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 проекта 22-19-00121
НазваниеЗакономерности структурно-фазовых превращений в алюминиево-кальциевых сплавах, легированных цинком и магнием, в условиях сварки
Руководитель Овчинников Виктор Васильевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский политехнический университет» , г Москва
Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова деформируемые алюминиевые сплавы, система Al-Сa-Zn-Mg, фазовые диаграммы, микроструктура, деформационно-термическая обработки, механические свойства, сварка плавлением, присадочный материал, дефекты сварных соединений, сварка трением с перемешиванием
Код ГРНТИ53.49.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В настоящее время является актуальной задача разработки перспективных сплавов на основе алюминия, совмещающих высокие эксплуатационные свойства и технологичность, необходимую для получения качественных изделий с применением технологий гибридного формообразования, включающих литье, деформацию и сварку (а также в целом технологии аддитивного производства). Стандартные марочные литейные и деформированные сплавы, созданные в большинстве своем несколько десятилетий назад под конкретную технологию, имеют ограниченную применимость при использовании новых технологий. В частности, при изготовлении литосварных конструкций (когда детали, изготовленные из литейных алюминиевых сплавов, свариваются с деталями, изготовленными из деформированных алюминиевых сплавов) с применением марочных сплавов, возникает проблема формирования соединения между разнородными алюминиевыми сплавами. Решением подобных проблем может стать переход к универсальным высокотехнологичным алюминиевым сплавам, в частности на базе эвтектических систем. Формирование структуры в таких сплавах происходит в процессе стандартного технологического цикла плавки и литья, и обусловлен кооперативным ростом эвтектических кристаллов. При этом итоговая структура в таких алюминиевых сплавах может быть охарактеризована как композитная, так как в пластичной алюминиевой матрице содержатся равномерно распределенные компактные включения эвтектической фазы (чаще всего, представленной интерметаллидными фазами (Al4Ca, Al3Ni, Al6Fe, Al9FeNiи т.д.)), объемная доля которой может достигать нескольких десятков процентов. На основе результатов работ, полученных коллективом исполнителей настоящего проекта установлено, что алюмо-кальциевые эвтектические сплавы представляются одними из наиболее перспективных для разработки подобных материалов. Среди прочих следует отметить алюминиево-кальциевые сплавы с добавками цинка и магния, показавшие хорошую технологичность при литье под давлением и в кокиль. При этом в литом состоянии временное сопротивление на разрыв достигает 350 МПа, что отвечает уровню деформированных полуфабрикатов среднепрочных сплавов. Сплавы данной группы также показали хорошую технологичность и при обработке давлением, в частности при горячей и холодной прокатке. В тоже время свариваемость сплавов системы Al–Ca–Zn–Mg ранее не изучалась. Поэтому, именно на исследование свариваемости сплавов системы Al–Ca–Zn–Mg в условиях сварки плавлением и в твердой фазе направлен предлагаемый проект. Таким образом, предлагается обосновать возможность получения качественных сварных соединений сплавов на основе системы Al–Ca–Zn–Mg, обладающих высокой технологичностью как при получении литых, так и деформированных изделий. Для формирования соединений, выполняемых сваркой плавлением будут оптимизированы химические составы присадочных материалов, а также отдельно будет рассмотрено влияние химического состава присадочного металла на свариваемость сплавов. При исследовании свариваемости сплавов особое внимание будет уделено изучению влияния модифицирующих добавок циркония и скандия на показатели трещинообразования при кристаллизации сварочной ванны. Кроме того, предполагается рассмотреть влияние термической обработки после сварки на структуру и механические свойства сплавов основе системы Al–Ca–Zn–Mg, выполненных различным методами сварки плавлением и в твердой фазе (сварка тернием с перемешиванием). Для достижения поставленных в проекте задач будет использована совокупность теоретических и экспериментальных методик. В частности, расчётно-экспериментальные исследования, включающие термодинамическое моделирование, анализ структуры и фазового состава сплавов и сварных соединений с использованием оптической, сканирующей электронной и просвечивающей микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа, рентгенофазового анализа, дифференциальной сканирующей калориметрии и т.д. Для исследования свариваемости сплавов на основе системы Al–Ca–Zn–Mg в условиях сварки плавлением предполагается применить технологические пробы на стойкость против образования кристаллизационных трещин. К таким пробам относятся проба "рыбий скелет", кольцевая проба и технологическая проба МВТУ для определения критической скорости деформации образца в процессе сварки.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Летягин Н.В., Акопян Т.К., Нгуен З., Свиридова Т.А., Кошмин А.Н., Аксёнов А.А. Влияние La на микроструктуру и механические свойства деформированных сплавов на базе системы (Al)+Al4(Ca, La) Физика металлов и металловедение (Physics of Metals and Metallography) (год публикации - 2023)
2. Летягин Н.В., Акопян Т.К., Палкин П.В., Овчинников В.В. Влияние лазерной сварки на структуру и механические свойства горячекатаных листов сплава Al–Zn–Mg–Ca Цветные металлы (Tsvetnye Metally) (год публикации - 2023)
3. Овчинников В.В., Сбитнев А.Г., Поляков Д.А. Влияние технологии сварки плавлением на свойства соединений алюминиевого сплава 1915Т Электрометаллургия (год публикации - 2023)
4. Овчинников В.В., Сбитнев А.Г., Поляков Д.А. Влияние размеров литого ядра на свойства точечных соединений алюминиевых сплавов Технология металлов (год публикации - 2023)
Публикации
1. Дриц А.М., Овчинников В.В., Поляков Д.М. Комплекс свойств сварных соединений плит из алюминиевого сплава 1565чМ Цветные металлы (год публикации - 2024)
2. Овчинников В.В., Быкова А.Е., Скакова Т.Ю. Структура и свойства соединений плит из сплава 1565чМ, выполненных односторонней сваркой трением с перемешиванием Материаловедение, Материаловедение (год публикации - 2024)
3. Овчинников В.В., Акопян Т.К., Сбитнев А.Г., Поляков Д.А. Свариваемость алюминиевых сплавов на основе системы Al-Ca-Zn-Mg Металлург, Металлург (год публикации - 2024)
4. Овчинников В.В., Глухих Я.М., Проценко Е.О. Свариваемость новых алюминиево-кальциевых сплавов, легированных цинком и магнием, при сварке плавлением Электрометаллургия (год публикации - 2024)
5. Резцов Р.Б., Овчинников В.В. Сварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава AlSi10Mg, полученного селективным лазерным плавлением Электрометаллургия (год публикации - 2024)
6. Овчинников В.В., Акопян Т.К., Сбитнев А.Г., Барыкин М.А. Свариваемость новых алюминиевых сплавов на основе системы Al–Mg–Ca–Zn в условиях точечной контактной сварки Цветные металлы (год публикации - 2024)
7.
Акопян Т.К., Белов Н.А., Летягин Н.В., Фортуна А.С., Нгуен С.З.
New Generation Wrought Al-Ca-Mg Natural Composite Alloys as an Alternative to the 5000 Series Alloys
JOM. The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society (TMS), Опубликовано онлайн 13.11.2023 (год публикации - 2023)
10.1007/s11837-023-06244-0
8.
Дриц А.М., Овчинников В.В., Резцов Р.Б., Шумейко Р. М.
Свойства стыковых соединений плит сплава 1901Т1, выполненных односторонней сваркой трением с перемешиванием
Цветные металлы, 2023. № 10. стр.82-89 (год публикации - 2023)
10.17580/tsm.2023.10.10
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Согласно заявленному плану работ были проведены дополнительные работы по получению из экспериментальных сплавов на основе Al-5,5Zn+1,5Mg-Ca-Mn(-Zr, Sc) сварных соединений с высоким уровнем свойств с использованием методов сварки плавлением. В частности, для определения механических свойств стыковых соединений при автоматической аргонодуговой сварке были использованы горячекатанные листы толщиной 2,5 мм, а также присадочная проволока различных составов. Анализ механических свойств образцов сплавов, подвергнутых автоматической аргонодуговой сварке, показал, что коэффициент прочности соединений базового сплава Al-5,5Zn+1,5Mg-Ca-Mn не зависит от применяемой марки присадочной проволоки и находится на уровне 0,79. Для сплавов 2 и 3 с малыми добавками Zr и Zr+Sc коэффициент прочности соединения при сварке с проволокой СвАМг63 находится на уровне 0,83–0,84, а с проволокой Св1575 – на уровне 0,89. Далее были проведены комплексные исследования по анализу влияния варьируемых режимах сварки трением с перемешиванием на структуру и механические свойства сварного соединения. Для получения экспериментальных образцов для сплавов Al-5,5Zn+1,5Mg-Ca-Mn(-Zr, Sc) выплавлялись слитки размером 20х140х250 мм. Далее полученные слитки подвергались продольной прокатке при температуре 400-450 °С с 10 % обжатиями за проход. Прокатка осуществлялась на двухвалковом прокатном стане ДУО 260 с исходной толщины слитка h0 = 20 мм до толщины листа h1 = 2 мм с общей степенью деформации равной 90%. Сварку трением с перемешиванием стыковых соединений листов исследуемых сплавов осуществляли на опытном стенде для сварки листовых заготовок. Перед сваркой свариваемые кромки по торцевой поверхности и на расстоянии 15 мм от стыка зачищали механической металлической щеткой. СТП образцов осуществлялась на следующем режиме: частота вращения рабочего инструмента 800–900 об/мин, скорость сварки 50–150 мм/мин, угол наклона инструмента 2,5 градуса и усилие прижима рабочего инструмента к поверхности свариваемых заготовок 8,4–9,2 кН. Из полученных сварных соединений были изготовлены шлифы с целью исследования структуры и свойств сплава в зонах: сварного шва, зоне термического и термомеханического влияния и в области основного металла. Образцы были подготовлены под измерение твердости по методу Виккерса, а также под исследования микроструктуры методами сканирующей и просвечивающей микроскопии. Исследования твердости производились на твердомере Metkon Duroline MH-6. Для анализа размера зерна в зоне сварного соединения применяли метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с помощью микроскопа Jeol JEM 1400. Тонкие фольги для ПЭМ готовились методом двухструйной электролитической полировки на установке STRUERS Tenupol-5 при напряжении 21 В. Определение механических характеристик (σв, α) сварных соединений проводили в соответствии с ГОСТ 6996-66. Временное сопротивление соединений при растяжении и угол статического изгиба определяли на установке Zwick/Roell Z030. По итогам проведенных работ для экспериментальных сплавов был определен рациональным диапазоном скоростей сварки 85–115 мм/мин. Анализ микроструктуры полученных сварных соединений выявил, что явной границы между основным металлом и зоной термического влияния не наблюдается. Характерная деформированная структура основного металла переходит в область, которая может быть охарактеризована как зона термомеханического воздействия со структурой, существенно отличающейся от исходной. В частности, в сравнении с основным металлом наблюдается глубокое измельчение кристаллов эвтектической фазы (Al,Zn)4Ca и их более равномерное распределение по сечению. Структура в центре сварного соединения, то есть в зоне перемешивания мало отличается от зоны термомеханического влияния. Из ПЭМ изображений структуры сварного соединения установлено формирование относительно дисперсной зеренной структуры со средним размером зерна порядка 1-2 мкм. Механические испытания выявили, что наилучшее сочетание механических свойств (предел прочности 350 МПа, предел текучести 233 МПа и относительное удлинение более 7 %) наблюдается для базового сплава Al-5,5Zn+1,5Mg-Ca-Mn без добавок Zr и/или Sc. Таким образом, по сочетанию полученных механических характеристик сплав 1 был признан наиболее перспективным для проведения дальнейших работ в рамках проекта Пролонгации. С использованием расчетно-экспериментальных исследований также было изучено влияние примесных добавок Fe и Si на структуру, фазовый состав, механические и технологические свойства сплава Al-5,5Zn+1,5Mg-Ca-Mn. Показано, что при суммарном содержании до Fe+ Si 0,4 масс.% структура и механические свойства экспериментального сплава Al-5,5Zn+1,5Mg-Ca-Mn-Fe-Si мало отличаются от базового сплава Al-5,5Zn+1,5Mg-Ca. Также показана возможность получения из новых материалов качественных гибридных соединений методом СТП для образцов в литом и деформированном состоянии (литодеформированный сварной образец). Согласно плану работ проведены исследование уровня остаточных напряжений в сварных соединениях исследуемых сплавов при сварке плавлением и сварке трением с перемешиванием. Для определения уровня остаточных напряжение в сварных соединениях применялись механические и рентгеновские методы. Установлено, что при использовании автоматической лазерной сварки непосредственно по оси шва присутствуют растягивающие остаточные напряжения величиной около 52 МПа. Основным результатом выполненных измерений для сварки СТП можно считать, что в пределах зоны перемешивания и зоны термомеханического воздействия находится область сжимающих остаточных напряжений. Уровень напряжений в зоне перемешивания не превышает 10–15 МПа, а в отдельных участках зоны термомеханического воздействия 45–55 МПа. В качестве меры для снижения уровня остаточных напряжений в сварных соединениях алюминиевого сплава системы Al–Ca–Zn–Mg использовался отжиг в печи при температуре 400 °С в течение 3 часов. Для соединений, выполненных автоматической лазерной сваркой, отжиг приводит к снижению уровня остаточных напряжений на оси шва до 5 МПа, а для соединений СТП отжиг способствует практически полному снятию напряжений.
Публикации
1. Овчинников В.В., Акопян Т.К., Проценко Е.О., Клочкова Я.М. Механические свойства и структура сварных соединений листов алюминиевых сплавов Al-Ca-Mg, выполненных аргонодуговой сваркой Материаловедение (год публикации - 2025)
2. Овчинников В.В., Акопян Т.К., Проценко Е.О., Клочкова Я.М. Лазерная сварка листов алюминиевого сплава системы Al-Ca-Zn-Mg Технология металлов (год публикации - 2025)
3. Дриц А.М., Овчинников В.В., Резцов Р.Б. Влияние присадочной проволоки на механические свойства стыковых соединений плит сплава 1901Т1 Цветные металлы (год публикации - 2025)
4. Овчинников В.В., Клочкова Я.М, Проценко Е.О. Механические свойства и структура сварных соединений листов алюминиевых сплавов системы Al-Ca-Zn-Mg, выполненных автоматической аргонодуговой сваркой Металлург (год публикации - 2024)
5. Овчинников В.В., Акопян Т.К., Проценко Е.О., Клочкова Я.М. Лазерная сварка листов алюминиевого сплава системы Al-Ca-Mg Электрометаллургия (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Результаты исследований, полученные в проекте, способствуют формированию нового класса алюминиевых сплавов, которые могут одновременно быть как литейными, так и деформированными. Указанные сплавы обладают высокими показателями свариваемости в условиях сварки плавлением. При выполнении соединений сваркой трением с перемешиванием сварное соединение становится равнопрочным основному металлу. Это позволяет рекомендовать разработанные сплавы для изготовления литосварных конструкций в транспортном машиностроении (автомобилестроение, авиастроение, железнодорожный транспорт).