Научные труды (Вестник МАТИ), 2005, №9 (81)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“ИДТИ” - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

НАУЧНЫЕ

ТРУПЫ

ВЫПУСК 9(81)

МОСКВА 2005

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования

«МАТИ» -  Российский государственный технологический 
университет им. К.Э. Циолковского

НАУЧНЫЕ ТРУДЫ

Издание основано в 1940 году

Выпуск 9 (81)

ИЦ МАТИ

Москва 2005

УДК 621; 669; 681.5; 66; 621.37/39; 681.2; 005; 504; 51; 53; 531/534; 54; 378

Научные труды MATH. Вып. 9 (81). - М.: ИЦ MATH, 2005. - 264 с. ил 

ISBN 5-93271-273-2

В данном выпуске сборника Научных трудов представлены результаты 
фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными MATH, в 
том числе в содружестве со специалистами других организаций в широком 
спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по 
грантам и ряду научно-технических программ. Ряд статей сборника подготовлен по материалам докладов, сделанных авторами на Всероссийской научно- 
технической конференции «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ» -НМТ-2004 
(ноябрь, 2004 г., MATH, Москва).

Сборник рассчитан на научных работников, преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных 
предприятий.

Главный редактор: проф. А.П. Петров 

Заместитель главного редактора: проф. В.А. Васильев

Редакционная коллегия: 
заел. проф. МАТИ Бибиков Е.Л.,

чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., проф. Галкин В.И., 
проф. Дмитренко В.П., чл.-корр. РАН, проф. Ильин А.А., 
проф. Намазов В.Н., проф. Родинов В.Б., 
проф. Соколов В.П., проф. Суминов И.В.,проф. Сухов С.В. 
проф. Федоров В.К., доц. Уваров В.Н., 
нач. ОНТИ Чивикина Г.И., проф. Юрин В.Н.

Ответственные

секретари редколлегии: 
Затеева Т.А., Иванова Э.И.

Научные редакторы. 
проф. Беневоленский С.Б., проф. Бобров А.А.,

проф. Бойцов А.Г, проф. Болотин И.С., проф. Гусев Д.Е., 
проф. Дмитренко В.П., проф. Калачев Б.А.., 
доц. Кривошеин, проф. Мальков А.В., проф. Мамонов А.В., 
проф. Надежин А.М., проф. Попов В.Г., 
проф. Субочева О.Н., заел. проф. МАТИ. Суминов В.М., 
проф. Фролов В.А., проф. Чумадин А.С.

Тел. (095) 915-37-76, факс 915-09-35 
Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

ISBN 5-93271-273-2 
^  
0 
„
«МАТИ» - Российский государственный технологический
университет им. К.Э. Циолковского, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Отличительная черта сборников №№ 8 и 9 -  25 % опубликованных в них 
статей 
подготовлены 
по 
материалам 
докладов 
Всероссийской 
научно
технической конференции «Но
8001!------- --- ~т------------------— —— т..-------- 1 
вые материалы и технологии»НМТ-2004, состоявшейся в октябре 2004 года. Это доклады, 
рекомендованные 
секциями 
конференции к опубликованию 
в 
сборнике 
«Научные 
труды 
МАТИ». Здесь доклады как ученых из МАТИ, так и других организаций, принимавших участие 
в конференции.

НМТ -  2004 -  крупная научно-техническая 
конференция. 
Традиционно проводится с 1993 
года, неизменно вызывая большой интерес научно-технической общественности страны. На 
рис. 1 представлены некоторые 
количественные характеристики 
последних 4-х конференции НМТ 
(1998, 2000, 2002 и 2004 гг.).

На 19 секциях конференции более 700 авторов из 103 вузов, НИИ, предприятий из 38 городов России 27 регионов России 
всех федеральных округов (от Калининграда до Комсомольска-на-Амуре), а также 
ученые и специалисты Ирана, Узбекистана, Украины, ЮАР представили свыше 400 
докладов по 7 основным направлениям:
I. Материаловедение и технология материалов
II. Проектирование, производство и эксплуатация изделий машиностроения
III. Приборостроение, лазерная техника и информационные технологии
IV. Электронная техника и технология
V. Экономика, экология и гуманитарные науки
VI. Управление качеством и сертификация
VII. Компьютерные технологии в учебном процессе инженерного образования

Сборник «Научные труды МАТИ» № 9(81) содержит 9 традиционных тематических разделов, соответствующих многопрофильному характеру нашего 
университета.

Помимо материалов докладов конференции НМТ-2004, в данном выпуске 
Научных трудов МАТИ представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных в широком спектре научных направлений, 
включая 
научно-исследовательские 
работы 
по 
грантам 
и 
ряду 
научно-технических программ.

1998 г. 
2000 г. 
2002 г. 
2004 г.

В Кол-во докладов 
■ Кол-во докладов от МАТИ 
В Кол-во авторов 
□ Кол-во организаций

Рис.1. Количественные характеристики 
конференций НМТ

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2004 г. Вып. 9 (81)
3

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669. 295: 615.46

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ СТАБИЛЬНОЙ 
БИМОДАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ В ВЫСОКОЖАРОПРОЧНОМ ТИТАНОВОМ 
СПЛАВЕ ПРИ ТЕРМОВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКЕ

д.т.н., проф. А.М. Мамонов, к.т.н., доц. С.В. Скворцова, Г.В. Гуртовая 
к.т.н., доц. Е.О. Агаркова, к.т.н., доц. В.В. Засыпкин

Работа посвящена изучению влияния водорода на фазовый состав и структуру титанового сплава Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe при различных температурах. На основании проведенных исследований разработан режим термоводородной обработки, позволяющий сформировать 
в сплаве бимодальную структуру, обеспечивающую повышение термической стабильности и 
эксплуатационной надежности сплава.

This work is consecrating to investigation of hydrodgen influence on phase composition and 
structure of titanium alloy Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe at different temperatures. On the basis of the 
investigations the scheme of thermohydrogen treatment was developed providing bimodal structure 
forming that guarantee thermal stability and operation reliability of the alloy.

Введение
Одним из основных недостатков высокожаропрочных титановых сплавов 
с интерметаллидным упрочнением а2-фазой на основе ТЪА1 является их низкая термическая стабильность. После длительных выдержек при температурах 
500 - 600°С пластичность, вязкость разрушения и трещиностойкость этих сплавов резко снижаются. Поэтому, при длительной эксплуатации при повышенных 
температурах деталей, изготовленных из титановых сплавов с концентрацией 
алюминия, превышающей его предельную растворимость в а-фазе (~7%), происходит их разрушение. Это связано с протеканием процессов упорядочения в 
а-фазе и непрерывным выделением мелкодисперсных, когерентных с а- 
матрицей частиц аг-фазы.

Для повышения эксплуатационной надежности сплавов с интерметаллидным упрочнением а2-фазой необходима разработка новых технологических 
способов обработки, которые позволили бы создать термически стабильную 
бимодальную структуру [1].

Одним из способов управления структурой титановых сплавов разных 
классов является термоводородная обработка (ТЕЮ), основанная на явлении обратимого легирования водородом. Научные основы ТВО и примеры ее 
эффективного применения изложены в работах [2, 3].

Постановка задачи
Для разработки режимов ТВО с целью повышения термической стабильности (а+а2)-сплавов необходимо, прежде всего, проанализировать влияние 
водорода на фазовый состав сплавов и структуру при различных температурах.

4
Научные труды МАТИ, 2005 г. Вып. 9 (81)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Подробности экспериментов

Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатаных 
прутков опытного жаропрочного титанового сплава ТМ0А1-2Мо-2гг-0,25Н0,1Ре с 
интерметаллидным упрочнением а2-фазой.

Все образцы были подвергнуты отжигу при температуре 950°С. Образцы 
насыщали водородом до. концентраций хн = 0,1 -  1,0 масс.% в установке Сивер- 
тса в среде высокочистого водорода при температурах 800 -  850°С. Фазовый 
состав и структуру сплава при разных температурах определяли методом 
пробных закалок с использованием рентгеноструктурного и металлографического анализов.

Результаты и обсуждение

При комнатной температуре фазовый состав сплава в отожженном состоянии с исходной концентрацией водорода (хн= 0,004%) представлен а-, а2- и 
р-фазами с пластинчатой морфологией а-фазы (рис. 1 а).

Легирование водородом до концентрации 0,4% не изменяет фазового состава, но приводит к увеличению при нормальной температуре объемной доли 
р-фазы до 16-20%. При содержании водорода более 0,6% в сплаве в процессе охлаждения от температуры гидрирования протекает частичное эвтектоидное р->аэ+у 
превращение с выделением гидридной фазы с составом, близким к ТИН2.

Структура сплава, легированного от 0,6 до 1,0% Н, состоит из р-, а-, а2- 
фаз и эвтектоида (аэ+у). Количество эвтектоида увеличивается по мере увеличения содержания водорода (рис 1 б).

Рис. 1. Микроструктура сплава ТМ0А1-2Мо-22г-0,25н0,1 Ре: 
ь

а) с исходной концентрацией водорода хн= 0,004%; б) легированного водородом до 
х„= 0,6%; в) легированного водородом до хн= 0,4% и закаленного от температуры 900°С

Для определения фазового состава и структуры сплава, легированного 
водородом, при повышенных температурах образцы нагревали в печи с воздушной атмосферой и после выдержки в течение 0,5-2,0 ч (в зависимости от 
температуры) охлаждали в воде. Нагрев до 850°С образцов с хн= 0,004% не 
приводит к изменению фазового состава. Объемная доля р-фазы незначительно 
возрастает, а а и а2-фаз -  уменьшается. Выше 850°С процессы разупорядочения 
а2-фазы завершаются, и закалкой эта фаза не фиксируется, что подтверждается 
отсутствием сверхструктурных максимумов на дифрактограммах.

Температура Ас3 для сплава с исходным содержанием водорода составила 
1110°С.

Научные труды МАТИ, 2005 г. Вып. 9 (81)
5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Легирование сплава водородом приводит к повышению термодинамической стабильности р-фазы, увеличению ее объемной доли при всех температурах и снижению температуры а+р->р-перехода (А с з). При концентрации водорода 0,4% она снижается до 1040°С, а при хн= 1,0% -  до 900°С. Закалкой от 
температур р-области в сплаве с 0,1-0,6% водорода фиксируется (а"+Р)- 
структура. С увеличением концентрации водорода объемная доля р-фазы в 
структуре закаленного сплава по данным рентгеновского анализа непрерывно 
возрастает (рис. 2). 
*

При содержании водорода более 0,6% фазовый состав сплава, закаленного от температур р-области, представлен только метастабильной р-фазой. При 
закалке от температур ниже Ас3 в структуре сплава присутствует первичная 
а-фаза (рис 1 в), имеющая квазиглобулярную форму.

Рис. 2. Зависимость количества р-фазы 
при нормальной температуре от температуры нагрева под закалку сплава 
ТМ0А1-2Мо-22г-0,28н0,1Ре с разной концентрацией водорода 
(цифры у кривых)

При хн= 0,4% температура разупорядочения а2-фазы составляет 900°С, 
что на 50°С выше данной температуры для сплава с исходным содержанием 
водорода. Повышение температуры разупорядочения при легировайии водородом обусловлено повышением устойчивости водородсодержащей аг-фазы, 
что согласуется с результатами исследования влияния водорода на процессы 
упорядочения в двухкомпонентных сплавах системы "П-А1 [4, 5].

С повышением температуры нагрева под закалку период решетки р- 
фазы образцов, легированных водородом до концентраций 0,1-0,4%, уменьшается, что обусловлено увеличением количества р-фазы и обеднением ее 
водородом (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость периодов 
кристаллической решетки 
р-фазы от температуры нагрева под 
закалку сплава

ТМ0А1-2Мо-22г-0,28н0,1Ре с разной 
концентрацией водорода (цифры 
у кривых)

6
Научные труды МАТИ, 2005 г. Выл. 9 (81)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

В сплаве, содержащем 0,6-0,8% водорода при закалке с температур ниже 
880°С формируется трехфазное структурное (а+|1+а2)-состояние, а при температурах свыше 900°С в сплаве с Хц= 0,6-0,8% происходят процессы разупоря- 
дочения а2-фазы. Они сопровождаются увеличением диффузионной подвижности атомов алюминия в а-фазе и более интенсивным протеканием превращения а—ф при нагреве. Кроме того, по данным работы [6], растворимость водорода в аг-фазе при данных температурах превышает растворимость водорода в 
а-фазе. Содержавшийся в а2-фазе водород обогащает р-фазу, о чем свидетельствует некоторое увеличение периода ее решетки (см. рис. 3). Это приводит к тому, что при закалке сплавов с хн= 0,6 и 0,8% с температур 950 и 900°С 
соответственно фиксируется двухфазная (р+а)-структура.

При закалке сплава, содержащего от 0,6 до 1,0% водорода, от температур ниже 700 и 800°С соответственно, происходит гидридное р->у-превращение 
сдвигового характера. Причиной является, по-видимому, сильное обогащение р- 
фазы водородом и снижение ее устойчивости по отношению к гидриду. Гидридное превращение приводит к резкому уменьшению количества р-фазы и периода ее решетки (рис. 2, 3).

Проведенный анализ влияния водорода на фазовый состав и структуру 
сплава позволил разработать режим ТВО, позволяющий сформировать в сплаве бимодальную структуру, обеспечивающую повышение термической стабильности.

Разработанная технологическая схема ТВО включает:

• 
наводороживающий отжиг до концентрации 0,6% (по массе) в интервале 
температур, соответствующих (а+р)-области, ниже температур разупорядо- 
чения а2-фазы;

• 
изотермическую выдержку при тех же температурах в (а+(3)-области;

• 
вакуумный отжиг с целью формирования бимодальной структуры и удаления водорода до безопасных концентраций.

При насыщении сплава водородом объемная доля (3-фазы в его структуре достигает 40-50 %.

Изотермическая выдержка в наводороженном состоянии приводит к перераспределению легирующих элементов и достижению равновесного состава 
а- и (3-фаз. Результаты проведенного микрорентгеноспектрального анализа 
свидетельствуют о том, что концентрация алюминия в первичной а-фазе составляет 12-14%, а в р-фазе 5-7%. В обогащенной алюминием первичной а- 
фазе происходят процессы упорядочения с образованием а2-фазы.

В процессе вакуумного отжига происходит р->а-превращение вследствие 
десорбции водорода и образование вторичной а-фазы, а также удаление водорода до безопасных концентраций.

Вакуумный отжиг проводили при температуре 700°С. При более низких 
температурах продолжительность вакуумного отжига до достижения допустимых концентраций водорода слишком велика (около 8-10 часов). Повышение 
температуры дегазации до 750°С и выше приводит к активизации диффузии 
алюминия и выравниванию состава первичной и вторичной а-фазы.

После вакуумного отжига структура сплава представлена глобулярной 
первичной а-фазой, мелкодисперсной вторичной а-фазой и небольшим количеством (1-фазы в прослойках. Разница концентраций алюминия в структурных 
составляющих а-фазы достигает 5-7%. Содержание в них алюминия определяет возможность протекания процессов упорядочения в первичной а-фазе и 
практически исключает их во вторичной.

Научные труды МАТИ, 2005 г. Вып. 9 (81)
7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Выводы
Проведенные исследования показали, что проведение ТВО, формирующей бимодальную структуру, в которой упорядочение протекает только в частицах первичной a-фазы, должно обеспечивать стабильность структуры и механических свойств после длительных выдержек при предполагаемой температуре эксплуатации. Кроме того, ТВО должно повышать прочность сплава по 
сравнению с отожженным состоянием за счет упрочнения первичной a-фазы и 
дисперсности вторичной а-фазы.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 05-03-33177 от 
14.09.04.

Литература

1. Мамонов А.М., Ильин А.А. Фазовые и структурные превращения в водородсодержащих жаропрочных титановых сплавах при дегазации // Металлы 
(РАН), 1994, № 5,- С. 104-108

2. Ильин А.Л., Мамонов А.М., Носов В.К. Научные основы, технология и 
перспективы 
применения 
термоводородной 
обработки 
титановых 
сплавов / Наука, производство и применение титана в условиях конверсии: Сб. докл. I Междунар. н.-т. конф. по титану стран СНГ, MA «Титан». 
Т .1 .-М .: ВИЛС, 1994,- С. 5 0 0 -5 2 1

3. Ильин А.Л., Мамонов А.М., Коллеров М.Ю. Научные основы и принципы построения технологических процессов термоводородной обработки 
титановых сплавов//М еталлы, 1994,. № 4 ,- С. 157 -  168

4. Белов С.П., Ильин А.Л., Мамонов А.М., Александрова А.В. Анализ 
процессов упорядочения в сплавах на основе Ti3AI. I. О механизме 
упорядочения в сплавах на основе соединения Ti3AI // Металлы, 1994, 
№ 1 -  С .134 -  138

5. Белов С.П., Ильин А.Л., Мамонов А.М., Александрова А.В. Теоретический анализ процессов упорядочения в сплавах на основе Ti3AI. П. 
Влияние водорода на устойчивость интерметаллида Ti3AI // Металлы, 
1994., № 2,- С.76 -  80

6. Wu-YangChu, Thompson A.W., Williams J.S. Hydrogensolubility in a titanium alu- 
minide alloy // Acta met. mater. 1992. V. 40. № 3, p. 455 -  462

УДК 669.295’245: 541.6

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 
СИЛИКОНОВАЯ РЕЗИНА-НИКЕЛИД ТИТАНА 
С ЭФФЕКТОМ ЗАПОМИНАНИЯ ФОРМЫ

к.т.н., доц. А.В. Матыцин, Ю.Л. Добровольский, М.М. Коллерова

В работе исследовано влияние олигомерного аппрета, структурного состояния и объёмного содержания волокон из сплава на основе никелида титана на термомеханические характеристики композиционного материала силиконовая резина-никелид титана. Изучена деформационная совместимость материалов матрицы и волокон. Определены температурные, деформационные и силовые характеристики эффекта запоминания формы исследуемого композита.

In this work the influence finishing agent, structure and the volume content of TiNi alloy fibers 
on thermomechanical characteristics of composite material silicone rubber-TiNi alloy was investigated. Deformation compatibility of matrix and fibers materials was studied. Temperature, deformation 
and power characteristics of shape memory effect of researched composite were determined._______

Введение
Использование функциональных материалов, в частности композитов с 
эффектом запоминания формы (ЭЗФ), даёт широкие возможности создания

8
Научные труды МАТИ, 2005 г. Выл. 9 (81)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

принципиально новых конструкций и технологий их применения во многих областях техники -  авиакосмической, машиностроительной, медицинской и др. 
Однако отсутствие данных о термомеханических свойствах и характеристиках 
ЭЗФ затрудняет успешное применение новых композиционных материалов 
(КМ) в различных конструкциях.

Исследуемый композиционный материал создан на основе сплавов с памятью формы и полимерных материалов. Материалом матрицы являлась силиконовая резина марки СКТВМ, а волокном -  проволока из сплава ТН1 на основе 
никелида титана.

Постановка задачи

Учитывая различие физико-механических характеристик соединяемых 
компонентов, результатом исследования должен стать выбор состава КМ, который при значительных деформациях проявляет в полной мере ЭЗФ, свойственный армирующему волокну. Поэтому первоначально необходимо изучить 
влияние межфазного слоя и структурного состояния волокон на термомеханические характеристики КМ.

Вторая задача исследования заключается в определении температурных, деформационных и силовых характеристик ЭЗФ КМ силиконовая резина- 
никелид титана.

Подробности экспериментов

Образцы композиционных материалов изготавливали в виде пластин размером 3x10x80 мм. Волокна 0 1 мм располагали вдоль длинной стороны образцов в один ряд, на одинаковом расстоянии друг относительно друга для обеспечения равномерного распределения полимера между волокнами. Исследования 
проводили на образцах КМ с 5, 10 и 15% объёмным содержанием волокон из 
сплава ТН1 и аналогичных образцах, содержащих олигомерный аппрет с концевыми гидроксильными и метилольными группами. Наличие промежуточного слоя, 
как показывают ранее проведённые исследования [1-3], позволяет значительно 
повысить адгезионную прочность соединения матрицы из силиконовой резины 
марки СКТВМ и шлифованной поверхности волокон из сплава ТН1.

Образцы 
КМ 
для 
определения 
термомеханических 
характеристик 
испытывали методом статического трёхточечного изгиба прогибом на величину 
до 8 мм, что соответствует примерно 20 % деформации материала и 6,5 % деформации волокна. Для исследования возможности накопления композитом остаточной деформации и затем восстановления формы в процессе нагрева образцы КМ деформировали при температуре 7 °С (ниже температуры начала 
обратного мартенситного превращения (Ан), протекающего в сплаве ТН1). Исследование сверхупругого поведения композита, когда вся наведённая деформация упруго восстанавливается после снятия нагрузки, проводили при температуре 37 °С (выше температуры конца обратного мартенситного превращения 
(Ак)). При этом строили кривые деформирования образцов, позволяющие сделать выводы о характере деформирования материала в зависимости от температуры и определить изменение жёсткости композита при варьировании степени наполнения волокном и наличия аппрета.

На следующем этапе исследовали деформационную совместимость материалов матрицы и волокон. Учитывая особенности упругого поведения резины. армированные с различной степенью наполнения никелидом титана образцы деформировали и выдерживали под нагрузкой в течение различного времеНаучные труды МАТИ, 2005 г. Вып. 9 (81)
9