Специалисты Института теоретической и прикладной механики (ИТПМ СО РАН), Института химии твердого тела и механохимии и Института ядерной физики (ИЯФ СО РАН) впервые получили сварной шов с таким же пределом прочности, как у основного материала. Результаты были представлены на конференции «Создание теоретической и экспериментальной платформы для изучения физико-химической механики материалов со сложными условиями нагружения».
В ИЯФ СО РАН уточнили, что низкий уровень прочности сварного шва обусловлен изменением структуры материала, которое возникает при быстром нагреве лазерным излучением, и процессами, происходящими во время последующей кристаллизации сплава, перехода из жидкого состояния в твердое. Коллаборация сибирских ученых ответила на фундаментальные и прикладные вопросы материаловедения, изучив при помощи синхротронного излучения, как меняется структура материала, можно ли ее восстановить и какие режимы лазерной сварки и последующей термообработки позволят достичь и сохранить необходимый уровень прочности шва.
«У самых современных алюминий-литиевых сплавов, например, у сплава В-1469, разработанном во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ), предел прочности равен 550 мегапаскаль (МПа). Если прочность образца со швом после сварки будет 300 или 400 Мпа – это будет плохо. Нужно, чтобы прочностной уровень сварного шва был равен прочностному уровню сплава на 100%, и только в этом случае можно говорить о внедрении метода в практику», - рассказал заведующий лабораторией лазерных технологий ИТПМ СО РАН доктор технических наук Александр Маликов.
Ученый отметил, что совместная фундаментальная работа позволила получить для всех алюминий-литиевых сплавов, в том числе для сплава В-1469, прочностные свойства швов на уровне прочности основного материала. Более того, благодаря синхротронному излучению было изучено структурно-фазовое состояние сварного шва, а в процессе лазерного воздействия, ученые поняли, как оно изменилось.
При лазерной сварке металлов, под воздействием высокой температуры, в зоне плавления происходят различные структурные или фазовые превращения, по сути одно вещество трансформируется в другое. При каждой такой смене характеристики сплава меняются. Раньше для полного понимания закономерностей структурных превращений информации было недостаточно. Специалисты Сибирского отделения РАН впервые в мире применили синхротронное излучение в режиме реального времени на каждом этапе лазерной сварки и начали изучать процессы образования тех или иных структурных состояний, причин их трансформаций и переходов. Исследования были проведены в ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП СЦСТИ) ИЯФ СО РАН.
«При добавлении меди и лития происходит упрочнение алюминиевых сплавов – добавленные элементы рассредоточиваются в материале, выстраиваясь между зерен алюминия, и не дают им расплываться, можно сказать, цементируют их. После того, как при помощи лазерного воздействия мы получаем сварной шов, в материале, начинается обратный процесс – кристаллизация, в ходе которой алюминий вытесняет упрочняющие добавки. Все это похоже на школьный эксперимент с соленой водой, когда в процессе ее заморозки соль вытесняется и вода становится пресной. Вот и у нас все прочностные добавки уходят из алюминия, и шов становится хрупким. В ИТПМ подобрали температурные режимы лазерной сварки, при которых все возвращается обратно. При помощи СИ и экспериментов in situ мы увидели и подтвердили, что механизм работает и при определенных параметрах сварки структурное состояние, отвечающее за прочность сплава, можно вернуть», - добавил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Купер.
Зная это, и применив методы посттермообработки, специалистам удалось вернуть нужное фазовое состояние и получить прочный сварной шов.
«При этом, мы сумели сохранить прочность и самого сплава, – добавил Александр Маликов. – Для сплава В-1469 мы получили еще один интересный результат. СИ показало, что при лазерном воздействии в шве концентрируется упрочняющая фаза, ее становится даже больше, чем в самом сплаве, но при этом шов все равно хрупкий. Почему так? И опять же, синхротронное излучение помогло ответить на этот вопрос. Оказалось, что вся фаза концентрируется на границе дендрита металла, а не равномерно распределена по объему. При помощи термообработки мы добились перераспределение упрочняющей фазы и получили предел прочности 550 Мпа».
Все материалы рубрики «Металлургия»
15.03.2023
