо, никель, кобальт и молибден, а также редкоземельные металлы — эрбий, иттрий и бор. Исследователи представили материалы с улучшенными показателями сверхпластичности при температурах 625–775°C, что ниже, чем у стандартных промышленных сплавов, а также высокими значениями прочности и предела текучести при комнатной температуре. До разрушения материал может удлиняться примерно на 600–1000%.

В титановый сплав, содержащий алюминий и ванадий, ученые также добавили железо, кобальт или никель с высоким коэффициентом диффузии в бета-фазе (атомы или молекулы могут перемещаться с большой скоростью).

«Легирующие элементы в определенном количестве способствовали улучшению пластичности при более низких температурах. Мы выяснили, что добавление элементов с высокой диффузией может способствовать созданию титановых сплавов, подходящих для формовки при пониженных температурах. Улучшенные материалы перспективны для деталей авиационной, химической, транспортной и медицинской техники», — объяснил Антон Котов.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-10380).

Ученые НИТУ МИСИС предложили новые титановые сплавы, из которых можно создавать элементы сложных форм для авиационных, транспортных и медицинских отраслей. Структуру и свойства материалов улучшили добавки железа, никеля, кобальта и других металлов. Высокая пластичность сплава при высоких температурах позволит получать детали сложной геометрии и существенно снизит количество бракованных изделий, а пониженные температуры формовки — экономить энергопотребление на производстве. С помощью разработанных материалов можно получать изделия с высокой конструкционной прочностью.

Титановые сплавы широко используются в промышленности благодаря их легкости, устойчивости к коррозии и экстремальным температурам. Тем не менее их сложно обработать традиционными методами из-за высокой прочности и чувствительности к условиям обработки. Это приводит к браку, тем более если у деталей сложная форма.

Сверхпластическая формовка помогает решить эти проблемы, позволяя создавать сложные элементы при низком давлении газа. Однако для этого требуются температуры около 850-900°С, что приводит к износу оборудования и повышенным затратам энергии. Сверхпластичность возникает благодаря различным механизмам деформации. Важный фактор — размер зерна материала: чем он меньше, тем легче обрабатывать его при более низких температурах.

«Чтобы усовершенствовать свойства новых титановых сплавов, нужно увеличить содержание элементов, которые помогают снизить температуру обработки и улучшают структуру материала. Также важно понимать, как добавки влияют на поведение сплавов в процессе деформации», — сказал старший научный сотрудник, доцент кафедры металловедения цветных металлов НИТУ МИСИС Антон Котов.

Ученые НИТУ МИСИС изучили влияние разных легирующих элементов на структуру титановых сплавов при высоких температурах и скоростях деформации. Были добавлены железо, никель, кобальт и молибден, а также редкоземельные металлы — эрбий, иттрий и бор. Исследователи представили материалы с улучшенными показателями сверхпластичности при температурах 625–775°C, что ниже, чем у стандартных промышленных сплавов, а также высокими значениями прочности и предела текучести при комнатной температуре. До разрушения материал может удлиняться примерно на 600–1000%.

В титановый сплав, содержащий алюминий и ванадий, ученые также добавили железо, кобальт или никель с высоким коэффициентом диффузии в бета-фазе (атомы или молекулы могут перемещаться с большой скоростью).

«Легирующие элементы в определенном количестве способствовали улучшению пластичности при более низких температурах. Мы выяснили, что добавление элементов с высокой диффузией может способствовать созданию титановых сплавов, подходящих для формовки при пониженных температурах. Улучшенные материалы перспективны для деталей авиационной, химической, транспортной и медицинской техники», — объяснил Антон Котов.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-10380).