Разработка научно-технологических основ структурообразования конструкционных материалов полученных путем аддитивного электродугового выращивания для формирования механических свойств при усталости с использованием подходов искусственного интеллекта

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 22-79-00095

НазваниеРазработка научно-технологических основ структурообразования конструкционных материалов полученных путем аддитивного электродугового выращивания для формирования механических свойств при усталости с использованием подходов искусственного интеллекта

Руководитель Аносов Максим Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" , Нижегородская обл

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; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Аддитивное электродуговое выращивание, структурообразование, конструкционные сплавы, механические свойства, усталость, искусственный интеллект, цифровая обработка, фрактальный анализ

Код ГРНТИ81.09.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Надежность отдельных узлов, элементов конструкций и механизмов определяется, прежде всего, структурным состоянием, и, следовательно механическими свойствами материала, формируемыми на этапе изготовления изделия. С появлением современных технологий получения деталей с применением аддитивного выращивания, остро стоит задача обеспечения необходимого качества материала изделия. В настоящее время вопросы обеспечения необходимых параметров структурного состояния и качества материала при аддитивном выращивании мало изучены. Особенно важно обеспечение необходимых механических свойств для обеспечения необходимой усталостной прочности и долговечности изделия, т.к. большое количество деталей механизмов и конструкций работают в условиях усталостных нагрузок. Причем, как показывает статистика около 80% поломок и аварий связаны именно с усталостным характером их нагружения. Явление усталости - очень сложный процесс, на который влияет большое количество факторов. К числу таких факторов относится схема нагружения, приложенное напряжение, температуры испытания, частота нагружения, ассиметрия цикла, концентрация напряжений. Кроме того, значительно возрастает роль состояния поверхности и особенно температуры. В проекте предполагается создание двух цифровых моделей с использованием подходов искусственного интеллекта (машинное обучение, обработка больших данных, искусственные нейронные сети и т.д.), а именно нейросетевой модели получения изделия для управления процессом структурообразования, а также модели прогнозирования и диагностики остаточного ресурса и наработки материала детали. При этом для создания "модели обеспечения необходимых параметров структуры материала в процессе его получения" предполагается проведение многофакторного эксперимента за счет изготовления экспериментальных образцов при различных режимах печати (с изменением силы тока, напряжения (погонной энергии процесса наплавки) и др. и термических циклах наплавки (температура остывания предыдущего слоя) с последующим проведеним микроструктурных исследований с определением качественных и количественных показателей микроструктуры материала с использованием оригинальных методик цифровой обработки изображений и фрактального анализа, а также оценкой механических характеристик исследуемых материалов в широком диапазоне температур с изучением эволюции микроструктуры сплавов на различных стадиях статического и упругопластического циклического нагружения. Для создания "Модели диагностики и прогнозирования остаточного ресурса и наработки материала" будут проведены испытания полученных образцов с различным структурным состоянием (размером зерна и распределением структурных составляющих) на упругопластическое циклическое деформирование при различных схемах нагружения, частоте нагружения, температуре испытания, а также амплитуде деформаций (напряжений) в цикле, в том числе с использованием блочного нагружения в диапазоне мало- и многоцикловой усталости с оценкой на каждой стадии нагружения параметров эволюции структуры с использованием разработанных количественных показателей, а также с привлечением методов неразрушающего контроля (акустического эхо-метода, акустической эмиссии и магнитного контроля) с определением, за счет последующей обработки с использованием методов обработки больших данных, информативных параметров микроструктуры и неразрушающих методов контроля. При этом на основе выявленных информативных параметров и критериев образования макродефектов и предразрушения будет построена модель диагностики и оценки остаточного ресурса и наработки материала при различных условиях испытания для исследуемых материалов. Проведение совместных металлографических, акустических, ультразвуковых и магнитных исследований позволяет учесть комплекс структурных изменений на поверхности, в приповерхностном слое и в объеме материала, и получить более полную информацию о фактическом состоянии циклически деформируемых металлических сплавов, в том числе имеющих структурную неоднородность, связанную с локальным термическим воздействием в процессе наплавки. Две, разработанные в ходе выполнения проекта, цифровые модели будут использованы для создания цифрового паспорта материала на различных этапах жизненного цикла изделия. Также в ходе выполнения проекта будут изготовлены дополнительно порядка 90 образцов, полученных на определенных в ходе исследования оптимальных режимах наплавки для оценки возможных методов улучшения усталостной прочности и долговечности материала. Для этого на части изготовленных образцов будет проведены различные виды и режимы термической обработки (закалка+высокий отпуск, отжиг, нормализация) (порядка 40 образцов), часть образцов пройдет этап поверхностного пластического деформирования (ППД) (порядка 25 образцов), на части образцов будет проведено горячее изостатическое прессование (ГИП) (порядка 25 образцов), а также отдельно изготовлены образцы с использованием технологии легирования наночастицами (определенными в результате квантово-механического моделирования) поверхностного слоя материала образца. На полученных образцах, после проведенных технологических процессов улучшения будут также исследованы параметры микроструктуры и проведена оценка механических свойств, усталостной прочности и долговечности материала с привлечением методов цифровой обработки данных эксперимента, подходов фрактального анализа и нейросетевого моделирования для дополнения полученными данными разработанных цифровых моделей и разработки рекомендаций по улучшению механических свойств исследуемых материалов при усталости. Также будут проведены натурные испытания на детали транспортного средства, работающего в условиях циклического нагружения на специально разработанном стенде для оценки адекватности разработанных цифровых моделей. Успешное выполнение проекта позволит заложить фундаментальные основы для разработки методов структурообразования сплавов для обеспечения требуемых механических характеристик и усталостных свойств, а также методик ранней диагностики состояния металлических конструкций конкретных промышленных объектов, что значительно снизит ошибку прогнозирования ресурса и повысит безопасность их эксплуатации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Аносов М.С., Рябов Д.А., Михайлов А.М., Казаков А.Г. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛИ ER309LSI, ПОЛУЧЕННОЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ WAAM Сборник материалов конференции VI Международная научно-практическая конференция «Инновации в информационных технологиях, машиностроении и автотранспорте» (год публикации - 2022)

2. Аносов М.С., Рябов Д.А., Аносова Е.С., Михайлов А.М. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ НАКОПЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ СПЛАВА 04Х24Н13, ПОЛУЧЕННОГО ПО ТЕХНОЛОГИИ WAAM ПРИ ИСПЫТАНИИ НА УСТАЛОСТЬ РАЗВИТИЕ НАУКИ И ПРАКТИКИ В ГЛОБАЛЬНО МЕНЯЮЩЕМСЯ МИРЕ В УСЛОВИЯХ РИСКОВ СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ XVI МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ, 2023. С. 151-157 (год публикации - 2023)
10.34755/IROK.2023.77.79.008

3. Аносов М.С., Аносова Е.С., Трофимова М.С., Подувальцев А.А. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ СПЛАВА 04Х24Н13, ПОЛУЧЕННОГО ПО ТЕХНОЛОГИИ WAAM ПРИ ИСПЫТАНИИ НА УСТАЛОСТЬ Научно-технический вестник Поволжья, № 2. С. 32-34. (год публикации - 2023)

4. Аносов М.С., Кротиков Д.А., Абрамова О.О. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ СПЛАВА АМГ5, ПОЛУЧЕННОГО ПУТЕМ АДДИТИВНОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ НАПЛАВКИ Тенденции развития науки и образования, № 93-9. С. 8-11. (год публикации - 2023)
10.18411/trnio-01-2023-436

5. М.С. Аносов, А.Г. Казаков, Е.С. Аносова, А.М. Михайлов Пути повышения усталостных свойств конструкционных сплавов, полученных путем аддитивной электродуговой наплавки Сборник статей IX Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов с международным участием, с. 22-25 (год публикации - 2023)

6. Аносов М.С., Шатагин Д.А., Рябов Д.А., Михайлов А.М. Исследование процесса структурообразования стали 09Г2С, полученной методом аддитивного электродугового выращивания Технология металлов, №5, с. 26-32 (год публикации - 2023)
10.31044/1684-2499-2023-0-5-26-32

7. Аносов М.С., Шатагин Д.А., Чернигин М.А., Мордовина Ю.С., Аносова Е.С. Структурообразование сплава Нп-30ХГСА при аддитивном электродуговом выращивании Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия (год публикации - 2023)

8. Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Шатагин Д.А., Желонкин М.В. Кинетика разрушения стали 09Г2С, полученной 3D-печатью электродуговой наплавкой Вестник машиностроения, Т.102, №4 (год публикации - 2023)
10.36652/0042-4633-2023-102-4-343-348

9. Аносов М.С., Рябов Д.А., Чернигин М.А., Соловьев А.А. Неразрушающий контроль накопления усталостных повреждений в стали св-09Г2С, полученной 3D-печатью электродуговой наплавкой Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова (год публикации - 2023)

10. Аносов М.С., Мордовина Ю.С., Чернигин М.А. Изменение химического состава стали 30ХГСА в зависимости от режима 3D-печати XII Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ИННОВАЦИИ В НАУКЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ» (год публикации - 2023)

11. Ю. Г. Кабалдин, М. С. Аносов, П. В. Колчин, Д. А. Шатагин Научный подход к повышению механических свойств металла изделий при их аддитивном выращивании Russian Engineering Research (год публикации - 2023)

12. Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Чернигин М.А. Оценка структурных повреждений в конструкционных сплавах, полученных с использованием трехмерной печати электродуговой наплавкой, на основе фрактального анализа микроструктур Черные металлы, № 3. С. 65-73. (год публикации - 2023)
10.17580/chm.2023.03.11

13. Манцеров С.А., Аносов М.С., Итальянцев Д.С. Диагностика структурной поврежденности стали 09Г2С, полученной с использованием технологии waam при малоцикловой усталости на основе нейро-нечеткой классификации Морской вестник, № 2 (86). С. 32-36 (год публикации - 2023)

14. Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Шатагин Д.А., Колчин П.В., Клочкова Н.С. Повышение механических свойств алюминиевого сплава АМг5, полученного аддитивным выращиванием, с помощью упрочняющих технологий Упрочняющие технологии и покрытия, Т. 19, №7, (год публикации - 2023)
10.36652/1813-1336-2023-19-7-331-336

15. Аносов М.С., Михайлов А.М., Казаков А.Г., Белянина В.А., Варцов В.В. Прогнозирование остаточного ресурса конструкционных сталей, полученных методом WAAM с использованием методов нейросетевого моделирования и машинного обучения Научно-технический вестник Поволжья, №8, стр. 134-137 (год публикации - 2023)

16. Аносов М.С., Рябов Д.А., Казаков А.Г., Михайлов А.М., Подувальцев А.А. Оценка механизмов деформации и разрушения сплава нп-08хмфа, полученного на основе аддитивной электродуговой наплавки с использованием параметров неразрушающего контроля ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ, №100-5, стр. 89-93 (год публикации - 2023)
10.18411/trnio-08-2023-242

17. Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Галкин А.А., Муругов Ю.С., Роговик А.А., Подувальцев А.А. Диагностика конструкционных сталей с использованием методов неразрушающего контроля и нейросетевого моделирования Научно-технический вестник Поволжья, №8, стр. 148-150 (год публикации - 2023)

18. Аносов М.С., Шатагин Д.А., Рябов Д.А., Михайлов А.М. Structure Formation in 09G2S Steel Produced by Additive Electric Arc Growth Russian Metallurgy (Metally), Vol. 2023, No. 13, pp. 2270–2274 (год публикации - 2023)
10.1134/S0036029523700490

19. Казаков А.Г., Аносов М.С. Пути повышения усталостной прочности и долговечности сплавов, полученных на основе аддитивной наплавки Сборник трудов "XXVIII НИЖЕГОРОДСКАЯ СЕССИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ (ГУМАНИТАРНЫЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ, ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ)", с. 196-201 (год публикации - 2023)

20. Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Мордовина Ю.С., Чернигин М.А. Влияние режима 3D-печати на химический состав и структуру стали 30ХГСА Frontier Materials & Technologies (год публикации - 2024)
10.18323/2782-4039-2024-2-68-00

21. Аносов М.С., Сорокина С.А., Чернигин М,А., Мордовина Ю.С. Влияние термообработки на структуру аустенитной стали 07Х25Н13 полученной методом аддитивного выращивания WAAM Известия ВУЗов. Черная металлургия (год публикации - 2024)

22. Аносов М.С., Чернигин М.А., Мордовина Ю.С., Аносова Е.С. Структура и свойства сталей 08ХМФА и 30ХГСА, полученных методом электродуговой наплавки Черные металлы (год публикации - 2024)

23. Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Чернигин М.А., Мордовина Ю.С. Оценка влияния дефектности металла заготовок, полученных аддитивными методами, на прочностные свойства с использованием нейронносетевого моделирования Вестник Магнитогорского государственного университета им. Г.И. Носова (год публикации - 2024)

Публикации