Исследование деформационного поведения сплава Ni3Ge как основы для создания новых высокотемпературных промышленных материалов для нужд авиакосмической

Международный исследовательский проект ТГАСУ и University of Cambridge: основная инфомрация

Программа финансирования: Конкурс инициативных научных проектов 2014 года, проводимый совместно РФФИ и Лондонским Королевским Обществом 

Сроки реализации проекта: 2014 – 2015 гг.

Основные исполнители: Кафедра физики ТГАСУ, Кафедра материаловедения и металлургии Кембриджского университета Великобритании, в лице Доктора Катерины Рае

Dr. Catherine Rae, University of Cambridge

Доктор Кэтрин Рае является известным специалистом в области исследования интерметаллидов и суперсплавов. Она является профессором кафедры материаловедения и металлургии Кембриджского университета и сотрудником Университетского технологического центра Rolls-Royce.

Компания Rolls-Royce ведет активное сотрудничество с кафедрой материаловедения и металлургии Кембриджского университета, в частности в рамках исследования высокотемпературных материалов для аэрокосмического применения, что является одним из ключевых научных интересов доктора Рае.

Текущие проекты коллектива, возглавляемого доктором Кэтрин Рае, затрагивают проблемы взаимосвязи структурных и механических свойств с использованием электронной микроскопии. Проекты включают развитие исследований суперсплавов четвертого поколения; механические свойства суперсплавов, предназначенных для изготовления как лопаток, так и дисков турбин. Исследовательская группа применяет экспериментальные методы и методы математического моделирования.

Аннотация проекта

Основу современных материалов для ответственных деталей высокоэффективных двигателей составляют чаще всего интерметаллиды с положительным температурным коэффициентом сопротивления деформированию. Наиболее продвинутым из таких интерметаллидов является сплав ni3A l, который широко используется для создания различных вариантов суперсплавов. Актуальной задачей является создание суперсплавов на основе более высокопрочной в высокотемпературной области фазы Ni3Ge. Фаза Ni3Ge обладает наивысшим из бинарных сплавов на основе Ni сопротивлению деформированию при высоких температурах. Целью настоящего исследования является комплексное, детальное изучение пластического поведения монокристаллов сплава Ni3Ge, имеющих разные ориентации оси деформации, в широком интервале температур и напряжений, включающее в себя исследование механических свойств при разных видах нагружения, изучение эволюции дислокационной структуры деформированных образцов, дополненное теоретическим анализом механизмов, отвечающих за температурную аномалию механических свойств. В результате выполнения проекта будут установлены закономерности механических свойств и выяснена их природа температурной аномалии механических свойств фазы Ni3Ge. На основе выполненных исследований будет сформулированы рекомендации по использованию фазы Ni3Ge в качестве основы для создания суперсплавов нового поколения.

Задача

Выяснение физических механизмов, лежащих в основе деформационного поведения интерметаллида Ni3Ge при различных термосиловых воздействиях.

Методы и подходы

1.Механические испытания монокристаллов сплава Ni3Ge с использованием различных схем нагружения: одноосного статического сжатия, ползучести, релаксации деформирующих напряжений, вариации скорости и температуры деформации.

2.Исследование деформационного рельефа и поверхности разрушения с использованием оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии.

3.Изучение эволюции дислокационной структуры с использованием просвечивающей дифракционной электронной микроскопии.

4.Изучение структуры ядер сверхдислокаций с использованием просвечивающей электронной микроскопии прямого разрешения.

Ожидаемые научные результаты 

1.Будут получены кривые течения, температурные зависимости предела и сдвиговых напряжений для монокристаллов сплава Ni3Ge, имеющих отклонение состава от стехиометрии. Будут установлены стадии на температурных зависимостях предела текучести.

2.Будут получены кривые ползучести для монокристаллов сплава Ni3Ge при различных приложенных напряжениях и температурах испытания.

3.Будут получены кривые деформации монокристаллов сплава Ni3Ge в опытах с вариацией скорости и температуры деформации.

4.Будут получены кривые релаксации напряжений для монокристаллов сплава Ni3Ge при различных приложенных напряжениях и температурах испытания.

5.На основе электронно-микроскопических исследований будут получены экспериментальные данные об эволюции дислокационной структуры деформированных образцов, определены параметры дислокационной структуры. Эти параметры будут использованы для определения вкладов различных механизмов в деформирующие напряжения при различных температурах испытания с целью объяснения температурной аномалии механических свойств.

6.Будет разработан оригинальный подход к проведению термоактивационного анализа для сплавов со сверхструктурой L12, обладающих аномальной температурной зависимостью механических свойств. В основу подхода будет положен принцип суперпозиции механизмов, дающих нормальный и аномальный отклики на изменение скорости или температуры деформации. На основании предложенного подхода будут определены основные термоактивационые параметры пластической деформации, такие как активационный объем, энергия активации.

7.Экспериментально с использованием просвечивающей электронной микроскопии прямого разрешения будут получены значения энергий планарных дефектов для монокристаллов сплава Ni3Ge.

8.Будет построена математической модель ползучести монокристаллов сплавов со сверхструктурой L12 с использованием полученных экспериментальных данных в качестве параметров модели.

Совместные публикации в рамках проекта: 

  1. Липатникова Я.Д., Соловьева Ю.В., Рае К., Старенченко В.А. Влияние ориентации оси деформации на суперлокализацию пластической деформации монокристаллов сплава Ni3Ge // Материалы I Международной научной конференции студентов и молодых ученых [Электрон. текстовые дан.] – Томск: Изд‐воТом. гос. архит.‐строит. ун‐та, 2014. – c. 558-559.
  2. Липатникова Я.Д., Старенченко В.А., Рае К., Соловьева Ю.В. Концентраторы напряжений в математической модели суперлокализации пластической деформации // Материалы I Международной научной конференции студентов и молодых ученых [Электрон. текстовые дан.] – Томск: Изд‐воТом. гос. архит.‐строит. ун‐та, 2014. – c. 560-561.
  3. Соловьёва Ю.В., Старенченко С.В., Соловьёв А.Н., Геттингер М.В., Старенченко В.А., Рае К.М. Закон Коттрелла-Стокса для монокристаллов интерметаллида Ni3Ge с осью сжатия [`2 3 4] // Изв. Вузов. Физика. – 2015. – №3. –с. 58-62.

Совместное участие в международных конференциях:

17th International Conference on the Strength of Materials (ICSMA 17)Brno, Czech Republic, August 9 – 14, 2015