📄Работа №201753
Тема: Исследование микроструктуры и механических свойств сплавов Al-5Mg и Al-5Si, полученных проволочно-дуговым аддитивным производством при различных технологических параметрах
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Физика
Объем:
146 листов
Год:
2024
Просмотров:
96
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО
ПРОИЗВОДСТВА 14
1.1 Технологии аддитивного производства 15
1.1.1 Классификация технологий аддитивного производства 15
1.1.2 Преимущества проволочно-дугового аддитивного производства 16
1.1.3 Классификация технологий проволочно-дугового аддитивного
производства 19
1.2 Исследование процесса наплавки алюминиевых сплавов с использованием
проволочно-дуговой аддитивной технологии 24
1.2.1 Проволочно-дуговое аддитивное производство алюминиевых сплавов 24
1.2.2 Анализ процессов наплавки алюминиевых сплавов с использованием
проволочно-дуговой аддитивной технологии 26
1.3 Постановка цели и задач исследования 32
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЙ 34
2.1 Оборудование для изготовления алюминиевых сплавов 34
2.2 Подготовка образцов и испытательное оборудование 36
2.2.1 Обработка и подготовка образцов 37
2.2.2 Испытательное оборудование 38
2.3 Экспериментальные материалы и задание общих параметров 41
2.4 Выбор параметров режима WAAM-CMT 42
2.4.1 Скорость подачи проволоки 43
2.4.2 Скорость сварки 44
2.4.3 Наблюдение за переносом капель, настройка параметров при различных
режимах дуги 45
2.4.4 Параметры тепловложения 47
2.4.5 Параметры стратегии наплавки 48
2.4.6 Параметры высоты наплавляемого слоя 49
2.5 Подготовка и испытание образцов, изготовленных методом WAAM-CMT . 50
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ДУГИ, СКОРОСТИ ПОДАЧИ
ПРОВОЛОКИ И СКОРОСТИ СВАРКИ НА МАКРОСТРУКТУРУ,
МИКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА Al-5Mg,
ИЗГОТОВЛЕННОГО МЕТОДАМИ WAAM-CMT 55
3.1 Влияние режима дуги на макроструктуру, микроструктуру и механические свойства тонкостенных образцов из сплава Al-5Mg, изготовленного методом WAAM-CMT 55
3.1.1 Влияние режима дуги на макроструктуру тонкостенных образцов из
сплава Al-5Mg 55
3.1.2 Влияние режима дуги на микроструктуру тонкостенных образцов из
сплава Al-5Mg 57
3.1.3 Влияние режима дуги на размер зерен тонкостенных образцов из сплава
Al-5Mg в области границы между слоями и внутри слоя 59
3.1.4 Влияние режима дуги на микротвердость тонкостенных образцов из
сплава Al-5Mg 60
3.1.5 Влияние режима дуги на механические свойства тонкостенных образцов
из сплава Al-5Mg при растяжении 62
3.2 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на макроструктуру, микроструктуру и механические свойства толстостенных образцов из сплава Al-5Mg, изготовленных методом WAAM-CMT 64
3.2.1 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на
макроструктуру толстостенных образцов из сплава Al-5Mg 64
3.2.2 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на
микроструктуру толстостенных образцов из сплава Al-5Mg 66
3.2.3 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на размер зерен
толстостенных образцов из сплава Al-5Mg в области границы между слоями / области внутреннего слоя 68
3.2.4 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на
микротвердость толстостенных образцов из сплава Al-5Mg 70
3.2.5 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на механические
свойства толстостенных образцов из сплава Al-5Mg при растяжении 72
3.3 Выводы по главе 3 75
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СТРАТЕГИЙ НАПЛАВКИ И ВЫСОТЫ НАПЛАВКИ
НА МАКРОСТРУКТУРУ, МИКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА Al-5Si, ИЗГОТОВЛЕННОГО МЕТОДОМ WAAM-
CMT 77
4.1 Влияние стратегий наплавки на макроструктуру, микроструктуру и механические свойства толстостенных образцов из сплава Al-5Si, изготовленных методом WAAM-CMT 78
4.1.1 Влияние стратегий наплавки на макроструктуру толстостенных образцов из сплава Al-5Si 78
4.1.2 Размеры наплавленных слоев, полученных с использованием трех
стратегий наплавки 79
4.1.3 Влияние стратегий наплавки на микроструктуру толстостенных
образцов из сплава Al-5Si 80
4.1.4 Влияние стратегий наплавки на размер зерен толстостенных образцов из
сплава Al-5Si 84
4.1.5 Влияние стратегий наплавки на микротвердость толстостенных
образцов из сплава Al-5Si 88
4.1.6 Влияние стратегий наплавки на механические свойства толстостенных
образцов из сплава Al-5Si при растяжении 90
4.2 Зависимость макроструктуры, микроструктуры и механических свойств толстостенных образцов из сплава Al-5Si, изготовленного методом WAAM- CMT, от расстояния от подложки 95
4.2.1 Изменение макроструктуры толстостенных образцов из сплава Al-5Si в
зависимости от расстояния от подложки 95
4.2.2 Изменение микроструктуры толстостенных образцов из сплава Al-5Si в
зависимости от расстояния от подложки 96
4.2.3 Изменение микротвердости толстостенных образцов из сплава Al-5Si в
зависимости от расстояния от подложки 99
4.2.4 Зависимость механических свойств толстостенных образцов из сплава
Al-5Si, вырезанных на различных расстояниях от подложки 101
4.3 Выводы по главе 4 103
ГЛАВА 5. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 110
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 111
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПАТЕНТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПАТЕНТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО 135
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПАТЕНТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО 138
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ПАТЕНТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО 141
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 144
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО
ПРОИЗВОДСТВА 14
1.1 Технологии аддитивного производства 15
1.1.1 Классификация технологий аддитивного производства 15
1.1.2 Преимущества проволочно-дугового аддитивного производства 16
1.1.3 Классификация технологий проволочно-дугового аддитивного
производства 19
1.2 Исследование процесса наплавки алюминиевых сплавов с использованием
проволочно-дуговой аддитивной технологии 24
1.2.1 Проволочно-дуговое аддитивное производство алюминиевых сплавов 24
1.2.2 Анализ процессов наплавки алюминиевых сплавов с использованием
проволочно-дуговой аддитивной технологии 26
1.3 Постановка цели и задач исследования 32
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЙ 34
2.1 Оборудование для изготовления алюминиевых сплавов 34
2.2 Подготовка образцов и испытательное оборудование 36
2.2.1 Обработка и подготовка образцов 37
2.2.2 Испытательное оборудование 38
2.3 Экспериментальные материалы и задание общих параметров 41
2.4 Выбор параметров режима WAAM-CMT 42
2.4.1 Скорость подачи проволоки 43
2.4.2 Скорость сварки 44
2.4.3 Наблюдение за переносом капель, настройка параметров при различных
режимах дуги 45
2.4.4 Параметры тепловложения 47
2.4.5 Параметры стратегии наплавки 48
2.4.6 Параметры высоты наплавляемого слоя 49
2.5 Подготовка и испытание образцов, изготовленных методом WAAM-CMT . 50
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ДУГИ, СКОРОСТИ ПОДАЧИ
ПРОВОЛОКИ И СКОРОСТИ СВАРКИ НА МАКРОСТРУКТУРУ,
МИКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА Al-5Mg,
ИЗГОТОВЛЕННОГО МЕТОДАМИ WAAM-CMT 55
3.1 Влияние режима дуги на макроструктуру, микроструктуру и механические свойства тонкостенных образцов из сплава Al-5Mg, изготовленного методом WAAM-CMT 55
3.1.1 Влияние режима дуги на макроструктуру тонкостенных образцов из
сплава Al-5Mg 55
3.1.2 Влияние режима дуги на микроструктуру тонкостенных образцов из
сплава Al-5Mg 57
3.1.3 Влияние режима дуги на размер зерен тонкостенных образцов из сплава
Al-5Mg в области границы между слоями и внутри слоя 59
3.1.4 Влияние режима дуги на микротвердость тонкостенных образцов из
сплава Al-5Mg 60
3.1.5 Влияние режима дуги на механические свойства тонкостенных образцов
из сплава Al-5Mg при растяжении 62
3.2 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на макроструктуру, микроструктуру и механические свойства толстостенных образцов из сплава Al-5Mg, изготовленных методом WAAM-CMT 64
3.2.1 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на
макроструктуру толстостенных образцов из сплава Al-5Mg 64
3.2.2 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на
микроструктуру толстостенных образцов из сплава Al-5Mg 66
3.2.3 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на размер зерен
толстостенных образцов из сплава Al-5Mg в области границы между слоями / области внутреннего слоя 68
3.2.4 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на
микротвердость толстостенных образцов из сплава Al-5Mg 70
3.2.5 Влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки на механические
свойства толстостенных образцов из сплава Al-5Mg при растяжении 72
3.3 Выводы по главе 3 75
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СТРАТЕГИЙ НАПЛАВКИ И ВЫСОТЫ НАПЛАВКИ
НА МАКРОСТРУКТУРУ, МИКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА Al-5Si, ИЗГОТОВЛЕННОГО МЕТОДОМ WAAM-
CMT 77
4.1 Влияние стратегий наплавки на макроструктуру, микроструктуру и механические свойства толстостенных образцов из сплава Al-5Si, изготовленных методом WAAM-CMT 78
4.1.1 Влияние стратегий наплавки на макроструктуру толстостенных образцов из сплава Al-5Si 78
4.1.2 Размеры наплавленных слоев, полученных с использованием трех
стратегий наплавки 79
4.1.3 Влияние стратегий наплавки на микроструктуру толстостенных
образцов из сплава Al-5Si 80
4.1.4 Влияние стратегий наплавки на размер зерен толстостенных образцов из
сплава Al-5Si 84
4.1.5 Влияние стратегий наплавки на микротвердость толстостенных
образцов из сплава Al-5Si 88
4.1.6 Влияние стратегий наплавки на механические свойства толстостенных
образцов из сплава Al-5Si при растяжении 90
4.2 Зависимость макроструктуры, микроструктуры и механических свойств толстостенных образцов из сплава Al-5Si, изготовленного методом WAAM- CMT, от расстояния от подложки 95
4.2.1 Изменение макроструктуры толстостенных образцов из сплава Al-5Si в
зависимости от расстояния от подложки 95
4.2.2 Изменение микроструктуры толстостенных образцов из сплава Al-5Si в
зависимости от расстояния от подложки 96
4.2.3 Изменение микротвердости толстостенных образцов из сплава Al-5Si в
зависимости от расстояния от подложки 99
4.2.4 Зависимость механических свойств толстостенных образцов из сплава
Al-5Si, вырезанных на различных расстояниях от подложки 101
4.3 Выводы по главе 4 103
ГЛАВА 5. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 110
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 111
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПАТЕНТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПАТЕНТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО 135
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ПАТЕНТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО 138
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ПАТЕНТНОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО 141
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 144
📖 Аннотация
В данной диссертационной работе проведено комплексное исследование микроструктуры и механических свойств сплавов Al-5Mg (аналог 5356) и Al-5Si (аналог 4043), полученных методом проволочно-дугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла (WAAM-CMT), при варьировании ключевых технологических параметров. Актуальность исследования обусловлена растущим применением этих сплавов в ответственных отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность и ядерная энергетика, где сочетание высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и радиационной стойкости является критически важным, а внедрение экономически эффективной аддитивной технологии WAAM-CMT открывает новые возможности для создания сложногабаритных деталей. В результате установлены количественные зависимости между параметрами процесса (режим дуги — CMT, CMT-P, CMT-ADV, скорость подачи проволоки и скорость сварки) и характеристиками образцов. Показано, что переход к режиму CMT-ADV, снижение скорости подачи проволоки и увеличение скорости сварки приводят к значительному уменьшению тепловложения (до 47,3%), что, в свою очередь, снижает ширину наплавки и колебания поверхности, одновременно повышая коэффициент использования материала до 87%. Микроструктурный анализ выявил формирование в сплаве Al-5Mg α-фазы (Al) и вторичной β-фазы (Al₃Mg₂), а также наличие двух характерных областей с разным размером зерна: границы между наплавленными слоями (ГМС) и области внутри слоя (ОВС), где размер зерна в ГМС на 22,17% меньше из-за более высокой скорости охлаждения. Научная значимость работы заключается в установлении фундаментальных взаимосвязей между термодинамическими условиями WAAM-CMT и эволюцией микроструктуры, внося вклад в физику конденсированного состояния и материаловедение аддитивно произведенных алюминиевых сплавов. Практическая ценность состоит в разработ
📖 Введение
Актуальность темы исследования. Сплав Al-5Mg (5356) относится к алюминиевым сплавам серии 5ххх. По сравнению со сплавами этой серии сплав Al- 5Mg имеет более высокую пластичность, меньшее содержание легирующих элементов и однофазную структуру. Сплавы серии 5xxx обладают хорошей стойкостью к механической и термической коррозии, сопротивлением радиационному распуханию, что делает его пригодным для конструкций и деталей корпусов ядерных реакторов. Сплав Al-5Si (4043) благодаря своей хорошей формуемости, высокой удельной прочности и отличной коррозионной стойкости широко используется в авиакосмической промышленности и автомобилестроении. С внедрением аддитивных технологий в производство эти два типа сплавов применяются в качестве объектов для исследований в области послойного аддитивного выращивания. Среди всех технологий получения алюминиевых сплавов, важную роль играет технология проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM) на основе холодного переноса металла (CMT) (WAAM- CMT). Технология WAAM-CMT - это аддитивная технология, которая позволяет изготавливать металлические детали сложной формы путем послойного нанесения материалов, используя дугу в качестве источника нагрева и металлическую проволоку в качестве присадочного материала. Данная технология имеет преимущества в виде высокой скорости наплавки, высокого коэффициента использования материала, относительно низкой стоимости производства и стоимости оборудования, высокой гибкости оборудования и масштабируемости. В связи с этим, актуальным является изучение особенностей процесса проволочнодугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла и получение стабильных параметров с целью ускорения промышленного внедрения данной технологии для производства аддитивных изделий из алюминиевых сплавов.
Степень научной разработанности проблемы. Технология аддитивного производства широко используется для изготовления металлических изделий с момента ее разработки в 1980-х годах. В частности, изделия из алюминиевых сплавов производятся с помощью лазерной и электронно-лучевой технологии аддитивного производства, при этом накоплен большой объем данных, доступный для изучения влияния параметров процесса на микроструктуру и свойства алюминиевых сплавов. Вместе с этим влияние параметров процесса WAAM-CMT на качество формообразования изделий из алюминиевых сплавов Al-5Mg и Al-5Si, изготовленных по этой технологии, исследовано недостаточно.
Цель и задачи. Целью данной работы является определение влияния параметров процесса (режим дуги, скорость подачи проволоки, скорость сварки, стратегия наплавки и высота наплавки) на структуру и механические свойства сплавов Al-5Mg и Al-5Si, полученных методом проволочно-дугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла.
Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1) Определить влияние различных режимов дуги (СМТ-ADV, СМТ, СМТ-P) на микроструктуру и механические свойства сплавов Al-5Mg, полученных методом WAAM-CMT.
2) Установить влияние величины тепловложения, зависящего от скорости подачи проволоки и скорости сварки, на микроструктуру и механические свойства изготовленных сплавов Al-5Mg.
3) Определить особенности влияния различных стратегий наплавки и высоты наплавки на изменение микроструктуры и механических свойств сплавов Al-5Si, полученных методом WAAM-CMT, и провести углубленные исследования механизма разрушения сплавов Al-5Si.
Научная новизна.
1) Впервые установлено влияние различных режимов дуги (CMT-P ^ CMT ^ CMT-ADV) на изменение микроструктуры и механических свойств сплавов Al- 5Mg, полученных методом WAAM-CMT. Обнаружено, что данная последовательность изменения режимов дуги соотвествует уменьшению величины тепловложения, что приводит к измельчению зерна и повышению прочности и твердости сплава.
2) Впервые определено влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки в процессе WAAM-CMT на величину тепловложения сплава как одного из ключевых факторов, вызывающих различия в структуре и механических свойствах сплава Al-5Mg.
3) Впервые показано, что в сплавах Al-5Si, полученных методом WAAM- CMT, варьирование стратегии наплавки и высоты наплавки изменяет скорость охлаждения сплавов в процессе производства. По результатам анализа определены значения скоростей охлаждения сплавов при различных стратегиях и высотах наплавки, а также установлено влияние различий в скоростях охлаждения на микроструктуру и механические свойства сплавов.
4) Установлено, что сплав Al-5Si, изготовленный методом WAAM-CMT, разрушается по смешанному механизму, включающему транскристаллитное и интеркристаллитное виды разрушения.
Теоретическая и практическая значимость работы.
- В работе получены экспериментальные данные по влиянию технологических параметров дугового аддитивного производства (режим дуги, екорость подачи проволоки, екорость сварки, стратегия наплавки и высота наплавки) на структуру, фазовый состав и механические свойства сплавов Al-5Mg и Al-5Si. Полученный результат способствует улучшению и обогащению технологической базы данных по дуговому аддитивному производству сплавов Al- Mg и Al-Si и внедрению данной технологи в промышленное изготовление деталей из алюминиевых сплавов.
- На основе работы был получен патент на изобретение «Синергетический метод и устройство для лазерно-дугового композитного аддитивного производства с использованием металлической проволоки и порошка металла» (патент № ZL202110633084.2), который успешно применяется для производства алюминиевых и титановых сплавов, нержавеющих сталей, сплавов на основе никеля и других изделий. Изобретение характеризуется возможностью реализации нескольких режимов аддитивного производства, таких как дуговое аддитивное производство, лазерное аддитивное производство, лазерно-дуговой композитный аддитивный метод и др., путем регулирования горения дуги, состояния лазерного источника тепла, а также управления подачей проволоки и металлического порошка, гибкой настройкой химического состава производимых сплавов. Внедрение данного устройства открывает новые возможности для композитного аддитивного производства лопаток турбин со сложной структурой, металлических топливных элементов, автомобильных кронштейнов и других деталей.
- Результатты работы внедрены в производственный цикл китайской компании «Wenzhou Jinghe Intelligent Manufacturing Science& Technology Co., Ltd.», что позволяет увеличивать выгоду от производства алюминиевых фланцев на 2 млн. рублей в год.
Методология и методы исследования. В диссертационной работе сплавы Al-5Mg и Al-5Si получены методом WAAM-CMT. Экспериментальные исследования проводились с использованием аналитического и испытательного оборудования кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева и Института лазерного и оптоэлектронного интеллектуального производства Университета Вэньчжоу (КНР). Анализ микротвердости проводился на микротвердомере HVS-1000Z. Макроскопическая структура образцов изучена и проанализирована с помощью 3D лазерного конфокального микроскопа OLS40-CB. Оптический микроскоп (LEICADM-2500M), сканирующий электронный микроскоп Phenom XL и оборудование для дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD / Oxford-Nordli-Max 3) использовались для наблюдения и анализа микроструктуры образцов, а также поверхности разрушения образцов при растяжении. Сканирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA применялся для анализа состава и микроструктуры образцов. Анализ и идентификацию фаз в сплавах и определение фазового состава проводили на рентгеновском дифрактометре Bruker D8 ADVANCE.
Положения, выносимые на защиту:
1. Технологические режимы, приводящие к существенному снижению тепловложения в наплавляемые слои сплава Al-5Mg: режим CMT-ADV способствует уменьшению тепловложения на 47,3 %, при уменьшении скорости подачи проволоки до 7,0 м/мин - на 12,3 %, а при увеличении скорости сварки до 0,9 м/мин - на 21,9 %, соответственно. Уменьшение тепловложения сплава Al-5Mg при изменении режимов наплавки способствует преобразованию крупных столбчатых зерен в измельченные равноосные зерна, и к увеличению микротвердости, предела прочности и предела текучести.
2. Траектория наплавки и высота наплавляемого металла при изготовлении сплава Al-5Si методом проволочно-дугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла влияет на величину скорости охлаждения и на качество поверхности. Стратегия «Линия 45°» приводит к получению образцов с наилучшим качеством поверхности.
3. Вне зависимости от режима наплавки аддитивный сплав Al-5Mg разрушается по вязкому механизму, а сплав Al-5Si - по смешанному типу - в области внутри слоя преобладает транскристаллитный механизм, в области на границе между слоями - интеркристаллитный механизм.
4. Все исследуемые режимы получения сплава Al-5Si приводят к рекристаллизации в процессе наплавки и формированию мелкозернистой равноосной структуры в областях на границе между слоями и, в основном столбчатых дендритных зерен в областях внутри слоев, направленных вдоль направления выращивания. C увеличением расстояния от подложки дендритная структура a-Al фазы постепенно превращается в сотоподобные зерна как внутри слоев, так и между ними.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, использованием апробированных методов, аппаратуры контроля материалов и методик исследования, применяемых в современном физическом материаловедении, большим объемом экспериментальных данных и результатов, полученных совместно с другими исследователями.
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: LXXI Молодежная научная конференция, посвященная 60-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, Самара, 2021; XXII Международная научно-практическая конференция «Проблемы прочности и пластичности материалов в условиях внешних энергетических воздействий - 2021», Новокузнецк, 2021; XXIII Международная научно-практическая конференция «Металлургия: технологии, инновации, качество», Новокузнецк, 2022; LXVII международная научно-практическая конференция «Технические науки: проблемы и решения», Москва, 2022; XLIX международная научно-практическая конференция «Advances in Science and Technology», Москва, 2022; III Международная научно-практическая конференция «Молодые исследователи за устойчивое развитие», Петрозаводск, 2022; Всероссийская научно-практическая конференция «Всероссийские научные чтения», Петрозаводск, 2022; XI Международной научно-технической конференции «Современные материалы техника и технология», Курск, 2022; XII Международный онлайн симпозиумa «Материалы во внешних полях (МВП-23)», Новокузнецк, 2023.
Публикации. Соискатель имеет 22 опубликованные работы по теме диссертации общим объёмом 10,44 печатных листов, из которых 2 работы, опубликованы в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ, в том числе 7, проиндексированных в международных базах цитирования Scopus, 9 в сборниках трудов международных научно-технических конференций. Получено 4 патента на изобретения. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора заключается в анализе литературных данных, планировании и проведении экспериментов, проведении испытаний механических свойств, подборе параметров процесса изготовления алюминиевых сплавоы с использованием метода WAAM-CMT, обработке и анализе экспериментальных данных, написании статей и тезисов, разработке основных выводов и положений, выносимых на защиту.
Соответствие диссертации специальности. Тема и содержание диссертационной работы соответствует научной специальности 1.3.8 Физика конденсированного состояния в части пунктов: 1. Экспериментальное изучение физической природы и свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и, в том числе, материалов световодов как в твердом (кристаллы, поликристаллы), так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления; 4. Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами; 6. Установление закономерностей влияния технологии получения и обработки материалов на их структуру, механические, химические и физические свойства, а также технологические свойства изделий, предназначенных для использования в различных областях промышленности и медицины.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 5 приложений. Полный объем диссертации составляет 144 страниц, включая 57 рисунков и 16 таблицы. Список литературы содержит 145 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Коновалову С.В., PhD, профессору Чень С., сотрудникам кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева: д.т.н., доценту Носовой Е.А., к.т.н., доценту Воронину С.В., к.т.н., доценту Мельникову А.А. и соавторам публикаций по теме диссертации.
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ,
ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Алюминий занимает третье место по содержанию в земной коре и существует в виде соединений с кислородом. Этот химический элемент обладает такими преимуществами, как малая плотность (плотность чистого алюминия 2,7 г/м3, что составляет одну треть плотности стали), хорошая эластичность [1-2], высокая удельная прочность [3-4] и хорошая коррозионная стойкость [5-8]. По сравнению с другими металлами, сплавы на основе алюминия имеют высокое отношение прочности к массе, поэтому широко используются при производстве деталей, требующих сверхпластичности, в авиационной, космической и судостроительной промышленности [9-10]. В то же время алюминиевые сплавы обычно легируются такими элементами, как медь, марганец, кремний, магний и цинк, для придания им специфических свойств, таких как высокая прочность, высокая пластичность, хорошая свариваемость и формуемость. Алюминиевые сплавы в зависимости от содержания в них данных элементов можно разделить на коммерческий чистый алюминий; алюминиево-медные сплавы с высокой прочностью, но плохой коррозионной стойкостью; алюминиево-марганцевые сплавы со средним уровнем прочности и хорошей формуемостью; алюминиево- кремниевые сплавы со средним уровнем прочности и хорошей текучестью; алюминиево-магниевые сплавы с хорошей коррозионной стойкостью; алюминиево-магниево-кремниевые сплавы для изготовления прессованных профилей и алюминиево-цинковые сплавы, используемые при изготовлении военных самолетов [11-13]. Многие традиционные технологии, такие как экструзия [14], прокатка [15], ковка [16-17], литье с перемешиванием [18-19], обработка трением с перемешиванием [20], могут быть использованы для изготовления продуктов из алюминиевых сплавов. С ростом сферы использования легких конструкций из алюминия аддитивное производство алюминиевых сплавов стало популярным направлением. Технология аддитивного производства [21], переживающая сегодня период быстрого развития, в частности аддитивное электродуговое выращивание [22], стала одной из наиболее важных технологий эффективного производства изделий из алюминиевых сплавов.
Степень научной разработанности проблемы. Технология аддитивного производства широко используется для изготовления металлических изделий с момента ее разработки в 1980-х годах. В частности, изделия из алюминиевых сплавов производятся с помощью лазерной и электронно-лучевой технологии аддитивного производства, при этом накоплен большой объем данных, доступный для изучения влияния параметров процесса на микроструктуру и свойства алюминиевых сплавов. Вместе с этим влияние параметров процесса WAAM-CMT на качество формообразования изделий из алюминиевых сплавов Al-5Mg и Al-5Si, изготовленных по этой технологии, исследовано недостаточно.
Цель и задачи. Целью данной работы является определение влияния параметров процесса (режим дуги, скорость подачи проволоки, скорость сварки, стратегия наплавки и высота наплавки) на структуру и механические свойства сплавов Al-5Mg и Al-5Si, полученных методом проволочно-дугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла.
Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1) Определить влияние различных режимов дуги (СМТ-ADV, СМТ, СМТ-P) на микроструктуру и механические свойства сплавов Al-5Mg, полученных методом WAAM-CMT.
2) Установить влияние величины тепловложения, зависящего от скорости подачи проволоки и скорости сварки, на микроструктуру и механические свойства изготовленных сплавов Al-5Mg.
3) Определить особенности влияния различных стратегий наплавки и высоты наплавки на изменение микроструктуры и механических свойств сплавов Al-5Si, полученных методом WAAM-CMT, и провести углубленные исследования механизма разрушения сплавов Al-5Si.
Научная новизна.
1) Впервые установлено влияние различных режимов дуги (CMT-P ^ CMT ^ CMT-ADV) на изменение микроструктуры и механических свойств сплавов Al- 5Mg, полученных методом WAAM-CMT. Обнаружено, что данная последовательность изменения режимов дуги соотвествует уменьшению величины тепловложения, что приводит к измельчению зерна и повышению прочности и твердости сплава.
2) Впервые определено влияние скорости подачи проволоки и скорости сварки в процессе WAAM-CMT на величину тепловложения сплава как одного из ключевых факторов, вызывающих различия в структуре и механических свойствах сплава Al-5Mg.
3) Впервые показано, что в сплавах Al-5Si, полученных методом WAAM- CMT, варьирование стратегии наплавки и высоты наплавки изменяет скорость охлаждения сплавов в процессе производства. По результатам анализа определены значения скоростей охлаждения сплавов при различных стратегиях и высотах наплавки, а также установлено влияние различий в скоростях охлаждения на микроструктуру и механические свойства сплавов.
4) Установлено, что сплав Al-5Si, изготовленный методом WAAM-CMT, разрушается по смешанному механизму, включающему транскристаллитное и интеркристаллитное виды разрушения.
Теоретическая и практическая значимость работы.
- В работе получены экспериментальные данные по влиянию технологических параметров дугового аддитивного производства (режим дуги, екорость подачи проволоки, екорость сварки, стратегия наплавки и высота наплавки) на структуру, фазовый состав и механические свойства сплавов Al-5Mg и Al-5Si. Полученный результат способствует улучшению и обогащению технологической базы данных по дуговому аддитивному производству сплавов Al- Mg и Al-Si и внедрению данной технологи в промышленное изготовление деталей из алюминиевых сплавов.
- На основе работы был получен патент на изобретение «Синергетический метод и устройство для лазерно-дугового композитного аддитивного производства с использованием металлической проволоки и порошка металла» (патент № ZL202110633084.2), который успешно применяется для производства алюминиевых и титановых сплавов, нержавеющих сталей, сплавов на основе никеля и других изделий. Изобретение характеризуется возможностью реализации нескольких режимов аддитивного производства, таких как дуговое аддитивное производство, лазерное аддитивное производство, лазерно-дуговой композитный аддитивный метод и др., путем регулирования горения дуги, состояния лазерного источника тепла, а также управления подачей проволоки и металлического порошка, гибкой настройкой химического состава производимых сплавов. Внедрение данного устройства открывает новые возможности для композитного аддитивного производства лопаток турбин со сложной структурой, металлических топливных элементов, автомобильных кронштейнов и других деталей.
- Результатты работы внедрены в производственный цикл китайской компании «Wenzhou Jinghe Intelligent Manufacturing Science& Technology Co., Ltd.», что позволяет увеличивать выгоду от производства алюминиевых фланцев на 2 млн. рублей в год.
Методология и методы исследования. В диссертационной работе сплавы Al-5Mg и Al-5Si получены методом WAAM-CMT. Экспериментальные исследования проводились с использованием аналитического и испытательного оборудования кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева и Института лазерного и оптоэлектронного интеллектуального производства Университета Вэньчжоу (КНР). Анализ микротвердости проводился на микротвердомере HVS-1000Z. Макроскопическая структура образцов изучена и проанализирована с помощью 3D лазерного конфокального микроскопа OLS40-CB. Оптический микроскоп (LEICADM-2500M), сканирующий электронный микроскоп Phenom XL и оборудование для дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD / Oxford-Nordli-Max 3) использовались для наблюдения и анализа микроструктуры образцов, а также поверхности разрушения образцов при растяжении. Сканирующий электронный микроскоп TESCAN VEGA применялся для анализа состава и микроструктуры образцов. Анализ и идентификацию фаз в сплавах и определение фазового состава проводили на рентгеновском дифрактометре Bruker D8 ADVANCE.
Положения, выносимые на защиту:
1. Технологические режимы, приводящие к существенному снижению тепловложения в наплавляемые слои сплава Al-5Mg: режим CMT-ADV способствует уменьшению тепловложения на 47,3 %, при уменьшении скорости подачи проволоки до 7,0 м/мин - на 12,3 %, а при увеличении скорости сварки до 0,9 м/мин - на 21,9 %, соответственно. Уменьшение тепловложения сплава Al-5Mg при изменении режимов наплавки способствует преобразованию крупных столбчатых зерен в измельченные равноосные зерна, и к увеличению микротвердости, предела прочности и предела текучести.
2. Траектория наплавки и высота наплавляемого металла при изготовлении сплава Al-5Si методом проволочно-дугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла влияет на величину скорости охлаждения и на качество поверхности. Стратегия «Линия 45°» приводит к получению образцов с наилучшим качеством поверхности.
3. Вне зависимости от режима наплавки аддитивный сплав Al-5Mg разрушается по вязкому механизму, а сплав Al-5Si - по смешанному типу - в области внутри слоя преобладает транскристаллитный механизм, в области на границе между слоями - интеркристаллитный механизм.
4. Все исследуемые режимы получения сплава Al-5Si приводят к рекристаллизации в процессе наплавки и формированию мелкозернистой равноосной структуры в областях на границе между слоями и, в основном столбчатых дендритных зерен в областях внутри слоев, направленных вдоль направления выращивания. C увеличением расстояния от подложки дендритная структура a-Al фазы постепенно превращается в сотоподобные зерна как внутри слоев, так и между ними.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов работы определяется корректностью поставленных задач, использованием апробированных методов, аппаратуры контроля материалов и методик исследования, применяемых в современном физическом материаловедении, большим объемом экспериментальных данных и результатов, полученных совместно с другими исследователями.
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: LXXI Молодежная научная конференция, посвященная 60-летию полета в космос Ю.А. Гагарина, Самара, 2021; XXII Международная научно-практическая конференция «Проблемы прочности и пластичности материалов в условиях внешних энергетических воздействий - 2021», Новокузнецк, 2021; XXIII Международная научно-практическая конференция «Металлургия: технологии, инновации, качество», Новокузнецк, 2022; LXVII международная научно-практическая конференция «Технические науки: проблемы и решения», Москва, 2022; XLIX международная научно-практическая конференция «Advances in Science and Technology», Москва, 2022; III Международная научно-практическая конференция «Молодые исследователи за устойчивое развитие», Петрозаводск, 2022; Всероссийская научно-практическая конференция «Всероссийские научные чтения», Петрозаводск, 2022; XI Международной научно-технической конференции «Современные материалы техника и технология», Курск, 2022; XII Международный онлайн симпозиумa «Материалы во внешних полях (МВП-23)», Новокузнецк, 2023.
Публикации. Соискатель имеет 22 опубликованные работы по теме диссертации общим объёмом 10,44 печатных листов, из которых 2 работы, опубликованы в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ, в том числе 7, проиндексированных в международных базах цитирования Scopus, 9 в сборниках трудов международных научно-технических конференций. Получено 4 патента на изобретения. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора заключается в анализе литературных данных, планировании и проведении экспериментов, проведении испытаний механических свойств, подборе параметров процесса изготовления алюминиевых сплавоы с использованием метода WAAM-CMT, обработке и анализе экспериментальных данных, написании статей и тезисов, разработке основных выводов и положений, выносимых на защиту.
Соответствие диссертации специальности. Тема и содержание диссертационной работы соответствует научной специальности 1.3.8 Физика конденсированного состояния в части пунктов: 1. Экспериментальное изучение физической природы и свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений, диэлектриков и, в том числе, материалов световодов как в твердом (кристаллы, поликристаллы), так и в аморфном состоянии в зависимости от их химического, изотопного состава, температуры и давления; 4. Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами; 6. Установление закономерностей влияния технологии получения и обработки материалов на их структуру, механические, химические и физические свойства, а также технологические свойства изделий, предназначенных для использования в различных областях промышленности и медицины.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 5 приложений. Полный объем диссертации составляет 144 страниц, включая 57 рисунков и 16 таблицы. Список литературы содержит 145 наименований.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н. профессору Коновалову С.В., PhD, профессору Чень С., сотрудникам кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева: д.т.н., доценту Носовой Е.А., к.т.н., доценту Воронину С.В., к.т.н., доценту Мельникову А.А. и соавторам публикаций по теме диссертации.
ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ,
ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДАМИ ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Алюминий занимает третье место по содержанию в земной коре и существует в виде соединений с кислородом. Этот химический элемент обладает такими преимуществами, как малая плотность (плотность чистого алюминия 2,7 г/м3, что составляет одну треть плотности стали), хорошая эластичность [1-2], высокая удельная прочность [3-4] и хорошая коррозионная стойкость [5-8]. По сравнению с другими металлами, сплавы на основе алюминия имеют высокое отношение прочности к массе, поэтому широко используются при производстве деталей, требующих сверхпластичности, в авиационной, космической и судостроительной промышленности [9-10]. В то же время алюминиевые сплавы обычно легируются такими элементами, как медь, марганец, кремний, магний и цинк, для придания им специфических свойств, таких как высокая прочность, высокая пластичность, хорошая свариваемость и формуемость. Алюминиевые сплавы в зависимости от содержания в них данных элементов можно разделить на коммерческий чистый алюминий; алюминиево-медные сплавы с высокой прочностью, но плохой коррозионной стойкостью; алюминиево-марганцевые сплавы со средним уровнем прочности и хорошей формуемостью; алюминиево- кремниевые сплавы со средним уровнем прочности и хорошей текучестью; алюминиево-магниевые сплавы с хорошей коррозионной стойкостью; алюминиево-магниево-кремниевые сплавы для изготовления прессованных профилей и алюминиево-цинковые сплавы, используемые при изготовлении военных самолетов [11-13]. Многие традиционные технологии, такие как экструзия [14], прокатка [15], ковка [16-17], литье с перемешиванием [18-19], обработка трением с перемешиванием [20], могут быть использованы для изготовления продуктов из алюминиевых сплавов. С ростом сферы использования легких конструкций из алюминия аддитивное производство алюминиевых сплавов стало популярным направлением. Технология аддитивного производства [21], переживающая сегодня период быстрого развития, в частности аддитивное электродуговое выращивание [22], стала одной из наиболее важных технологий эффективного производства изделий из алюминиевых сплавов.
✅ Заключение
В ходе исследования с использованием методов физики конденсированного состояния установлено влияние различных процессов наплавки (режим дуги, скорость подачи проволоки (Jnn), скорость сварки (Jc) , стратегия наплавки, высота наплавки) на структуру и механические свойства сплавов Al-5Mg и Al-5Si, изготовленных методом проволочно-дугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла. На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы:
1. Установлено, что величина тепловложения в наплавляемые слои сплава Al- 5Mg уменьшается в следующих случаях: при переходе от режимов CMT-P, CMT к CMT-ADV на 47,3 %, при уменьшении скорости подачи проволоки с 8,0 до 7,0 м/мин на 12,3 % и увеличении скорости сварки с 0,7 до 0,9 м/мин на 21,9 %. Это приводит к уменьшению расчетной ширины образца на 5,1 мм (при уменьшении скорости подачи проволоки), расчетный максимальный размер колебаний поверхности образца уменьшается на 1,27 мм (при увеличении скорости сварки), а также повышает коэффициент использования материала до 87 % (в режиме CMT- ADV).
2. Микроструктурный анализ сплава Al-5Mg показал, что независимо от режима дуги, а также Jnn и Jc, в сплаве Al-5Mg образуется a-фаза (Al) и вторичная 0-фаза (AhMgz). В связи с термическим воздействием дуги в сплаве образуются 2 характерные области: граница между наплавленными слоями (ГМС) и область внутри слоя (ОВС). Размер зерна в ГМС меньше, чем в ОВС на 22,17%, что связано с более высокой скорости охлаждения ГМС под тепловым воздействием дуги. В области ГМС присутствуют дефекты: размеры пор обычно составляют менее 33,535 мкм, а длина трещин достигает 696,154 мкм.
3. Показано, что механические свойства сплава Al-5Mg незначительно увеличиваются при смене режимов наплавки от CMT-P, CMT к CMT-ADV: предел прочности увеличивается на 12,6 МПа, предел текучести — на 13,7 МПа, а микротвердость - на 5,6 HV, что обусловлено снижением величины тепловложения на и уменьшением размера зерен в ГМС с 58,1 - 103,9 до 31,4 - 89,4 мкм, а в OBC с 83,8 - 115,1 до 59,9 - 106,9 мкм.
4. Установлено, что при увеличении скорости аддитивной наплавки с 0,7 до 0,9 м/мин или уменьшении скорости подачи проволоки с 8,0 до 7,0 м/мин при аддитивном производстве сплава Al-5Mg тепловложение снижается с 242 Дж/мм до 142 Дж/мм. Это приводит к уменьшению размеров зерен сплава в ГМС с 50,2 -
102,5 до 37,7 - 77,6 мкм, а в OBC: с 59,1 - 119,5 до 42,9 - 88,7 мкм, что, в свою очередь, приводит к увеличению микротвердости на 6 HV, увеличению предела прочности на 4 % и увеличению предела текучести на 17,6 %.
5. Выявлено влияние стратегии наплавки и высоты наплавляемой заготовки при производстве сплава Al-5Si методом WAAM-CMT на величину скорости охлаждения. При стратегиях наплавки Линия 45°, СЛ 90° и Линия 90° скорости охлаждения составляют 179,37 К/с; 161,55 К/с; 69,92 К/с, соответственно. Установлено, что скорость охлаждения увеличивается с 211,36 до 242,6 К/с при переходе от нижней области к верхней.
6. В результате анализа микроструктуры сплава Al-5Si установлено наличие фаз a-Al, Si и AkSi независимо от режима дуги и параметров наплавки. Фаза a-Al изменяет дендритную морфологию на сотовые зерна с удалением от подложки. Эвтектическая Si-фаза увеличивается и формирует сферические или квадратные образования по границам зерен.
7. Показано, что из трех стратегий наплавки, Al-5Si сплав, обработанный по стратегии Линия 45°, демонстрирует минимальный размер зерен (43 мкм), а также максимальные значения предела прочности (228,2 ± 1,4 МПа) и предела текучести (143,3 ± 7 МПа). В верхней области образца наблюдается увеличение предела прочности на 6,6 МПа и предела текучести на 3,5 МПа по сравнению с нижней областью, что обусловлено более высокой скоростью охлаждения и меньшим размером зерна.
8. С помощью фрактографии поверхности излома установлено, что, вне зависимости от режима наплавки, сплав Al-5Mg характеризуется вязким механизмом разрушения, а сплав Al-5Si разрушается по смешанному типу: транскристаллитное разрушение преобладает в ОВС, а интеркристаллитное - в ГМС.
9. Научно-технологические результаты диссертационной работы по разработке процессов проволочно-дугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла для получения изделий из алюминиевых сплавов были апробированы и использованы на производственных предприятиях Китайской Народной Республики.
1. Установлено, что величина тепловложения в наплавляемые слои сплава Al- 5Mg уменьшается в следующих случаях: при переходе от режимов CMT-P, CMT к CMT-ADV на 47,3 %, при уменьшении скорости подачи проволоки с 8,0 до 7,0 м/мин на 12,3 % и увеличении скорости сварки с 0,7 до 0,9 м/мин на 21,9 %. Это приводит к уменьшению расчетной ширины образца на 5,1 мм (при уменьшении скорости подачи проволоки), расчетный максимальный размер колебаний поверхности образца уменьшается на 1,27 мм (при увеличении скорости сварки), а также повышает коэффициент использования материала до 87 % (в режиме CMT- ADV).
2. Микроструктурный анализ сплава Al-5Mg показал, что независимо от режима дуги, а также Jnn и Jc, в сплаве Al-5Mg образуется a-фаза (Al) и вторичная 0-фаза (AhMgz). В связи с термическим воздействием дуги в сплаве образуются 2 характерные области: граница между наплавленными слоями (ГМС) и область внутри слоя (ОВС). Размер зерна в ГМС меньше, чем в ОВС на 22,17%, что связано с более высокой скорости охлаждения ГМС под тепловым воздействием дуги. В области ГМС присутствуют дефекты: размеры пор обычно составляют менее 33,535 мкм, а длина трещин достигает 696,154 мкм.
3. Показано, что механические свойства сплава Al-5Mg незначительно увеличиваются при смене режимов наплавки от CMT-P, CMT к CMT-ADV: предел прочности увеличивается на 12,6 МПа, предел текучести — на 13,7 МПа, а микротвердость - на 5,6 HV, что обусловлено снижением величины тепловложения на и уменьшением размера зерен в ГМС с 58,1 - 103,9 до 31,4 - 89,4 мкм, а в OBC с 83,8 - 115,1 до 59,9 - 106,9 мкм.
4. Установлено, что при увеличении скорости аддитивной наплавки с 0,7 до 0,9 м/мин или уменьшении скорости подачи проволоки с 8,0 до 7,0 м/мин при аддитивном производстве сплава Al-5Mg тепловложение снижается с 242 Дж/мм до 142 Дж/мм. Это приводит к уменьшению размеров зерен сплава в ГМС с 50,2 -
102,5 до 37,7 - 77,6 мкм, а в OBC: с 59,1 - 119,5 до 42,9 - 88,7 мкм, что, в свою очередь, приводит к увеличению микротвердости на 6 HV, увеличению предела прочности на 4 % и увеличению предела текучести на 17,6 %.
5. Выявлено влияние стратегии наплавки и высоты наплавляемой заготовки при производстве сплава Al-5Si методом WAAM-CMT на величину скорости охлаждения. При стратегиях наплавки Линия 45°, СЛ 90° и Линия 90° скорости охлаждения составляют 179,37 К/с; 161,55 К/с; 69,92 К/с, соответственно. Установлено, что скорость охлаждения увеличивается с 211,36 до 242,6 К/с при переходе от нижней области к верхней.
6. В результате анализа микроструктуры сплава Al-5Si установлено наличие фаз a-Al, Si и AkSi независимо от режима дуги и параметров наплавки. Фаза a-Al изменяет дендритную морфологию на сотовые зерна с удалением от подложки. Эвтектическая Si-фаза увеличивается и формирует сферические или квадратные образования по границам зерен.
7. Показано, что из трех стратегий наплавки, Al-5Si сплав, обработанный по стратегии Линия 45°, демонстрирует минимальный размер зерен (43 мкм), а также максимальные значения предела прочности (228,2 ± 1,4 МПа) и предела текучести (143,3 ± 7 МПа). В верхней области образца наблюдается увеличение предела прочности на 6,6 МПа и предела текучести на 3,5 МПа по сравнению с нижней областью, что обусловлено более высокой скоростью охлаждения и меньшим размером зерна.
8. С помощью фрактографии поверхности излома установлено, что, вне зависимости от режима наплавки, сплав Al-5Mg характеризуется вязким механизмом разрушения, а сплав Al-5Si разрушается по смешанному типу: транскристаллитное разрушение преобладает в ОВС, а интеркристаллитное - в ГМС.
9. Научно-технологические результаты диссертационной работы по разработке процессов проволочно-дугового аддитивного производства на основе холодного переноса металла для получения изделий из алюминиевых сплавов были апробированы и использованы на производственных предприятиях Китайской Народной Республики.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.