Информация о докладе

3D печать изделий из титановых сплавов и металломатричных композитов на их основе. Особенности формирования микроструктуры и фазового состава
А. В. Панин, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск , Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Проведен сравнительный анализ влияния легирующих элементов на микроструктуру и фазовый состав + образцов титановых сплавов, полученных методом электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии. Для сравнения выбраны однофазный технический титан ВТ1-0 и двухфазные титановые сплавы ВТ6 (Ti 6Al 4V), ВТ14 (Ti 5Al 3Mo 1V) и ВТ16 (Ti 3Al 5Mo 5V), имеющие близкий химический состав. Показано, что характерной особенностью микроструктуры 3D-напечатанных образцов является наличие столбчатых первичных зерен β фазы, внутри которых формируются мартенситные пластины α' фазы с высоким содержанием -стабилизирующих элементов. На основе первопринципных расчетов электронной структуры и полной энергии титановых сплавов, основанных на теории функционала электронной плотности, исследовано влияние легирующих элементов на фазовый состав титанового сплава.
Представлены результаты высокотемпературных in situ ПЭМ- и синхротронных исследований структурно-фазовых превращений в 3D-напечатанных титановых сплавах. Исследовано влияние температуры закалки и длительности старения на микроструктуру и фазовый состав 3D-напечатанных образцов титанового сплава ВТ6 и ВТ14, полученных методом проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии.
Проведен сравнительный анализ деформации и разрушения образцов ВТ6, полученных методами порошковой и проволочной аддитивной технологии, при одноосном растяжении и ударном нагружении. Продемонстрирован многоуровневый характер пластической деформации 3D-напечатанных образцов ВТ6. Изучено влияние легирующих элементов на интенсивность трансформации неравновесных мартенситных фаз при механическом нагружении. Представлены результаты исследования деформации и разрушения 3D-напечатанных образцов ВТ6 в процессе их растяжения в колонне просвечивающего электронного микроскопа. Методом молекулярно-динамического моделирования исследован механизм миграции двойниковых границ в титане при растяжении.
Исследованы закономерности формирования микроструктуры и фазового состава титановых металломатричных композитов Ti-6Al-4V/TiC путем использования в качестве фидстока прутков титанового сплава ВТ6, подвергнутых предварительному диффузионному насыщению углеродом, а также путем электронно-лучевого плавления проволоки ВТ6, предварительно подвергнутой электроискровому легированию карбидами и боридами титана, либо путем одновременного плавления титановой проволоки ВТ6 и порошка TiC.
Рассмотрены различные методы модификации структуры и фазового состава 3D-напечатанных образцов ВТ6 и металломатричных композитов на их основе путем ультразвуковой ударной обработки, облучения электронными пучками, водородного насыщения и т.п.

Список публикаций по теме доклада
1.    Т.А. Лобова, А. В. Панин, О. Б. Перевалова, М. С. Сыртанов. Высокотемпературное in situ синхротронное исследование структурно-фазовых превращений в 3D-напечатанных титановых сплавах Ti-6Al-4V и Ti-5Al-3Mo-V // ФММ, 2024, том 125, № 9, с. 1163–1170.
2.    А. В. Панин, М. С. Казаченок, Л. А. Казанцева, О. Б. Перевалова, С. А. Мартынов. Изменение микроструктуры и фазового состава 3D-напечатанного сплава Ti-6Al-4V при механическом нагружении // ФММ.- 2023.- том. 124_ №. 2.- С. 226-232.
3.    А. В. Панин, М. С. Казаченок, Л. А. Казанцева, С. А. Мартынов, А. А. Панина, Т. А. Лобова. Микроструктура и фазовый состав титановых сплавов ВТ1-0, ВТ6 и ВТ14, полученных методом электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования,- 2022,- № 11,- С. 63–72.
4.    А. В. Панин, М. С. Казаченок, Л. А. Казанцева, С. А. Мартынов, А. А. Панина, Т. А. Лобова. Микроструктура и фазовый состав титановых сплавов ВТ1-0, ВТ6 и ВТ14, полученных методом электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 11, с. 63–72. DOI: 10.31857/S1028096022110188
5.    O.B. Perevalova, A.V. Panin, M.S. Syrtanov. In situ synchrotron study of the phase transformations in Ti-5.7Al-1.6V-3Mo titanium alloy at high temperature // Journal of Materials Engineering and Performance.- 2023,    https://doi.org/10.1007/s11665-023-08675-x –проект РНФ № 21-19-00795
6.    Alexey Panin, Andrey Dmitriev, Anton Nikonov, Marina Kazachenok, Olga Perevalova, Elena Sklyarova. Transformations of the Microstructure and Phase Compositions of Titanium Alloys During Ultrasonic Impact Treatment. Part I. Commercially Pure Titanium // Metals 2021, 11, 562. https://doi.org/10.3390/met11040562.
7.    Alexey Panin, Andrey Dmitriev, Anton Nikonov, Olga Perevalova, Lyudmila Kazantseva, Alexander Bakulin and Svetlana Kulkova. Transformations of the Microstructure and Phase Compositions of Titanium Alloys during Ultrasonic Impact Treatment. Part II: Ti-6Al-4V Titanium Alloy // Metals 2022, 12, 732. https://doi.org/10.3390/met12050732
8.    Alexey Panin, Marina Kazachenok Konstantin Krukovskii, Dmitrii Buslovich, Lyudmila Kazantseva, Sergey Martynov, Elena Sklyarova. Transformations of the Microstructure and Phase Compositions of Titanium Alloys During Ultrasonic Impact Treatment. Part III. Combination with Electrospark Alloying Applied to Additively Manufactured Ti-6Al-4V Titanium Alloy. Metals 2023, 13, 932. https://doi.org/10.3390/met13050932
9.    A.V. Panin, M.S. Kazachenok, A.I. Dmitriev, A.Yu. Nikonov, O.B. Perevalova, L.A. Kazancheva, E.A. Sinyakova, S.A.Martynov. The effect of ultrasonic impact treatment on deformation and fracture of electron beam additive manufactured Ti-6Al-4V under uniaxial tension // Mater. Sci. Eng, A.- 2022.- V. 832,- P. 142458. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142458.
10.    Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., Shugurov A.R., Panin A.V. Molecular dynamics study of dislocation-twin boundary interaction in titanium subjected to scratching // Mater. Sci. Eng, A.- 2021.-- V. 800,- P. 140327. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140327
11.    A.V. Panin, M.S. Kazachenok, S.V. Panin and F.Berto. Scale Levels of Quasi-Static and Dynamic Fracture Behavior of Ti-6Al-4V Parts  Built by Various Additive Manufacturing Methods // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2020. – V.110. – P. 102781. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2020.102781.
12.    Panin, A.; Martynov, S.; Kazachenok, M.; Kazantseva, L.; Bakulin, A.; Kulkova, S.; Perevalova, O.; Sklyarova, E. Effects of Water Cooling on the Microstructure of Electron Beam Additive-Manufactured Ti-6Al-4V.  Metals 2021, 11, 1742. https://doi.org/10.3390/met11111742
13.    Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., Shugurov A.R., Panin A.V. Numerical study of atomic scale deformation mechanisms of polycrystalline titanium subjected to scratch testing // Applied Surface Science.- 2019.- v. 471.- P, 318-327  DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.12.021

Докладчики

• А.В. Панин, д.ф.-м.н., заведующий лабораторией физики поверхностных явлений Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск)