Исследование закономерностей влияния интенсивных импульсных электронных пучков и азотирования на формирование повышенных свойств деформируемых алюминиевых сплавов, получаемых проволочно-дуговым аддитивным производством

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 22-79-10245

НазваниеИсследование закономерностей влияния интенсивных импульсных электронных пучков и азотирования на формирование повышенных свойств деформируемых алюминиевых сплавов, получаемых проволочно-дуговым аддитивным производством

Руководитель Панченко Ирина Алексеевна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет" , Кемеровская обл (Кузбасс)

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; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова аддитивные технологии, электронно-пучковая обработка, азотирование, свойства, структура, дислокационная субструктура

Код ГРНТИ53.49.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен решению актуальной и научно-значимой задачи повышения свойств металлических изделий, получаемых методом проволочно-дугового аддитивного производства. Проблема наличия пористости и неоднородности свойств металлических материалов, получаемых методами аддитивных технологий, затрудняет ее внедрение в существующие технологические циклы металлургических производств. В связи с этим, проект направлен на исследование методами современного физического материаловедения металлических материалов, получаемых проволочно-дуговым аддитивным производством и подвергнутых воздействию интенсивных импульсных электронных пучком и азотированию, проводимых для получения повышенных свойств. Для этого образцы из алюминиевого сплава 7075 (или его аналога), интенсивно используемых в самолетостроении, полученных проволочно-дуговым аддитивным производством, будут подвергнуты высокоинтенсивной электронно-пучковой модификации поверхности с последующим азотированием. Будут установлены режимы комбинированного воздействия, приводящие к наилучшим свойствам изделий, приближенным, или превосходящим материалы, получаемые методами традиционных технологий. На основании комплексных исследований структуры и механических свойств после энергетического воздействия будут установлены физические механизмы, обоснован выбор режимов электронно-пучкового воздействия и азотирования. Будут разработаны физико-технические основы воздействия электронно-пучковой обработки и азотирования в различных режимах и изучено воздействия тепловых и механических полей на формирование градиентных структурно-фазовых состояний и наноразмерных фаз. Выполнение проекта позволит получить приоритетные результаты в области получения металлических материалов, обладающих свойствами, приближенными или превосходящими свойства изделий, получаемых традиционными технологиями. Новизна проекта заключается в получении новых результатов об эволюции структуры и свойств полученных аддитивными методами материалов при энергетическом воздействии на их поверхность. Исследования структуры, фазового и химического состава материалов после энергетической обработки будут проведены методами рентгеновской дифракции, оптической, просвечивающей и сканирующей электронной дифракционной микроскопии. Будут исследованы прочностные свойства, определены значения микро- и нанотвердости, модуль Юнга, коэффициент трения, а также другие свойства.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лабунский Д.Н., Панченко И.А., Коновалов С.В., Дробышев В.К., Бессонов Д.А. Исследование структуры и свойств алюминиевого сплава 7075, полученного проволочно-дуговым аддитивным способом Ползуновский вестник (год публикации - 2023)

2. Панченко И.А., Лабунский Д.Н., Коновалов С.В., Дробышев В.К. Исследование структуры и свойств алюминиевого сплава марки 7075 Техническая акустика: разработки, проблемы, перспективы: материалы IV международной научной конференции, Витебск, 29-31 марта 2023 г./ под. ред. Рубаника В.В. – Минск : ИВЦ Минфина, С.65-66 (год публикации - 2023)

3. Дробышев В.К., Михно А.Р., Панченко И.А., Лабунский Д.Н. Исследование сплава AL7075 после дуговой наплавки Металлургия : технологии, инновации, качество : труды XXIII Международной научно-практической конференции / под общ. ред. А.Б. Юрьева, Сиб. гос. индустр. ун-т. – Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, Часть 2. С.158-162 (год публикации - 2022)

4. Дробышев В.К., Лабунский Д.Н., Панченко И.А., Коновалов С.В. Исследование микроструктуры и микротвердости Al-Zn-Mg-Cu сплава, полученного аддитивным способом Материалы во внешних полях : труды XII Международного онлайн-симпозиума / под ред. В.Е. Громова, Сибирский государственный индустриальный университет. – Новокузнецк : Издательский центр СибГИУ, С.76-77 (год публикации - 2023)

5. Дробышев В.К., Панченко И.А., Коновалов С.В., Лабунский Д.Н., Бессонов Д.А. Исследование усталостных и микроструктурных изменений Al 7075, полученного аддитивным способом Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии / Тезисы докладов Международной конференции. Томск, 2023 Издательство: ИФПМ СО РАН, С.428 (год публикации - 2023)

6. Лабунский Д.Н., Панченко И.А., Иванов Ю.Ф., Михно А.Р., Коновалов С.В. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру алюминиевого сплава 7075, полученного проволочно-дуговым аддитивным производством Материалы международной конференции «Oптические и фотоэлектрические явления в полупроводниковых микро- и наноструктурах». Фергана, С.125-126 (год публикации - 2023)

7. Панченко И.А., Гадала С., Лабунский Д.Н., Коновалов С.В. Microstructural evolution and the effect of electron beammelting on the fatigue characteristics of 7075 Al alloy deposited by MIG arc additively manufacturing International Journal on Interactive Design and Manufacturing, 2024. P.1-10 (год публикации - 2024)
10.1007/s12008-023-01729-3

8. Панченко И.А., Бессонов Д.А., Коновалов С.В., Лабунский Д.Н. Исследование влияния режимов проволочно-дугового аддитивного производства на микроструктуру сплава АА7075 Non-ferrous Metals (год публикации - 2024)

9. Панченко И.А., Дробышев В.К., Коновалов С.В., Баженова М.М., Лабунский Д.Н. Послойное инструментальное идентирование сплава АА7075, полученного методом аддитивных технологий Фундаментальные проблемы современного материаловедения (год публикации - 2024)

10. Дробышев В.К., Панченко И.А., Коновалов С.В., Лабунский Д.Н. Исследование механических свойств сплава АА7075, полученного аддитивным способом Ползуновский вестник (год публикации - 2024)

11. Панченко И.А., Дробышев В.К., Коновалов С.В., Лабунский Д.Н., Назаров А.Ю. Изменение структурно-фазового состояния алюминиевого сплава 7075, после низкотемпературного азотирования Ползуновский вестник (год публикации - 2025)

12. Панченко И.А., Коновалов С.В., Дробышев В.К., Лабунский Д.Н. Влияние электронно-пучковой обработки на механические свойства алюминиевого сплава 7075 Ползуновский вестник (год публикации - 2025)

13. Панченко И.А., Коновалов С.В., Дробышев В.К., Лабунский Д.Н., Хусаинов Ю.Г., Назаров А.Ю. Effect of Nitriding on the Microstructure and Mechanical Properties of AA7075 Alloy Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 65, No. 3, pp. 162–169 (год публикации - 2024)
10.1134/S1067821225600048

14. Хуан Л., Коновалов С.В., Панченко И.А. Система оптимизации параметров аддитивной печати 3D-моделей V1.0 ФИПС, 04.12.2024 Бюл. № 12 (год публикации - 2024)

15. Панченко И.А., Дробышев В.К.6 Лабунский Д.Н., Бессонов Д.А. Экспериментальные данные изменения нанотвердости и модуля Юнга алюминиевого сплава серии 7075 системы Al-Zm-Mg-Cu полученного с использованием аддитивных технологий ФИПС, 21.05.2024 Бюл. № 6 (год публикации - 2024)

16. Мажарин А.В., Панченко И.А., Михно А.Р., Коновалов С.В. Технологические аспекты изготовления алюминиевых изделий способом WAAM Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы: сборник трудов Открытой школы-конференции стран СНГ (г. Уфа, 30 сентября – 4 октября 2024 г.) / отв. ред. А.А. Назаров. – Уфа: РИЦ УУНиТ, С.173 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В соответствии с планом работ из литых заготовок сплава 7075 изготовлены образцы для усталостных испытаний, для проведения механических испытаний, а также для исследования нанотвердости и модуля Юнга. Электронно-пучковая обработка (ЭПО) образцов сплава АА7075, осуществлялась на установке «СОЛО» с использованием одноименного источника электронов в среде аргона при следующих параметрах: плотность энергии пучка электронов 20 Дж/см2, количество импульсов – 3, длительность импульсов – 200 мкс, частота следования импульсов – 0,3 с-1. В результате испытаний тестовых образцов было принято решение проводить азотирование после ЭПО при следующих режимах: рабочее давление 0,6 Па; ток генератора плазмы ПИНК 100 А; ускоряющее напряжение 160 В; температура образца свидетеля 600 град С; изотермическая экспозиция образцов 1, 3, 5 ч. Выполнены испытания на многоцикловую усталость и растяжение до разрушения для определения механических свойств с образцами, подвергнутыми ЭПО, азотированию и ЭПО с азотированием. Проанализировано несколько вариантов воздействия на алюминиевый сплав 7075: изготовленного аддитивным производством (АП), облученного ЭПО, комбинированной обработкой (КО) на протяжении 1, 3, 5 часов. После усталостных испытаний образцы, изготовленные аддитивным способом, демонстрирует ≈235 000 циклов до разрушения, а комбинация с ЭПО повышает выносливость до 260 000 циклов. Дефектную субструктуру образцов исследовали методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг. В результате выполненных исследований установлено, что сплав является многофазным материалом, содержащим включения второй фазы различной формы и размеров. Методами микрорентгеноспектрального анализа показано, что основными химическими элементами данных фаз являются Al, Cu, Zn, Mn и Mg. В отдельных случаях на границах зерен выявляются крупные включения, основными элементами которых являются Cu и Mg. Микроструктура излома аддитивно изготовленного сплава 7075 после ЭПО характеризуется сложным распределением интерметаллидов и перенасыщенного твердого раствора α-Al. В результате энергодисперсионного анализа (EDS) алюминиевого сплава AA7075 после ЭПО выявлены различные фазы и зоны распределения легирующих элементов. Комбинированная обработка (КО), включающая в себя ЭПО и ионно-плазменное воздействие в течение 1 ч привела к ухудшению свойств: предел прочности упал до 69 МПа (-65% от ЭПО), а усталостная выносливость — до ~141 668 циклов (-45%). Короткое время обработки вызвало перегрев материала, нестабильное окисление поверхности и образование микротрещин. Увеличение времени ионно-плазменной обработки до 3 ч (ЭПО + КО 3) частично компенсировало негативные эффекты: прочность выросла до 82 МПа (+19%), а усталостная выносливость до ~201 717 циклов (+42%). Более длительное воздействие позволило стабилизировать структуру, снизить концентрацию дефектов и сформировать упрочнённый слой. Однако свойства оставались ниже, чем после ЭПО, из-за недостаточной глубины модифицированной поверхности. Фрактографические исследования демонстрируют, что аддитивно изготовленный сплав после азотирования 3 ч при 600 °C дал преимущественно пластическое разрушение через перекрывающуюся ямочную структуру, усиленную наличием мелких интерметаллидов и нитридных фаз. После 5-часовой ионно-плазменной обработки (ЭПО + КО 5): предел прочности достиг 133 МПа (+62% от КО 1), а усталостная выносливость ~384 941 циклов (+172%), превысив даже показатели после ЭПО. Тем самым, комбинированная обработка, включающая ЭПО (устранение внутренних дефектов) и азотирование (оптимизация поверхностных свойств) является положительным способом воздействия. При азотировании на поверхности формируются нитриды алюминия (AlN) и, возможно, других элементов сплава (Zn, Mg, Cu). Эти соединения повышают твёрдость, особенно при оптимальных режимах (600°C, 3 ч), где достигается максимальное значение 1,0 ГПа. 450°C является умеренной температурой проведения азотирования, замедляющей диффузию азота. Снижение микротвёрдости в образцах, обработанных в течение 5 ч, может быть вызвано началом роста зёрен или неоднородностью слоя. При температуре азотирования 520°C возникает постепенное снижение твёрдости с увеличением времени от 0,60 до 0,57 ГПа, что указывает на возможное растворение фаз или перестаривание сплава, что снижает его базовую твёрдость. Температура обработки 600 °C являлась наиболее оптимальной, судя по микротвердости образцов, подверженных азотированию в течение 3 ч (1,0 ГПа), что объясняется интенсивным образованием нитридов. Однако при времени выдержки азотирования до 5 ч наблюдалось резкое падение микротвердости до 0,53 ГПа, что связано с деградацией структуры. Проведена систематизация полученных в ходе выполнения проекта результатов, проведено обобщение данных по физическим и механическим свойствам образцов из сплава 7075 как в литом состоянии, так и полученных после проволочно-дугового аддитивного производства и после модифицирования поверхности ЭПО, азотированием и ЭПО с азотированием. Показано, что гипотеза о возможности существенного изменения поверхностных свойств и состояния структуры после азотирования не оправдалась, однако эффект энергического воздействия на сплав 7075 установлен. По-видимому, одним из факторов, объясняющих эти изменения является то, что данный сплав содержит в своем составе большое количество Zn, Mg и Cu. Результаты проекта в отчетный период были представлены четырьмя докладами на трех конференциях. В отчетный период подготовлено к публикации 4 статьи в журналах, индексируемых Scopus, RSCI и входящих в Белый список.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта, а именно разработанные режимы получения методами проволочно дугового аддитивного производства объемных металлических изделий могут быть использованы на предприятиях, занимающихся изготовлением крупногабаритных изделий. Это позволит внедрить технологии, предложенные в проекте.