Физические основы получения изделий авиационного, ракетно-космического и медицинского назначения из магниевых сплавов методами высокопроизводительного аддитивного производства

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 25-29-00912

НазваниеФизические основы получения изделий авиационного, ракетно-космического и медицинского назначения из магниевых сплавов методами высокопроизводительного аддитивного производства

Руководитель Утяганова Вероника Рифовна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Магниевые сплавы, электронно-лучевая аддитивная технология, дуговая аддитивная технология, структурно-фазовое состояние, механические свойства, термообработка, анизотропия свойств, прямой подвод энергии, кристаллизация, предел прочности, коррозия

Код ГРНТИ53.49.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
Проект направлен на разработку физических основ получения магниевых сплавов систем Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr методами высокопроизводительного аддитивного производства. Основными результатами, запланированными к получению в процессе работы, являются: 1. Получение модельных образцов из магниевых сплавов систем Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr двумя методами аддитивного электронно-лучевого и дугового производств. Установление закономерностей кристаллизации структуры магниевых сплавов систем Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr при получении изделий с различной стратегии печати и подводимого тепловложения, по высоте напечатанных модельных образцов, контролируемого на каждом слое при печати электронно-лучевым и дуговым методами аддитивного производства. 2. Установление закономерностей структурно-фазового состояния магниевых сплавов с различной объемной долей интерметаллидов, таких как γ-Al12Mg17 и β-Al3Mg2 (система Mg-Al-Zn-Mn), Mg7Zn3 и η-Mg12Zn13 (система Mg-Zn-Zr) в зависимости от стратегии печати и используемого тепловложения по высоте напечатанных модельных образцов. 3. Данные экспериментов имитирующих восстановление поврежденных деталей (модельный эксперимент) магниевых сплавов систем Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr, электронно-лучевым и дуговым методами аддитивного производства. Изучение структуры восстановленных материалов. 4. Исследование влияния термической обработки на размер зерен, повышения однородности упрочняющих фаз γ-Al12Mg17 и β-Al3Mg2 (система Mg-Al-Zn-Mn), Mg7Zn3 и η-Mg12Zn13 (система Mg-Zn-Zr). Сопоставление структуры полученных изделий из магниевых сплавов систем Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr, изготовленных электронно-лучевым аддитивным производством и дуговым производством. 5. Исследование и сравнение коррозионных и механических свойств полученных изделий из магниевых сплавов систем Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr, изготовленных электронно-лучевым аддитивным производством, дуговым производством, с эксплуатационными характеристиками изделий того же состава изготовленных традиционными методами. Научная значимость результатов состоит в формировании основных закономерностей влияния структурно-фазового состояния магниевых сплавов систем Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr двумя методами аддитивного (электронно-лучевого и дугового) производств в зависимости от режима и стратегии печати, а также выявление закономерностей полученной структуры с эксплуатационными характеристиками изделий (предел текучести, предел прочности, потенциал коррозии, ток коррозии, скорость коррозии). Полученные данные несут недостающую информацию по формированию структуры магниевых магниевых сплавов систем Mg-Al-Zn-Mn и Mg-Zn-Zr, полученных методами аддитивного проволочного производства, которые потенциально можно будет использовать для изготовления изделий авиационного, ракетно-космического и медицинского назначения. Уровень ожидаемых результатов в данном направлении исследований соответствует мировому.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Легкие металлические материалы на основе Mg имеют широкий спектр применения в медицинских приборах, аэрокосмической и промышленной технике ввиду своей низкой плотности и высокой удельной прочности. Благодаря развитию аддитивных способов производства, магниевые сплавы марок AZ31 и ZK60 удается успешно получать методами селективного лазерного сплавления и проволочными дуговыми аддитивными методами. Наиболее важным результатом, полученным на первом этапе выполнения проекта, является демонстрация экспериментальных подходов к изготовлению высококачественных изделий (стенок) из сплавов AZ31 и ZK60 проволочным электронно-лучевым производством. В частности, формирование первого валика, как и для AZ31, так и для ZK60, обеспечивается сочетанием высокой скорости печати (375 мм/мин), повышенного тока пучка (17 мА) и развертки с большой амплитудой (5 мм) и высокой частотой (500 Гц). Впервые было показано, что путем подбора режимов печати, заключающегося в целенаправленном изменении плотности тока электронного пучка, оказывается возможным восстанавливать поврежденные детали из данных сплавов после фрезерования заготовки. Выявлены основные типы дефектов в готовых изделиях и причины их появления. Важно отметить, что для повышения макроскопической пластичности напечатанных сплавов, их стойкости к коррозии и снижения уровня остаточных напряжений были выполнены серии термообработок – низкотемпературные (250 °С) и высокотемпературные (450 °С и 515 °С) отжиги в сочетании с закалкой на воздухе или в воде. Проведена аттестация микроструктуры, химического и фазового составов опытных образцов методами оптической металлографии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, рентгеноструктурного анализа. Установлено, что после электронно-лучевой печати структура сплава AZ31 представлена матричной фазой на основе Mg, примесной фазой Al8Mn5 и интерметаллической фазой Mg17Al12. Зерна матричной фазы имеют овальную форму со средним размером ~30 мкм. После термообработок формируется рекристаллизованная структура, характеризующаяся равноосными зернами со средними размерами до 43 мкм. Показано, что термообработки сплава AZ31 не способствуют растворению вторых фаз в объёме материала и не влияют на их дисперсность. В результате термообработок текстурные эффекты ослабевают, что отражается на уменьшение полюсной плотности дифракционных. Микроструктура напечатанного сплава ZK60 является микрокристаллической, по границам зерен которой сегрегируются частицы вторых фаз – MgZn2 и Zn(Zr). Отжиг в сочетании с закалкой способствует уменьшению полуширин рефлексов матричной α-фазы в сплаве ZK60, изменению текстурных эффектов, сформированных после печати, и частичному растворению частиц вторых фаз. Исходная текстура <0002>, присутствующая в проволоке обоих типов сплавов, исчезает после печати, однако усиливается текстура <10-11> и <01-12>, ориентированных вдоль направления печати. В обоих случаях термообработки способствуют рекристаллизации и гомогенизации структуры, уменьшению её дефектности, при этом не приводят к выделению дополнительных фаз за счет старения. Показано, что при увеличении расстояния от подложки в сплаве AZ31 показатели микротвердости ведут себя немонотонно, достигая максимальных (60–63 HV) и одновременно минимальных (46–45 HV) значений в середине стенки в разных сечениях. После термообработок заметно снижаются плотности коррозионных токов для обоих типов сплавов. Так, скорость коррозии напечатанного сплава AZ31 оказывается на 15 % выше, чем у литого, и в 3 раза выше, чем у термообработанного. Коррозионные свойства сплава ZK60 после печати оказываются на 23 % хуже, чем у литого, но могут быть значительно улучшены (как минимум, в 2 раза) после термообработки. Таким образом, выбранные режимы термообработок сплавов AZ31 и ZK60 могут быть применены для кратного повышения коррозионных характеристик напечатанных изделий в растворах, имитирующих морские среды.

Публикации

1. Вероника Утяганова, Алексей Гончаров, Андрей Слива, Дмитрий Шишкин, Борис Зотов, Леонид Федоренко и Виктор Семин Structural, Mechanical and Corrosion Properties of AZ31 Alloy Produced by Electron-Beam Additive Manufacturing MDPI, Utyaganova, V.; Goncharov, A.; Sliva, A.; Shishkin, D.; Zotov, B.; Fedorenko, L.; Semin, V. Structural, Mechanical and Corrosion Properties of AZ31 Alloy Produced by Electron-Beam Additive Manufacturing. Alloys 2025, 4, 28. https://doi.org/10.3390/alloys4040028 (год публикации - 2025)
10.3390/alloys4040028

2. Утяганова Вероника Рифовна Влияние химического состава, микроструктуры на эксплуатационные характеристики сплава AZ31 24-я Международная конференция «Авиация и космонавтика». 17-21 ноября 2025 года. Москва. Тезисы. – М.: Издательство «Перо», 2025 – 2,33 Мб [Электронное издание]., 24-я Международная конференция «Авиация и космонавтика». 17-21 ноября 2025 года. Москва. Тезисы. – М.: Издательство «Перо», 2025 – 2,33 Мб [Электронное издание]. (год публикации - 2025)

3. Зотов Борис Олегович ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТАВА СПЛАВА СИСТЕМЫ Mg-Al-Zn, ИЗГОТОВЛЕННОГО ПРОВОЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫМ АДДИТИВНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ ХXII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 11 ноября – 14 ноября 2025 г. / Сборник трудов., ХXII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 11 ноября – 14 ноября 2025 г. / Сборник трудов. (год публикации - 2025)