Эксπир
Регистрация / Вход

Создание наноструктур в металлах и сплавах с помощью ИПД-технологий для достижения уникальных свойств

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.513.11.3051
Организация
ФГБОУ ВО "УГАТУ"
Руководитель работ
Валиев Руслан Зуфарович
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Внебюджетные средства
0 млн

Работы должны проводиться в рамках критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» Работы должны соответствовать по предполагаемому исполнению лучшим мировым стандартам. Создаваемый научно-технический задел должен обеспечивать в будущем проведение опытно-конструкторских и технологических работ на конкурентном уровне. Результаты работ должны способствовать дальнейшему инновационному развитию российских технологий в данном приоритетном направлении Программы.

Этапы проекта

1
06.03.2007 - 10.07.2007
Цель работы данного контракта – разработка объемных наноструктурных материалов с рекордным уровнем механических свойств и служебных характеристик с помощью методов интенсивной пластической деформации. Для достижения этой цели в отчетный период проведены комплексные научные исследования, включающие теоретический анализ и компьютерное моделирование, экспериментальное исследование структуры и свойств наноматериалов для перспективных применений. Усовершенствованы методы интенсивной пластической деформации - моделированием методом конечных элементов проведены исследования перспективной схемы равноканального углового прессования, приводящий к значительному повышению, в 1, 5 –2 раза интенсивности деформационного воздействия за один цикл обработки, по сравнению с общепринятой схемой, с пересечением каналов прессования под углом 90 градусов.
В процессе первого этапа работ получены и исследованы наноструктурные сплав Al-Mg-Sc-Mn и интерметаллид TiNi (с эффектом памяти формы) с повышенной прочностью. Исследована эволюция структуры металлов в процессе интенсивной пластической деформации и установлена взаимосвязь между формирующейся структурой и механическими свойствами (твёрдостью).
Для моделирования формирования субструктуры и деления зерен при большой пластической деформации развит метод, комбинирующий модель самосогласованного вязко-пластического течения поликристалла и дисклинационную модель деления зерен. С помощью этого метода проведено моделирование эволюции микроструктуры и текстуры ГЦК металлов при РКУП. Показано, что учёт субструктуры приводит к лучшему соответствию результатов моделирования текстуры экспериментальным данным. Для описания деформационного поведения материалов при больших пластических деформациях, развита кинетическая дислокационная модель, позволяющая выявить действующие механизмы деформации и описать процессы упрочнения.
Отчёт содержит результаты патентных исследований в данной области по ГОСТ 15.011-96.
На настоящий момент результаты исследований использованы при публикации 4 статей в российских и международных реферируемых журналах, а также доложены на 1 всероссийской и 1 международной конференциях. Результаты исследований включены также в материалы 1-й докторской и 2 кандидатской диссертаций, проходящих стадию подготовки к защите.
Развернуть
2
11.07.2007 - 31.10.2007
Проведено исследование механических свойств объемных наноматериалов прочности, пластичности, усталостной долговечности и характеристик пластичности.
Проведено исследование функциональных свойств наноструктурного сплава TiNi с эффектом памяти формы.
Получены образцы наноструктурных сплавов алюминия и магния, технически чистого титана и сплава с памятью формы TiNi c запланированными повышенными характеристиками.
Результаты проделанной работы обобщены и оценены на предмет полноты решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.
Составлен итоговый отчет.
3. Результаты

По итогам работы по 2 этапу достигнуты следующие конкретные результаты:

1) Рекордно высокий уровень прочности (Н=2300, 0.2 = 905 МПа и В = 950 МПа) и наилучшую пластичность ( = 4.7 %) сплав 1570 демонстрирует в наноструктурном (НС) состоянии, сформированном после ИПДК при комнатной температуре. Обработка ИПДК, проведенная при более высоких температурах, незначительно снижает прочностные характеристики НС материала, однако приводит к существенному снижению его пластичности, в особенности, после обработки ИПДК, осуществленной при температуре 200С.
2) Проведенный структурный анализ показал, что необычное изменение механических свойств сплава 1570 обусловлено не только характеристиками сформированной в нем в процессе ИПДК наноструктуры, но и особенностями распада твердого раствора.
3) Исследованы структура и механические свойства НС алюминиевого сплава 1570, полученного методом ИПДК. Показано, что в изученном диапазоне температур деформации (300-400С) НС сплав демонстрирует высокоскоростную сверхпластичность. При 400С сверхпластические свойства сплава проявляются в широком диапазоне скоростей деформации (от 10-2 до 1 с-1), а максимальное удлинение составляет 1460 %.
4) Установлено, что проведение обработки ИПДК в сочетании с последующим искусственным старением, осуществленным по оптимальному режиму, позволяет реализовать в НС алюминиевом сплаве 7075 уникальное сочетание прочности и пластичности (0.2 = 963 МПа и В = 1010 МПа,  = 9.6 %).
5) Применение равноканального углового прессования ведет к уменьшению среднего размера зерна до 1 мкм в магниевом сплаве АМ60. Было установлено, что однородность структуры зависит от температуры РКУ прессования, наиболее однородная структура была сформирована при температуре РКУ прессования 150оС.
6) РКУ прессованные образцы при температуре 150оС показали наилучшие механические свойства на растяжение: предел прочности 310 МПа при пластичности 15%, характерной для исходного (литого) состояния.
7) В ультрамелкозернистом состоянии магниевые сплавы АМ60 демонстрируют повышенные более чем в 1,5 раза пределы выносливости по сравнению с обычным крупнозернистым состоянием. При этом в случае сплава АМ60 снижение температуры РКУП с 350оС до 150оС сопровождается дальнейшим измельчением зеренной структуры с размера 5-10 мкм до размера примерно 1 мкм, что способствует повышению предела выносливости с 90 МПа до 120 МПа.
8) Использование интенсивной пластической деформации, включающей РКУП и последующую термомеханическую обработку, позволило получить в ультрамелкозернистых прутках из технического титана (средний размер зерен до 200 нм) и его сплава Ti-6Al-4V (средний размер зерен до 300 нм) рекордные механические свойства:
Ti: временное сопротивление разрыву до 1240 МПа, условный предел текучести до 1190 МПа и относительное удлинение до 12%.
Ti-6Al-4V (ВТ6): временное сопротивление разрыву до 1370 МПа, условный предел текучести до 1250 МПа и относительное удлинение не менее 10%.
9) Формирование УМЗ структуры в титане и его сплаве Ti-6Al-4V позволило почти на 50% увеличить усталостную прочность гладких образцов по сравнению с обычным крупнозернистым состоянием и достичь предела выносливости в титане 600 МПа, а в сплаве до 740 МПа на базе 107циклов нагружения.
10) Разработан усовершенствованный метод РКУП – РКУП в параллельных каналах, который позволяет подвергать образцы ИПД с повышенной деформацией за 1 проход. Из меди и технического Ti получены УМЗ заготовок методом РКУП-ПК при Ф=100 и К=1d без искажения исходной формы заготовок, с отношением длины к диаметру равным 2 и более. В заготовках после обработки формируется УМЗ структура с размером зерен 0,2-0,5 мкм
11) Разработанная дислокационная кинетическая модель адекватно описывает деформационное поведение меди в процессе ИПД кручением. Модель описывает эволюцию средней плотности дислокации, плотности дислокаций в границах и во внутренних областях фрагментов и позволяет выявить влияние гидростатического давления на процессы аннигиляции и размножения дислокаций. Модель позволяет предсказать эволюцию концентрации вакансий во фрагментах границ и позволяет оценить их роль в деформационном упрочнении и характере формирования границ фрагментов. Учёт плотности неизбыточных сидячих дислокаций в границах фрагментов позволяет рассчитать разориентировку между фрагментами. Модель позволяет также определить проницаемость границ фрагментов и их влияние на деформационное поведение образцов и учесть формирование характерной текстуры
12) Методом ИПДК удалось получить образцы сплава TiNi в наноструктурном состоянии относительно большого размера - диаметром до 20 мм при толщине 0.5-1 мм. Полученные образцы имеют рекордный уровень такой служебной характеристики, как предел прочности (до 2500 МПа). Заметной разницы в пределах прочности и текучести образцов полученных ИПДК с разным числом оборотов – n= 1 – n=5 не наблюдается. Высокие предел прочности и предел текучести позволяют в ходе дальнейших исследований рекордные служебные характеристики эффектов памяти формы, в частности реактивного напряжения.
13) В процессе заключительного этапа работ получены и исследованы наноструктурные алюминиевые сплавы 1570 системы Al-Mg-Sc-Mn и 7075 системы Al-Zn-Mg-Cu; магниевый сплав АМ60 системы Mg-Al-Mn; технически чистый титан и титановый сплав ВТ-6 (Ti-6Al-4V); интерметаллид TiNi (с эффектом памяти формы). На основе результатов, полученных в ходе работы по первому этапу работ, были разработаны пути получения наноструктурных образцов данных сплавов, которые, как было показано, демонстрируют рекордный уровень механических свойств, соответствующий заявленному в техническом задании.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Организация
ИНХ СО РАН
профинансировано
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» (мероприятие1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007, 7 мес.
Бюджетные средства
92 млн
Количество заявок
241
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» (мероприятие 1.3 Программы)
Продолжительность работ
2007 - 2008, 11 мес.
Бюджетные средства
16 млн
Количество заявок
72
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
48
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных»
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
136
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Геномные и посттеномные технологии создания лекарственных средств» (мероприятие 1.2 Программы)
Продолжительность работ
2007, 8 мес.
Бюджетные средства
72 млн
Количество заявок
43