Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Коллективом заявителей разработан прототип установки, в которой технология гибридного изготовления крупногабаритных изделий реализована на единой платформе с послойным синтезом, упрочняющим механическим воздействием и обработкой на станке с ЧПУ. Произведена модернизация установки для послойной холодной обработки наплавленной полосы на пластине из алюминиевых и титановых сплавов с использованием плазменных, аргонно-дуговых и СМТ-технологий и обработки давлением в широком диапазоне параметров удара. Произведена модернизация установки для реализации процесса в изолированной камере с контролируемой атмосферой. Произведено дооснащение электромеханическим и (или) ультразвуковым ударными инструментами. Произведено дооснащение модулями сопряжения установки с перечисленными сварочными источниками. 2. Выполнено гибридное аддитивное производство материала с различными технологическими режимами. Аддитивное производство опробовано на следующих материалах: алюминиевых, магниевых и титановых сплавах и сталях. Послойная наплавка осуществлялась проволочным присадочным материалом с использованием процессов MIG / CMT и Плазма-MIG /CMT. Выбраны оптимальные параметры процесса проковки (давление в пневмомолоте, давление прижима бойка и скорость подачи), обеспечивающие однородное по длине деформирование поверхности контрольного призматического образца. Выполнено гибридное аддитивное производство материала с различными технологическими режимами. Получены образцы металла, наплавленные проволочным присадочным материалом с использованием процессов MIG / CMT и Плазма-MIG /CMT с межслойной проковкой из следующих сплавов: стали аустенитного класса типа 308LSi; - титанового сплава типа ВТ6; алюминиевого сплава АМг5. Отработаны методики испытаний материалов на статические и динамические (методом Гопкинсона-Кольского) механические и прочностные характеристики, а также исследований микроструктуры, микротвердости и остаточных напряжений прокатанного и аддитивно произведенного материала, в соответствии с которыми электроэрозионной обработкой из всех исследуемых материалов вырезаны необходимые образцы и шлифы. 3. Получены результаты исследования структурообразования, распределения характерного размера субструктуры по толщине, а также свойств (микротвердости), основных механических свойств для указанных материалов. Исследовано формирование структуры стали аустенитного класса при наплавке Плазма-МИГ и Плазма-МИГ с послойной холодной проковкой. Установлено, что при наплавке Плазма-МИГ формируется структура характерная для направленной транскристаллизации металла с определенной кристаллографической ориентацией, металл имеет текстурированную структуру. Микроструктура имеет дендритное строение, характерное для наплавленного металла стали аустенитного класса. Применение послойной холодной проковки при наплавке позволяет устранить транскристаллизацию наплавленного металла, способствует увеличению дисперсность микроструктуры и устранению структурной текстуры. Установлены основные закономерности фазо- и структурообразования титанового сплава ВТ6 при аддитивной СМТ-наплавке с послойноым деформационным воздействием. Установлено, что послойное деформационное воздействие при СМТ наплавке титанового сплава ВТ6 способствует значительному уменьшению размера первичных бета-зерен - размер этих зерен ограничивается пределами 1-2 валиков наплавки в отличие от 3-4 валиков для наплавок без проковки. Кроме того, проковка усиливает эффект измельчения микроструктуры. Установлено, что характеристики прочности сплава ВТ6, полученного послойной СМТ наплавкой с проковкой превышают уровень прочности материалов, полученных традиционными технологиями обработки давлением, причем снижения характеристик пластичности при этом не происходит. Пористости в наплавленном материале ВТ6 и в стали аустенитного класса 308LSi не обнаружено ни при каких методах аддитивной наплавки. В наплавленном металле сплава АМг5 практически при всех режимах аддитивной наплавки зафиксированы поры, в том числе величиной более ста микрон. Установлено, что межслойная проковка приводит к практически полному исчезновению пористости в наплавленном материале АМг5 4. Исследовано распределение микротвердости по толщине образца, синтезированного многократно повторяющимися операциями наплавки и проковки. Выполнены исследования распределений микротвердости и остаточных напряжений по толщине образца для односторонне прокованных контрольных образцов из отожженного проката всех исследуемых материалов для калибровки численной модели проковки. Лабораторные исследования выполнены с использованием рентгеновской дифрактометрии и микротвердометрии поверхности образца в его продольном и поперечном сечениях 5. Разработан новый метод реконструкции распределения собственных деформаций (пластических, усадочных, либо деформаций, сопровождающих фазовые превращения) по глубине длинного призматического тела, основанный на измерении стрелы прогиба последовательно срезаемых (электроэрозионной резкой) тонких слоев материала (полос). Для реконструкции используется численное решение упругой задачи с градиентным распределением собственных деформаций в полосе по ее толщине. Отношения компонент собственных деформаций для точечных способов обработки давлением призматического тела вдоль его длины либо наплавлением на него материала приблизительно соответствует плоскому деформированному состоянию. 6. Проведено исследование корреляции распределения пластической деформации по толщине образца, реконструированного по остаточным напряжениям, с распределением микротвердости Установлено подобие распределений накопленных пластических деформаций и микротвердости по глубине односторонне прокованного образца, а также соответствие глубин полумаксимумов данных распределений. Для этого использованы экспериментальные результаты, полученные для сплавов АМг6, ВТ6 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т на одинаковых призматических образцах, жестко зафиксированных и прокованных с одинаковыми параметрами воздействия и подачи. Распределение накопленных пластических деформаций по глубине односторонне прокованного образца получено в результате расчета процесса проковки в динамической упругопластической постановке с помощью экспериментально подтвержденной численной модели. 7. Проведено экспериментальное определение кривых упрочнения исследуемых материалов в динамическом диапазоне воздействий с использованием метода Гопкинсона - Кольского. Сделана идентификация констант закона Джонсона - Кука или другого закона упрочнения. Отработана методика механических испытаний металлов в широком диапазоне скоростей деформаций для сравнения механических и прочностных свойств катаных и полученных аддитивным производством материалов. Выполнены эксперименты на статическое одноосное растяжение плоских образцов-лопаток согласно ГОСТ 1497 и ударное нагружение цилиндрических образцов методом Гопкинсона – Кольского. Получены аппроксимации законов деформационного и скоростного упрочнения отожженных сплавов АМг6, ВТ6 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т в устойчивом диапазоне в терминах истинных мер напряжений и деформаций, необходимые для расчетов технологических процессов гибридного аддитивного пр Проведено определение ударной вязкости и пределов текучести и прочности, относительного удлинения и сужения исследуемых материалов. 8. Определены модуль Юнга, предел текучести, предел прочности, равномерное относительное удлинение, и относительное удлинение и сужение после разрыва для всех исследуемых материалов. Для всех исследуемых материалов наплавкой удается получить сочетание прочностных, пластических характеристик и ударной вязкости на уровне не хуже уровня значений для литейных материалов. Применение проковки позволяет повысить прочностные характеристики без существенного снижения пластичности. 9. Сформулирована несвязанная модель эволюции доли превращенного материала в процессе гибридного аддитивного производства. В рамках ее формулировки поочередно решаются механическая, температурная и микроструктурная задачи. Механическая задача описывает формирование напряженно-деформированного состояния (в том числе полей остаточных напряжений и накопленных пластических деформаций) в призматическом образце после одного прохода проковки. Температурная задача определяет эволюцию распределения температуры в течение этапа наплавки слоя материала на образец. Микроструктурная задача описывает рост рекристализованных зерен либо фазы в приповерхностном наклепанном слое образца в ходе термоэкспозиции и охлаждения. Для механической и температурной задачи сформулированы уравнения, экспериментальная калибровка закона пластичности для всех рассматриваемых материалов и численно реализованы задача эволюции температурного поля от подвижного источника тепла и задача проковки/обкатки призматического образца. Материальные константы и функции моделей идентифицированы из экспериментом, результаты численного расчета согласно моделям подтверждены экспериментом. Исследованы особенности распределения напряженно-деформированного состояния и искажения формы прокованного/прокатанного бруса в зависимости от интенсивности воздействия, отношения сторон сечения бруса для всех исследуемых материалов. Подобраны феноменологические модели, описывающие рекристаллизацию либо фазовые превращения в наклепанном материале при постоянной повышенной температуре или охлаждении и необходимые для их идентификации эксперименты. Опубликованы 3 статьи по теме проекта в реферируемых международными базами научных журналах, в том числе 1 публикации в журнале WoS с квартилем Q1. Кроме того подготовлены и поданы в печать дополнительно две публикации, одна из них WoS с квартилем Q1. Представлено 6 научных докладов на международных и российских конференциях. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: 1. Yuri Shchitsyn, Ekaterina Krivonosova, Tatyana Olshanskaya,, Niculin APPLICATION OF PLASMA SURFACING FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF MAGNESIUM ALLOY WORKPIECES. TSVETNYE METALLY, 2021, №6. (РНФ) Проект №21-19-00715 10.17580/tsm.2021.06.10 http://www.rudmet.ru/journal/2024/article/33964/?language=en 2. FORMATION OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE TWO-PHASE TI-6AL-4V ALLOY DURING CMT ADDITIVE DEPOSITION WITH INTERPASS FORGING. Yuri Shchitsyn, Maksim Kartashev , Ekaterina Krivonosova, Tatyana Olshanskaya, Dmitriy Trushnikov * Materials, 2021, Vol14,iss 16 (РНФ) Проект №21-19-00715) ; doi 10.3390/ma14164415 https://www.mdpi.com/1996-1944/14/16/4415

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках реализации второго года выполнения проекта продолжена отработка технологии гибридного аддитивного производства материала с различными технологическими режимами. Применены наиболее эффективные технологии аддитивной наплавки: технология холодного переноса металла (Cold Metal Transfer – CMT) и процесс Плазма -МИГ. Продолжены исследования по отработке режимов гибридного аддитивного производства на следующих металлических материалах: алюминиевых сплавах, титановых сплавах и сталях различных структурных классов (аустенитных, мартенситно-стареющих). Продолжена отработка режимов процесса послойной проковкис целью обеспечения однородного по длине деформирования поверхности контрольного призматического образца. Установлены оптимальные режимы термической обработки для всех синтезированных материалов. Проведены исследования по выявлению особенностей влияния термической обработки на формирования структуры и характеристик механических свойств указанных материалов. Проведено исследование процесса формирование структур и распределение пористости при CMT аддитивной наплавке с межслойной проковкой и термообработкой для следующих материалов. Установлено, что применение межслойной проковки при СМТ- наплавке позволяет улучшить структуру наплавленного металла , добиться снижения пористости. Последующая общая термообработка прокованных образцов приводит к дополнительному измельчению макро- и микроструктуры. Проведено исследование микротвердости и остаточных напряжений по толщине образца, синтезированного многократно повторяющимися операциями наплавки и проковки, в зависимости от параметров процесса для всех указанных материалов. Разработан способ реконструкции распределения остаточных напряжений и собственных деформаций в упругом брусе прямоугольного поперечного сечения, закрепленном на жестком основании. Способ принадлежит семейству разрушающих методов, использующих нарезание образца на тонкие полоски и измерение их продольной и изгибной деформаций. Полученные данные качественно совпадают с результатом численного расчета задачи. Подана заявка на изобретение. Проведено экспериментальное определение кривых упрочнения исследуемых материалов в динамическом диапазоне воздействий с использованием метода Гопкинсона - Кольского. Проведено исследование корреляции распределения собственных деформаций и микротвердости по толщине ребра для материалов, выращенных гибридными аддитивными технологиями. Проведены испытания и определены характеристики ударной вязкости и пределов текучести и прочности, относительного удлинения и сужения исследуемых материалов. Исследована корреляция параметров статической прочности, пластичности, ударной вязкости, пористости со средними значениями характерного размера субструктуры для испытанных материалов. Предложены механизмы процессов улучшения структуры наплавляемого металла при послойном деформационном воздействии в технологии гибридной аддитивной наплавки, которые подтверждаются результатами математического моделирования. Изучены закономерности протекания статической рекристаллизации в ходе термоцикла при наплавке слоя металла на грань образца-бруса, предварительно обработанную проковкой, с использованием данных, позволяющих определить константы закона Аврами. Сформулирована теплофизическая задача, описывающая распределение температуры, получаемое в результате теплового воздействия источника тепла в процессе послойного формирования (наплавления) изделия из алюминиево-магниевого сплава АМг5, учитывающая нелинейный характер тепловых потерь во внешнюю (окружающую) среду. Построена численная модель процесса в пакете LS-DYNA®, где в качестве связанных уравнений пластической деформации материала и эволюции пористости взяты соотношения Гурсона – Твергарда – Нидлемана. Согласован ряд типовых изделий с предприятием АО «ОДК-Авиадвигатель»: корпус подшипника – 2 наименования (сплав ВТ6); корпус передний, корпус задний (сплав ЭП718); обтекатель (сплав ВТ6). Для отобранных деталей разработана технологическая схема изготовления их заготовок на-плавкой проволочных материалов. Осуществлена публикация 5 статей в рецензируемых научных журналах из списка WoS или Scopus. Количество подготовленных публикаций - 4. Сделано 8 докладов на международных и российских конференциях.Подана 1 заявка на патент. 1. Microstructure and properties of the 308lsi austenitic steel produced by plasma-mig deposition welding with layer-by-layer peening. Olshanskaya T., Trushnikov D., Dushina A., Polyakov A., Ganeev A., Semenova I. METALS. Vol 12 N1, 2022. http://ppp.mech.unn.ru/index.php/ppp/article/view/682 2. Моделирование распределения остаточной пористости металлического изделия при аддитивном производстве с послойной проковкой. Келлер И.Э., Казанцев А.В., Дудин Д.С., Пермяков Г.Л., Трушников Д.Н. ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ, т. 84, № 2, 2022 г. DOI: 10.32326/1814-9146-2022-84-2-247-258. http://ppp.mech.unn.ru/index.php/ppp/article/view/682. 3. Моделирование рекристаллизации сплава АМг6 в прокованном слое при наплавке материала в процессе гибридного аддитивного производства.Н.К. Салихова, Д.С. Дудин, И.Э. Келлер, А.А. Осколков, А.В. Казанцев, Д.Н. Трушников. Вычислительная механика сплошных сред. 2022. Т. 15, № 2. С. 234-246 DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.2.18. https://elibrary.ru/item.asp?id=49290951 4. Influence of the parameters of the heat treatment mode on the structure formation and properties of the welded material for the alloy Ti-6Al-4V. E.A. Krivonosova, T.V.Olshanskaya, S.N.Akulova, A.V.Myshkina,E.S. Salomatova, D.N. Trushnikov. Journal of Physics: Conference Series (JIR) 2022, 2275 (2022) 012010, doi:10.1088/1742-6596/2275/1/012010. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2275/1/012010 5. Research of the technological methods influence on the formation of structure and properties during the additive growth of products from nickel chromium steels of the austenitic class by plasma-jet hard facing methods. T.V. Olshanskaya, A.Y. Dushina, D.N. Trushnikov. Journal of Physics: Conference Series (JIR) 2022. 2275 (2022) 012003 IOP Publishing doi:10.1088/1742-6596/2275/1/012003 ISSN17426588, 17426596. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2275/1/012003

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Выполнено гибридное аддитивное производство материалов с использованием оптимальных технологических режимов процессов смт и плазменной наплавки с межслойной проковкой и изготовление образцов для испытаний В результате модернизации технологического оборудования, проведенной в рамках реализации данного проекта в 2021-22 году, многослойную СМТ-наплавку в отчетном году осуществляли на специально разработанном оборудовании для гибридного аддитивного производства. Процесс реализован на одной платформе с гибридным послойным нанесением проволочного материала и деформационной обработкой с помощью станка с ЧПУ и источника питания Fronius TransPuls Synergic с мощностью 5000 Вт фирмы Fronius (Вельс, Австрия). Для защиты наплавленного металла от окружающего воздуха использовалось защитное устройство с подачей аргона. Проковка осуществляли с использованием пневматического молотка SA7401H AIRPRO. Наплавка осуществлялась с учетом определенных в 2022 г факторов, оптимальной стратегии заполнения и отработанных режимов межслойной проковки при аддитивной трехмерной наплавке для исследуемых материалов:титанового сплава типа ВТ6,- алюминиевого сплава АМг5 ,- стали аустенитного класса AISI 308LSi 2. Выполнено изготовление образцов для определения характеристик трещиностойкости, многоцикловой и сверхмногоцикловой усталости исследуемых материалов, полученных аддитивным гибридным производством при различных параметрах технологического процесса. 3. Выполнено экспериментальное исследование распределений остаточных напряжений и собственных деформаций в образцах, произведенных гибридным аддитивным производством, выполненное на основе способа определения остаточных напряжений в ребре на жестком основании, предложенного исполнителями проекта. Оценка различных технологий с точки зрения меры однородности распределения собственных деформаций по высоте ребра, наплавленного на основание, а также в зависимости от соотношения предела текучести и модуля упругости материала. . Режим наплавки с послойной проковкой обеспечивает более благоприятное (самоуравновешенное в стенке) распределение остаточных напряжений и потому уменьшает изгиб подложки. Результаты применены для экспериментального подтверждения результатов численного моделировании задач, результаты приняты к опубликованию. 4. Получено численное решение модельной задачи процесса твердофазного превращения в прокованном слое в ходе термоцикла в рамках подходящей модельной задачи и качественное исследование описания моделью наблюдаемой экспериментально эволюции микроструктур. Разработана модель изменения морфологии структуры материала под воздействием проковки в процессе твердофазного превращения за счет статической рекристаллизации в течение термоцикла, предсказывающая высокую чувствительность доли рекристаллизованного материала от предварительной пластической деформации и максимальной температуры в термоцикле при наплавке слоя. В численном эксперименте спрогнозирована необходимость двухкратной или трехкратной проковки каждого слоя. Применение рационального режима гибридного аддитивного производства позволило синтезировать материал с характеристиками прочности и пластичности, практически достигающими значений катаного материала. Соответствующий пункт плана работ полностью выполнен, результаты опубликованы. 5. Выполнено моделирование процесса аддитивного производства заготовки проволочно-дуговой наплавкой. Исследование распределения остаточных напряжений и собственных деформаций в ребре, выращенном на жестком основании, для ряда металлических сплавов и сталей, различающихся по теплофизическим и механическим характеристикам. Сопоставление с данными экспериментального исследования. Задача решались в пакете программ COMSOL Multiphysics и в LS-DYNA. Установлено, что в наплавленной стенке вблизи ее верхней грани формируются растягивающие остаточные напряжения, а проковка этой грани сопровождается уменьшением продольных деформаций, искажения освобожденного образца и неоднородности распределения остаточных напряжений по высоте стенки. 6. Изготовлены опытные образцы-демонстраторы для машиностроительных предприятий с использованием модернизированного оборудования, проведены контроль и испытания полученных типовых образцов-демонстраторов: - Демонстратор опытной сложнопрофильной заготовки детали из сплава ВТ6. По результатам исследований образцов-свидетелей выявлено, что наплавленный материал не уступает поковкам по прочностным и пластическим характеристикам как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. - Осуществлена подготовка оборудования, разработаны управляющие программы для изготовления заготовок деталей- тел вращения, подобраны режимы технологического процесса. Изготовлены конструктивно подобные элементы из стали. 7. Проведено исследование характеристик трещиностойкости материалов, полученных аддитивным гибридным производством при различных параметрах технологического процесса. Установлен уровень трещиностойкости наплавленных материалов и его зависимость от применения проковки при наплавке. Получены кинетические диаграммы усталостного роста трещины для образцов из аддитивно-наплавленных материалов 8. Проведено исследование характеристик усталости материалов, полученных аддитивным гибридным производством при различных параметрах технологического процесса Установлены основные закономерности поведения наплавленных материалов в условиях многоцикловой усталости: - Сопротивление многоцикловой усталости у наплавленного титанового сплава ВТ6 зависит от направления вырезки образцов: горизонтальные образцы имеют максимальное напряжение σмакс на уровне, характерном для проката ВТ6 (650 МПа при 106 циклов), а вертикальные – пониженное на 100-200 МПа значение. - Применение проковки при наплавке титанового сплава повышает σмакс образцов, вырезанных в вертикальном направлении, на 5% при высоких циклах 107, но так и не достигает значения для проката ВТ6. - Наплавка с проковкой АМг5 обеспечивает хорошее сопротивление многоцикловой усталости, на уровне компактного материала, σмакс  140 МПа при 500000 циклах. - Межслойная проковка при наплавке существенно повышает сопротивление многоцикловой усталости стали308LSi - σ max у наплавленного материала в вертикальном и горизонтальном направлении при числе циклов выше 200000 превосходит σmax листового материала, т.о. анизотропия наплавленной с проковкой стали хоть и присутствует, но снижает σmax не более, чем на 20 МПа. При 107 циклов материал AISI 308LSi выдерживает максимальное напряжение 360-375 МПа, что превышает уровень листового материала на 10%. Получены результаты испытания на гиагцикловую усталость, проведенные на испытательной машине Shimadzu USF-2000: - Циклическое нагружение показало снижение вплоть до четырех порядков критического количества циклов до разрушения образцов из титанового сплава ВТ6 с ~109 циклов в исходном состоянии (состоянии поставки) до ~105 циклов при уровне напряжений 430 МПа. Установлено снижение на ~20% предельного напряжения разрушения на базе 108 циклов для образцов из сплава АМг, полученных методом гибридного аддитивного производства, с уровня напряжения 150 МПа в исходном состоянии до уровня напряжения 120 МПа. 9. Проведен международный минисимпозиум по теме «Гибридные аддитивные технологии производства металлических изделий проволочно-дуговой наплавкой» с участием исполнителей и приглашенных узких специалистов в данной области,профессора Сауседо Сендехо Фйеликса Раймундо (Автономный университет Коауилы, Мексика). 25-28 сентября 2023, ПНИПУ, ПЕРМЬ Осуществлена публикация 4-х статей в рецензируемых научных журналах из списка WoS или Scopus. Получен 1 патент. Сделано 17 докладов на международных и российских конференциях.