Исследование неравновесных структурно-фазовых превращений и разработка методов управления структурообразованием сплавов на основе алюминия при локальном лучевом воздействии в аддитивных технологиях производства

Проект: Проект-Грант

Сведения о проекте

Описание

Переход промышленности на новый технологический уклад с применением аддитивных технологий является актуальным направлением во многих странах мира. В первую очередь это связано с преимуществами применения аддитивных технологий, которые позволяют получать как прототипы так и готовые изделия ответственного назначения за один технологический цикл без потери материала с высоким комплексом эксплуатационных свойств для атомной, автомобильной, аэрокосмической, оборонной и авиационной промышленности. Однако, несмотря на все перспективы применения, номенклатура используемых сплавов на основе алюминия весьма маленькая. В настоящее время разработаны порошки для аддитивных технологий на основе систем Al-Si (AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, AlMg4,5Mn0,4, Al-11,5Si-1,0Mg-1,2Cu-0,8Zr-0,8Ce (патент RU 2661525) , Al-Mg-Sc (Al-4.7Mg-0.7Mn, Al-6.2Mg-0.36Sc-0.09Zr, Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn, Al-4,3Mg-1,4Sc-0,55Zr-0,7Mn (патент WO 2013179017), Al-Zn-Mg (AA7075, АА7050), Al-Cu-Mg (Al-3.5Cu-1.5Mg-1Si), Al-3,5Cr-1,0Al2O3-3,5Zr-2,0Mn-1,0W (патент RU 2080406). Однако реальное применение имеет только порошок силумина марки AlSi10Mg и порошок Al-4.6Mg-0.66Sc-0.42Zr-0.49Mn (Scalmalloy), которые обладают высокими показателями технологичности при лазерном сплавлении. Разработка новых сплавов для аддитивных технологий является актуальной задачей, однако сильно затруднена необходимостью получения специальных порошков из экспериментальных сплавов, а также высокой стоимостью 3D принтеров. Наиболее перспективными материалами для аддитивных технологий могут быть алюминиевые сплавы с добавками переходных металлов. Из практики гранульной металлургии известны следующие системы: Al-Fe, Al-Cr-Zr, Al-Fe-Mn, Al-Fe-Mn-Cr, Al-Mn-Zr. Гранулируемые сплавы этих систем содержат до 10-12 масс. % каждого из легирующих компонентов. Отличительной особенностью этих сплавов является дендритный тип структуры и аномально пересыщенный твердый раствор, который формируется при высоких скоростях кристаллизации гранул, равных 10^3-10^5 град./с. Такие сплавы характеризуются высокой прочностью и жаропрочностью, а также пластичностью. Скорости охлаждения гранул близки к тем, которые реализуются в аддитивных технологиях. Однако производство гранул исключает эпитаксиальный рост кристаллов, характерный для синтезированных аддитивными технологиями сплавов. Аддитивные технологии основаны на процессах сплавления малых объемов металлических порошков во время селективного воздействия источника высокой энергии (лазерного или электронного луча). Благодаря использованию лазера в качестве источника энергии формируется уникальный термический режим, отличающийся малыми объемами ванны расплава и высокими скоростями охлаждения, равными 10^4 - 10^6 К/с. Благодаря этому структура формируемая в изделиях отличается высокой дисперсностью матрицы и избыточных фаз и как следствие более высоким уровнем характеристик механических свойств. Однако, как показывает практика, структура синтезированных изделий сильно неоднородна по объему, размер и форма зерна и избыточных фаз может сильно меняться от слоя к слою. Структура изделий как правило состоит из чередующихся зон столбчатых и равноосных кристаллов. Разный размер и форма структурных составляющих указывают на разные условия кристаллизации малых объемов расплава. Одним из важных преимуществ аддитивных технологий перед традиционными технологиями является возможность управления структурой изделий от слоя к слою. Множество статей посвящено этому вопросу. Ученые предлагают различные способы, которые в основном сводятся к варьированию технологических параметров процесса: уменьшению анизотропности структуры за счет чередования траектории сканирования лазерного луча от слоя к слою, подогреве подложки для снижения температурного градиента на границе расплав/твердый металл, что уменьшает направленность теплоотвода и как следствие сокращению зоны столбчатых кристаллов. К сожалению, описанные методы малоэффективны и не решают проблему неоднородности структуры. В настоящем проекте предлагается иной подход в вопросе управления структурой, который заключается в грамотном использовании знаний о термодинамике и кинетике процессов кристаллизации. Подавление эпитаксиального роста кристаллов возможно путем увеличения центров зарождения кристаллизующихся фаз за счет использования различных модификаторов. В результате эпитаксиальный рост будет подавлен, а структура будет отличаться высокой однородностью. Такой подход в управлении структурой является новым и ранее не применялся в аддитивных технологиях. В проекте будут использованы различные типы модификаторов, отличающиеся механизмом модифицирования. Основу экспериментальной части будет составлять разработанная группой ученых в составе Солонина А.Н. и Логиновой И.С. уникальная методика, позволяющая точно воспроизводить процесс формирования структуры в изделиях, получаемых аддитивными технологиями, но отличающаяся простотой и малыми затратами. В основе методики лежит идея проплавления малых объемов экспериментальных сплавов лазерным лучом, проведения температурного анализ процесса кристаллизации, изучение микроструктуры, включая анализ формы и размера зерна и избыточных фаз. С применением данной методики в работе будут проведены исследования сплавов на основе алюминия, легированных переходными металлами. Будут подробно изучены и описаны закономерности структурообразования в зависимости от скорости зарождения и роста кристаллизующихся фаз в условиях быстрой кристаллизации с учетом эпитаксиального роста. При этом новизна будет состоять в развитии представлений о формировании структуры, возможности легирования алюминиевых сплавов переходными металлами для разработки жаропрочных сплавов для аддитивных технологий; будет изучено влияние структуры предыдущего слоя на формирование структуры в последующих слоях; впервые будут использованы модификаторы, играющие роль подложки для зарождения твердых фаз. По результатам накопленного массива экспериментальных зависимостей типов формируемых структур от температуры подложки, количества центров кристаллизации и скорости их появления, будут разработаны компьютерные модели, позволяющие оптимизировать условия кристаллизации алюминиевых сплавов в условиях аддитивного производства. Разработка компьютерных моделей позволит прогнозировать формирование разных типов структур в сплавах на основе алюминия. На основе проведенных исследований впервые будут предложены новые составы, отличающиеся не только высокой прочностью, но и жаропрочностью по сравнению с используемыми в аддитивных технологиях силуминами.
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания31/10/201931/10/2022

Площадка НИЧ УрФУ, где ведется данный грант (НИЧ Куйбышева, НИЧ Мира)

  • НИЧ Мира

ГРНТИ

  • 53.49.05 Фазовые и структурные превращения в металлах и сплавах

Тип источника финансирования (РФФИ, РНФ, Х/Д, Гранты и т.д.)

  • РФФИ