Новый метод контроля остаточных напряжений повысит надежность лопаток авиационных двигателей

Ученые из Сколтеха провели сравнительное исследование двух методик оценки остаточных напряжений в титановом сплаве ВТ6 (Ti-6Al-4V), который используется для производства лопаток компрессоров авиационных двигателей. Об этом сообщили представители Сколтеха. Исследование демонстрирует использование ионных пучков галлия (Ga⁺) и ксенона (Xe⁺) в рамках метода микро-кольцевого ионного травления (МКИТ), что позволяет точно определять остаточные напряжения в мезомасштабном диапазоне от 0,05 до 0,5 мм, который критически важен для инженерных приложений. Эти результаты имеют значение для аэрокосмической отрасли, биомедицинского приборостроения, микроэлектроники и аддитивных технологий, где контроль напряжений на мезомасштабном уровне важен для долговечности и целостности деталей.

Остаточные напряжения, возникающие в материалах после обработки или эксплуатации, оказывают прямое влияние на усталостную прочность и надежность конструкций. Однако их экспериментальное определение остается сложной задачей: традиционные макроскопические методы, такие как рентгеновская дифракция и сверление отверстий с использованием тензометрии, работают на масштабах миллиметров, а современные микроскопические подходы, такие как МКИТ на основе Ga⁺, охватывают лишь единицы микрометров. Мезомасштаб (0,05–0,5 мм) долгое время оставался "слепой зоной" для исследователей из-за сильного влияния микроструктуры на градиенты напряжений.

Под руководством профессора Александра Корсунского, главы Лаборатории иерархически структурированных материалов (ЛИСМ) Центра инженерных систем и наук Сколтеха, группа ученых использовала методику микро-кольцевого ионного травления с цифровой корреляцией изображений (МКИТ / FIB-DIC), применяя различные ионные пучки. Старший научный сотрудник Евгений Статник, ведущий автор исследования, отметил, что 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, критически важные для прогнозирования поведения инженерных компонентов.

В ходе 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 около 9,4 мкм, что сделало материал идеальной платформой для статистического анализа. Результаты показали, что данные, полученные с использованием сфокусированного ионного пучка на основе Ga⁺ и Xe⁺, согласуются между собой: определенные остаточные напряжения находились в диапазоне от –500 до +500 МПа. Ключевым вкладом стало проведение "эксперимента-матрешки", где внутри мезомасштабного кольца, сформированного ксеноновым ионным лучом, было выполнено микрокольцевое фрезерование ионным пучком галлия. Это подтвердило иерархическую природу остаточных напряжений, где "крупный" зонд Xe⁺ усредняет мелкомасштабные флуктуации, а "малый" зонд Ga⁺ выявляет локальные вариации.

Дополнительно ученые установили корреляцию между величиной остаточных напряжений и локальной твердостью, измеренной методом наноиндентирования, что открывает возможности для неразрушающей оценки напряженного состояния по картированию твердости материала. Разработанная методика создает основу для интеграции малонарушающих и неразрушающих подходов в единую систему диагностики внутреннего напряженно-деформированного состояния в материалах. Это способствует повышению ресурса деталей авиационных двигателей и укреплению технологического лидерства в данной отрасли. Работа поддержана грантом РНФ 26-19-00651 и грантом Министерства науки и высшего образования России № 075-15-2024-552.

Источник