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

СтатусУспешно завершен

 

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) https://doi.org/10.17580/tsm.2024.03.10

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетном периоде был рассмотрен процесс лазерной сварки для соединения многокомпонентных алюмокальциевых сплавов как по ранее рассмотренным моделям деформированный – деформированный полуфабрикат, отливка – отливка, так и по модели гибридного формообразования изделий предполагающего соединение деформированного полуфабриката и отливки. Также было рассмотрено применение лазерной обработки (формирование сплошного поля лазерного переплава листовой заготовки) новых алюмокальциевых сплавов для моделирования структуры и свойств изделий, получаемых в процессе лазерных аддитивных технологий. В процессе работы было изучено влияние режимов лазерной сварки на структуру и свойства стыковых соединений, формируемых по моделям литой образец-литой образец, деформированный образец-деформированный образец, а также гибридного соединения литого и деформированного образца алюмокальциевого сплава Al3Ca0,5La1Mn. Полученные соединения были изучены методом оптической микроскопии, сканирующей электронный микроскопии, определены их механические свойства. На основе исследований произведен подбор оптимальных режимов лазерной сварки: мощность лазера 1400-1600 Вт, скорость сварки – 20 мм/c, фокальный отрезок – 193 мм, расход защитного газа при подаче в зону сварки – 15 л/мин. Показано, что в процессе лазерной сварки по оптимальным режимам формируется сварное соединение имеющее визуальное качество шва и минимальную пористость в зоне плавления. Выявлено, что в процессе лазерной сварки наблюдается изменение химического состава экспериментальных алюмокальциевых сплавов. При оптимальных режимах лазерной сварки испарение кальция в зоне плавления может составлять порядка ~ 6-10 % от общего количества в сплаве. Механические свойства полученных соединений имеют коэффициент прочности 0,71- 0,83 от предела прочности основного металла. Впервые были изучены структура, механические свойства, коррозионные свойства и технологичность новых алюмокальциевых сплавов системы Al-Ca-Cu-Mn (-Zr) (Al5Ca3Cu1,5Mn, Al5Ca3Cu1,5Mn0,4Zr, Al4Ca3Cu1Mn0,4Zr) в процессе литья и лазерной обработки тонколистового проката (толщина 1 мм). Показано, что новые сплавы демонстрируют высокие литейные свойства (минимальный показатель склонности сплавов к горячим трещинам, сопоставимый с традиционными силуминами). Показаны перспективы использования данных сплавов в лазерных аддитивных технологиях, продемонстрированы основные подходы легирования данных сплавов для достижения повышенных механических свойств сплавов в процессе лазерной обработки и последующих операциях термообработки. В качестве оптимального режима лазерной обработки были выбраны мощность лазера 1400 Вт, скорости движения лазерного луча 20 мм/c. Анализ твердости поля лазерного переплава показал, что увеличение твердости по сравнению с твердостью основного сплава в литом состоянии составляет порядка 10-13 %. Показана термическая стабильность структуры и свойств новых алюмокальциевых сплавов в процессе продолжительного изотермического отжига (падение твердости порядка ~ 10 % при отжиге 350-400 ℃).

 

Публикации

1. Летягин Н.В., Акопян Т.К., Палкин П.А., Черкасов С.О., Люхтер А.Б., Печников И.С. Лазерная сварка алюмокальциевых сплавов на основе эвтектики ((Al) + Al4(Ca,La)) Металлург, - (год публикации - 2024)

2. Летягин Н.В., Акопян Т.К., Сокорев А.А., Свиридова Т.А., Черкасов С.О., Мансуров Ю.Н. The Characterization of Coatings Formed on As-Cast Al, Al–Si, and Al–Ca Aluminum Substrates by Plasma Electrolytic Oxidation Metals, 13, 9, 1509 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/met13091509

Возможность практического использования результатов
Исследования лазерной сварки новых алюмокальциевых сплавов позволят закрепить за Россией лидерство как в разработке новой группы высокотехнологичных алюмокальциевых сплавов, так и технологических процессов производства готовой продукции из данных сплавов. Созданные научные основы (отработанные методики) лазерной обработки новых алюмокальциевых сплавов позволят проводить сравнительную оценку структуры и свойств сплавов после лазерной обработки, проводить подбор оптимальных композиций сплавов для дальнейшего получения металлопорошковой композиции и испытания образцов сплавов, синтезированных методом селективного лазерного плавления. Дальнейшие результаты разработки алюмокальциевых сплавов для нужд селективного лазерного плавления с заявленной ранее технологичностью алюмокальциевых сплавов в процессах литья, деформационной обработки, сварки масштабируются в активно развивающиеся темы гибридного формообразования изделий по модели отливка-деформированный полуфабрикат-изделие аддитивного производства, в которых вопросы лазерной обработки играют определяющую роль как с точки зрения формообразования изделий методом аддитивных технологий, так и в вопросах создания сложных составных изделий методом лазерной сварки.