Учёные Сколтеха провели сравнительное исследование двух методик оценки остаточных напряжений в аэрокосмическом титановом сплаве ВТ6 (Ti-6Al-4V), который применяют для изготовления лопаток компрессоров авиационных двигателей. Работа, опубликованная в журнале Measurement, демонстрирует комбинированное использование ионных пучков галлия (Ga⁺) и ксенона (Xe⁺) в рамках метода микро-кольцевого ионного травления (МКИТ), что позволяет надёжно определять остаточные напряжения в критически важном для инженерии мезомасштабном 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.

Остаточные напряжения, возникающие в материалах после обработки или эксплуатации, напрямую влияют на усталостную прочность и надёжность конструкций. Однако их экспериментальное определение остаётся сложной задачей: традиционные макроскопические методы (рентгеновская дифракция, сверление отверстий с использованием тензометрии или цифровой оптической спекл-интерферометрии) работают на масштабах миллиметров, а передовые микроскопические подходы (МКИТ на основе Ga⁺) охватывают лишь единицы микрометров. «Слепой зоной» для исследователей долгое время оставался промежуточный мезомасштаб (0,05–0,5 мм), где наблюдается сильное влияние микроструктуры на градиенты напряжений.

Изображение 1. 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). Источник: исследование авторов.

Под руководством профессора Александра Корсунского, главы Лаборатории иерархически структурированных материалов (ЛИСМ) Центра инженерных систем и наук Сколтеха, коллектив ученых применил методику микро-кольцевого ионного травления с цифровой корреляцией изображений (МКИТ / FIB-DIC), использовав различные ионные пучки. Старший научный сотрудник лаборатории Евгений Статник, ведущий автор исследования, поясняет: «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 — то есть к усреднённым по множеству зёрен значениям, критически важным для прогнозирования поведения инженерных компонентов».

Исследователи провели серию экспериментов на образцах сплава ВТ6 после трёхточечного пластического изгиба. Микроструктурный анализ методом дифракции обратно рассеянных электронов (ДОРЭ / EBSD) показал отсутствие выраженной текстуры и средний размер зёрен α-фазы ~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 лежали в диапазоне от –500 до +500 МПа.

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

Изображение 2. Многомасштабный анализ остаточных напряжений (ОН) 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 зёрен, 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). Источник: исследование авторов.

«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 зёрен и дислокационной структурой. Мы показали, что можем целенаправленно выбирать масштаб зондирования в соответствии с конкретными научными и инженерными задачами», — подчеркнул Александр Корсунский, научный руководитель исследования и изобретатель оригинальной методики МКИТ.

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

Разработанная методика создаёт основу для интеграции малонарушающих (МКИТ / FIB-DIC) и неразрушающих (рентгеновская дифракция, ультразвуковая томография) подходов в единую многоуровневую систему диагностики внутреннего напряжённо-деформированного состояния в материалах. Таким образом, новый подход способствует дальнейшему повышению ресурса деталей авиационных двигателей и обеспечению технологического лидерства в этой важнейшей отрасли. Важность этого направления отражена в дальнейшей поддержке работ в Лаборатории Иерархически Структурированных Материалов в рамках нового гранта РНФ 26-19-00651. 

Работа выполнена при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования РФ № 075-15-2024-552 на реализацию крупных научных проектов в приоритетных направлениях научно-технологического развития.