Напечатанные титановые изделия поглощали водород сильнее, чем литые

Ученые сравнивали два титановых сплава (Ti-6Al-4V). Первый напечатали на 3D-принтере методом электронно-лучевого сплавления из проволоки, в состав которой вошли титан, алюминий и ванадий. Второй получили из горячекатаной титановой пластины, произведенной по традиционной технологии литья. Оба образца подвергли нагреву до 450 °C и наводороживанию с помощью модернизированного в ТПУ комплекса на базе рентгеновского дифрактометра для in situ исследований процессов структурно-фазовых превращений в газовых средах. Исследование in situ структурно-фазовых превращений в образцах проводили в водородной среде под давлением одной атмосферы в течение 60 минут. Дополнительно образцы исследовались методом просвечивающей электронной микроскопии. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds (Q1, IF: 6,3).

«Титановые сплавы широко применяются в авиации, медицине и машиностроении. При аддитивном изготовлении их структура и свойства сильно отличаются от традиционных литых сплавов. При этом важно понимать, как такой материал ведет себя в водородсодержащих средах и повышенных температурах, ввиду того, что водород может приводить к охрупчиванию сплава и снижению долговечности деталей», — отмечает руководитель лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Егор Кашкаров.

Результаты исследования показали, что фазовый состав литого образца в процессе наводороживания практически не изменился, массовая доля водорода в нем составила 0,03 массовых %. При этом, напечатанная титановая пластина активно поглощала водород: массовое содержание водорода в ней после гидрирования составило 3,4 массовых %. Это связано с особенностями микроструктуры напечатанного образца, которые способствуют более активной диффузии водорода.

По словам ученых, поглощение водорода у напечатанных образцов сопровождается развитием фазовых переходов. Политехники поминутно установили изменения в их фазовом составе. Так, процесс гидрирования напечатанного сплава сопровождался возникновением метастабильных фаз, в том числе нестехиометрического гидрида (соединение с переменным составом – прим.), которые не присутствуют в структуре традиционно полученных литых сплавов. Длительное наводороживание напечатанного образца привело к его превращению в β-фазу титана и стабильный гидрид титана, что в конечном итоге повлияло на прочность образца.

Образцы титановых пластин / © Пресс-служба ТПУ

«Исследования in situ позволили нам установить механизмы поглощения водорода и структурной трансформации титанового сплава в режиме реального времени. Это вносит существенный вклад в понимание процессов взаимодействия водорода с аддитивно-произведенными титановыми сплавами и позволяет учитывать возможные негативные эффекты их использования в водородсодержащих средах», — добавляет автор работы, инженер лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Кристина Камелина.