Разработка научно-технологических основ синтеза слоистых полиметаллических композиционных материалов, получаемых методом аддитивного электродугового выращивания, для эксплуатации в условиях низких температур

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 22-79-10204

НазваниеРазработка научно-технологических основ синтеза слоистых полиметаллических композиционных материалов, получаемых методом аддитивного электродугового выращивания, для эксплуатации в условиях низких температур

Руководитель Шатагин Дмитрий Александрович, Кандидат технических наук

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

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые слова аддитивные технологии, композиционные материалы, слоистые материалы, электродуговая наплавка, хладостойкость, новые конструкционные материалы, микроструктура, механические испытания, нейросетевое моделирование, фрактальный анализ

Код ГРНТИ81.09.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интенсивное развитие регионов Арктики и Крайнего Севера обусловливает необходимость в разработке новых подходов к получению уникальных деталей сложных форм из хладостойких материалов для надёжной эксплуатации в составе технических объектов транспортной и энергетической инфраструктуры. При этом предлагаемые методы должны обладать высокой экономической эффективностью производства и гарантией качества готовой продукции. Наиболее полно удовлетворяющими данным требованиям являются сквозные цифровые и аддитивные технологии, реализующие принципиально новые методы проектирования и производства подобных изделий. Одним из таких методов является топологическая оптимизация изделий с учётом их функционального назначения и условий эксплуатации, а в качестве основного способа изготовления таких деталей рассматривается лазерное сплавление металлических порошков (SLM) и электродуговая наплавка проволокой (WAAM). Преимуществами технологии WAAM по сравнению с другими аддитивными технологиями являются: широкая номенклатура сварочной проволоки, сравнительно невысокая стоимость оборудования для электродуговой наплавки и возможность интеграции данной технологии в станки с ЧПУ с наименьшими затратами на переоборудование. Учитывая особенности процессов послойного выращивания изделия, открываются уникальные возможности получения не только оптимальной топологии детали, но и оптимальных физико-механических свойств за счёт комбинации слоев металлов с различным химическим составом и типом кристаллических решёток. Применение аддитивных технологий при изготовлении слоистых металлических композиций позволяет повысить надёжность и долговечность большой номенклатуры деталей и оборудования, а также существенно сократить расход высоколегированных сталей, дефицитных и дорогостоящих цветных металлов (никель, хром, медь, молибден и др.), снизить энергоёмкость и металлоёмкость. В настоящее время уже существуют композиционные слоистые материалы, выпускаемые серийно с применением методов литейного плакирования, диффузионной сварки, реакционного спекания фольг, горячей прокатки, сварки взрывом и т. д. Однако существуют значительные технологические и экономические ограничения применения данных методов при изготовлении топологически оптимизированных конструкций сложных форм в условиях единичного и мелкосерийного производства, особенно в труднодоступных регионах Арктики и Крайнего Севера. Решением данной проблемы может стать использование технологии WAAM, однако на данный момент остаётся ряд неразрешённых вопросов, ограничивающих применение аддитивного электродугового выращивания слоистых композиционных материалов для эксплуатации в условиях низких температур. В частности, отсутствует оборудование с функцией быстрой переналадки наплавляемого материала и оптимизации режимов, способное интегрироваться в станки с ЧПУ. Недостаточно сведений по оценке влияния режимов 3D-печати на конечный состав, размеры, структуру, свойства слоёв и переходных зон в материале. Причём, именно состояние переходной зоны во многом определяет для слоистого композита возможность сопротивления распространению трещин и релаксации сопутствующих напряжений в материале, поэтому необходимы математические модели процесса аддитивного электродугового выращивания, позволяющие управлять параметрами переходной зоны в процессе наплавки за счёт вариации количества подводимой энергии и температурных градиентов в материале, которые во многом определяют кинетику процессов диффузии углерода, хрома, никеля и других химических элементов между слоями. Важную роль в обеспечении сплошности и бездефектной структуры на границе соединяемых материалов играют динамические процессы в системе «источник питания – электрическая дуга – сварочная ванна – материал», определяющие условия каплеобразования и переноса электродного материала, зоны кристаллизации и химические превращения в материале. Таким образом, необходима оперативная диагностика микрометаллургических процессов при формировании слоистых композиционных материалов. Данный факт обусловливает и необходимость в проведении дополнительного экспресс анализа свойств слоев и межфазной зоны композиционных материалов с целью оценки структурных изменений в уже готовом изделии. Необходимо учитывать тот факт, что надежность конструкций определяется не только механическими, но и усталостными характеристиками материала, сильно зависящих от температуры эксплуатации. Большинство деталей и конструкций работает в условиях усталостных нагрузок. Как показывает статистика около 80% поломок и аварий связаны именно с усталостным характером их нагружения. При этом количество факторов определяющих структурное состояние основных слоев и переходных зон возрастает по сравнению с процессом разрушения при статическом нагружении, поскольку к ним следует добавить: влияние частоты, асимметрии циклического нагружения, концентрации напряжений и т.д.. По этой причине, при синтезе слоистых композиционных материалов, актуальным является разработка моделей накопления повреждений и механизмов усталостного разрушения при низких температурах. Таким образом, остается нерешённой важная научная проблема синтеза и оценки структурного состояния хладостойких слоистых композиционных материалов, получаемых методом аддитивного электродугового выращивания. В связи с вышесказанным, целью данного проекта является разработка научно-обоснованных методов управления физико-механическими свойствами, моделей накопления повреждений и механизмов усталостного разрушения основных слоёв и переходных зон композиционных материалов при низких температурах, получаемых методом 3D-печати электродуговой наплавкой. Для достижения поставленной цели в проекте запланировано проведение широкого круга многофакторных экспериментальных исследований процесса аддитивного электродугового выращивания заготовок из слоистых композиционных материалов на станке с ЧПУ, их структуры и физико-механических свойств. В качестве основных материалов будут исследованы двух-, трёх- и пятислойные полиметаллические композиты, представляющие комбинации слоёв низкоуглеродистой стали, высоколегированной стали аустенитного класса, сплава на основе никеля и износостойкой низколегированной мартенситной стали. Базовыми исследуемыми системами будут композиции на основе слоев, преимущественно, с ОЦК и ГЦК кристаллическими решетками: 08Г2С+07Х25Н13; 08Г2С + NiCr20Mn3Nb (Inconel 600) + 08Г2С; NiCr20Mn3Nb+08Г2С+NiCr20Mn3Nb; 08Г2С+NiCr20Mn3Nb+07Г2Х. Выбор данных материалов обусловлен их функциональным назначением в производстве конструкций северного исполнения. Основной задачей является улучшение функциональных свойств основного слоя, получаемого из общедоступной сварочной проволоки Св-08Г2С, за счёт плакирования пластичными слоями из проволок Св-07Х25Н13 и ERNiCrMo-4, а также применение износостойкого плакирующего слоя, выращиваемого из проволоки, для упрочняющей наплавки 7Г2Х (DIN 8555). Также предполагается использование сплава NiCr20Mn3Nb в качестве диффузионного барьера в системе 07Х25Н13+NiCr20Mn3Nb+08Г2С+NiCr20Mn3Nb+07Х25Н13, препятствующего миграции атомов углерода на межслойных границах соединения разнородных сталей, в ходе циклических процессов упруго-пластической деформации. В ходе многофакторных экспериментальных исследований будут установлены зависимости между режимами электродуговой наплавки и физико-механическими свойствами, количественными показателями микроструктуры, фазового и химического состава слоёв и переходных зон в материале, а также показателями хладостойкости напечатанных образцов. Для этого будут проведены механические испытания выращенных слоистых композиционных материалов при низких температурах (до - 80 °C) на ударный изгиб, срез, а также поэтапные исследования на растяжение и усталостную прочность. Будет детально исследована эволюция структуры и процесс накопления повреждений в слоях и переходных зонах с применением структурно-чувствительных методов неразрушающего контроля: физической акустики (ультразвука), параметров акустической эмиссии и магнитного контроля. В ходе выполнения проекта будут установлены закономерности изменения характеристических параметров неразрушающих методов контроля и количественных показателей эволюции структуры металла на различных стадиях упругопластического циклического деформирования при низких температурах. Также будут выявлены наиболее чувствительные характеристические параметры и критерии предразрушения композиционных слоистых материалов. Будут применены методики оптической и электронной микроскопии для исследования структуры и морфологии переходных зон многослойных полиметаллических композиционных соединений, для количественного фрактографического анализа и оценки механизмов разрушения. Дополнительно будет произведена оценка прочности сцепления соединяемых материалов и микротвёрдости переходных зон. Проведение совместных металлографических, ультразвуковых, акустико-эмиссионных и магнитных исследований позволяет учесть комплекс структурных изменений на поверхности и в объёме материала, получить более полную информацию о фактическом состоянии циклически деформируемых слоистых композиционных металлических сплавов, полученных аддитивным электродуговым выращиванием, а также разработать новые модели накопления повреждений и механизмы усталостного разрушения при низких температурах. Для решения задачи управления свойствами основных слоев и переходных зон композиционных материалов будут разработаны цифровые модели на основе методов машинного обучения. Выбор данного метода обусловливается высокой сложностью исследуемой системы и возможностью получения больших статистических выборок разнородных данных. Реализация данного подхода планируется с применением глубоких рекуррентных искусственных нейронных сетей, способных работать с многомерными данными и временными рядами исторических наблюдений за эволюцией динамических систем. В качестве информативных источников о состоянии процесса 3D-печати будут использованы данные, полученные: с датчиков виброакустической эмиссии (ВАЭ) – для мониторинга кинетики процессов плавления и кристаллизации; силы тока и напряжения электрической дуги – для контроля за процессами тепломассопереноса и тепловизора – для построения кривых термических циклов и карт распространения тепловых полей. Таким образом, разработанный комплекс моделей машинного обучения позволит, на основе изменения оперативной телеметрической информации и серии исторических наблюдений, прогнозировать градиентные свойства слоистых композиционных материалов, а также за счет глубокой архитектуры и наличия деконволюционных слоев, осуществлять реконструкцию микроструктуры. Данные модели могут применяться как для выборы оптимальных режимов 3D-печати с целью получения заданных свойств слоистых композиционных материалов, так и реализовывать постоянный мониторинг процесса, обеспечивая гарантированное качество на всём протяжении изготовления изделия. Полученные модели могут быть использованы в рамках концепции сквозных цифровых технологий и применяться на этапах оптимизации конструкции (уточняя используемые численные методы), технологической подготовки производства, в процессе аддитивного электродугового выращивания и на этапе эксплуатации в составе интеллектуальных комплексов неразрушающего контроля нового поколения. Такой подход позволит сформировать цифровой слой практически на всех этапах жизненного цикла композиционных полиметаллических материалов. В качестве путей улучшения свойств слоистых композиционных материалов в проекте предусмотрено исследование дополнительной термической и вибрационной обработки. Вибрационная обработка будет осуществляться непосредственно в процессе 3D-печати за счёт подведения низкочастотных колебаний с использованием специально разработанного вибростола, а также высокочастотных колебаний с использованием ультразвуковых генераторов. Такая комбинация позволит реализовать управление свойствами материалов на различных структурных уровнях за счет создания дополнительных зон кристаллизации, перемешивания ванны с расплавом, уменьшения остаточных напряжений в материале, а также воздействия на кинетику процессов диффузии химических элементов, образование карбидных и интерметаллидных соединений в переходной зоне. Апробация предложенной технологии будет осуществлена путём изготовления топологически оптимизированной детали из слоистого композиционного материала для высоконагруженного элемента конструкции транспортного средства в северном исполнении. В ходе апробации будут произведены усталостные испытания полученной детали на специализированном стенде с количественной оценкой структурного состояния материала детали на различных этапах нагружения и при различных напряжениях в цикле. Научная новизна проекта заключается в разработке технологии и научно-обоснованных методов синтеза и оценки структурного состояния новых хладостойких слоистых композиционных металлических материалов, получаемых методом аддитивного электродугового выращивания, с использованием подходов машинного обучения и неразрушающих методов контроля. Актуальность и значимость полученных результатов обусловливается социальной и экономической необходимостью решения указанной научной проблемы, развития технологий рационального природопользования и предотвращения техногенных аварий в стратегических регионах Российской Федерации. Разработанные методы и алгоритмы будут способствовать развитию многочисленных автономных производственных и сервисных площадок в труднодоступных регионах Арктики и Крайнего Севера и созданию нового поколения гибридных технологических систем аддитивного электродугового выращивания заготовок из хладостойких слоистых композиционных материалов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кабалдин Ю.Г., Шатагин Д.А., Рябов Д.А., Соловьев А.А., Куркин А.А. Microstructure, Phase Composition, and Mechanical Properties of a Layered Bimetallic Composite ER70S-6-ER309LSI Obtained by the WAAM Method Metals, Metals 2023, 13(5), 851 (год публикации - 2023)
10.3390/met13050851

2. Шатагин Д.А., Желонкин М.В.,Клочкова Н.С., Башков А.А., Давыдов А.М. Diagnostics and control of layers’ geometric parameters in wire arc additive manufacturing AIP conference proceedings (год публикации - 2023)

3. Кабалдин Ю.Г., Шатагин Д.А., Аносов М.А., Клочкова Н.С., Давыдов А.М. Повышение механических свойств материалов, полученных аддитивным электродуговым выращиванием RUSSIAN ENGINEERING RESEARCH (год публикации - 2023)

4. Шатагин Д.А., Желонкин М.В., Клочкова Н.С., Давыдов А.М. Модульная система 3d-печати металлами для фрезерных станков с чпу с функцией быстросменности и бесподналадочности наплавляемого материала ФГБОУ ВО «Кузбас. гос. техн. ун-т им. Т. Ф. Горбачева», Инновации в информационных технологиях, машиностроении и автотранспорте: сборник материалов VI Международной научно-практической конференции (30 ноября – 01 декабря 2022 года), 599 - 603 Кемерово, 2022 (год публикации - 2022)

5. Шатагин Д.А., Желонкин М.В., Клочкова Н.С., Давыдов А.М. Расширение технологических возможностей и модернизация вертикально-фрезерного станка для выполнения задач по гибридной обработке Russian Engineering Research (год публикации - 2024)

6. Шатагин Д.А., Давыдов А.М., Клочкова Н.С., Башков А.А. Конструктивные особенности печатающих головок для гибридных станков аддитивного производства Сборник трудов конференции "МИРОВЫЕ СТРАТЕГИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ В НОВОЙ РЕАЛЬНОСТИ: МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ". Издательство "научная парадигма", С. 183-188 (год публикации - 2024)

7. Шатагин Д.А., Давыдов А.М., Клочкова Н.С. Проектирование универсального модуля 3d печати методом электродуговой наплавки для станков с ЧПУ Сборник трудов конференции "СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И РЕВЕРС-ИНЖИНИРИНГ". Издательство: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Севастопольский государственный университет" (Севастополь), С. 156-159 (год публикации - 2023)

8. Шатагин Д.А., Клочкова Н.С. Разработка технологии получения слоистых композиционных металлов методом аддитивного электродугового выращивания Сборник трудов конференции "XXVIII НИЖЕГОРОДСКАЯ СЕССИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ (ГУМАНИТАРНЫЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ, ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ)". Издательство: Издательство "Перо", С. 201-206 (год публикации - 2024)

9. Шатагин Д.А., Желонкин М.В., Клочкова Н.С., Башков А.А., Давыдов А.М. Manufacturing technology of a part with a cellular structure made of bimetallic composite ER70S-6-ER309LSI by the WAAM method AIP Conference Proceedings (год публикации - 2024)

10. Шатагин Д.А., Рябов Д.А., Чернигин М.А., Клочкова Н.С., Давыдов А.М. The effect of heat treatment on the structure and phase composition of 70S-6 - 309LSI bimetal obtained by the WAAM method AIP CONFERENCE PROCEEDINGS (год публикации - 2024)

11. Кабалдин Ю.Г., Шатагин Д.А. Чернигин М.А., Аносов М.С. Микроструктура и механические свойства слоистой заготовки из различных аустенитных сталей, выращенной методом аддитивной электродуговой наплавки МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ (год публикации - 2024)

12. Шатагин Д.А., Желонкин М.В., Клочкова Н.С., Чернигин М.А., Мордовина Ю.С. Изучение механических характеристик биметалла, полученного методом электродуговой наплавки проволоками ЕR-70Sб - ER 316 LSI Russian Engineering Research (год публикации - 2025)

13. Шатагин Д.А., Рябов Д.А., Хлыбов А.А., Соловьев А.А. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ WAAM НА СОСТАВ И СТРУКТУРУ СЛОИСТОГО БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА СВ-08Г2С - СВ-07X25Н13 Издательский дом "Руда и металлы", Черные металлы, 8, 2024, с. 32-38 (год публикации - 2024)
10.17580/chm.2024.08.03

14. Шатагин Д.А., Клочкова Н.С., Давыдов А.М., Михайлов А.М. Impact Strength Assessment of Samples from Steels ER 70S 6, ER 309LSI and Bimetallic Composite ER70S6 - ER309LSI AIP Publishing LLC (год публикации - 2025)

15. Шатагин Д.А., Клочкова Н.С., Башков А.А., Давыдов А.М. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ «ЧАШКА ПОДЪЁМА КАРТРИДЖА» МЕТОДОМ WAAM С ГЕНЕРАТИВНОЙ СТРУКТУРОЙ ИЗ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики - Российский федеральный ядерный центр, Саров, ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ АТОМНОЙ ОТРАСЛИ. МОЛОДЕЖЬ В ИННОВАЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ Сборник материалов XVII научно-технической конференции молодых специалистов. Саров, 2024, с. 167-173 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Третий год работы над проектом был посвящен экспериментальным исследованиям усталостной прочности композиционных материалов. Полученные результаты были использованы для разработки цифровых моделей накопления повреждений и механизмов усталостного разрушения. Разработана аддитивная технология, в рамках которой изготовлены экспериментальные образцы для исследования усталостной прочности из слоистого биметаллического композита ER70S-6 – ER309LSI. Получены результаты поэтапных испытаний на малоцикловую усталость слоистых композиционных материалов в широком диапазоне низких температур для различных схем нагружения. Определены значения параметров распространения упругих волн в металле, значения коэрцитивной силы и намагниченности, а также значения твёрдости рабочей зоны образов на различных этапах усталостного нагружения с использованием портативного твердомера. Анализ результатов позволяет заключить, что значимыми параметрами которые могут использоваться при разработке моделей поврежденности и прогнозирования остаточного ресурса металлического композита ER70S-6 - ER309LSI являются: скорость распространения продольной и поперечной волны, коэрцитивная сила и акустическая анизотропия. Учитывая, что скорость распространения продольной и поперечной УЗ-волн сильно скоррелированы то наиболее обобщенным параметром для применения в системах неразрушающего акустического контроля является параметр акустической анизотропии. Данный параметр, наряду с показателем коэрцитивной силы могут быть использованы для прогнозирования усталостных, механических характеристик и поврежденности биметаллического материала ER70S-6 - ER309LSI полученного аддитивными методами. Определен период появления и интенсивности роста магистральной трещины и выявлены другие особенности микроструктуры в процессе усталостного нагружения. Показано, Развитие трещины происходит в три этапа: 1. Инициирование трещин в зонах с высокой концентрацией дефектов. 2. Замедленное развитие трещин из-за снижения пластичности при низких температурах. 3. Межслойное расслоение вследствие разницы коэффициентов термического расширения (КТР) материалов, локализация повреждений в переходных зонах с последующим катастрофическим разрушением. Локализация повреждений начинается в зонах с максимальными напряжениями: граница раздела двух металлов (из-за разницы коэффициента теплового расширения (КТР) и модулей упругости), дефекты наплавки, зоны термического влияния (ЗТВ) с измененной структурой. При циклическом нагружении в этих областях формируются микротрещины. Что в сою очередь приводит к росту показателя фрактальной размерности. Трещина распространяется перпендикулярно направлению нагрузки. В стали ER70S-6 преобладает транскристаллитное разрушение с четким фасеточным рельефом, а в стали ER309LSI наблюдается межкристаллитное разрушение с вязкими ямками. На границе раздела двух материалов наблюдается отклонение трещины из-за разницы свойств материалов. При достижении критической длины трещина переходит в быстрое нестабильное распространение. В ER70S-6 – хрупкое разрушение с малыми пластическими деформациями, а в ER309LSI– разрушение с образованием вязкой зоны. При температуре испытаний t=20 °C преобладает смешанный механизм (вязко-хрупкий). В ER70S-6 наблюдаются также трещины по границам зерен из-за остаточных напряжений. При температуре испытаний t=-80°C ER70S-6 становится более хрупкой (рост доли квазихрупкого разрушения), а ER309LSI сохраняет пластичность, при этом резко возрастает риск расслоения из-за разницы КТР. Основными фактографическими признаки усталостного разрушения для ER70S-6 является рельеф с фасетками (транскристаллитное разрушение) и реечные узоры (хрупкое разрушение). Для ER309LSI характерен ямочный рельеф и вторичные трещины вдоль границ зерен. На границе раздела дефекты сцепления (оксиды, микрополости, поры), а также следы усталостных бороздок. Во всех случаях зарождение трещины начинается со стороны стали ER70S-6 c последующим разрушением по границе раздела, при этом разрушения проходит по обоим материалам. Получены кривые усталостной прочности. Установлено, при одинаковых отношениях σ/σв сплав ER309LSI демонстрирует на 15% более высокую усталостную прочность по сравнению с ER70S-6. Термообработка повышает усталостную прочность: ER70S-6 (после нормализации) — +25%, ER309LSI (после аустенизации) — +30%. Биметалл ER70S-6 – ER309LSI имеет на 25% ниже усталостную прочность, чем ER70S-6, из-за зарождения трещин в зоне ER70S-6, концентрации остаточных напряжений на границе раздела (разница КТР, микропоры).Аустенизация + нормализация улучшают свойства на 30%, снижая остаточные напряжения и устраняя микропоры. Однако граница раздела остаётся слабым звеном при циклических нагрузках. Требуются дополнительные исследования для оптимизации фазового состава и структуры переходной зоны биметаллов, полученных аддитивными методами. Разработана модель накопления повреждений, а на ее основе методика оценки усталостной прочности биметаллического композита ER70S-6 - ER309LSI. В качестве модели накопления повреждений бала использована рекуррентная двунаправленная искусственная нейронная сеть с долгой краткосрочной памятью (LSTM). Разработана рекуррентная нейросетевая модель прогнозирования параметров основных слоев и переходной зоны композиционных полиметаллических материалов и предложена методика выбора оптимальных режимов электродугового выращивания. Оптимальные режимы наплавки соответствуют минимальному отклонению текущей энтропии от эталонного значения. Методика позволяет контролировать стабильность геометрии слоев в реальном времени. Проведена апробация полученных результатов на основе натурных испытаний детали элемента подвески транспортного средства, полученной из слоистых композиционных материалов методом аддитивного электродугового выращивания. Использован биметаллический композит ER70S-6 - ER309LSI и применена послойная наплавка по схеме "сэндвич": 3 начальных слоя ER309LSI, основной объем ER70S-6, внешнее плакирование ER309LSI. Установлено для монометаллического образцы (ER70S-6) период возникновения трещины 147 циклов, а для биметаллического образца - 257 циклов. Зарождение трещины начинается в ER70S6 с последующим поперечном распространением через слои ER70S-6 с переходом через границу раздела в ER309LSI. Биметаллическая конструкция демонстрирует увеличенную (на 75%) циклическую стойкость по сравнению с монометаллической, однако требует дальнейшей оптимизации границы раздела материалов. Разработаны рекомендации по повышению хладостойкости слоистых композиционных материалов, получаемых аддитивным электродуговым выращиванием, на основе подходов нейросетевого управления процессом 3D-печати, а также дополнительной термической обработки. Опубликовано 4 статьи, в том числе 3 рецензируемых в базе данных SCOPUS.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в рамках работы над проектом научно-технические результаты открывают значительные перспективы для применения в различных отраслях экономики, особенно в регионах с экстремально низкими температурами (Арктика, Сибирь, северные морские и воздушные трассы). Экономический эффект: Снижение затрат на ремонт и обслуживание техники. Технология позволяет восстанавливать и усиливать изношенные узлы оборудования (буровые установки, трубопроводы, элементы судов и авиатехники) без полной замены, что сокращает простои и расходы. Возможность мобильного применения (полевой ремонт) уменьшает логистические издержки для удаленных объектов. Увеличение срока службы конструкций в условиях Крайнего Севера. Создание морозостойких композитов с улучшенными прочностными и антикоррозионными свойствами повышает надежность инфраструктуры (мосты, опоры ЛЭП, резервуары). Применение в нефтегазовой отрасли (трубопроводы, элементы платформ) снижает риски аварий и экологического ущерба. Импортозамещение и развитие новых производств. Технология обеспечивает локальное производство сложных металлоконструкций, уменьшая зависимость от зарубежных поставок. Стимулирует развитие малого и среднего бизнеса в сфере аддитивных технологий и ремонтных сервисов. Социальный эффект: Повышение безопасности и качества жизни в северных регионах. Укрепление инфраструктуры (дороги, энергетика, ЖКХ) напрямую влияет на комфорт населения. Снижение аварийности на производстве за счет более надежных материалов. Создание высокотехнологичных рабочих мест. Развитие центров аддитивных технологий и обучение специалистов (инженеры, операторы 3D-печати) способствует росту квалифицированной занятости. Поддержка научно-образовательных программ в области новых материалов и цифрового производства. Экологическая устойчивость: Метод электродугового выращивания менее энергозатратен по сравнению с традиционной металлургией и уменьшает углеродный след. Ресурсосберегающие технологии ремонта сокращают объемы металлолома. Проект способствует технологическому суверенитету России в области аддитивных технологий, обеспечивает конкурентоспособность отечественных предприятий в Арктике и других экстремальных регионах, а также вносит вклад в социально-экономическое развитие северных территорий. Внедрение разработки согласуется с государственными программами по освоению Севера, цифровизации промышленности и импортозамещению критических технологий.