КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-00179
НазваниеСоздание научных основ лазерной обработки новых высокотехнологичных алюмокальциевых сплавов системы Al-Ca-(Cu, Mn, Zn, Mg, Ce (La)) для производства сложных топологически оптимизированных изделий методами гибридного формообразования.
РуководительЛетягин Николай Владимирович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-203 - Фазовые равновесия и превращения
Ключевые словаАлюмокальциевые сплавы, гибридное формообразование, литье, деформационная обработка, аддитивные технологии, лазерная обработка, лазерная сварка, технологичность, микроструктура, фазовый состав, физико-механические свойства, коррозия.
Код ГРНТИ53.49.00, 53.49.03, 53.49.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В последнее десятилетие на базе НИТУ «МИСиС» непрерывно ведутся работы по созданию перспективных алюминиевых сплавов на основе новых систем легирования. Среди последних разработок особое внимание уделяется новым алюмокальциевым сплавам.
В результате работ проведено обоснование структуры, фазового состава и свойств множества перспективных сплавов систем Al-Ca-Fe-Si, Al-Ca-Mn, Al-Ca-Cu-Mn, Al-Ca-РЗМ-Mn, Al-Ca-Ni-РЗМ, Al-Zn-Mg-Ca, которые имеют реализацию в том числе при повышенных концентрациях Fe, Si, как основных примесных элементов в алюминии. Разработка данных сплавов позволила реализовать в них такие конкурентные преимущества, как высокая технологичность в процессе литья, аддитивного производства, обработки металлов давлением; термостойкость; повышенные механические свойства сплавов в сравнении с марочными при отсутствии продолжительной операций термообработки; коррозионная стойкость; конкурентная себестоимость вследствие вовлечения повышенной доли вторичного сырья. Результатом таких преимуществ, является востребованность сплавов (Al-Ca-Fe-Si, Al-Ca-Mn-Fe-Si, Al-Zn-Mg-Ca-Fe-Si) для производства литых и деформированных полуфабрикатов, реализуемых в том числе на производственных площадках ОК РУСАЛ, АО «Завод алюминиевых сплавов» (г. Подольск) и прочих.
Достижение такой технологичности и свойств новых алюмокальциевых сплавов позволяет рассматривать их в качестве перспективных материалов в технологиях гибридного формообразования, где основной идеей является соединение металлургических, аддитивных и субтрактивных технологий с целью создания топологически оптимизированных металлических изделий сложной геометрии (концепция бионического дизайна), обладающих минимальным весом при повышенных физико-механических характеристиках и объединении сборочных единиц в одну деталь.
Однако следует констатировать отсутствие комплексных работ, отражающих эволюцию структуры и свойств алюмокальциевых сплавов в процессе лазерной обработки, являющейся как основой аддитивного производства, так и основой для формирования гибридных соединений разнородных сборочных единиц по модели отливка-деформированный полуфабрикат-изделие аддитивного производства.
Учитывая вышесказанное, актуальным представляется комплексное изучение вопроса технологичности алюмокальциевых сплавов системы Al-Ca-Х (где Х – Cu, Mn, Zn, Mg, Fe, Si, Ce (La)) на всех этапах гибридного формообразования изделий, включающих как ранее рассмотренную технологичность данных сплавов в процессе традиционных металлургических технологий (плавка, литье, деформационная обработка), так и впервые предлагаемую к рассмотрению технологичность в процессе лазерной обработки (лазерной сварки, лазерных аддитивных технологий), позволяющих в совокупности обеспечить производство сложных топологически оптимизированных изделий бионического дизайна при сочетание базовых преимуществ каждого технологического процесса, перспективных физико-механических и эксплуатационных свойств предлагаемых сплавов способных обеспечивать конкурентный уровень технологичности производства при повышении маржинальности готовой продукции.
Научная новизна заявленных исследований определяется новизной объектов исследований и предлагаемых к рассмотрению технологических процессов по отношению к ним. На базе концепции, основанной на теоретическом (термодинамические расчеты) и экспериментальном анализе (структурно–фазовые исследования) многокомпонентных систем легирования алюмокальциевых сплавов, в рамках реализации настоящего проекта, будут впервые получены данные по особенностям эволюции структуры и фазовых превращений в предлагаемых к изучению сложных системах в условиях лазерной обработки (лазерной сварки и лазерных аддитивных технологий). Будут установлены корреляционные связи между структурой, сформированной в процессе лазерной обработки и достигаемым уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения работ по Проекту будут получены следующих основные результаты:
- обоснована возможность получения методами лазерной обработки алюмокальциевых сплавов сложных гибридных изделий, предполагающих соединение однородных и разнородных сплавов оптимального состава в различных технологических состояниях (отливка, деформированный полуфабрикат, аддитивно выращенное изделие).
- установлены закономерности эволюции микроструктуры, фазового состава и свойств перспективных алюмокальциевых сплавов эвтектического типа в процессе литья, получения деформированных полуфабрикатов и лазерной обработки (лазерная сварка, лазерные аддитивные технологии).
- по итогу всех выполненных работ будет предложен ряд зависимостей, отражающих влияние химического состава и структурно-фазового состояния алюмокальциевых сплавов эвтектического типа на технологичность данных сплавов в процессе гибридного формообразования изделий методами лазерной обработки (лазерная сварка, лазерные аддитивные технологии).
Полученные в рамках проекта научные результаты будут представлять фундаментальные знания по эволюции структуры, фазового состава, механических и коррозионных свойств алюминиевых сплавов системы Al-Ca-X (где X – Cu, Mn, Zn, Mg, Fe, Si, Ce (La)) на всех технологических этапах гибридного формообразования изделия, включающего как традиционные процессы литья и деформационной обработки, так и лазерную обработку, участвующую в процессах аддитивного формообразования и гибридного соединения изделий в различных технологических состояниях и конфигурациях. Данные послужат базой для внедрения новых алюмокальциевых сплавов в высокотехнологичных отраслях экономики и производства, где реализация процессов гибридного формообразования обеспечивает конкурентные преимущества как по оптимизации производства, так и по маржинальности готового продукта, удовлетворяющего современным требованиям дизайна и комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств изделия.
Запланированные результаты и предложенные методы их достижения в проекте соответствуют мировому уровню исследований в данной области, о чем свидетельствуют многочисленные научные статьи исследователей из США, стран Европы, Китая, Индии и РФ в высокорейтинговых изданиях, а также многочисленные изобретения.
Достижение запланированных результатов позволит выйти на новый уровень производства топологически оптимизированных изделий с уникальными эксплуатационными характеристиками при минимизации затрат производства.
Результаты работ будут востребованы на предприятиях точного машиностроения: аэрокосмической, автомобильной, судостроительной, роботостроительной отрасли и т.д., а также в научно-производственных предприятиях, управлениях по инновациям, ВУЗах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведен анализ структуры и свойств модельных сплавов систем Al-Ca-Cu-Mn, Al-Ca-La-Mn, Al-Ca-Cu-Mn-Zn-Mg (при содержаниях Ca до 3 масс. %, Cu, Mn, La, Zn, Mg до 1 масс. % каждого компонента) в литом и деформированном состоянии. Выявлена технологичность данных сплавов в процессах литья методом заливки карандашных проб и качественной оценки горячеломкости сплавов. Получены слитки сплавов оптимального состава при скорости охлаждения 10 К/c. Показана технологичность данных сплавов в процессе получения горячекатаных листов при 400 ˚С со степенью деформации до 90 %.
С целью обоснования перспективности данных материалов для гибридного формообразования литые и деформированные карточки полученных сплавов были соединены на лазерном роботизированном комплексе при варьировании мощности лазера в диапазоне 1000-1800 Вт и скорости движения лазерного луча 10-25 мм/c. Фокальный отрезок составлял 195 мм, расход защитного газа при подаче в зону сварки – 15 л/мин.
На основе исследований структуры сварного шва, зоны термического воздействия, оценки дефектности (газовые поры) и механических свойств (твердость, одноосные испытания на разрыв) полученных соединений в процессе лазерной сварки алюмокальциевых сплавов в различных технологических состояниях по модели деформированный полуфабрикат-деформированный полуфабрикат, отливка – отливка произведен подбор оптимальных режимов лазерной сварки. Оптимальными режимами для сварки горячекатаных листов сплава толщиной 2 и 3 мм являются: мощность лазера – 1200, 1400 Вт, скорость сварки – 20 мм/c, фокальный отрезок – 195 мм, расход защитного газа при подаче в зону сварки – 15 л/мин. В случае сварки литых заготовок (толщина 3 мм) для получения качественных сварных швов оптимальными являются: мощность лазера – 1600 Вт, скорость сварки – 20 мм/c.
В процессе лазерной обработки по оптимальному режиму формируется сварное соединение имеющее визуальное качество шва, минимальную пористость в зоне плавления, а также благоприятный набор механических характеристик соединения. При наиболее благоприятных тестовых параметрах лазерной сварки процентное содержание пор, измеренное в зоне шва, составляло порядка 3–4 % при их размере 20–30 мкм. Эти параметры могут быть оценены с точки зрения уровней качества, предлагаемых стандартом ISO 13919-2-2017: уровень пористости соответствует уровню качества B (высокий), средний размер пор соответствует уровню B (высокий), что является самым высоким уровнем качества, указанным в этом стандарте. Показатели предела прочности соединения горячекатаных листов составляют 75 %, предела текучести 63 % от показателей прочности основного металла при незначительном снижении пластичности.
Публикации
1. Летягин Н.В., Акопян Т.К., Завитков А.В., Люхтер А.Б. Влияние лазерной сварки на структуру и механические свойства деформированного сплава Al3Ca0,5Cu0,5Mn. Цветные металлы, - (год публикации - 2023)