Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном периоде проведен комплекс экспериментальных исследований по WAAM-наплавке алюминиевых сплавов с использованием присадочных материалов Св-АК5 и Св-АМг5. Впервые проведены исследования по гибридной технологии WAAM-наплавки с одновременной магнитно-импульсной обработкой (МИО) ванны расплава. Для экспериментов были разработаны и изготовлены одновитковые индукторы, сопряженные со сварочной горелкой, в форме открытого тора, охватывающего сопло сварочной горелки и в виде прямоугольной рамки, совмещенной с соплом последовательно. Выполненные тестовые наплавки с применением обоих индукторов показали, что при использовании индуктора в виде тора поверхность наплавляемого слоя ровная без видимых дефектов, а при прямоугольном индукторе - поверхность имеет искажение по геометрии, покрыта мелкими трещинами. Поэтому в дальнейшем в экспериментах использовался индуктор в виде открытого тора. Исследовалось влияние энергии разряда на микроструктуру наплавленных образцов сплава АК5. Наплавка проводилась без МИО, а также с МИО при энергиях разряда 186, 332 и 518 Дж. Анализ полученных результатов показал, что при всех энергиях разбрызгивания жидкой ванны не происходит и полученные образцы имеют стабильную геометрию. Установлено, что магнитно-импульсная обработка оказывает ощутимое модифицирующее воздействие на микроструктуру сплава при наплавке проволокой Св-АК5. Выраженное измельчение дендритов α-Al наблюдается при обработке наплавляемых слоев с энергиями разряда 186 и 518 Дж. При этом формируется достаточно однородная беспористая структура, несплавление слоев также отсутствуют. Проведено исследование WAAM-наплавки проволоки Св-АМг5 роботизированным комплексом на базе робота манипулятора Dobot Сг 10. На основе созданной модели «прямоугольный параллелепипед» наплавку в импульсном и непрерывном режимах при силе тока 90, 100, 110А проводили послойно по прямолинейной траектории по управляющей программе SprutCamRobot 3D. Число cлоев наплавки составляло 10 ед. Пауза между каждым слоем наплавки составляла 2 мин. Микроструктура зон наплавки исследовалась по высоте наплавленного образца. Фазовый анализ показал, что структура сплава после наплавки представляет собой твердый раствор магния на основе алюминия с включениями дисперсных частиц бетта-фазы - интерметаллида Мg2Аl3. С ростом силы тока снижается скорость охлаждения, что приводит к увеличению размеров интерметаллидов. Средние зоны наплавки формируются в условиях пониженного теплоотвода, что обусловливает укрупнение размеров бетта-фазы. Анализ микроструктуры указывает на высокую плотность по всей высоте зоны наплавки и минимальное количество пор. Измерения микротвердости показали, что она находится в пределах 60-70 кгс/мм2 и практически не зависит от режимов наплавки. Проведенные ранее исследования по наплавке проволокой Св-АК5 в стандартном импульсном и импульсном coldArc режимах показали, что в зоне наплавки формируется сплав, состоящий из твердого раствора кремния в алюминии и эвтектики Al-Si. Рентгеноспектральный микроанализ показал влияние режима наплавки на содержание кремния. Так установлено, что при наплавке в стандартном импульсном режиме содержание кремния в эвтектике находится в пределах 8-12%. В то же время при наплавке в режиме холодной дуги (coldArc) концентрация кремния в эвтектике может превышать 16-20%, что обусловлено неравновесными условиями кристаллизации и формированием мелкодисперсной структуры. В работе впервые проведено исследование по измерению коэффициента теплового линейного расширения образцов после WAAM-наплавки в импульсном режиме проволоками Св-АК5 и Св-АМг5 в диапазоне температур от 20 оС до 400 оС. Проведены измерения КТЛР образцов, вырезанных вдоль направления выращивания и перпендикулярно ему. Установлено влияние дисперсности микроструктуры на изменения КТЛР при нагреве. Исследования микроструктуры образцов из АК5, выращенных вдоль направления наплавки, показали, что в нижних слоях из-за более интенсивного теплоотвода в подложку формируется более дисперсная структура, чем в верхних. Наличие такой структуры обеспечивает большую площадь границ зерен, которые могут тормозить тепловое расширение при нагреве, что выражается в более медленном росте КТЛР по сравнению с образцом, вырезанным из верхних слоев. В то же время при нагреве до более высоких температур (выше 200 оС) может наблюдаться более интенсивная структурная перестройка, приводящая к росту зерна и КТЛР. Лишь при температурах выше 180-200 оС наблюдается выравнивание значений КТЛР данных образцов в пределах погрешности измерений. Изменения КТЛР образцов при нагреве до 400 оС, вырезанных перпендикулярно направлению, практически идентичны, что указывает на стабильность формируемой структуры. В целом при температурах выше 180-200 оС значения КТЛР для образцов, выращенных вдоль и перпендикулярно направлению наплавки, различаются лишь в пределах погрешности, что указывает на отсутствие анизотропии теплового расширения наплавленных образцов. Аналогичные изменения КТЛР наблюдались при нагреве образцов из сплава АМг5, полученных при WAAM-наплавке проволокой Св-AMг5. В работе проведены также механические испытания на растяжение выращенных образцов, полученных как без, так и с магнитно-импульсной обработкой. Для этого наплавка Св-АК5 проводилась в импульсном режиме coldАrc при токе дуги 100 А, а наплавка Св-АМг5 проводилась в стандартном импульсном режиме с током 110 А. Энергия разряда МИО составляла 186, 332 и 518 Дж. Установлено, что для сплава АК5 наплавка с МИО приводит к повышению механических свойств по сравнению с наплавкой без МИО, в то время как для АМг5 наблюдается обратный эффект - выраженное снижение и предела прочности и относительно удлинения, чем при наплавке без МИО. Наилучшие показатели мехсвойств для сформированного сплава АК5 при наплавке с МИО достигаются при энергии разряда 186 Дж, а для сплава АМг5 - при энергиях разряда 186 и 332 Дж. На основе экспериментальных исследований проведен выбор оптимальных режимов и разработаны технологические рекомендации для WAAM-наплавки сплавов АК5 и АМг5. Для WAAM-наплавки заготовок из проволоки Св-АК5 рекомендуется режим импульсный Cold Arc при силе тока 100 А, скорости подачи проволоки 4,7 м/мин и рабочем напряжении 19 В. Для наплавки из проволоки Св-АМг5 - режим стандартный импульсный с силой тока 110 А, скоростью подачи проволоки 6,6 м/мин и рабочим напряжением 18 В. При наплавке с одновременной магнитно-импульсной обработкой (МИО) рекомендуемая энергия разряда составляет 186 Дж. В этом случае формируемые заготовки будут иметь минимальные отклонения от модельных размеров, однородную плотную структуру по всей высоте наплавки и механические свойства не ниже стандартных значений для данных присадочных материалов.