Высокопрочные коррозионно-стойкие титановые сплавы для атомного машиностроения и ядерной энергетики

Руководители проекта:
Копылов Владимир Ильич, к.т.н., ведущий научный сотрудник НИФТИ ННГУ, ведущий научный сотрудник ФТИ НАН Беларуси – ведущий мировой специалист в области методов получения наноструктурированных и ультрамелкозернистых металлов и сплавов, разработчик (совместно с В.М. Сегалом) технологии равноканального углового прессования.
Чувильдеев Владимир Николаевич, д.ф.-м.н., профессор, директор НИФТИ ННГУ, заведующий кафедрой физического материаловедения ННГУ.

Структурные подразделения ННГУ – исполнители проекта:

• Отдел Физики металлов Научно-исследовательского физико-технического института ННГУ
• Кафедра физического материаловедения ННГУ

Описание проекта

Научной целью проекта является разработка новых принципов нано- и микродизайна структуры радиационно-стойких конструкционных материалов (в первую очередь – титановых сплавов, а также аустенитных сталей), широко применяемых в атомном машиностроении и в ядерной энергетике. Разрабатываемые методы управления структурно-фазовым состоянием должны обеспечить решение задачи одновременного повышения их физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик (в первую очередь – коррозионной стойкости и коррозионно-усталостной прочности).

Практической целью проекта является разработка технологических процессов получения изделий из нано- и микроструктурированных высокопрочных коррозионно-стойких титановых сплавов, которые могут успешно эксплуатироваться в течение длительного времени в экстремальных условиях одновременного воздействия повышенных нагрузок, температур, вибраций, радиационного воздействия. С практической точки зрения разрабатываемые методы дизайна базируются, в первую очередь, на современных технологиях интенсивного пластического деформирования (равноканально-угловое прессование, ротационная ковка), позволяющих формировать однородную нано- и микрокристаллическую структуру в металлических образцах, а также на теоретических подходах к описанию неравновесного состояния границ зерен, активно развиваемых в НИФТИ ННГУ и на кафедре физического материаловедения ННГУ.

Структура титанового сплава ПТ3В: исходное состояние (справа) и УМЗ состояние после равноканального углового прессования (слева) 

В течение последних 3 лет коллективами НИФТИ ННГУ и АО “ОКБМ Африкантов” в рамках гранта РНФ №16-13-00066 был проведен большой цикл прикладных и фундаментальных исследований по разработке новых перспективных α- и псевдо-α титановых сплавов (Ti-5Al-2V, Ti-2.5Al-2.6Zr, Ti-0.5Al, Ti-0.16Pd и др.).

В ходе реализации данного блока работ были получены следующие результаты:

1. Изучена физико-химическая природа процессов горячей солевой коррозии в нано- и микроструктурированных титановых сплавах. Показано, что в α-титановых сплавах (Ti-5Al-2V) межкристаллитный характер горячей солевой коррозии обусловлен присутствием на границах зерен повышенной концентрации атомов ванадия, образующих микрогальваническую пару с кристаллической решеткой α-Ti. Установлено, что склонность псевдо-α титановых сплавах (Ti-2.5Al-2.6Zr) к горячей солевой коррозии определяется конкурирующим влиянием зернограничных сегрегаций и частиц β-фазы, располагающихся по границам зерен α- и α′-фаз.

2. Показано, что формирование ультрамелкозернистой структуры в α-титановом сплаве Ti-5Al-2V с использованием технологии равноканально-углового прессования позволяет обеспечить одновременное повышение прочности и стойкости к горячей солевой коррозии. Установлено, что повышенная коррозионная стойкость ультрамелкозернистого α-титанового сплава обусловлена эффектом уменьшения локальной концентрации атомов примесей (в первую очередь – ванадия) на границах зерен α-Ti и, соответственно, уменьшением разницы в концентрациях атомов алюминия и ванадия между объемом кристаллической решетки и границей зерен.

Общий вид образцов титанового сплава до испытаний (слева) и после испытаний на горячую солевую коррозию (справа). На поверхности испытанных образцов – пористые солевые отложения и оксиды титана (рутил, анатаз)

Сравнение характера коррозионного разрушения крупнозернистого (слева) и УМЗ сплава ПТ3В (справа). Глубина коррозии в УМЗ сплаве оказывается намного меньше, чем в крупнозернистом сплаве

Выделение частиц циркония (слева) и α”-фазы (справа) в УМЗ титановом сплаве ПТ7М при отжиге. Просвечивающая электронная микроскопия

3. Впервые изучен эффект деформационно-стимулированной пассивности наноструктурированного титанового сплава Ti-0.5Al в кислотных средах. Показано, что формирование методом ротационной ковки наноструктурированного состояния с высоким уровнем внутренних напряжений в сплаве Ti-0.5Al позволяет обеспечить пассивацию поверхности УМЗ титанового сплава и существенно снизить скорость электрохимической коррозии.

4. Установлено, что формирование наноструктурированного состояния в сплаве Ti-2.5Al-2.6Zr с использованием технологии ротационной ковки позволяет обеспечить одновременное повышение прочности и стойкости против коррозионно-усталостного разрушения.

Результаты фрактографического анализа различных участков излома образца сплава ПТ7М после коррозионно-усталостных испытаний. Растровая электронная микроскопия

В настоящее время исследования сконцентрированы вокруг решения задачи разработки новых рентгеновских методик исследований особенностей структурно-фазовых превращений в титановых сплавах при их горячей солевой коррозии и водородного охрупчивания (данные работы проводятся совместно с кафедрой кристаллографии и экспериментальной физики ННГУ), исследований особенностей зарождения и распространения коррозионно-усталостных трещин в титановых сплавах, а также на разработке основ новой технологии высокоскоростной диффузионной сварки УМЗ титановых сплавов, позволяющей сохранить однородную мелкозернистую структуру в сварном соединении и, как следствие, высокую прочность и коррозионную стойкость конструкции.

Микроструктура сварного шва в титановом сплаве ПТ3В, полученного методами аргоно-дуговой сварки (слева, сверху), электронно-лучевой сварки (слева, снизу) и высокоскоростной диффузионной сварки (справа)

Финансирование проекта

• Договора с АО “ОКБМ Африкантов” на выполнение прикладных НИОКР по разработке технологических процессов получения и обработки высокопрочных коррозионно-стойких титановых и циркониевых сплавов.
• Госконтракт №П2543 на выполнение НИР “Физические методы наномодифицирования структуры металлов и сплавов для создания новых материалов для радиационно-стойких элементов и конструкций атомной техники” в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
• Госконтракт №П2340 на выполнение НИР “Разработка и исследование наноструктурированного технически чистого титана, обладающего уникальными физико-механическими свойствами” ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
• Грант №14.В37.21.0761 на выполнение НИР “Разработка и исследование субмикрокристаллических циркониевых сплавов с повышенной прочностью и стойкостью к особым видам коррозии для тепловыделяющих элементов и других высокоответственных элементов конструкций и узлов активной зоны перспективных ядерно-энергетических установок” в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
• Грант №14.740.11.1367 на выполнение НИР “Разработка новых наноструктурированных и субмикрокристаллических сталей с повышенными физико-механическими свойствами и коррозионной стойкостью для современных транспортных ядерно-энергетических установок и других приложений в машиностроении” в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
• Госконтракт №16.516.11.6088 на выполнение НИОКР “Разработка новых субмикрокристаллических титановых сплавов с одновременно повышенной прочностью и коррозионной стойкостью” в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы».
• Грант РФФИ №12-08-90003-Бел_а “Разработка и исследование термостабильных наноструктурированных и субмикрокристаллических титановых сплавов для ядерной энергетики и атомного машиностроения”.
• Грант РФФИ №12-08-33080-мол_вед_а “Высокопрочные коррозионно-стойкие субмикрокристаллические конструкционные материалы для перспективных приложений в машиностроении: разработка и исследование”.
• Грант РФФИ №13-03-97109-р_поволжье_а “Исследования свариваемости высокопрочных коррозионно-стойких субмикрокристаллических металлов и сплавов в условиях высокоскоростного нагрева”.
• Грант РНФ №16-13-00066 “Коррозионно-механическое разрушение и межкристаллитная коррозия высокопрочных мелкозернистых титановых сплавов: эксперимент, моделирование и методики”.
• Грант РНФ №19-73-00295 «Исследование структурно-фазовых особенностей перспективных титановых сплавов с повышенной коррозионной стойкостью».
• Грант СП-1671.2019.2 “Исследование механизмов коррозионно-усталостного разрушения перспективных мелкозернистых титановых сплавов” (стипендия Президента РФ для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики).

Партнеры проекта

• АО “ОКБМ Африкантова” (г. Нижний Новгород) – ведущий отечественный разработчик ядерных ректоров, входящий в состав ГК “Росатом”.
• ФТИ НАН Беларуси (г. Минск, Беларусь) – совместные исследования в области новых способов формирования нано- и ультрамелкозернистых структур в титановых сплавах.
• НИТУ “МИСИС” (г. Москва) – совместные исследования титановых нано- и ультрамелкозернистых сплавов методами высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии.

Основные публикации проекта (за последние 5 лет)

1. Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Бахметьев А.М., Сандлер Н.Г., Нохрин А.В., Тряев П.В., Лопатин Ю.Г., Козлова Н.А., Пискунов А.В., Мелехин Н.В. Эффект одновременного повышения прочности и коррозионной стойкости микрокристаллических титановых сплавов // Доклады академии наук, 2012, т. 442, №3, с.329-331.
2. Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Нохрин А.В., Лопатин Ю.Г., Козлова Н.А., Табачкова Н.Ю., Семенычева А.В., Смирнова Е.С., Грязнов М.Ю., Пирожникова О.Э. Влияние состояния границ зерен на термическую стабильность структуры субмикрокристаллического титанового сплава // Письма в ЖТФ, 2015, т.41, вып.11, с.1-9.
3. Chuvil’deev V.N., Kopylov V.I., Nokhrin A.V., Tryaev P.V., Kozlova N.A., Tabachkova N.Yu., Lopatin Yu.G., Ershova A.V., Mikhaylov A.S., Gryaznov M.Yu., Chegurov M.K. Study of mechanical properties and corrosive resistance of ultrafine-grained α-titanium alloy Ti-5Al-2V // Journal of Alloys and Compounds, 2017, v.723, p.354-367.
4. Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Нохрин А.В., Бахметьев А.М., Сандлер Н.Г., Козлова Н.А., Тряев П.В., Табачкова Н.Ю., Михайлов А.С., Ершова А.В., Грязнов М.Ю., Чегуров М.К., Сысоев А.Н., Смирнова Е.С. Эффект одновременного повышения прочности, пластичности и коррозионной стойкости ультрамелкозернистого псевдо-альфа титанового сплава Ti-4Al-2V // Письма в ЖТФ, 2017, т.43, №10, с.25-33.
5. Ozerov M., Klimova M., Sokolovsky V., Stepanov N., Popov A., Boldin M., Zherebtsov S. Evolution of microstructure and mechanical properties of Ti/TiB metal-matrix composite during isothermal multiaxial forging // Journal of Alloys and Compounds, 2019, v.770, p. 840-848.
6. Chuvil’deev V.N., Kopylov V.I., Nokhrin A.V., Tryaev P.V., Tabachkova N.Y., Chegurov M.K., Kozlova N.A., Mikhaylov A.S., Ershova A.V., Gryaznov M.Yu., Shadrina Y.S., Likhnitskii C.V. Effect of severe plastic deformation realized by rotary swaging on the mechanical properties and corrosion resistance of near-α-titanium alloy Ti-2.5Al-2.6Zr // Journal of Alloys and Compounds, 2019, v.785, p.1233-1244.
7. Chuvil’deev V.N., Kopylov V.I., Berendeev N.N., Murashov A.A., Nokhrin A.V., Gryaznov M.Yu., Shadrina I.S., Tabachkova N.Yu., Likhnitskii C.V., Kotkov D.N., Tryaev P.V. Corrosion fatigue crack initiation if ultrafine-grained near-α titanium alloy PT7M prepared by Rotary Swaging // Journal of Alloys and Compounds, 2019, v.790, p.347-362.
8. Chuvil’deev V.N., Nokhrin A.V., Kopylov V.I., Boldin M.S., Vostokov M.M., Gryaznov M.Yu., Tabachkova N.Yu., Tryaev P. Spark plasma sintering for high-speed diffusion bonding of the ultrafine-grained near-α Ti–5Al–2V alloy with high strength and corrosion resistance for nuclear engineering // Journal of Materials Science, 2019, v.54, iss.24, p.14926-14949.
9. Андреев П.В., Сметанина К.Е., Гудзь Д.А., Табачкова Н.Ю., Шадрина Я.С. Рентгенодифракционные исследования фазового состава α- и псевдо-α-титановых сплавов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2020, т.86, №9, с.45-51.
10. Чувильдеев В.Н., Берендеев Н.Н., Мурашов А.А., Копылов В.И., Нохрин А.В., Грязнов М.Ю., Лихницкий К.В., Табачкова Н.Ю., Галаева Е.А., Котков Д.Н., Бахметьев А.М., Тряев П.В., Мышляев М.М. Изучение особенностей коррозионно-усталостного разрушения мелкозернистого титанового сплава ПТ-7М, полученного методом ротационной ковки // Металлы, 2020, №4,с.64-76.
11. Мурашов А.А., Берендеев Н.Н., Галаева Е.А., Нохрин А.В., Чувильдеев В.Н. Исследование процессов усталостного и коррозионно-усталостного разрушения псевдо-α титанового сплава // Перспективные материалы, 2021, №7, с.37-48.
12. Чувильдеев В.Н., Нохрин А.В., Андреев П.В., Сандлер Н.Г., Бахметьев А.М., Востоков М.М., Лихницкий К.В., Копылов В.И., Болдин М.С., Гудзь Д.А., Табачкова Н.Ю. Коррозионная стойкость сварных соединений ультрамелкозернистого псевдо-α титанового сплава Ti-5Al-2V // Физика металлов и металловедение, 2021, т.122, №8, с.816-823.
13. Мурашов А.А., Берендеев Н.Н., Галаева Е.А., Нохрин А.В., Чувильдеев В.Н. Исследование процессов усталостного и коррозионно-усталостного разрушения псевдо-α титанового сплава // Перспективные материалы, 2021, №7, с.37-48.
14. Nokhrin A., Andreev P., Boldin M., Chuvil’deev V., Chegurov M., Smetanina K., Gryaznov M., Shotin S., Nazarov A., Shcherbak G., Murashov A., Nagicheva G. Investigation of microstrucutre and corrosion resistance of Ti-Al-V titanium alloys obtained by Spark Plasma Sintering // Metals, 2021, v.11, iss.6, ArticleID 945.
15. Нохрин А.В., Андреев П.В., Болдин М.С., Чувильдеев В.Н., Чегуров М.К., Сметанина К.Е., Назаров А.А., Щербак Г.В., Мурашов А.А., Нагичева Г.С. Исследование структуры и коррозионной стойкости титановых сплавов, полученных методом электроимпульсного (искрового) плазменного спекания // Перспективные материалы, 2022, №1, с.60-73.

СМИ о проекте:

• Нижегородские ученые повысили прочность титановых сплавов для атомного машиностроения (источник – сайт ННГУ).
• Титановые сплавы для атомных реакторов можно сделать гораздо прочнее и лучше без легирования платиновыми или другими редкими металлами (источник – сайт Индикатор.ру).
• Созданы титановые сплавы с рекордными прочностью и коррозионной стойкостью (источник – сайт Индикатор.ру).
• Ученые ННГУ разработали титановые сплавы с рекордной прочностью и коррозионной стойкостью (источник – сайт ННГУ).

К участию в проекте, выполнению курсовых и дипломных работ по тематике проекта, приглашаются бакалавры, магистры и аспиранты физического факультета ННГУ, в первую очередь — студенты и аспиранты кафедры физического материаловедения и кафедры кристаллографии и экспериментальной физики ННГУ.

Контактная информация для студентов: Нохрин А.В., e-mail: nokhrin@nifti.unn.ru