Управление микроструктурой, прочностью, остаточными напряжениями и искажениями геометрии при гибридном аддитивном производстве

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 21-19-00715

НазваниеУправление микроструктурой, прочностью, остаточными напряжениями и искажениями геометрии при гибридном аддитивном производстве

Руководитель Трушников Дмитрий Николаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" , Пермский край

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова гибридные аддитивные технологии, формирование зеренной и фазовой микроструктур, послойная наплавка с проковкой, прочностные характеристики материала, металлические сплавы, математическая модель, удар, пластичность

Код ГРНТИ30.19.57

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на построение, численную реализацию и экспериментальную верификацию математической модели трансформации микроструктуры, собственных напряжений и деформаций при производстве легких прочных конструкций из алюминиевых и титановых сплавов технологией последовательного послойного наращивания наплавлением и интенсивным деформационным воздействием, сопровождающимся пластическими деформациями. Речь, в частности, идет о производстве сегментированных элементов авиационных фюзеляжей наращиванием переборок на плите как основании.Применение гибридного аддитивного процесса с проволочной наплавкой для изготовления крупногабаритных металлических изделий приводит к появлению новых, в сравнении с уже распространенными аддитивными технологиями. Большой объем наплавляемого металла приводит к значительным формируемым напряжениям и деформациям наращиваемого изделия. Это приводит к неоправданному увеличению планируемых припусков на механическую обработку. Кроме того, уровень накапливаемых растягивающих напряжений может зачастую приводит к разрушению образца непосредственно в процессе наплавки. Традиционная термообработка не решает проблему, так как в описанной ситуации требуется ее многократное применение в ходе выращивания, что значительно удорожает процесс и снижает его производительность. Необходимо искать альтернативные подходы. Соответствующая технология разрабатывается настоящим коллективом с применением прогрессивных и экономичных процессов наплавления концентрированными источниками энергии и проволоки в качестве наплавляемого материала.Будет использоваться созданный опытный образец автоматизированной установки гибридного аддитивного производства, сочетающий возможность плазменной наплавки, послойной проковки и окончательной обработки заготовки на базе металлообрабатывающего центра. Потенциальные потребители технологии (авиастроительная, аэрокосмическая, судостроительная и транспортная отрасли) выдвигают высокие требования к прочностным характеристикам изделий, получаемых послойным наращиванием. Материалам, синтезированным с применением аддитивных технологий, присущ ряд структурных и технологических особенностей (дендритная структура и пористость), снижающих их прочностные характеристики (статический предел прочности, ресурс пластичности, вязкость разрушения, ударную вязкость, ресурсы по малоцикловой и многоцикловой усталости). Непредсказуемость характеристик прочности вследствие неоднородности микроструктуры металла лимитирует применение изделий, полученных аддитивным производством. Наращиваемые изделия приобретают макроскопические остаточные деформации, неприемлемо искажающие их конфигурацию.Проковка или раскатка наплавляемых слоев, выполняемая с целью устранения коробления наращиваемых изделий, показывает существенное улучшение микроструктуры и прочностных свойств синтезируемого материала. Поэтому для разработки технологии проводится комплексное экспериментальное и теоретическое исследование процессов изменения микроструктуры, собственных напряжений и деформаций и прочности изделий, получаемых послойной наплавкой и проковкой. Для понимания и прогнозирования процессов трансформации микроструктуры материала при послойной обработке давлением наплавленных слоев требуется формулировка, численная реализация и экспериментальная верификация соответствующей математической модели. Математическое моделирование эволюции микроструктуры металлических сплавов при различных термомеханических воздействиях остается одним из самых сложных вопросов на стыке механики материалов, пластичности металлов и металловедения, что подчеркивает новизну и фундаментальный характер планируемых результатов. Для решения поставленных задач будет использован аппарат механики и термодинамики сплошных сред и некоторых частных ее разделов (механика растущих тел, механика конфигурационных сил, механика хрупкого и вязкого разрушения,определяющие соотношения пластичности с внутренними переменными). Будут исследованы модельные задачи, с помощью которых найдены режимы, формирования оптимальной по прочностным характеристикам микроструктуры и распределений остаточных деформаций и напряжений, исключающих коробление модельного изделия. Будет экспериментально исследовано влияние на образующуюся микроструктуру, остаточные напряжения и характеристики прочности параметров периодически повторяющегося ударного воздействия в широком диапазоне их изменения (от статического до ультразвукового). Обнаруженные качественные эффекты должны быть подтверждены математической моделью и объяснены их механизмы. Состояние материала в наплавленном слое предполагается определять экспериментально или численно с использованием математической модели процессов тепломассопереноса при наплавке проволочных материалов (построенной в рамках завершенного проекта ФЦП БРИКС) и учитывать через начальные условия задачи термомеханики деформируемого твердого тела с внутренними переменными. Тепловая модель также будет использоваться для предсказания глубины на которой будет происходить перекристаллизация прокованного слоя при наложении поверх него наплавленного валика. Для реализации проекта собран коллектив, состоящий из специалистов в области механики деформируемого твердого тела, моделей пластичности с учетом изменяющихся микроструктур, численного решения динамических задач пластичности, гибридного аддитивного производства, эксперимента в области прочности и металлографии, обработки эксперимента. Планируемые результаты проекта предполагают непосредственное практическое использование для проведения многовариантных численных расчетов оптимальных режимов технологических процессов производства реальных изделий с точки зрения прочности и точности их изготовления. Планируемая в качестве основного результата проекта математическая модель должна выступать в качестве инструмента для рационализации рассматриваемой перспективной технологии малоотходного производства легких прочных конструкций, работающих в условиях экстремальных и длительных механических и тепловых воздействий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Щицын Ю.Д., Карташев М.Л., Кривоносова Е.А., Ольшанская Т.В., Трушников Д.Н. FORMATION OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE TWO-PHASE TI-6AL-4V ALLOY DURING CMT ADDITIVE DEPOSITION WITH INTERPASS FORGING. Materials, 2021, Vol.14, iss. 16. 4415., Materials, 2021, Vol14, iss. 16. Materials (Basel) . 2021 Aug 6;14(16):4415. (год публикации - 2021)
10.3390/ma14164415

2. Ю.Д.Щицын, Е.А.Кривоносова, Т.В.Ольшанская, Р.Г.Никулин Application of plasma surfacing for additive manufacturing of magnesium alloy workpieces Tsvetnye Metally, 2021, №6, с.68-74 (год публикации - 2021)
10.17580/tsm.2021.06.10

3. Келлер И.Э., Казанцев А.В., Дудин Д.С., Пермяков Г.Л., Карташев М.Ф. Искажение формы, локализация пластической деформации и распределение остаточных напряжений при односторонней проковке/обкатке бруса. Применение результатов к аддитивному производству шпангоута с послойной обработкой давлением Вычислительная механика сплошных сред (год публикации - 2021)
10.7242/1999-6691/2021.14.4.36

4. Ольшанская Т.,Трушников Д., Душина А., Поляков А., Ганеев А., Семенова И. Microstructure and properties of the 308lsi austenitic steel produced by plasma-mig deposition welding with layer-by-layer peening METALS, METALS, Vol. 12, N1, 2022 (год публикации - 2022)
10.3390/met12010082

5. Келлер И.Э., Казанцев А.В., Дудин Д.С., Пермяков Г.Л., Трушников Д.Н. Моделирование распределения остаточной пористости металлического изделия при аддитивном производстве с послойной проковкой ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ, т. 84, № 2, 2022, с.247-258 (год публикации - 2022)
10.32326/1814-9146-2022-84-2-247-258

6. Т.В.Ольшанская, А.Ю.Душина, Д.Н.Трушников Research of the technological methods influence on the formation of structure and properties during the additive growth of products from nickel chromium steels of the austenitic class by plasma-jet hard facing methods Journal of Physics: Conference Series, 2022 J. Phys.: Conf. Ser. 2275 012003, 13 p.p. (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2275/1/012003

7. Е. А. Кривоносова, Т. В. Ольшанская, С. Н. Акулова, А. В. Мышкина, Е. С. Саломатова Influence of the parameters of the heat treatment mode on the structure formation and properties of the welded material for the alloy Ti-6Al-4V Journal of Physics: Conference Series, 2022 J. Phys.: Conf. Ser. 2275 012010 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2275/1/012010

8. Трушников Д.Н., Симонов М.Ю., Щицын Ю.Д., Кривоносова Е.А., Пермяков Г.Л., Неулыбин С.Д., Шайманов Г., Карташев М.Ф. Использование СMT- наплавки для аддитивного формирования заготовок из высоколегированной стали Ч1. Металлург, 2023 N2 Металлург, Металлург, 2023, N2 (год публикации - 2023)
10.52351/00260827_2023_02_38

9. Баяндин Ю.В., Дудин Д.С., Ильиных А.В., Пермяков Г.Л., Чудинов В.В., Келлер И.Э., Трушников Д.Н. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ РЯДА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ, СОЗДАННЫХ ПРОВОЛОЧНО-ДУГОВОЙ НАПЛАВКОЙ, В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ СКОРОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, 2023. № 1. С. 33–45. (год публикации - 2023)
10.15593/perm.mech/2023.1.04

10. Дудин Д.С., Келлер И.Э., Пермяков Г.Л., Трушников Д.Н. Modeling residual stresses and distortions of the wall on a substrate built by wire-arc additive manufacturing Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, 2024, Vol. 17, No. 1, принято в печать, Modeling residual stresses and distortions of the wall on a substrate built by wire-arc additive manufacturing // (год публикации - 2024)

11. Н.К. Салихова , Д.С. Дудин , И.Э. Келлер , А.А. Осколков , А.В. Казанцев , Д.Н. Трушников Моделирование рекристаллизации сплава АМг6 в прокованном слое при наплавке материала в процессе гибридного аддитивного производства ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА СПЛОШНЫХ СРЕД, Т. 15, № 2. 2022. С. 234-246 (год публикации - 2022)
10.7242/1999-6691/2022.15.2.18

12. Симонов М.Ю., Трушников Д.Н., Щицын Ю.Д., Кривоносова Е.А., Неулыбин С.Д., Шайманов Г.С., Артемов А.О., Карташев М.Ф Структура, характеристики механических свойств и особенности микромеханизма роста трещин мартенситностареющей стали, полученной гибридной аддитивной СMT- наплавкой. Металловедение и термическая обработка металлов (год публикации - 2024)

Публикации