Экспериментально-теоретическое обоснование разработки материалов с повышенной стойкостью к внешним динамическим воздействиям за счёт создания в них специальных структур (промежуточный, этап 2)

Проблема создания конструкционных металлических материалов с одновременно высокой прочностью, пластичностью и трещиностойкостью, является объектом активных исследований уже в течение многих десятилетий. Традиционно ее решали путем модифицирования химического состава, а также целенаправленного изменения микроструктуры материалов, применяя для этой цели сочетание разнообразных методов литья и режимов деформационно-термической обработки. В настоящее время все больший интерес представляет подход, основанный на применении аддитивных технологий как для создания уникальных конструктивных изделий, так и при формировании в них требуемых структурных и механических свойств. Отдельное внимание привлекает использование легких алюминиевых и титановых сплавов, которые могут применяться для широкого спектра изделий, включая детали авиационной, аэрокосмической и судостроительной отраслей. Несмотря на то, что в процессе печати применяются как правило общедоступные хорошо изученные материалы, применение аддитивных технологий (АТ) накладывает определенные особенности на характеристики полученных изделий, которые необходимо исследовать и учитывать при оценке прочности и эксплуатационной надежности. Методом прямого лазерного выращивания (ПЛВ) были изготовлены композитные образцы на основе коммерческого алюминиевого сплава AA5056. При выборе метода изготовления материала были учтены выявленные на первом этапе работы особенности деформационного поведения аналогичного сплава, полученного по технологии прямого дугового выращивания (ПДВ), а именно снижение ударной вязкости материала. Полученные образцы, продемонстрировали характеристики ударной вязкости на 60% выше, чем у образцов, полученных методом ПДВ. После дополнительной термообработки удалось достичь запас прочности, превышающий таковой в промышленном сплаве AA5056. Среди исследованных в работе образцов, материал, полученный методом ПЛВ, продемонстрировал наилучшие прочностные характеристики и в случае одноосного растяжения. Такие механические свойства обеспечиваются более однородной зеренной структурой и меньшим количеством пор, что указывает на преимущество использования технологии ПЛВ для аддитивного производства ответственных узлов и компонентов из алюминия. В продолжение работ первого этапа было проведено исследование влияния интенсивной пластической деформации (ИПД) на механические свойства и микроструктуру композита, полученного методом ПДВ из алюминиевых сплавов AA1050 (технически чистый Al) и AA5056 (алюминиевый сплав системы Al-Mg). Было исследовано влияние степени деформации методом кручения под высоким давлением (КВД) на микроструктуру и механические свойства композита. Микроструктура композита была исследована методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Найдена оптимальная степень деформации, при которой сохраняется бимодальная структура, обеспечивающая наилучшее сочетание прочности и пластичности композита. Полученные результаты демонстрируют потенциал комбинации аддитивного производства и интенсивной пластической деформации для получения композитных материалов с уникальными прочностными и эксплуатационными характеристиками. Основное направление исследований в ходе выполнения второго этапа проекта было сосредоточено на сплавах с ГПУ-решеткой (Ti и сплавы на его основе). Полученные результаты показывают, что с помощью АТ можно получать новые материалы с уникальной структурой и составом. В частности, с применением технологии ПЛВ могут быть получены композитные материалы на основе титановых сплавов, армированных керамическими частицами. Данные исследования являются актуальными как в области авиакосмической отрасли, так и в широких сферах, где требуются повышенные трибологические и эксплуатационные характеристики материалов, в том числе и в условиях повышенных температур. В рамках проекта был выполнен комплекс экспериментальных работ по исследованию эрозионной стойкости новых материалов на эрозионной установке аэродинамического типа. Полученные результаты позволили выявить особенности деформирования, а именно снижение эрозионной стойкости у титанового сплава VT6, полученного аддитивным методом, в том числе и при добавлении частиц SiC в титановую матрицу. Таким образом, было показано, что структурно-временные особенности деформирования материала на каждом масштабном уровне и определение допустимых параметров нагружения играют важную роль при экстремальных условиях эксплуатации новых материалов. При интеграции АТ в промышленные процессы производства требуется учитывать потенциальные изменения механических свойств материалов. Особенно это касается перспективного направления по созданию слоистых композитных металлических материалов. В ходе реализации проекта проведена серия экспериментальных работ, направленных на изучение деформационных особенностей композитов, полученных с использованием метода ПЛВ. Был спроектирован и напечатан по технологии ПЛВ композит, состоящий из титановых сплавов VT6 и VT1-0. Показано, что в отличии от алюминиевого композита, полученного и испытанного в рамках первого этапа, титановый композит при одноосном растяжении плоских образцов имеет прочность самого слабого компонента (сплава VT1-0). При этом такая комбинация высокопрочного сплава VT6 и малопрочного VT1-0 позволяет достичь высоких прочностных характеристик в области ударного нагружения. Экспериментально показано, что ударная вязкость образцов VT6, изготовленных по технологии ПЛВ, на 50% ниже чем у материала, полученного прокатом, а при добавлении слоя VT1-0 толщиной лишь 0.1 mm в область зарождения трещины ударная вязкость становится на 8.5% выше материала, полученного прокатом. Также происходит и увеличение предельных значений усилий, которые способен выдерживать композитный материал. Продемонстрирована возможность и эффективность применения методов ИПД к титановым сплавам, полученным методом ПЛВ. Наилучшее сочетание механических свойств (σ0.2 ≈ 1240 MPa, σUTS ≈ 1280 MPa, δ ≈ 17%) получено для образцов сплава VT6, обработанного равноканальным угловым прессованием при 650 оС. Выполненные исследования дают ценное представление о механических свойствах материалов, изготовленных аддитивным способом, в сравнении с их промышленными аналогами. Применение методов аддитивной печати к созданию специальных структур, в том числе слоистых, и дополнительная термическая и деформационная обработка дают возможность достигать прочностных характеристик материалов на уровне материалов, полученных стандартными методами и выше, как в условиях квазистатического, так и динамического нагружения.