Perm', Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
Perm', Perm, Russian Federation
VAC 05.02.2010 Сварка, родственные процессы и технологии
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.21 Термическая и упрочняющая обработка
GRNTI 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий
The experimental research of mechanical properties and porosity of samples made of experimental high-strength magnesium-scandium aluminum alloy 1580 obtained through the method of multi-layer weld deposition including the application of deformation strengthening and also the further thermal treatment is carried out. There is investigated the impact of layer-by-layer deformation strengthening with the further thermal treatment upon mechanical properties and porosity of the samples of experimental high-strength aluminum alloy 1580 having magnesium-scandium during multi-layer weld deposition. There are shown the values of mechanical properties and porosity of samples subject to modes of deformation strengthening and thermal treatment. A possibility of the impact of deformation effect and thermal treatment upon porosity and mechanical properties of products made of aluminum alloys containing magnesium-scandium obtained during multi-layer SMT weld deposition is checked up. According to the results of the investigation there are drawn conclusions: it is determined that for porosity decrease in metal deposited there are required higher values of efforts of the deformation impact and a weld deposition mode selection excluding product over-heating influencing porosity of metal deposited; thermal treatment impact upon porosity of the metal deposited is not defined; the samples obtained with the use of deformation impact and long annealing with the duration more than six hours have higher mechanical properties.
additive technologies, multi-layer weld deposition, aluminum, deformation strengthening, impact effect, thermal treatment, porosity, arc welding
Введение
Аддитивное производство – это новая группа технологий, с помощью которых изделия получают путем послойного нанесения материала. Этот подход рассматривается как альтернативный и более экономичный процесс для производства металлических изделий за счет повышенной производительности и меньшей траты материалов [1]. Существует множество процессов для аддитивного производства изделий, каждый из которых используется для определенной задачи [2-7]. В сравнении с процессами, основанными на спекании металлического порошка, в которых в качестве источника энергии используют лазерный луч или электронный луч, проволочно-дуговая наплавка (WAAM) преимущественно используется для производства крупногабаритных изделий. Это возможно благодаря высокой скорости наплавки, низкой стоимости производства и оборудования, а также высокой гибкости и масштабируемости производства [4,7,8]. В аэрокосмической и судостроительной отраслях широко используются высокопрочные алюминиевые сплавы, поэтому особо перспективным направлением является внедрение проволочно-дугового аддитивного производства именно алюминиевых материалов [9]. Алюминиевые изделия, полученные методом проволочно-дуговой наплавки, весьма часто имеют ряд недостатков: неблагоприятную дендритную структуру, остаточные напряжения и высокую пористость [10,11,12].
В результате влияния приведенных выше негативных факторов изделия, полученных методом проволочно-дугового аддитивного производства, имеют более низкие по сравнению со стандартными изделиями механические свойства [13]. Одним из путей борьбы с этими негативными факторами является послойное деформационное воздействие (проковка) изделия в процессе многослойной наплавки в тандеме с последующей термообработкой [14,15,16,17]. В работе приведено исследование влияния деформационного воздействия (проковки) и термообработки на механические свойства наплавленных образцов.
Материалы, методика
В качестве материала присадочной проволоки использовался алюминиевый сплав 1580 – экспериментальный высокопрочный магний-скандий, содержащий алюминиевый сплав, разработанный российской компанией «РУСАЛ» в качестве альтернативы высокопрочному деформируемому алюминиевому сплаву 01570 системы Al–Mg–Sc и разработанному Всероссийским институтом легких сплавов (ВИЛС) в 70-х гг. прошлого столетия [18]. Сплав 01570 удовлетворяет требованиям авиационно-космической промышленности, обладает высокой коррозионной стойкостью, прочностью и хорошей свариваемостью. Компания «РУСАЛ» предполагает, что при производстве деталей методом проволочно-дуговой наплавки экспериментальный сплав 1580 будет соответствовать свойствам сплава 1570, но при этом иметь меньшую себестоимость производства за счет измененного химического состава. Химический состав обоих сплавов представлен в табл.1.
Таблица 1
Химический состав алюминиевых сплавов 1570 и 1580
|
Сплав |
Массовая доля элементов, мас. % |
||||||||||
|
Mg |
Mn |
Sc |
Zr |
Cr |
Zn |
Ti |
Si |
Fe |
Прочие |
Al |
|
|
1570 |
5,3… 6,3 |
0,2… 0,6 |
0,17… 0,35 |
0,05… 0,15 |
- |
- |
0,01… 0,05 |
0,2 |
0,3 |
0,101 |
Основа |
|
1580 |
4,815 |
0,515 |
0,079 |
0,115 |
0,156 |
0,205 |
- |
- |
0,179 |
0,086 |
Основа |
Для наплавки использовано оборудование: робот Fanuc Arc Mate 100iC, контроллер Fanuc R-30iA, источник Fronius TransPuls Synergic 5000 CMT. Для послойного деформационного воздействия использован ударно пневматический молот Sumake ST-M3009/H. Для термообработки образцов использована лабораторная печь ПЛ 10/12,5. Микрошлифы для определения пористости наплавленных образцов изготовлены на шлифовально-полировальном станке Top Tech серии Plato-HA модель FS-B. Изображения микрошлифов для определения пористости получены с помощью светового инвертированного микроскопа OlympusGX 51 при увеличении до 1000 крат и программного обеспечения Olympus Stream Motion 1.8. Расчет процентного содержания пор произведен с помощью анализатора изображений SIAMS 700. Для проведения механических испытаний из наплавленных образцов изготовлены плоские образцы под механические испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84), тип образца – 2. Испытания на растяжение проводились на машине для испытаний конструкционных материалов УТС-110М.
Всего исследовано 5 режимов наплавки заготовок:
- образцы без термообработки, без проковки;
- образцы с термообработкой 360º на 3 часа, без проковки;
- образцы с термообработкой 350 º на 4 часа и 325 º на 3 часа, без проковки;
- образцы с термообработкой 360 º на 3 часа, с проковкой;
- образцы с термообработкой 350 º на 4 часа и 325 на 3 часа, с проковкой.
Каждый образец был наплавлен в количестве трех штук для ограничения статистического разброса. Первый образец является контрольным – без применения проковки и термообработки. Он используется для того, чтобы можно было наглядно показать достоинства проковки и термообработки с точки зрения получения более высоких механических свойств наплавляемых изделий. Образцы 2 и 4 наплавлены для контроля влияния проковки при использовании термообработки. Образцы 3 и 5 наплавлены для контроля влияния проковки при использовании ступенчатой термообработки, а также для сравнения влияния ступенчатой и классической термообработки.
Геометрические параметры наплавляемых образцов подобраны с точки зрения возможности изготовления из них образцов под механические испытания. Наплавленные образцы имеют следующие геометрические характеристики: высота – 25 мм, ширина – 15 мм, длина – 140 мм. На рис. 1 представлена стратегия заполнения для наплавки образцов. По предварительным исследованиям было решено, что подобная стратегия является наиболее эффективной с точки зрения производительности, конечной геометрии и структуры наплавленного металла [19, 20]. На рис. 2 приведен внешний вид наплавленных образцов.
Рис. 1. Стратегия заполнения: а - всего образца; б - слоя.
Рис. 2. Внешний вид (а) и геометрические характеристики наплавленных образцов:
б - длина 140 мм; в - ширина 15 мм; г - высота 25 мм.
|
24 |
По результатам предварительных экспериментальных исследований были подобраны режимы наплавки, позволяющие получить необходимую геометрию наплавляемых образцов. Деформационное воздействие осуществлялось следующим образом: во время межслойной паузы, сразу непосредственно после наплавки слоя производится его деформационное воздействие в горячем состоянии при температуре выше 300 °С, что обеспечивает высокую пластичность и эффективность проковки наплавляемого материала. Время межслойной паузы составляет около 60 секунд: за это время обеспечивается охлаждение наплавляемого изделия до 70 °С перед наплавкой следующего слоя и снижается значение сварочных деформаций.
Режимы деформационного воздействия подобраны по предварительным исследованиям влияния деформационного упрочнения на механические свойства образцов из сплава АМг5 и включают в себя такие параметры, как сила удара (7,1 Дж) и количество ударов в минуту (3200) [21]. В проведенном исследовании оценивалось влияние наличия или отсутствия деформационного упрочнения на свойства наплавляемого материала, поэтому варьировалось только два уровня: наличие либо отсутствие деформационного упрочнения.
Режимы последующей термообработки выбраны, исходя из существующих рекомендаций [22-26]. Согласно опубликованным научным данным, образование твердого раствора Al3Sc происходит при температурах отжига. Образующиеся в этих условиях частицы Al3Sc, с одной стороны, весьма дисперсные, а с другой - довольно эффективно замедляют рекристаллизацию при нагреве и дислокации при деформации материала. Это может улучшить прочностные свойства сплава.
Результаты и обсуждение
После наплавки и последующей термообработки из наплавленных образцов вырезаны и подготовлены микрошлифы для определения пористости. В табл. 2 представлены результаты исследование пористости.
Таблица 2
Результаты исследования пористости
|
Образец, № |
Объемное содержание пор, % |
Средний размер пор, мм |
Максимальный размер пор, мм |
Количество пор на см2 |
|
1 |
0,4 |
0,0392 |
0,2012 |
214 |
|
2 |
0,4 |
0,036 |
0,2639 |
240 |
|
3 |
0,5 |
0,0428 |
0,2722 |
234 |
|
4 |
0,8 |
0,0469 |
0,4094 |
211 |
|
5 |
0,3 |
0,0377 |
0,2325 |
160 |
|
25 |
После наплавки и последующей термообработки образцов проведены механические испытания на растяжение. Ниже результаты механических испытаний приведены в виде гистограмм (рис. 3 – 5), а также приведены механические свойства стандартных образцов и образцов, полученных с помощью плазменной наплавки [27, 28].
Из результатов механических испытаний видно, что образец № 1 (без проковки и ТО) имеет наиболее низкие механические свойства. Образец № 2 (без проковки, 4 часа ТО) высокое относительное удлинение, при этом по остальным параметрам уступает следующим образцам. По сравнению с образами № 1 и № 2 образец № 3 (без проковки, 7 часов ТО) имеет примерно одинаковые значения, но выбивается только относительное удлинение – у образца № 2 значение этого параметра намного выше. Свойства образца № 4 (с проковкой, 4 часа ТО) также незначительно выше, чем у предыдущих образцов. Наилучшие механические свойства имеет образец № 5 (с проковкой, 7 часов ТО).
При этом свойства образца № 5 существенно ниже свойств холодного проката из этого же сплава. При сравнении с плазменной наплавкой, образец № 5 уступает только в пределе текучести и относительном удлинении.
Рис. 3. Предел прочности наплавленных образцов и стандартных образцов
Выявлено, что применение деформационного и термического воздействия влияет на механические свойства, несмотря на низкую деформацию наплавленного металла. Предположим, что этот результат может быть обусловлен влиянием на микроструктуру. Для проверки этой гипотезы проведем металлографическое исследование микроструктуры наплавленных образцов.
|
26 |
Рис. 4. Предел текучести наплавленных образцов и стандартных образцов
Рис. 5. Относительное удлинение наплавленных образцов и стандартных образцов
В этой связи целесообразно в дальнейшем проведение металлографического исследование микроструктуры наплавленного металла для проверки гипотезы влияния послойного деформационного воздействия и термообработки на микроструктуру.
Выводы
1. Изучено влияние деформационного воздействия и термообработки на пористость и механические свойства изделий из магний-скандий содержащих алюминиевых сплавов, полученных при многослойной CMT наплавке.
|
27 |
3. Влияния термообработки на пористость наплавленного металла не выявлено.
4. Более высокими механическими свойствами обладают образцы, полученные с применением деформационного воздействия и продолжительного отжига более 6 часов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Пермского края в рамках соглашения С-26/787 от 21.12.2017 и Российского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта №18-08-01016 А.
1. Wang F., Williams S.W., Colegrove P., Antonysamy A.A. Microstructure and Mechanical Properties of Wire and Arc Additive Manufactured Ti-6Al-4V. Metall. Mater. Trans. A 2013. 44. 968-977.
2. Guo P., Zou B., Huang C., Gao H. Study on microstructure, mechanical properties and machinability of efficiently additive manufactured AISI 316L stainless steel by high-power direct laser deposition. J. Mater. Process. Technol. 2016. 240. 12-22.
3. Greitemeier D., Palm F., Syassen F., Melz T. Fatigue performance of additive manufactured TiAl6V4 using electron and laser beam melting. Int. J. Fatigue. 2016. 94. 211-217.
4. Williams S.W., Martina F., Addison A.C., Ding J., Pardal G., Colegrove P. Wire plus Arc Additive Manufacturing. Mater. Sci. Technol. 2016. 32. 641-647.
5. Xiong J., Lei Y., Chen H., Zhang G. Fabrication of inclined thin-walled parts in multi-layer single-pass GMAW-based additive manufacturing with flat position deposition. J. Mater. Process. Technol. 2017. 240. 397-403.
6. Martina F., Mehnen J., Williams S.W., Colegrove P., Wang F. Investigation of the benefits of plasma deposition for the additive layer manufacture of Ti-6Al-4V. J. Mater. Process. Technol. 2012. 212. 1377-1386.
7. Szost B.A. et al., A comparative study of additive manufacturing techniques: Residual stress and microstructural analysis of CLAD and WAAM printed Ti-6Al-4V components. Mater. Des. 2016. 89. 559-567.
8. Gu J. et al., The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al-6.3Cu alloy. Mater. Sci. Eng. A 2016. 651. 18-26.
9. Starke E.A., Jr., Staley, J.T. Application of modern aluminum alloys to aircraft. Prog. Aerosp. Sci. 1996. 32. 131-172.
10. Baoqiang Cong, et al., A Comparative Study of Additively Manufactured Thin Wall and Block Structure with Al-6.3%Cu Alloy Using Cold Metal Transfer Process. Appl. Sci. 2017. 7. 275
11. Gu J., et al., Wire+Arc Additive Manufacturing of Aluminium. Materials Processing Technology, 2003. 135. 347-357.
12. Bai J., et al., Porosity evolution in additively manufactured luminium alloy during high temperature exposure. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 167 (2017). 012045.
13. Hao,Z., et al., Formation of SUS304/Aluminum Alloys Using Wire and Arc Additive Manufacturing. Metals. 2018. 8. 595.
14. Donoghue J., et al., The effectiveness of combining rolling deformation withWire-Arc Additive Manufacture on β-grain refinement and texture modification in Ti-6Al-4V, Materials Characterization, 2016. 114. 103-114.
15. Hönnige J.R., et al., Control of residual stress and distortion in aluminium wire + arc additive manufacture with rolling. Additive Manufacturing 22 (2018). 775-783.
16. Horgar A., et al., Additive manufacturing using WAAM with AA5183 wire. Journal of Materials Processing Tech. 2018. 259. 68-74.
17. Gu J., et al., The effect of inter-layer cold working and post-deposition heattreatment on porosity in additively manufactured aluminum alloys. Journal of Materials Processing Technology 2016. 230. 26-34.
18. Bronz A.V. [i dr.]. Splav 1570S - Material dlya germetichnyh konstrukciy perspektivnyh mnogorazovyh izdeliy RKK «Energiya» //Kosmicheskaya tehnika i tehnologii. 2014. T. 7. №. 4. S. 62.
19. Fu J., et al., Effect of Tool-Path on Morphology and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Fabricated by Wire and Arc Additive Manufacturing. MATEC Web of Conferences. 2017. 128.
20. Zhang X., et al., Fracture toughness and fatigue crack growth rate properties in wire+arc additive manufactured Ti-6Al-4V. Fract Engng Mater Struct, 2017. 40.790-803.
21. Kartashev M.F. [i dr.]. Issledovanie vliyaniya deformacionnogo uprochneniya na mehanicheskie svoystva obrazcov iz splava AMg5, poluchennyh sposobom mnogosloynoy naplavki // Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2019. T.17. №.3. S.38-45.
22. Kovalev D.S., Shahov V.N., Bogdanov V.V. Tehnologicheskie osobennosti alyuminievyh splavov 1201 i 01570 //Aktual'nye problemy aviacii i kosmonavtiki. 2014. T. 1. №. 10.
23. Koryagin Yu.D., Il'in S.I. Osobennosti rekristallizacii deformiruemyh alyuminiy-magnievyh splavov so skandiem //Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Metallurgiya. 2017. T. 17. №. 1.
24. Dric M.E. [i dr.]. O mehanizme vliyaniya skandiya na povyshenie prochnosti i termicheskoy stabil'nosti splavov Al-Mg // DAN SSSR. Metally. 1981. T. 257. № 2. S. 353-356.
25. Filatov Yu.A., Elagin V.I., Zaharov V.V. Promyshlennye splavy na osnove sistemy Al-Mg-Sc // Skandiy 94: tez. dokl. konf. M., 1994. S. 33
26. Dric M.E. [i dr.]. Struktura i svoystva splavov Al-Sc i Al-Mg-Sc. // Metallurgiya i metallovedenie cvetnyh splavov. M.: Nauka, 1982. S. 213-223.
27. Sidel'nikov S.B. [i dr.]. Issledovanie mehanicheskih svoystv polufabrikatov iz alyuminievo-skandievogo splava // Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. 2017. T. 11. №1. S. 147-153.
28. Schicyn Yu. D. [i dr.]. Ispol'zovanie plazmennoy naplavki dlya additivnogo formirovaniya zagotovok iz alyuminievyh splavov // Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. 2019. T. 21. №. 2. S.63-72.
