Формирование микроструктуры на поверхности раздела алюминиевых и титановых сплавов в неравновесных условиях твердофазной обработки

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 22-49-04401

НазваниеФормирование микроструктуры на поверхности раздела алюминиевых и титановых сплавов в неравновесных условиях твердофазной обработки

Руководитель Миронов Сергей Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" , Белгородская обл

Конкурс №54 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DFG)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова Сварка трением с перемешиванием (СТП), алюминиевые сплавы, титановые сплавы, микроструктура, механические свойства, связь между микроструктурой и свойствами, компьютерное моделирование

Код ГРНТИ53.49.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Вследствие уникальности своих физико-механических характеристик, алюминиевые и титановые сплавы широко используются при производстве конструкций летательных аппаратов в авиакосмической промышленности. В этой связи весьма актуальной является проблема получения неразъемных соединений из этих двух материалов. К сожалению, ввиду существенного различия теплофизических свойств этих сплавов, их сварка традиционным методом через перевод в расплав представляет собой довольно сложную задачу. В этой связи особый интерес вызывают инновационные методы твердофазной сварки, в частности, сварка трением с перемешиванием (СТП). Твердофазных характер этой технологии позволяет избежать образования нежелательной литой структуры и, таким образом, может обеспечить получение высококачественных соединений даже в материалах, которые традиционно считаются не поддающимися сварке. Необходимо отметить, что в ходе СТП материал подвергается очень большим и высокоскоростным деформациям, и поэтому данный процесс является очень неравновесным. Это существенно затрудняет понимание микроструктурных изменений, протекающих в ходе СТП. Так, довольно хорошо установлено, что СТП разнородных материалов зачастую характеризуется формированием интерметаллических соединений, которые впоследствии могут оказывать существенное влияние на свойства сварных швов. Однако механизм этого нежелательного явления, его зависимость от температурного цикла и характера пластического течения в ходе СТП, а также химического состава свариваемых материалов, остаются пока не ясными. В значительной мере прогрессу в данной области препятствует отсутствие адекватной компьютерной модели процесса, которая могла бы экстраполировать экспериментальные результаты на широкий диапазон режимов СТП. В рамках данного проекта будет предпринята попытка разработки научных основ процесса СТП алюминиевых и титановых сплавов. С этой целью две различные разновидности СТП технологии будут использованы для получения твердофазных соединений между серией экспериментальных сплавов на основе Al-Mg-Si и промышленным титановым сплавом ВТ6. Будет тщательно исследовано влияние термического цикла, а также характера пластического течения на микроструктуру сварного шва. Для симуляции процессов эволюции микроструктуры будет разработана компьютерная модель. Согласно результатам отдельных исследований, некоторые из типичных легирующих элементов алюминиевых сплавов могут оказывать существенное влияние на формирование интерметаллидов системы Ti-Al. В частности, магний может замедлять процесс образования алюминидов титана, в то время как кремний может замещать алюминий в этих интерметаллидах и, тем самым, существенно изменять их механические свойства. Однако все эти результаты были получены при изучении относительно равновесных термодинамических процессов, и поэтому их применимость в высоко неравновесных условиях СТП не ясна. В этой связи, для выявления связи между химическим составом свариваемых материалов и формированием интерметаллидов в ходе СТП, содержание легирующих элементов в экспериментальных алюминиевых сплавах будет варьироваться в широких пределах. Для проведения микроструктурных исследований будет привлечен широкий спектр современных методик, в частности, просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, ориентационная микроскопия, энергодиспексионный анализ, прецизионная вырезка микроструктурных образцов посредством плазменной ионной пушки и т.д. Для аттестации механических свойств будут проведены стандартные испытания на статическое растяжение и сопротивление усталости, а для локальной оценки прочности в интерметаллидном слое – эксперименты по наноидентированию. Данный проект будет осуществляться в рамках сотрудничества между тремя научно-образовательными организациями: Белгородским национальным исследовательским университетом (Российская Федерация), университетом Леупханы (Германия) и научным центром им. Гельмгольца (Германия). В Белгородском национальном исследовательском университете будет осуществляться получение сварных соединений по традиционной СТП-технологии и проведение микроструктурных исследований. В научном центре им. Гельмгольца будут получены сварные соединения с использованием модернизированной («refill») технологии и проведен комплекс механических испытаний. В университетом Леупханы будет осуществлено компьютерное моделирование процесса СТП. Авторы полагают, что полученные результаты могут быть востребованы для практического использования в авиакосмической промышленности, при проектировании перспективных летательных аппаратов. С другой стороны, мы также надеемся, что изучение процессов формирования интерметаллидных соединений в высоко неравновесных условиях СТП внесет свой вклад в развитие физики фазовых превращений. Авторы верят, что их опыт, использование систематического подхода и передовых технологий, а также сочетание экспериментальных исследований с компьютерным моделированием позволят добиться реализации целей проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Калиненко А.А., Долженко П.Д., Малофеев С.С, Миронов С.Ю. Towards optimization of dissimilar friction-stir welding of aluminum and titanium AIP Conference Proceedings (год публикации - 2023)

2. Калиненко А.А., Долженко П.Д., Ю.И. Борисова, Малофеев С.С, Миронов С.Ю., Кайбышев Р.О. Tailoring of dissimilar friction-stir lap welding of aluminum and titanium Materials, Materials 2022, 15(23), 8418 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15238418

Публикации

1. Калиненко А.А., Долженко П.Д., Малофеев С.С, Шишов И.А., Мишин, В.В., Миронов С.Ю., Кайбышев Р.О. Microstructural evolution and material flow during friction stir welding of 6013 aluminum alloy studied by the stop-action technique Metals, Volume 13, issue 8, 1342 (год публикации - 2023)
10.3390/met13081342

2. Калиненко А.А., Долженко П.Д., Малофеев С.С, Юзбекова Д.Ю., Шишов И.А., Мишин В.В., Миронов С.Ю., Кайбышев Р.О. Grain structure evolution in 6013 aluminum alloy during high heat-input friction-stir welding Materials, Volume 16, issue 17, 5973 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16175973

3. Калиненко А.А., Долженко П.Д., Малофеев С.С, Юзбекова Д.Ю., Борисова Ю.И., Шишов И.А., Мишин, В.В., Миронов С.Ю., Кайбышев Р.О. Interfacial microstructure produced during dissimilar AA6013/Ti-6Al-4V friction-stir lap welding under zero-penetration condition Metals, Volume 13, issue 10, 1667 (год публикации - 2023)
10.3390/met13101667

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основной целью данного проекта являлась разработка научных основ для совершенствования технологии разнородной сварки трением с перемешиванием (СТП) алюминиевых и титановых сплавов по схеме «внахлест». Основная идея работы заключалась в полном исключении контакта между рабочим инструментом и титановой частью соединения. Предполагалось, что это позволит понизить температуру на границе раздела свариваемых материалов и, таким образом, затормозит развитие нежелательного процесса образования интерметаллидного слоя. Как следствие, удастся добиться повышение механических характеристик разнородных СТП соединений алюминий/титан. В соответствии с планом работ, в ходе реализации проекта в 2024 году были завершены микроструктурные исследования и испытания на усталостную выносливость, а также закончена разработка компьютерной модели процесса СТП. В ходе проведенных исследований были получены следующие результаты. Симуляция процесса СТП с помощью конечно-элементной модели подтвердила гипотезу о двух-стадийном характере пластической деформации в ходе сварки. В частности, первичная деформация имеет место при непосредственном контакте свариваемого материала и наконечника инструмента, в то время как приповерхностная область зоны перемешивания может испытывать вторичную деформацию, обусловленную заплечиками инструмента. Было также установлено, что по своей величине вторичная деформация является сопоставимой с первичной деформацией, но протекает при относительно низкой температуре. Данный результат позволяет объяснить формирование мелкозернистого слоя в верхней части зоны перемешивания, описанное в научно-технической литературе. Также важнейшим результатом компьютерной симуляции являлось выявление того факта, что пиковая температура СТП может достигать 0,93 от гомологической температуры плавления, а величина истинной эквивалентной деформации - 35 единиц (т.е. быть экстремально большой). Компьютерная симуляция полей распределения температур и деформаций в зоне сварного шва, наряду с детальной характеризацией сформировавшейся микроструктуры посредством EBSD позволили установить количественное соотношение между температурой, деформацией и средним размером зерен. Анализ этого соотношения показал, что основным фактором, определяющим эволюцию микроструктуры при типичных условиях СТП, является температура сварки, в то время как величина деформации играет лишь вспомогательную роль. Предположено, что данное обстоятельство обусловлено затуханием микроструктурных изменений в интервале очень больших пластических деформаций (по аналогии с эффектом, наблюдаемым в ходе интенсивных пластических деформаций). Исследование процесса распространения усталостной трещины методом прерывания эксперимента («interrupted test») позволил выявить причины относительно низкой усталостной прочности СТП соединений по сравнению с исходным (монолитным) материалом. Было показано, что данный эффект связан с особенностями геометрии сварного соединения «внахлест». В частности, граница между сварным швом и исходной поверхностью раздела свариваемых материалов фактически выступает в роли зародыша усталостной трещины. Как следствие, усталостное поведение СТП соединений фактически определяется только сопротивлением материала распространению этой трещины. Результаты, полученные в ходе выполнения данного этапа проекта, были оформлены в виде 4 нижеследующих научных статей, а также представлены в виде докладов на 3 научных конференциях. Научно-технические статьи: (1) A.A. Kalinenko, S.S. Malopheyev, I. Shishov, V. Mishin, S. Mironov, L. Shi, C. Wu, R. Kaibyshev, On the microstructure-strength relationship in friction-stir welds, Russian Physics Journal, принята к печати (2) A. Kalinenko, I. Shishov, V. Mishin, P. Dolzhenko, Yu. Borisova, S. Malopheyev, S. Mironov, L. Shi, C. Wu, and R. Kaibyshev, On the relationship between temperature, strain, and grain size in friction-stir-processed aluminum, Journal of Alloys and Compounds, на рецензии (3) Alexander Kalinenko, Pavel Dolzhenko, Yuliya Borisova, Sergey Malopheyev, Sergey Mironov, Ivan Shishov, Vasiliy Mishin, Guoqiang Huang, Yifu Shen, and Rustam Kaibyshev, Fatigue behavior of dissimilar AA6013/Ti-6Al-4V friction-stir lap welds produced under zero-penetration condition, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, на рецензии. (4) А.А. Калиненко, С.С. Малофеев, П.Д. Долженко, С.Ю. Миронов, Особенности усталостного поведения разнородных соединений Al/Ti, полученных сваркой трением с перемешиванием по схеме «внахлест», журнал «Materials. Technologies. Design», принята к печати Устные доклады на научных конференциях: (1) С.Ю. Миронов, Микроструктурные аспекты сварки трением с перемешиванием, VI Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Совершенствование технологических процессов в машиностроении», Чебоксары, Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, 27 мая 2024 г. (2) А.А. Калиненко, С.С. Малофеев, С.Ю. Миронов, О связи микроструктуры и прочности в соединениях, полученных сваркой трением с перемешиванием, Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии» (MESO 2024), Томск, 9-12 сентября 2024 г. (3) Alexander Kalinenko, Pavel Dolzhenko, Sergey Malopheyev, Ivan Shishov, Vasiliy Mishin, Sergey Mironov, Rustam Kaibyshev, “Superplastics” material flow during friction-stir welding observed by the “stop-action” technique, VI Школа молодых ученых «Перспективные высокоэнтропийные материалы», Санкт-Петербург, 2-3 октября 2024 г.

Публикации

1. Александр Андреевич Калиненко, Сергей Сергеевич Малофеев, Павел Дмитриевич Долженко, Сергей Юрьевич Миронов Особенности усталостного поведения разнородных соединений Al/Ti, полученных сваркой трением с перемешиванием по схеме «внахлест» Materials.Technologies.Design, №1 (год публикации - 2025)

2. Калиненко А.А., Малофеев С.С, Шишов И.А., Мишин, В.В., Миронов С.Ю., Ши Л., Ву Ч., Кайбышев Р.О. On the microstructure-strength relationship in friction-stir welds Russian Physics Journal, Vol. 67, No. 10 (год публикации - 2024)

3. Калиненко А.А., Шишов И.А., Мишин, В.В., Долженко П.Д., Ткачева Ю.Б., Малофеев С.С, Зуйко И.С., Миронов С.Ю., Ши Л., Ву Ч., Кайбышев Р.О On the correlation between thermomechanical conditions and grain size in friction-stir processed aluminum Materials Characterization, Том 225, номер статьи 115189 (год публикации - 2025)
10.1016/j.matchar.2025.115189

4. Alexander KALINENKO, Pavel DOLZHENKO, Yuliya BORISOVA, Sergey MALOPHEYEV, Sergey MIRONOV, Ivan SHISHOV, Vasiliy MISHIN, Guo-qiang HUANG, Yi-fu SHEN, Rustam KAIBYSHEV Fatigue behavior of dissimilar AA6013/Ti−6Al−4V friction-stir lap welds produced under zero-penetration condition Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Volume 36, Pages 1074−1087 (год публикации - 20266)
10.1016/S1003-6326(25)67017-8

Возможность практического использования результатов
В рамках реализации данного проекта были разработаны научные основы для получения высокопрочных разнородных соединений из алюминиевых и титановых сплавов посредством сварки трением с перемешиванием. Авторы полагают, что полученный научный задел может способствовать оптимизации технологии производства транспортных средств (в частности, летательных аппаратов), а также повышения их эксплуатационной надежности.