Исследование формирования структуры в процессе лазерной обработки алюминиевых сплавов, предназначенных для аддитивных технологий : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.01

Технологии аддитивного производства являются ключевым направлением развития получения металлических изделий благодаря ряду преимуществ: возможность изготовления деталей сложной формы с внутренними полостями и тонкими перегородками; существенная экономия материала за счет точного изготовления детали заданной формы по компьютерной модели, что не требует применения последующих операций точения, фрезеровки, резки; достижение более высокого уровня механических свойств благодаря повышенным по сравнению со стандартным литьем скоростям охлаждения, в условиях которых формируется более дисперсная структура [1-8]. Технологии аддитивного производства основаны на селективном сплавлении частиц металлического порошка твердотельным лазером непрерывного действия слой за слоем, что позволяет получать объемные изделия. Большой интерес представляют сплавы на основе алюминия и изготовление из них различных изделий ответственного назначения методами аддитивного производства. Однако особенности аддитивного производства, связанные с применением лазерного излучения, накладывают целый ряд ограничений на материалы, пригодные для этих технологий. Прежде всего, сплавы должны иметь малую склонность к образованию дефектов при лазерной сварке (трещин, пор, оксидных плен); иметь высокую коррозионную стойкость с учетом условий эксплуатации; обладать стабильными свойствами при различных видах нагружения (статических, динамических).
В настоящее время разработаны порошки для аддитивных технологий на основе систем Al-Si (AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, AlMg4,5Mn0,4, Al-11,5Si-1,0Mg- 1,2Cu-0,8Zr-0,8Ce (патент RU 2661525)), Al-Mg-Sc (Al-4,7Mg-0,7Mn, Al-6,2Mg-0,36Sc- 0.09Zr, Al-4,6Mg-0,66Sc-0,42Zr-0,49Mn, Al-4,3Mg-1,4Sc-0,55Zr-0,7Mn (патент WO 2013179017)), Al-Zn-Mg (AA7075, АА7050), Al-Cu-Mg (Al-3,5Cu-1,5Mg-1Si), Al-3,5Cr- 1,0Al2O3-3,5Zr-2,0Mn-1,0W (патент RU 2080406). Однако реальное применение имеет только порошок силумина марки AlSi10Mg и порошок Al-4,6Mg-0,66Sc-0,42Zr-0,49Mn (Scalmalloy) [9-29], которые обладают высокими показателями технологичности при лазерном сплавлении. Разработка новых сплавов для аддитивных технологий является важной задачей, однако сильно затруднена необходимостью получения специальных порошков из экспериментальных сплавов, а также высокой стоимостью 3D принтеров. В связи с этим актуальной задачей является разработка методики, позволяющей проводить анализ поведения сплавов в условиях лазерной обработки, оценивать склонность сплавов к образованию различных дефектов с минимальными затратами времени и материала, получая при этом воспроизводимые в условиях аддитивного производства результаты.
4
Наиболее перспективными материалами для аддитивных технологий могут быть алюминиевые сплавы с добавками переходных металлов. Из практики гранульной металлургии известны следующие системы: Al-Fe, Al-Cr-Zr, Al-Fe-Mn, Al-Fe-Mn-Cr, Al- Mn-Zr. Гранулируемые сплавы этих систем содержат до 10-12 масс. % каждого из легирующих компонентов. Отличительной особенностью этих сплавов является дендритный тип структуры и аномально пересыщенный твердый раствор, который формируется при высоких скоростях кристаллизации гранул, равных 103-105 С/с[30-35]. Такие сплавы характеризуются высокой прочностью и жаропрочностью, а также пластичностью. Скорости охлаждения гранул близки к тем, которые реализуются в аддитивных технологиях. Однако производство гранул исключает эпитаксиальный рост кристаллов, характерный для синтезированных аддитивными технологиями сплавов. Аддитивные технологии основаны на процессах сплавления малых объемов металлических порошков во время селективного воздействия источника высокой энергии (лазерного или электронного луча). Благодаря использованию лазера в качестве источника энергии формируется уникальный термический режим, отличающийся малыми объемами ванны расплава и высокими скоростями охлаждения, равными 104 – 106 К/с [34-39]. Благодаря этому структура формируемая в изделиях отличается высокой дисперсностью матрицы и избыточных фаз и как следствие более высоким уровнем характеристик механических свойств. Однако, как показывает практика, структура синтезированных изделий сильно неоднородна по объему, размер и форма зерна и избыточных фаз может сильно меняться от слоя к слою. Как правило она состоит из чередующихся зон столбчатых и равноосных кристаллов [40-42]. Разный размер и форма структурных составляющих указывают на разные условия кристаллизации малых объемов расплава. Одним из важных преимуществ аддитивных технологий перед традиционными технологиями является возможность управления структурой изделий от слоя к слою. Множество статей посвящено этому вопросу. Ученые предлагают различные способы, которые в основном сводятся к варьированию технологических параметров процесса: уменьшению анизотропности структуры за счет чередования траектории сканирования лазерного луча от слоя к слою, подогреве подложки для снижения температурного градиента на границе расплав/твердый металл что уменьшает направленность теплоотвода и как следствие сокращению зоны столбчатых кристаллов [43-45]. К сожалению, описанные методы малоэффективны и не решают проблему неоднородности структуры. В работе предлагается иной подход в вопросе управления структурой, который заключается в изменении процесса зародышеобразования в процессе кристаллизации. Подавление
5

эпитаксиального роста кристаллов возможно путем увеличения центров зарождения кристаллизующихся фаз за счет использования различных модификаторов.
Цель работы
Целью работы является разработка методики, позволяющей проводить анализ структурообразования в сплавах в условиях быстрой кристаллизации, и применение этой методики для улучшения технологичности известных и создания новых алюминиевых сплавов, предназначенных для аддитивных технологий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Изучить закономерности структурообразования в сплавах на основе алюминия в зависимости от мощности лазерного излучения в условиях быстрой кристаллизации с учетом эпитаксиального роста.
2. Установить влияние температуры подложки на морфологию и размер избыточных фаз, а также размер зерна в многокомпонентных системах.
3. На основании полученных данных разработать методы позволяющие моделировать условия структурообразования в аддитивном производстве при лазерной обработке, а именно:
– выбор параметров лазерной обработки, которые обеспечивают формирование оптимальной структуры на основе анализа микроструктуры, включая форму и размер зерна и избыточных фаз;
– методика оценки свариваемости;
– анализ процессов, приводящих к дефектообразованию.
4. На основе разработанной методики предложить способы улучшения
технологичности алюминиевых сплавов с широким эффективным интервалом кристаллизации и разработать новые сплавы на основе алюминия с добавками переходных металлов, предназначенные для аддитивного производства.
Научная новизна
1. На основе экспериментальных данных предложена схема формирования структуры в условиях многократного переплава малых объемов металла, согласно которой важнейшими факторами, оказывающими влияние на структурообразование, являются не только температура основного металла, окружающего ванну расплава, контролирующая скорость роста фаз от границы с подложкой, но и количество центров кристаллизации вдали от подложки.
6

2. Установлены особенности образования однородной дисперсной структуры сплавов системы Al-Mg-Zr-Sc при лазерной обработке, которые заключаются в том, что в условиях умеренного переохлаждения ванны расплава при плотностях энергии 60- 135Дж/мм3 происходит образование первичных кристаллов фазы Al3Zr, являющихся центрами кристаллизации, что приводит к уменьшению влияния направленного теплоотвода и подавлению столбчатой кристаллизации.
3. Установлена взаимосвязь между концентрациями модификаторов Ti и B и структурой и механическими свойствами сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg, формирующимися в условиях быстрой кристаллизации после лазерного плавления. Ti и B полностью подавляют столбчатую кристаллизацию только при концентрации больше 2 %, что приводит к формированию мелкодисперсной однородной структуры, а также повышению твердости на 20 % (до 100 HV).
4. С применением разработанной методики предложены новые сплавы на основе системы Al-Fe-Ni для аддитивного производства, характеризуемые высокой технологичностью при лазерной обработке, высоким уровнем характеристик механических свойств, и их термической стабильностью до температур 250 С.
Практическая значимость
1. Разработана методика анализа структурообразования в многофазных сплавах в условиях быстрой кристаллизации, реализуемых в аддитивном производстве, позволяющая сделать заключение о возможности использования исследуемых сплавов для технологии селективного лазерного сплавления на основе данных микроструктурного анализа, оценки свариваемости и механических свойств.
2. С использованием предложенной методики описаны способы повышения технологичности сплавов с широким эффективным интервалом кристаллизации при лазерной обработке. Впервые предложено вводить лигатуру Al-5%Ti-1%B в количестве 1- 3% в сплав Al-4,7%Mg-0,3%Mn-0,2%Sc-0,1%Zr и для его использования в аддитивном производстве. Показано, что в присутствии фаз Al3Ti, TiB2 меняется характер кристаллизации сплава, что приводит к равномерному распределению жидкой фазы в эффективном интервале кристаллизации и уменьшению горячеломкости при лазерной обработке.
3. Предложены составы новых композиций на основе системы Al-Fe-Ni, перспективных для создания изделий, пригодных для эксплуатации при температурах до 250 С, методами аддитивного производства.
7

Апробация работы
Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены
На XVI Международной научно-технической Уральской школе-семинаре
металловедов-молодых ученых, г. Екатеринбург, 7-11 декабря, 2015;
На Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии
функциональных материалов НФМ 16, г. Санкт-Петербург, 21-25 июня, 2016;
На IV Всероссийской молодежной школе-конференции «Современные
проблемы металловедения», г. Севастополь, 12-17 сентября 2016, 101-107;
На XVII Уральской школе-семинаре металловедов молодых ученых, г.
Екатеринбург, 5-9 декабря, 2016;
На 8 международном симпозиуме по волоконным лазерам и их применению
Laser Optics 2016;
На III Международной конференции “Лазерные, плазменные исследования и
технологии”, г. Москва, 24-27 января 2017 года;
На 24 Международном симпозиуме по метастабильным, аморфным и
наноструктурным материалам, г. Сан-Себастьян, Испания, 18-23 июня 2017.
Результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях.
Структура и объем научного доклада
Текст диссертационной работы состоит из 5 глав, 4 выводов. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц и 96 рисунков, список литературы из 156 наименований.