Многоуровневый анализ деформации и разрушения сплавов Al-Si, полученных электронно-лучевым аддитивным плавлением

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 23-11-00222

НазваниеМногоуровневый анализ деформации и разрушения сплавов Al-Si, полученных электронно-лучевым аддитивным плавлением

Руководитель Балохонов Руслан Ревович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-306 - Механика гетерогенных и функциональных материалов, многомасштабность структуры и текстуры

Ключевые слова Механика структурно-неоднородных материалов, аддитивные алюминиевые сплавы, микроструктура, численное моделирование, остаточные напряжения, пластическая деформация, разрушение

Код ГРНТИ30.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Благодаря оптимальным для 3D печати свойствам и низкой себестоимости сплавы Al-Si часто используются для изготовления легких алюминиевых конструкций методами аддитивного плавления (АП), среди которых все большее распространение получают проволочные технологии. На сегодняшний день проблемой в области АП алюминиевых сплавов является отсутствие глубокого понимания и физически-обоснованного прогноза взаимосвязи «параметры АП – структура – механические свойства». Подбор и оптимизация параметров АП главным образом основана на стратегии проб и ошибок. В этой связи привлекательным инструментом, позволяющим частично заменить дорогостоящие экспериментальные исследования, является численное моделирование. Применение подходов компьютерного моделирования для эффективного прогноза механических свойств АП сплавов Al-Si требует учета ряда важных факторов, связанных с особенностями сложной иерархической структуры, формирующейся в процессе АП. Экспериментальный опыт свидетельствует о ключевом значении трех факторов, оказывающих существенное влияние на механические свойства этих сплавов: (i) зеренная структура и текстура на мезоуровне, (ii) дендритная микроструктура и (iii) пористость. Направленная кристаллизация в процессе АП приводит к образованию вытянутых дендритных зерен, которые могут прорастать через несколько слоев, формируя текстурированный материал с анизотропными механическими свойствами. Дендритная структура зерен на микроуровне представляет собой ячейки первичного алюминия, окруженные эвтектическим каркасом. Размер, форма и пространственное распределение частиц кремния в первичных ячейках алюминия и в эвтектической фазе играют важную роль в формировании прочностных свойств АП сплавов. Эти характеристики определяются параметрами АП и последующей термообработки, которая может привести к разрушению эвтектического каркаса и консолидации частиц кремния в алюминиевой матрице и существенно влиять на прочность и пластичность сплава. Таким образом, учет структурных факторов на разных масштабных уровнях необходим для адекватного прогноза деформационного поведения сплавов Al-Si и требует проведения комплексных экспериментальных и численных исследований формирования структуры и свойств этих сплавов в условиях АП. Целью настоящего проекта является численно-экспериментальное изучение формирования структуры и механических свойств Al-Si сплавов, изготовленных методом проволочного электронно-лучевого АП (ЭЛАП) и разработка многоуровневой модели механического поведения этих сплавов с учетом вкладов механизмов деформации с разных масштабных уровней. В задачи проекта входит отработка режимов ЭЛАП с различной стратегией печати, посттермообработка изготовленных образцов, проведение анализа структуры и механических испытаний. С использованием экспериментальных данных будут развиты методики генерации модельных структур сплавов и разработаны термомеханические модели пластической деформации и разрушения на разных масштабных уровнях. Будет исследовано влияние многомасштабной структуры на локализацию пластической деформации, зарождение и распространение трещин. Будет проанализировано влияние термических остаточных напряжений, возникающих в условиях термоциклирования в процессе ЭЛАП, на деформационное поведение напечатанного материала. Особое внимание будет уделено исследованию эффектов пористости, которая может играть существенную роль в процессах деформации и разрушения АП алюминиевых сплавов. Результаты экспериментальных и численных исследований расширят представления о механизмах деформации и разрушения АП сплавов Al-Si и могут быть использованы для выработки рекомендаций по оптимизации их структуры и свойств. Разработанная многоуровневая модель будет использована в качестве инструмента для численного анализа и прогноза деформационного поведения алюминиевых сплавов, напечатанных при различных параметрах ЭЛАП.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Балохонов Р.Р., Землянов А.В., Утяганова В.Р., Гатиятуллина Д.Д., Романова В.А. Two-Scale Computational Analysis of Deformation and Fracture in an Al-Si Composite Material Fabricated by Electron Beam Wire-Feed Additive Manufacturing Metals, 13 (8), 1465 (год публикации - 2023)
10.3390/met13081465

2. Землянов А.В., Гатиятуллина Д.Д., Утяганова В.Р., Дымнич Е., Шамарин Н.Н., Никонов С.Ю., Романова В.А., Кульков А.С., Балохонов Р.Р. A Study of Deformation and Fracture of the Eutectic in an Additively Manufactured Al-Si Composite Alloy Physical Mesomechanics, Vol. 26, No. 6, pp. 678–690. (год публикации - 2023)
10.1134/S1029959923060073

3. Тарасов С.Ю., Балохонов Р.Р., Утяганова В.Р., Зыкова А.П., Савченко Н.Л., Воронцов А.В., Романова В.А., Шамарин Н.Н., Княжев Е.О., Гурьянов Д.А., Москвичев Е.Н. Microstructure, Mechanical Properties and Tribological Behavior of Wire Electron Beam Additive Manufactured Eutectic Al–12Si Alloy Metals and Materials International (год публикации - 2024)
10.1007/s12540-024-01785-8

4. Балохонов Р.Р., Утяганова В.Р., Гатиятуллина Д.Д., Землянов А.В., Романова В.А. INTERLAYER EFFECT ON DEFORMATION AND FRACTURE OF DENDRITIC STRUCTURE FORMED DURING WIRE-FEED ELECTRON-BEAM ADDITIVE MANUFACTURING OF Al-Si ALLOY Facta Universitatis, Series: Mechanical Engineering, Vol. 22, No 3, pp. 515 - 527 (год публикации - 2024)
10.22190/FUME240104009B

5. Шилько Е.В., Дмитриев А.И., Балохонов Р.Р., Романова В.А. Multiscale Modeling and Computer-Aided Design of Advanced Materials with Hierarchical Structure Physical Mesomechanics, Vol. 27, No. 5, pp. 493–517 (год публикации - 2024)
10.1134/S1029959924050011

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведен литературный обзор экспериментальных работ за 2024 год, связанных с исследованием влияния термообработки на структуру и свойства металлов и сплавов, изготовленных методами аддитивного производства. Осуществлена электронно-лучевая печать (ЭЛАП) лабораторных объемных изделий из Al-Si12 с различной стратегией. Из ЭЛАП изделий в различных направлениях нарезаны образцы для проведения микроструктурных исследований и механических испытаний. Часть образцов термообработана при температурах 350 и 550 °C. Проведены механические испытания на растяжение исходных и термообработанных образцов Al-Si12. Показано, что термообработка при 350 °C не приводит к значимым изменениям упругопластических свойств аддитивного сплава, при этом деформация, при которой происходит разрушение образца, уменьшается. После отжига при 550 °C прочность образца повышается на 7-8 %. Проведено индентирование ЭЛАП образцов с различными усилиями 400 и 2 мН. Результаты подтверждают данные механических испытаний: среднее значение твердости материала после термообработки повышается на 8-9 %. Проведен анализ текстуры исходных и термообработанных ЭЛАП образцов Al-Si12 методом дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD). Высокотемпературный отжиг привел к росту дендритов алюминия за счет поглощения малых зерен в междендритном пространстве. Границы ванн расплава значительно размылись за счет вторичной рекристаллизации зерен алюминия. После отжига значительно уменьшилась доля границ в диапазоне от 5 до 15 градусов, незначительно возросла доля границ с углом разориентировки в диапазоне от 20 до 40 градусов, что свидетельствует о процессах собирательной рекристаллизации и ликвидации субструктурных элементов. Общее количество зерен уменьшилось в 3 раза, средний размер зерен увеличился с 18 до 27 мкм. С точки зрения текстурного анализа в исходном состоянии видна тенденция к образованию кубической текстуры (001), которая после отжига сохраняется, при этом значительно возрастает доля текстуры Госса (110)<001>. Количество хаотично разориентированных зерен уменьшается. После отжига частицы кремния укрупнились, но их ориентация осталась хаотичной. Исследование дендритной структуры в термообработанных ЭЛАП образцах методами оптической микроскопии подтверждает результаты EBSD. Термообработка при 350 °C не приводит к значимым изменениям структуры, а при 550 °C происходит распад эвтектического каркаса и формирование структуры с менее ярко выраженными дендритами и частицами кремния, распределенными по объему квазиравномерно и имеющими на порядок большие размеры. Результаты рентгеноструктурного анализа в образцах после печати и после термообработки показали, что остаточные микронапряжения (ОМН) в образцах до деформации после отжига на 10% выше и в процессе механического нагружения растут быстрее, чем в нетермообработанных. Сопоставляя данные результаты с результатами механических испытаний можно сделать вывод о том, что ОМН повышают прочность материала, при этом деформация до разрушения уменьшается. Построены двумерные конечно-элементных моделей структур материала с прослойкой в зоне термомеханического влияния, экспериментально обнаруженных на этапе проекта 2023, композитной структуры материала после термообработки, а также поликристаллических структур с учетом экспериментально наблюдаемой ориентации зерен. Методом пошагового заполнения (SSP) созданы трехмерные макромодели слоистых структур и структур с ваннами расплава для различных стратегий печати, а также модели поликристаллических структур с частицами кремния на мезоуровне. Построенные модели интегрированы в пакет ABAQUS/Explicit. Определены пластические свойства алюминия в дендритах и в эвтектическом каркасе. Развит и применен подход многоуровневого моделирования «Top-Down». Для определения свойств алюминия использовались данные наноиндентирования и макроскопические эксперименты на сжатие, полученные в 2023 году. С использованием подхода «Bottom-Up», разработанного в 2023 году, проведены расчеты деформирования и разрушения дендритных структур с прослойкой. Показано, что в прослойке в области границы раздела с эвтектическим каркасом возникает высокая концентрация напряжений, которая вызывает повышенную локализацию пластического течения в слое. Поэтому трещины в структуре с прослойкой зарождаются раньше, чем в структуре без прослойки, что понижает прочность дендритной структуры. Проведено численное моделирование охлаждения и термоциклирования структур аддитивного Al-Si12. Показано, что в материале эвтектики при остывании после изготовления возникают большие остаточные напряжения (ОН) как в частице, так и в матрице. В частице кремния напряжения сжимающие, а матрица как объемно сжимается, так и растягивается. Максимальные, минимальные и средние значения интенсивности напряжений в частице составляют порядка 1 ГПа, 60 МПа и 180 МПа, а в матрице 0, 160 и 60 МПа, соответственно. Для экспериментально наблюдаемой после термообработки структуры проведены расчеты растяжения после охлаждения и после трех циклов охлаждение-нагрев, а также растяжения из нулевого недеформированного состояния. Показано, что после охлаждения в алюминиевой матрице вокруг частиц кремния формируются области локализации пластической деформации с максимальным значением порядка 3 %. При термоциклировании данное значение увеличивается до 9 %. При этом, средние значения ОН составляют порядка 65 МПа, что хорошо согласуется с результатами рентгеноструктурного анализа. Термически индуцированные ОН и остаточные пластические деформации, возникающие в результате охлаждения и термоциклирования, приводят к раннему зарождению и распространению трещин в алюминиевой матрице и уменьшают деформацию аддитивно изготовленного Al-Si сплава до разрушения.

Публикации