Высокотемпературные титановые сплавы благодаря своим выдающимся свойствам — высокой прочности при повышенных температурах, стойкости к окислению и сопротивлению ползучести — широко применяются в авиакосмической отрасли, энергетике и химической промышленности. Сплав Ti65, относящийся к близким к α‑титановым сплавам, предназначен для длительной эксплуатации при температурах до 650 °C и способен работать в условиях кратковременной высокой нагрузки в диапазоне температур от 650 до 750 °C.

По мере постоянного повышения тяговооружённости авиационных и космических двигателей, а также КПД газовых турбин, требования к жаростойкости и механическим свойствам сплава Ti65 неуклонно возрастают. В частности, при эксплуатации за пределами расчётного температурного диапазона его механические характеристики существенно ухудшаются; это обусловлено прежде всего влиянием эксплуатационных условий, особенно температуры, на свойства материала, а также тем, что эволюция микроструктуры непосредственно определяет его механическое поведение. Поэтому глубокое исследование изменений микроструктуры и механизмов деформации сплава Ti65 при высоких температурах имеет важное значение для дальнейшего расширения его потенциала применения.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, в состав которой вошли Шэньянский институт авиационного проектирования, Институт передовых материалов «Юйхуа» и Институт металлов Китайской академии наук, провела углублённые исследования с использованием технологии in situ‑SEM компании «ZEPTOOLS». Они с помощью испытаний на растяжение в условиях непосредственного присутствия и микроструктурного анализа систематически изучили пластическое деформирование сплава Ti65 при высоких температурах, выявив соответствующие механизмы деформации; полученные результаты обеспечивают теоретическую основу для проектирования и применения титановых сплавов, работающих при высоких температурах. Соответствующие научные достижения были опубликованы на платформе SSRN под названием «In‑Situ Investigation on Plastic Deformation Behavior of High‑Temperature Ti65 Alloy»; ссылка на оригинальную публикацию: http:// dx.doi.org/10.2139/ssrn.5192479

Данное исследование посвящено пластическому деформированию высокотемпературного титанового сплава Ti65 при различных температурах, в частности — эволюции его микроструктуры и механизмам деформации в условиях высоких температур. С использованием комбинированного подхода, объединяющего in situ‑сканирующую электронную микроскопию (SEM) и метод электронного обратного рассеяния (EBSD), исследовательская группа провела растягивающие испытания сплава Ti65 при комнатной температуре и при 700 °C. Испытательные образцы были изготовлены методом электроэрозионной проволочной резки из кованого прутка сплава Ti65 диаметром 300 мм; они имели форму гантеля. Растягивающие испытания осуществлялись на электронном универсальном испытательном стенде при скорости деформации 2,8×10⁻³ с⁻¹; для измерения деформации в базовой зоне использовался видеодилатометр.

В исследовании были проанализированы не только явления скольжения, вращение кристаллографических ориентаций и передача деформации по системам скольжения, но и поведение сплава Ti65 при растяжении в условиях высоких и низких температур. В частности, с помощью расчёта фактора Шмида и анализа треков скольжения были определены активные системы скольжения на каждом этапе нагружения. Согласно закону Шмида, обычно активируются те системы скольжения, которые обладают наибольшим значением фактора Шмида. Поэтому сначала вычислялись значения факторов Шмида для всех рассматриваемых систем скольжения, после чего система с наивысшим теоретическим значением SF считалась активной. Одновременно исследовательская группа использовала геометрический коэффициент совместимости (GCF) для описания степени согласованности активации систем скольжения между соседними зернами, что позволило проанализировать пластическое деформирование поликристаллических материалов. GCF отражает степень геометрического выравнивания систем скольжения в соседних зёрнах; чем выше его значение, тем легче осуществляется передача деформации по системам скольжения.

Результаты исследования показывают, что при высоких температурах тепловая активация существенно снижает критическое разрушающее сдвиговое напряжение для скольжения по конусным плоскостям, что способствует широкому включению скольжений и , тем самым повышая пластическую деформационную способность материала. Кроме того, установлено, что передача скольжений становится основным механизмом согласованной деформации при высоких температурах; высокая геометрическая совместимость облегчает перенос дислокаций через границы зерен, эффективно смягчая локальные концентрации напряжений и дополнительно улучшая пластичность материала. В частности, при 700 °C с ростом деформации доля скольжений по призматическим и базовым плоскостям уменьшается, тогда как доля скольжений по конусным плоскостям и значительно возрастает, что свидетельствует о важной роли этих систем скольжения в повышении высокотемпературной пластичности материала.

Проведя анализ формы разрушения при растяжении, исследователи установили, что при комнатной температуре основными характеристиками разрушения являются высокая плотность мелких неглубоких впадин, а также чётко выраженные края разрыва и зоны впадин, что свидетельствует о типичном смешанном характере разрушения — сочетании вязкости и хрупкости. В условиях повышенных температур поверхность разрушения отмечается различными направлениями скопления и расширения микропор, что подчёркивает более выраженные признаки вязкого разрушения. Эти результаты имеют важное значение для понимания механического поведения сплава Ti65 при высоких температурах, оптимизации термомеханических технологических процессов и расширения его потенциала в инженерных применениях.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑сканирующей электронной микроскопии последовательно обеспечивала техническую поддержку важнейших научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование ZEYU Technology, использовавшееся в рамках данного исследования: