Full Text

Объем применения конструкций из алюминиевых сплавов в различных отраслях постоянно растет. Разработка новых технологий изготовления изделий из алюминиевых сплавов, обеспечивающих улучшенные эксплуатационные характеристики и высокие экономические показатели, является актуальной задачей. Исследователи идут по двум направлениям: разработка новых сплавов и совершенствование технологий изготовления готовых изделий. Для изготовления сложнопрофильных габаритных изделий используют литейные и сварочные технологии или их комбинацию. Изделия в зависимости от назначения изготавливаются из различных сплавов, которые могут значительно отличаться по составу и свойствам. Алюминиевые сплавы делятся на две большие группы: деформируемые и литейные. Литейные сплавы по совокупности механических характеристик, как правило, уступают деформируемым сплавам. Деформируемые и литейные сплавы, в свою очередь, подразделяют на упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые термической обработкой. Аддитивные технологии (АТ), или технологии послойного синтеза - одно из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Использование таких технологий для изготовления металлических конструкций позволяет значительно ускорить решение задач технологической подготовки производства и выпуска готовой продукции. Большими возможностями для выращивания металлических заготовок обладают наплавочные технологии. Для этих целей могут использоваться дуговые, лазерные, электронно-лучевые, плазменные и другие технологии[6] [1-3]. Материал для наплавки может быть в виде порошка или проволоки (прутков). Получение заготовок с минимальным припуском на механическую обработку определяется точностью траектории движения рабочего инструмента и поддержанием заданного поперечного сечения наплавляемой дорожки. Высокие служебные характеристики обеспечиваются формированием заданной структуры и свойств металла конструкции (определяются временем пребывания металла в расплавленном состоянии, величиной зоны сплавления между слоями, скоростью нагрева и охлаждения металла в нижних слоях и др.). Постоянный подогрев формируемого изделия при наложении слоев может затруднять получение требуемых размеров наплавляемых слоев и желательной структуры получаемого металла. Широкие возможности для решения перечисленных задач предоставляют технологии наплавки с использованием концентрированных источников энергии [3-6]. В настоящее время делаются успешные попытки использования лазерной порошковой наплавки для изготовления ответственных конструкций из различных материалов. Наряду с неоспоримыми преимуществами лазерные аддитивные технологии имеют ряд существенных недостатков: низкий КПД процесса, остаточная пористость, особенно при работе с активными металлами, высокие требования к дисперсности порошка, высокая стоимость оборудования [6]. Производительность формирования деталей из порошковых материалов в существующих аддитивных технологиях остается низкой, что ставит под сомнение перспективы применения этих технологий для производства крупногабаритных изделий. Особенно это касается конструкций из алюминиевых сплавов, для которых общей проблемой аддитивных технологий является обеспечение надлежащей микроструктуры синтезированного материала и устранение дефектности. В ряде исследований [7-9] показано, что пористость зависит как от материала, так и от параметров режима сплавления. Например, для алюминиевых сплавов пористость может достигать 15 %. Использование присадочной проволоки в качестве рабочего материала позволяет избавиться от проблем, связанных с низкой производительностью существующих методов, высокой стоимостью применяемого оборудования, ограниченностью типов применяемых материалов, обусловленной использованием порошковых систем. В качестве дополнительного преимущества присадочная проволока имеет значительно меньшую удельную площадь поверхности, чем порошковые материалы, и менее склонна к окислению и поглощению влаги или загрязняющих веществ. Важным является доступность весьма широкого по составу спектра проволок, стоимость которых существенно ниже, чем стоимость материалов в порошковом состоянии. При аддитивном формировании заготовок возможно использование деформируемых алюминиевых сплавов, которые в силу низких литейных свойств не используются для отливок. Наибольшее применение при использовании проволок в качестве присадочных материалов находят дуговые технологии наплавки: аргонодуговая плавящимся и неплавящимся электродами. Использование дуговых технологий для алюминиевых сплавов сопровождается рядом проблем, обусловленных как особенностями свариваемого материала, так и ограниченными возможностями указанных процессов. Среди них низкая производительность при наплавке сечений повышенных значений толщины, дефектность наплавленного металла, особенно по границам сплавления, анизотропия свойств наплавленного металла, трудность удержания жидкой ванны из-за высокой жидкотекучести расплавленного металла. Характерными дефектами при дуговой наплавке алюминиевых сплавов являются: газовая пористость, оксидные пленки, вольфрамовые и другие включения, горячие и холодные трещины, несплавления, раковины и ряд других. Причины их возникновения достаточно широко освещены в технической литературе [10, 11]. Необходимо отметить высокие требования к качеству подготовки свариваемого и присадочного материалов, а также к производственным условиям (температура, влажность, скорость движения воздуха и проч.), которые необходимо соблюдать при производстве ответственных конструкций. При изготовлении габаритных изделий с повышенной толщиной наплавляемых стенок (больше 10-15 мм) сталкиваются с проблемой поддержания требуемых тепловых параметров, при которых обеспечивается надежное сплавление металла слоев и удержание жидкой ванны от растекания. Среди дуговых способов СМТ процесс применительно к аддитивным технологиям имеет ряд неоспоримых преимуществ [12, 13]. CMT - это модифицированный вариант сварки плавящимся электродом в защитном газе, основанный на механизме управляемого режима передачи металла в сварочную ванну за счет использования импульсного тока и возвратно-поступательного движения проволоки. Система обратной подачи проволоки синхронизирована с высокоскоростным цифровым управлением, которое определяет длину дуги, короткую замыкающую фазу и теплопередачу в зону сварки [12]. Этот процесс обеспечивает отсутствие разбрызгивания металла, стабильность формирования шва, минимальную теплопередачу в зону обработки и может найти применение при изготовлении заготовок из различных металлов. Однако СМТ-процесс имеет свои недостатки: сравнительно низкая производительность из-за использования проволоки малых диаметров, наличие внутренней дефектности (поры, включения). Использование плазменной наплавки обеспечивает ряд преимуществ как с технологической, так и с экономической точки зрения [11, 14, 15]. К ним можно отнести высокую производительность, регулирование в широких пределах теплопередачи в основной и наплавляемый материалы и, как следствие, управление глубиной и шириной проплавления, структурой, составом и свойствами формируемого материала. Решить многие проблемы наплавки алюминиевых сплавов, повысить производительность при высоком качестве позволяет плазменная наплавка постоянным током обратной полярности. Плазменная наплавка током обратной полярности обеспечивает очистку поверхности предыдущего слоя от загрязнений за счет эффекта катодного распыления, хорошее смачивание и растекание жидкого металла при минимальном нагреве поверхности. При этом обеспечивается получение слоистых материалов с благоприятной структурой без внутренних дефектов. Кроме того, сравнительная простота и невысокая стоимость оборудования для плазменной наплавки должны обеспечить интерес производственников к использованию. Применение метода послойного синтеза позволяет использовать деформируемые алюминиевые сплавы для получения сложнопрофильных изделий. Использование новых сплавов для аддитивного производства обеспечит получение сложных ответственных конструкций с повышенными эксплуатационными характеристиками. В данной работе представлены результаты исследования аддитивного формирования изделий из алюминиевого сплава 1580 с использованием плазменной наплавки током обратной полярности. Таблица 1 Химический состав наплавочной проволоки 1580 Марка алюминиевого сплава Содержание элементов, мас. % Mg Mn Cr Zr Sc Fe Zn Прочие Al Сплав 1580 4,815 0,515 0,156 0,115 0,079 0,179 0,205 0,086 Основа При послойной наплавке изделий с вертикальными элементами достаточной высоты необходимо обеспечивать квазистатическую устойчивость жидкой ванны, определяемую балансом гравитационных, капиллярных сил и силового воздействия сжатой дуги. Размеры ванны жидкого металла, а следовательно, гравитационные и капиллярные силы определяются тепловой обстановкой в зоне воздействия сжатой дуги. Теплоотвод от рабочей зоны зависит от многих факторов: мощности сжатой дуги, скорости наплавки, диаметра и скорости подачи присадочной проволоки, расстояния наплавляемого слоя от подкладной плиты, поперечного сечения наплавляемой стенки, химического состава проволоки, качества защиты и ряда других. Поддержание равновесного теплового и силового баланса в зоне обработки - достаточно сложная задача. Для ее решения необходима текущая корректировка режимных параметров наплавки или периодическая остановка процесса для охлаждения наплавляемого изделия. Корректировкой режимных параметров можно выйти на режим теплового равновесия, при котором обеспечивается стабильность процесса послойной наплавки. Необходимо учитывать то, что размеры ванны жидкого и перегретого металлов в конечном итоге определяют структуру и свойства металла, а также качество защиты поверхности, которое влияет на дефектность наплавляемых слоев. Описание тепловых процессов и определение условий равновесного удержания ванны расплавленного металла при послойной наплавке остались за пределами данной статьи. Технологии, исследовательские методики и материалы В результате предварительных исследований были подобраны режимы наплавки, позволяющие формировать сложные изделия с различным пространственным расположением элементов. Исходным материалом для наплавки была выбрана проволока 1580 (химический состав наплавочных материалов представлен в табл. 1). Подготовка проволоки была выполнена электрохимической полировкой, диаметр проволоки 1,2 мм. Наплавка выполнялась током обратной полярности. Производительность наплавки составила 3 кг/ч. После наплавки были проведены структурные исследования наплавленного материала, зон сплавления между слоями с применением световой микроскопии (металлографический микроскоп «Альтами-587»). Испытания прочностных свойств проводили в соответствии с ГОСТ 9454-78, испытательный комплекс INSTRON 5982, анализ химического состава проводили методом спектрального анализа по ГОСТ 7727-81. Заготовки и изделия, полученные аддитивной технологией плазменной наплавки на токе обратной полярности Внешний вид диска автомобильного колеса и переходника, полученных плазменной аддитивной наплавкой, до и после механической обработки показаны на рис. 1, 2. а б в Рис. 1. Изготовление диска автомобильного колеса: а - внешний вид, б - вид внутренней полости, в - внешний вид после механической обработки а б Рис. 2. Переходник: а - внешний вид после наплавки, б - после токарной обработки внешней поверхности Формирование заготовки производилось без остановов на охлаждение. Для обеспечения бездефектной боковой поверхности припуск на механическую обработку составлял 1,5 мм. Исследования микроструктуры и механических свойств наплавленного металла Для проведения исследований механических характеристик наплавленного металла, макро- и микроструктурных исследований были наплавлены заготовки в виде плоской стенки, из которой были вырезаны образцы для испытаний. На рис. 3 показана макроструктура наплавленных слоев верхней (а) и нижней (б) частей стенки. На макрошлифах просматриваются участки усиленного роста дендритов, причем преимущественно в нижней части наплавки. В верхней части наплавки это менее выражено, что объясняется снижением влияния эффекта термоциклирования и повторного нагрева металла по мере выращивания стенки. а б Рис. 3. Макроструктура наплавленных слоев верхней (а) и нижней (б) частей стенки На рис. 4 показана микроструктура наплавленных слоев верхней (а) и нижней (б) частей стенки при разном увеличении. Структура представляет собой алюминий-магниевый твердый раствор, отдельные частицы первичной β-фазы (Al3Mg2) на границах зерен, где также встречаются скопления первичных интерметаллидов Al3(Sc,Ti), Al3(Sc,Zr), Al3Sc. Участки с разной травимостью на микроструктуре нижней части наплавки (см. рис. 4, б) еще раз свидетельствуют о том, что многократно повторяющиеся циклы нагрева металла предыдущих слоев при наложении последующих приводят к эффекту усиления направленного роста дендритов или целых колоний дендритов, причем тем сильнее, чем чаще это повторяется. Микроструктура верхней части наплавки (см. рис. 4, а) более мелкодисперсная, с большей обьемной долей выделения β-фазы по границам зерен - до 2,5 %. Кроме того, очевидно, что изменилась морфология β-фазы и упрочняющих интерметаллидных фаз типа Al3(Sc1-хZrх). Этот вывод согласуется с данными работы [16], в которой установлено, что выдержка при температуре 450-500 °С приводит к коагуляции (укрупнению) размеров частиц Al3(Sc1-хZrх). Особенно хорошо это видно из сравнения фрагментов структур с частицами сопоставимых размеров (около 5 мкм) у металлов, полученных при аддитивной плазменной наплавке (рис. 5, а) и по традиционным технологиям (рис. 5, б). а б Рис. 4. Микроструктура наплавленных слоев верхней (а) и нижней (б) частей стенки при увеличении ´100 и ´200 а б Рис. 5. Укрупнившаяся частица интерметаллидной фазы Al3(Sc1-хZrх): а - в наплавленном слое нижней части стенки, б - в деформированном и отожженном металлах [16] Таблица 2 Химический состав наплавленного металла 1580 Наименование образца Содержание элементов, мас. % Mg Mn Cr Zr Sc Fe Zn Прочие Al Стружка наплавленного материала 1580 4,80-5,21 0,526 0,118 0,063 0,065 0,123 <0,001 0,60 Основа Таблица 3 Механические свойства наплавленных материалов Материал и состояние образца sв, МПа s0,2, МПа d, % j, % Сплав 1580, плазменная наплавка Наплавка 1 294 192 24,5 33,5 Наплавка 2 296 193 25,0 27,0 Сплав Р-1580, литье [21] Литой пруток 312 183 9,1 - Сплав Р-1580, прокатка [21] Горячедеформированное 369 266 16 - Холоднодеформированное 453 429 5 - Сплав Р-1580, прокатка + отжиг [21] Отожженное 390 277 14 - Существенная коагуляция интерметаллидных фаз при наплавке отмечается только в нижних слоях заготовок, и, скорее всего, она может привести к снижению положительного эффекта дисперсионного упрочнения в этих зонах. В связи с этим целесообразно предусмотреть несколько начальных технологических проходов, которые будут удаляться окончательной механической обработкой. Химический анализ наплавленного металла, выполненный на образце в виде стружки, приведен в табл. 2. Пониженное содержание циркония и скандия в наплавленном металле, по сравнению с проволокой, обьясняется тем, что эти металлы из твердорастворной фазы перешли в интерметаллидные включения. Основные механические свойства наплавленных материалов приведены в табл. 3. Сравнение по механическим свойствам образцов, полученных послойной плазменной наплавкой, с металлом, полученным традиционными технологиями литья и ОМД [16-21], показывает, что предел прочности наплавок находится на уровне свойств литого материала, уступая деформированному; предел текучести наплавок превосходит характеристики литого на 2-5 %; пластичность наплавленного металла существенно превосходит как пластичность отливок - в 2-3 раза, так и пластичность отожженных прокатанных полуфабрикатов - в 1,5 раза. Выводы 1. Проведенные исследования показали, что метод послойного синтеза с применением плазменной наплавки позволяет использовать деформируемые алюминиевые сплавы типа 1580 для получения сложнопрофильных изделий. 2. Установлено, что плазменная наплавка обеспечивает относительную стабильность структурного и фазового состава материала предшествующих слоев под воздействием термических циклов, последующих по мере формирования заготовки. Зафиксировано незначительное увеличение объемной доли упрочняющих и избыточных фаз. 3. Установлено, что прочностные пределы наплавок находятся на уровне свойств литого материала, уступая деформированному; пластичность наплавленного металла существенно превосходит как пластичность отливок - в 2-3 раза, так и пластичность отожженных прокатанных полуфабрикатов - в 1,5 раза.

About the authors

Yu. D Shchitsin

Perm National Research Polytechnic University

E. A Krivonosova

Perm National Research Polytechnic University

S. D Neulubin

Perm National Research Polytechnic University

T. V Olshanskaya

Perm National Research Polytechnic University

R. G Nikulin

Perm National Research Polytechnic University

E. M Fedoseeva

Perm National Research Polytechnic University

S. A Terentyev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 102

PDF (Russian) - 72

Refbacks

• There are currently no refbacks.