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 24-79-00259
НазваниеСоздание научных основ лазерной обработки новых гетерофазных алюмокальциевых сплавов системы Al-Ca-(Cu, Mn, La, Fe, Si, Zr, Sc) для послойного синтеза топологически оптимизированных изделий методом селективного лазерного плавления.
Руководитель Летягин Николай Владимирович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения
Ключевые слова Алюмокальциевые сплавы, разработка сплавов, аддитивное производство, селективное лазерное плавление (СЛП), лазерная обработка, термообработка, технологичность, микроструктура, фазовый состав, твердость, механические свойства, коррозия.
Код ГРНТИ53.49.00, 53.49.03, 53.49.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Метод селективного лазерного плавления (СЛП) для послойного синтеза изделий является одним из наиболее перспективных аддитивных технологических процессов, реализуемых в условиях цифрового металлургического производства. Высокая точность изготовления и реализация сложных по форме изделий, формирование микроструктуры которых происходит в уникальных по отношению к традиционным способам производства условиях (скорость охлаждения в интервале кристаллизации сплавов при селективном лазерном плавлении превышает 10000 К/с), позволят рассмотреть возможность использования легких сплавов, в частности, на основе алюминия, для получения деталей ответственного назначения, обладающих повышенным комплексом эксплуатационных свойств. Однако, несмотря на высокий потенциал, на сегодняшний день примеры использования аддитивных технологий в производстве алюминиевых сплавов весьма немногочисленны. Кроме очевидных ограничений по наличию соответствующего оборудования, существующие сплавы, созданные под стандартные технологии получения изделий (литье, обработка давлением), не в полной мере удовлетворяют требованиям технологичности, предъявляемым к материалам, предназначенным для получения изделий аддитивными методами. Как следствие, достигаемый уровень механических свойств оказывается ниже, чем мог бы быть при использовании специальных составов. В этой связи является актуальной задача разработки перспективных сплавов на основе алюминия, совмещающих высокие эксплуатационные свойства и технологичность, необходимую для получения качественных изделий аддитивными технологиями, в частности, методом селективного лазерного плавления. В рамках реализации настоящего проекта, на основе теоретического (термодинамические расчеты) и экспериментального анализа (структурно–фазовые исследования: СЭМ, РФА, МРСА, ПЭМ, ДСК) многокомпонентных сплавов системы Al-Ca-х (где х – Cu, Mn, La, Fe, Si, Zr, Sc) будут впервые получены данные по особенностям фазовых превращений в условиях сверхбыстрой кристаллизации (лазерной обработки). В результате селективного лазерного плавления металлопорошковой композиции перспективных сплавов будут установлены корреляционные связи между технологическими режимами СЛП, структурой, сформированной в процессе СЛП и достигаемым уровнем физико-механических свойств сплавов. Работа позволит сформировать представления о фазовом составе сложнолегированных гетерогенных сплавов, выявить вид метастабильных диаграмм, полученных в условиях сверхвысоких скоростей кристаллизации и сформировать основные принципы легирования и термической обработки нового класса алюминиевых сплавов с целью получения благоприятной микроструктуры, достижения требуемого уровня физико-механических и технологических свойств в условиях синтеза изделий методом селективного лазерного плавления. Полученные в рамках проекта результаты позволят создать научную базу разработки алюмокальциевых сплавов для нужд аддитивного производства от этапа оптимизации химического состава многокомпонентных алюмокальциевых сплавов до получения качественных образцов методом селективного лазерного плавления с характерными структурными особенностями и прогнозируемым уровнем механических свойств.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде были рассмотрены сплавы системы Al-Ca-Cu-Mn (Zr) в качестве перспективных материалов для аддитивных технологий (селективного лазерного плавления). Выбор оптимальных композиций сплавов по модели «состав-свойства» производился как с использованием методов машинного обучения (градиентный бустинг), так и на основе экспериментальных данных по анализу структуры, фазового состава, технологичности и свойств. Базой данных для исследования стала выборка алюминиевых сплавов на основе систем Al-(Si, Ca, Ni, РЗМ, Mg, Cu, Mn, Zr, Sc) в литом состоянии из научных статей, включающих данные о химическом составе, склонности к горячим трещинам, твердости и прочности.
Наилучшие композиции сплавов системы Al-Ca-Cu-Mn (Zr) (содержание Са порядка 5 масс. % и меди порядка 3 масс. %) имеющие заэвтектическую структуру и объемную долю вторых фаз порядка 20 об. % были получены в виде тонколистового проката (1 мм). Листовые заготовки были подвергнуты лазерной обработке c целью создания условий кристаллизации, характерных для процессов аддитивного производства. Формирование поля лазерного переплава происходило путем сквозного проплава заготовки отдельными треками, вдоль направления прокатки, таким образом, что отдельные треки создавали сплошное поле лазерного переплава за счет стыка краев треков. В качестве оптимального режима лазерной обработки были выбраны мощность лазера 1400 Вт, скорости движения лазерного луча 20 мм/c, фокальный отрезок - 193 мм, расход защитного газа при подаче в зону сварки - 15 л/мин.
Анализ СЭМ, ПЭМ микроструктуры треков показал, что в процессе кристаллизации cплава Al5Ca3Cu1,5Mn0,4Zr формируется квазиэвтектическая структура, образование нежелательных кристаллов фазы Al27Ca3Cu7 подавляется. Наблюдается существенное утончение эвтектических частиц фаз (Al,Сu)4Ca и Al27Ca3Cu7 по сравнению с литым состоянием, средний размер интерметаллидов порядка 200 нм. Mn и Zr входят в состав алюминиевого твердого раствора. Сплав, подвергнутый лазерному переплаву, демонстрирует термическую стабильность структуры и свойств в процессе продолжительного отжига (100 ч) при температуре 350 – 400 ℃. Максимальное временное падение значений твердости не превышает ~ 7,5 %, объясняющееся разностью кинетических особенностей огрубления эвтектических интерметаллидов и распада (Al), приводящего к дисперсионному твердению за счет формирования частиц Al6Mn (размер порядка 100-150 нм) и наночастиц фазы L12 – Al3(Zr) (размер порядка 15 нм). Таким образом, сплав можно рассматривать как перспективный для аддитивного производства изделий, требующих высокой термической стабильности. Кроме того, присутствие циркония в сплаве имеет решающее значение для обеспечения высокой термостойкости. Падение твердости сплава без циркония в процессе продолжительного отжига (100 ч) при температуре 350 – 400 ℃ составляет порядка 22 %. Установлено, что эвтектические частицы вносят наибольший вклад в прочность сплава, подвергнутого лазерному переплаву (~56 %), на растворенные в алюминиевом твердом растворе атомы Mn приходится (~18 %). В отожженном (400 ℃, 100 ч) состоянии вклад эвтектических частиц в упрочнение почти в 2 раза меньше (~25-30 %), в то время как вклад дисперсоидов Al6Mn (~25-30 %) и Al3Zr (~ 35 %) существенно увеличивается.
В продолжении исследований методом газовой атомизации была получена металлопорошковая композиция перспективного алюмокальциевого сплава Al5.5Ca4Cu1.8Mn0.4Zr фракцией 20-63 мкм. Средний размер частиц 36 мкм. Осуществлен переход к отработке режимов печати образцов по методу селективного лазерного плавления при варьировании мощности лазера, скорости печати, расстояния между треками.
Публикации
1. Летягин Н.В., Шеина Е.С., Михаилов А.Н. Прогнозирование свойств новых литейных алюминиевых сплавов на основе методов машинного обучения. Металлург (год публикации - 2025)
2. Летягин Н.В., Акопян Т.К., Палкин П.А., Черкасов С.О., Люхтер А.Б., Мусин Ф.Ф. Лазерная обработка тонколистового проката алюмокальциевого сплава системы Al-Ca-Cu-Mn-Zr Металлург, (год публикации - 2025)