Ученые Сколтеха предложили усовершенствованный метод контроля остаточных напряжений

Исследователи из Сколковского института науки и технологий провели сравнительное исследование двух методик оценки остаточных напряжений в аэрокосмическом титановом сплаве ВТ6 (Ti-6Al-4V), применяемом в производстве компрессорных лопаток авиационных двигателей. Работа демонстрирует метод микрокольцевого ионного травления (МКИТ) с комбинированным использованием ионных пучков галлия и ксенона, что позволяет надежно определять остаточные напряжения в критически важном для инженерии диапазоне от 0,05 до 0,5 мм. Результаты имеют прикладное значение для аэрокосмической отрасли, биомедицинского приборостроения, микроэлектроники и аддитивных технологий, где контроль остаточных напряжений на мезомасштабном уровне определяет целостность и долговечность деталей.

Общий вид изогнутого образца с указанием зон контакта с роликами и области интереса (ROI) (участок, выбранный для анализа EDS и EBSD), а также фазовой картой большой площади, картами Эйлера, обратной полюсной диаграммы (IPF) и средней дезориентации ядра (KAM)

Возникающие в материалах после обработки или эксплуатации остаточные напряжения напрямую влияют на усталостную прочность и надежность конструкций, однако их экспериментальное определение остается сложной задачей: традиционные макроскопические методы (рентгеновская дифракция, сверление отверстий с использованием тензометрии или цифровой оптической спекл-интерферометрии) работают в миллиметровых масштабах, а передовые микроскопические подходы (МКИТ с использованием ионов галлия) охватывают лишь единицы микрометров. Слепой зоной для исследователей долгое время оставался промежуточный диапазон 0,05-0,5 мм, где наблюдается сильное влияние микроструктуры на градиенты напряжений.

Под руководством профессора Александра Корсунского, главы Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра инженерных систем и наук Сколтеха, научный коллектив применил методику микро-кольцевого ионного травления с цифровой корреляцией изображений (МКИТ/FIB-DIC), использовав различные ионные пучки, сообщает пресс-служба Сколтеха.

«Использование плазменного источника ксенона позволяет увеличить размер зоны зондирования с 5-20 мкм (Ga⁺) до 50-80 мкм (Xe⁺), что позволяет определять напряжения типа I и II по классификации Давиденкова — к усредненным по множеству зерен значениям, критически важным для прогнозирования поведения инженерных компонентов», — пояснил старший научный сотрудник Лаборатории иерархически структурированных материалов Евгений Статник.

Исследователи провели серию экспериментов на образцах сплава ВТ6 после трехточечного пластического изгиба. Микроструктурный анализ методом дифракции обратно рассеянных электронов (ДОРЭ/EBSD) показал отсутствие выраженной текстуры и средний размер зерен α-фазы ~9,4 мкм, что сделало материал идеальной платформой для статистического анализа. Результаты показали, что полученные с использованием сфокусированного ионного пучка на основе Ga⁺ и Xe⁺ данные согласуются между собой: определенные остаточные напряжения лежали в диапазоне от -500 до +500 МПа.

Ключевым методическим вкладом работы стал оригинальный «эксперимент-матрешка»: внутри предварительно сформированного ксеноновым ионным лучом мезомасштабного кольца было выполнено микрокольцевое фрезерование ионным пучком галлия.

Многомасштабный анализ остаточных напряжений методом МКИТ (FIB-DIC). (a) СЭМ: расположение колец, фрезерованных Ga⁺ (микро-, в центре) и Xe⁺ (мезо-, вокруг). (b–f) Участок с Xe⁺ до/после Ga⁺-FIB-DIC (b, c), границы зерен, кривые деформации (e, f) и график оценки плотности распределения (ОПР/KDE) напряжений (пунктир — значение согласно МКИТ Xe⁺). (g) Схема: черный круг — зона исследования (диаметр ~100 мкм); красный круг — МКИТ Xe⁺ (диаметр ~50 мкм); синий круг — МКИТ Ga⁺ (диаметр ~15 мкм)

«Этот подход предоставил прямое экспериментальное подтверждение иерархической природы остаточных напряжений: крупный зонд Xe⁺ усредняет мелкомасштабные флуктуации, тогда как малый зонд Ga⁺ выявляет локальные вариации, связанные с морфологией зерен и дислокационной структурой. Мы показали, что можем целенаправленно выбирать масштаб зондирования в соответствии с конкретными научными и инженерными задачами», — рассказал научный руководитель исследования и изобретатель оригинальной методики МКИТ Александр Корсунский.

Дополнительно исследователи установили корреляцию между величиной остаточных напряжений и локальной твердостью, измеренной методом наноиндентирования. Это открывает возможности для неразрушающей экспресс-оценки напряженного состояния по картированию твердости материала.

Разработанная методика создает основу для интеграции малонарушающих (МКИТ/FIB-DIC) и неразрушающих (рентгеновская дифракция, ультразвуковая томография) подходов в единую многоуровневую систему диагностики внутреннего напряженно-деформированного состояния в материалах. Таким образом, новый подход способствует дальнейшему повышению ресурса деталей авиационных двигателей и обеспечению технологического лидерства в этой отрасли. Важность этого направления отражена в дальнейшей поддержке работ в Лаборатории иерархически структурированных материалов новым грантом Российского научного фонда.

Исследование выполнено при грантовой поддержке Министерства науки и высшего образования, результаты опубликованы в журнале Measurement. 

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru