Формирование композиционных материалов с металлической матрицей на основе алюминиево-магниевого сплава посредством внедрения упрочняющих порошковых частиц из медных сплавов при фрикционной перемешивающей обработке

В работе исследуется модифицирование поверхности алюминиевого сплава АМг6БМ порошками медных сплавов методом фрикционной перемешивающей обработки. Анализируется влияние состава порошка на механические свойства образцов. Исследуется влияние количества проходов при перемешивании на качество модифицированного слоя.

Введение ………………………………………………………………………………………………. 10
1. Обзор и анализ литературы……………………………………………………………… 12
1.1 Способы модификации и упрочнения алюминиевых материалов и сплавов
…………………………………………………………………………………………………………….. 12
1.2 Сущность процесса сварки трением с перемешиванием алюминиевых
сплавов …………………………………………………………………………………………………. 15
1.3 Сущность метода перемешивающей фрикционной обработки …………….. 24
1.4. Влияние модификаторов на структуру и механические свойства
материалов, полученных методом фрикционной перемешивающей обработки
…………………………………………………………………………………………………………….. 32
2. Объект и метод исследования …………………………………………………………….. 39
2.1 Оборудование и материалы ………………………………………………………………. 39
2.2 Методика проведения эксперимента ………………………………………………….. 41
2.3 Проведение исследований макроструктуры образцов сплава АМг6БМ … 45
2.4. Исследование влияния состава армирующего компонента на
механические свойства АМг6БМ ……………………………………………………………. 52
3. Выводы …………………………………………………………………………………………….. 59
Заключение …………………………………………………………………………………………… 60
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 64
Введение ………………………………………………………………………………………………. 64
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения ……… 65
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………… 65
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений …………………………………… 65
4.1.3 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………… 68
4.2 Планирование научно-исследовательских работ ………………………………… 72
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования …………………………… 72
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ и разработка графика
проведения ……………………………………………………………………………………………. 74
4.3 Бюджет научно-технического исследования ………………………………………. 78
4.3.1 Расчет материальных затрат научно- исследовательской работы ………. 79
4.3.2 Расчет амортизации специального оборудования …………………………….. 81
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………………. 83
4.3.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы …………………….. 84
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды …………………………………………….. 85
4.3.6 Накладные расходы ……………………………………………………………………….. 85
4.3.7 Бюджетная стоимость НИР …………………………………………………………….. 86
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования …………………….. 87
4.4.1 Интегральный показатель финансовой эффективности …………………….. 87
4.4.2 Интегральный показатель ресурсоэффективности ……………………………. 88
4.4.3 Интегральный показатель эффективности вариантов исполнения
разработки ……………………………………………………………………………………………. 89
Выводы по разделу………………………………………………………………………………… 91
5 Социальная ответственность ……………………………………………………………….. 94
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности. …….. 94
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ………………………………………………………… 94
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя. ………………………………………………………………………………………. 95
5.2 Профессиональная социальная безопасность. …………………………………….. 96
5.2.1 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект
исследования. ……………………………………………………………………………………….. 96
5.2.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые могут возникнуть в
лаборатории при проведении исследований…………………………………………….. 96
5.2.2.1 Отклонение показаний микроклимата ………………………………………….. 98
5.2.2.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны ………………………………….. 99
5.2.2.3 Воздействие химических веществ ………………………………………………… 99
5.2.2.4 Электрический ток ……………………………………………………………………. 101
5.2.2.5 Опасность возникновения пожара ………………………………………………. 102
5.2.3 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия опасных
и вредных факторов. ……………………………………………………………………………. 102
5.2.3.1 Отклонение показаний микроклимата ………………………………………… 102
5.2.3.2 Недостаточная освещенность …………………………………………………….. 103
5.2.3.3 Химические вещества ……………………………………………………………….. 105
5.2.3.4 Электрический ток ……………………………………………………………………. 106
5.2.3.5 Опасность возникновения пожара ………………………………………………. 106
5.3 Экологическая безопасность. ………………………………………………………….. 107
5.3.1 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду. ………. 107
5.3.2 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду. …….. 107
5.3.3 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды. …………….. 107
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………. 108
5.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований. ……………………………………………………………………………………… 108
5.4.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований. ……………………………………………………………………. 108
5.4.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка
действия в случае возникновения ЧС. …………………………………………………… 109
5.4.3.1 Загрязнение АХОВ и ОВ ……………………………………………………………. 109
5.4.3.2 Пожар ………………………………………………………………………………………. 109
5.5 Заключение по разделу «Социальная ответственность» …………………….. 110
Список публикаций ……………………………………………………………………………… 112
Список литературы ……………………………………………………………………………… 113
ПРИЛОЖЕНИЕ А ……………………………….. Ошибка! Закладка не определена.

1.Ma, Z.Y. Friction Stir Processing Technology: A Review. Metall.
Mater. Trans. A 2008, 39, 642–658.
2.Mishra, R.S.; Ma, Z.Y. Friction stir welding and processing. Mater. Sci.
Eng. R Reports 2005, 50, 1–78.
3.Li, K.; Liu, X.; Zhao, Y. Research Status and Prospect of Friction Stir
Processing Technology. Coatings 2019, 9, 129.
4.W˛eglowski, M.S. Friction stir processing – State of the art. Arch. Civ.
Mech. Eng. 2018, 18, 114–129.
5.Padhy, G.K.; Wu, C.S.; Gao, S. Friction stir based welding and
processing technologies – processes, parameters, microstructures and applications:
A review. J. Mater. Sci. Technol. 2018, 34, 1–38.
6.Mishra, R.S.; Ma, Z.Y. Friction stir welding and processing. Mater. Sci.
Eng. R Reports 2005, 50, 1–78.
7.Tarasov, S.Y.; Rubtsov, V.E.; Fortuna, S.V.; Eliseev, A.A.;
Chumaevsky, A.V.; Kalashnikova, T.A.; Kolubaev, E.A. Ultrasonic-assisted aging
in friction stir welding on Al-Cu-Li-Mg aluminum alloy. Weld. World 2017, 61,
679–690.
8.Kalashnikov K.N., Tarasov S.Y., Chumaevskii A.V., Fortuna S.V.,
Eliseev A.A., Ivanov A.N. Towards aging in a multipass friction stir–processed
АА2024 // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. –
Vol. 103. – Iss. (5-8). – P. 2121-2132.
9.Azimi-Roeen G., Kashani-Bozorg S.F., Nosko M., Švec P. Reactive
mechanism and mechanical properties of in-situ hybrid nano-composites fabricated
from an Al–Fe2O3 system by friction stir processing. Materials Characterization,
2017, vol. 127, pp. 279–287.
10. Singh S.K., Immanuel R.J., Babu S., Panigrahi S.K., Janaki Ram G.D.
Influence of multi-pass friction stir processing on wear behaviour and machinability
of an Al-Si hypoeutectic A356 alloy. Journal of Materials Processing Technology,
2016, vol. 236, pp. 252–262. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.05.019.
11. Калашникова Т.А., Гусарова А.В., Чумаевский А.В., Княжев Е.О.,
Шведов М.А., Васильев П.А. Закономерности формирования материалов с
композитной структурой с использованием аддитивной электронно-лучевой
технологии,сваркитрениемсперемешиваниемифрикционной
перемешивающейобработки//Обработкаметаллов(технология-
оборудование – инструменты). – 2019. – Т. 21, № 4. – С. 94-112
12. Tarasov S.Yu., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. A proposed diffusion-
controlled wear mechanism of alloy steel friction stir welding (FSW) tools used on
an aluminum alloy // Wear. – 2014. – Vol. 318 (1–2). – P. 130–134.
13. Васильев П.А., Шведов М.А., Смирнов В.М., Христофоров О.В.,
Григорьев В.С. Сварка трением с перемешиванием биметаллического
соединения 6082-АМг5. Журнал «Сварщик в России» г. Москва. 2018. № 1. с.
6-8.
14. Friction-stir welding of ultra-fine grained sheets of Al-Mg-Sc-Zr alloy
/ S. Malopheyev, S. Mironov, V. Kulitskiy, R. Kaibyshev // Materials Science and
Engineering: A. – 2015. – Vol. 624. – P. 132–139.
15. Superplasticity of friction-stir welded AlMg-Sc sheets with ultrafine-
grained microstructure / S. Malopheyev, S. Mironov, I. Vysotskiy, R. Kaibyshev
//Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 649. – P. 85–92
16. Fullerene/A5083 composites fabricated by material flow during friction
stir processing / Y. Morisada, H. Fujii, T. Nagaoka, K. Nogi, M. Fukusumi //
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2007. – Vol. 38. – P.
2097–2101. – DOI: 10.1016/j.compositesa.2007.07.004.
17. Lee C.J., Huang J.C. High strain rate superplasticity of Mg based
composites fabricated by friction stir processing // Materials Transactions. – 2006.
– Vol. 47. – P. 2773–2778.
18. Dixit M., Newkirk J.W., Mishra R.S. Properties of friction stir-
processed Al 1100-NiTi composite // Scripta Materialia. – 2007. – Vol. 56. – P. 541–
544.
19. Microstructure and mechanical property of multi-walled carbon
nanotubes reinforced aluminum matrix composites fabricated by friction stir
processing / Q. Liu, L. Ke, F. Liu, C. Huang, L. Xing // Materials and Design. –
2013. – Vol. 45. – P. 343–348.
20. Курицын Д.Н. Разработка технологического обеспечения сварки
трением с перемешиванием в производстве аэрокосмических конструкций:
диссертация на соиск. ст. канд. наук (05.07.02) / Курицын Денис Николаевич;
МАИ. – Москва, 2018. – 177 с.
21. Volpone M., Mueller S.M. Friction stir welding (FSW): le ragioni di un
successo// Rivista Italiana della Saldatura. – 2005. – №1. – Р. 23 – 30.
22. Dalle Donne C., Lima E., Wegener J. et al. Investigation on residual
stresses in friction stir welds// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding
Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
23. Zykova, A. P.; Tarasov, S. Y.; Chumaevskiy A.V.; Kolubaev, E. A. A
Review of Friction Stir Processing of Structural Metallic Materials: Process,
Properties, and Method. Weld. World 2020, 1-40.
24. Овчинников, В.В. Технологические особенности сварки трением с
перемешиваниемалюминиевыхимагниевыхсплавов(обзор)//
Машиностроение и инженерное образование. – 2016. – №4. – С. 22–45.
25. Дриц, А.М., Овчинников, В.В., Бакшаев, В.А. Критерии выбора
параметров режима сварки трением с перемешиванием тонких листов из
алюминиевого сплава 1565ч. // Цветные металлы. – 2018. – №1. – С.85–93.
26. P.B. Srinivasan, K.S. Arora, W. Dietzel, S. Pandey, M.K. Schaper,
Characterisation of microstructure, mechanical properties and corrosion behaviour
of an AA2219 friction stir weldment, Journal of Alloys and Compounds, 492 (2010)
631-637.
27. Genevois C, Deschamps A, Denquin A, Doisneau-coottignies B.
Quantitativeinvestigation of precipitation and mechanical behaviour for AA2024
frictionstir welds. Acta Mater 2005;53:2447–58.
28. Deng Y. Effects of Sc and Zr on mechanical property and
microstructure of tungsten inert gas and friction stir welded aerospace high strength
Al–Zn–Mg alloys / Y. Deng, B. Peng, G. Xu, Q. Pan, Z. Yin, R. Ye, Y. Wang, L.
Lu // Materials Science & Engineering A. – 2015. – V. 639. – P. 500–513.
29. Kalashnikova, T., Chumaevskii, A., Kalashnikov, K., Fortuna, S.,
Kolubaev, E., Tarasov, S. Microstructural analysis of friction stir butt welded Al-
Mg-Sc-Zr alloy heavy gauge sheets // Metals. – 2020. Vol. 10(6). – article 806. – P.
1-13.
30. Mahoney, M. W. Properties of friction-stir-welded 7075 T651 / M. W.
Mahoney, C. G. Rhodes, J. G. Flintoff, R. A. Spurling, W. H. Bingel // Metallurgical
and Materials Transactions A. – 1998. – V. 29. – P. 1955-1964.
31. ЕлисеевА.А.МеханическиесвойствасплаваАМг5в
ультрамелкозернистомсостоянии,полученногоперемешивающей
фрикционной обработкой листового проката различной толщины / А. А.
Елисеев, Т. А. Калашникова, А. В. Филиппов, К. Н.Калашников, В. А.
Белобородов, А. В. Чумаевский // Фундаментальные исследования. – 2016. –
№ 12-2. – С. 278-283.
32. J.K. Sahu, C.K. Sahoo, M. Masanta, In-situ TiB-TiC-AlO composite
coating on aluminium by laser surface modification, Mater. Manuf. Process. 30
(2015) 736–742.
33. O. Sarikaya, S. Anik, S. Aslanlar, et al., Al-Si/B4C composite coatings
on Al-Si substrate by plasma spray technique, Mater. Des. 28 (2007) 2443–2449.
34. H.X. Li, V.S. Rudnev, X.H. Zheng, et al., Characterization of Al2O3,
ceramic coatings on 6063 aluminum alloy prepared in borate electrolytes by micro-
arc oxidation, J. Alloys Compd. 462 (2008) 99–102
35. Zykova, A. P., Tarasov, S. Y., Chumaevskiy, A. V., & Kolubaev, E. A.
(2020). A review of friction stir processing of structural metallic materials: Process,
properties, and methods. Metals, 10(6), 1-35. [772].
36. F. Khodabakhshi, A.P. Gerlich, P. Švec, Fabrication of a high strength
ultra-fine grained Al-Mg-SiC nanocomposite by multi-step friction-stir processing,
Mater. Sci. Eng. A 698 (2017) 313–325.
37. M.A. Moghaddas, S.F. Kashani-Bozorg, Effects of thermal conditions
on microstructure in nanocomposite of Al/Si3N4 produced by friction stir
processing, Mater. Sci. Eng. A 559 (2013) 187–193.
38. F. Khodabakhshi, S.M. Arab, P. Švec, et al., Fabrication of a new Al-
Mg/graphene nanocomposite by multi-pass friction-stir processing: dispersion,
microstructure, stability, and strengthening, Mater. Charact. 132 (2017) 92–107.
39. F. Khodabakhshi, S.M. Arab, P. Švec, Reactive friction-stir processing
of an Al-Mg alloy with introducing multi-walled carbon nano-tubes (MW-CNTs):
microstructural characteristics and mechanical properties, Mater. Charact. 131
(2017) 359–373.
40. M.A. Munoz-Morris, J.I. Rexach, M. Lieblich, Comparative study of
Al-TiAl composites with different intermetallic volume fractions and particle sizes,
Intermetallics 13 (2005) 141–149.
41. C.J. Hsu, P.W. Kao, N.J. Ho, Ultrafine-grained Al-Al2Cu composite
produced in situ by friction stir processing, Scr. Mater. 53 (2005) 341–345.
42. I.S. Lee, P.W. Kao, N.J. Ho, Microstructure and mechanical properties
of Al-Fe in situ nanocomposite produced by friction stir processing, Intermetallics
16 (2008) 1104–1108.
43. C.J. Hsu, C.Y. Chang, P.W. Kao, Al-Al3Ti nanocomposites produced
in situ by friction stir processing, Acta Mater. 54 (2006) 5241–5249
44. F. Khodabakhshi, A. Simchi, A.H. Kokabi, et al., Friction stir
processing of an aluminum-magnesium alloy with pre-placing elemental titanium
powder: in-situ formation of an Al3Ti-reinforced nanocomposite and materials
characterization, Mater. Charact. 108 (2015) 102–114.
45. F. Khodabakhshi, A. Simchi, A.H. Kokabi, Surface modifications of an
aluminum-magnesium alloy through reactive stir friction processing with titanium
oxide nanoparticles for enhanced sliding wear resistance, Surf. Coat. Technol. 309
(2016) 114–123.
46. M. Azizieh, D. Iranparast, M.A.G. Dezfuli, et al., Fabrication of
Al/Al2Cu in situ nanocomposite via friction stir processing, Trans. Nonferrous
Metals Soc. 27 (2017) 779–788.
47. Guoqiang Huang, Wentao Hou, Junping Li, Yifu Shen, Development
of surface composite based on Al-Cu system by friction stir processing: Evaluation
of microstructure, formation mechanism and wear behavior, Surface and Coatings
Technology 344 (2018) 30–42.
48. И.Г. Видяев. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность
иресурсосбережение: учебно-методическоепособие/И.Г. Видяев,
Г.Н. Серикова,Н.А. Гаврикова,Н.В. Шаповалова,Л.Р. Тухватулина,
З.В. Криницына // Томск: Изд-во Томского политехнического университета,
2014. – 36 с.
49. ГОСТРИСО26000-2012.Руководствопосоциальной
ответственности. – М.: Стандартинформ, 2014. – 124 с.
50. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ
(ред. от 09.03.2021)
51. ПНДФ12.13.1-03Методическиерекомендации.Техника
безопасности при работе в аналитических лабораториях (общие положения). –
М., 2003. – 29 с.
52. ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
– М.: Стандартинформ, 2008. – 48 с.
53. СанПиН 2.2.4.548–96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений. – М.: Информационно-издательский центр
Минздрава России, 2001. – 20 с.
54. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к
обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды
обитания. – Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора
России, 2021. – 28 с.
55. СП 52.13330.2016. Естественное и искусственное освещение.
Актуализированная редакция СНиП 23-05-95*. – М., 2016. – 102 с.
56. ГОСТ 12.1.007-76 ССБТ. Вредные вещества. Классификация и
общие требования безопасности. – М.:Стандартинформ, 2007. – 6 с.
57. ПУЭСО153-34.20.120–2003.Правилаустройства
электроустановок (ПУЭ). – М., 2003. – 330 с.
58. ГОСТ12.1.038-82ССБТ.Электробезопасность.Предельно
допустимые уровни напряжений прикосновения и токов. – М.: ИПК
Издательство стандартов, 2001. – 7 с.
59. ГОСТ12.1.019-2017ССБТ.Электробезопасность.Общие
требования и номенклатура видов защиты – М.: Стандартинформ 2019. – 20 с.
60. ГОСТ12.1.004-91ССБТ.Пожарнаябезопасность.Общие
требования. – М: Стандартинформ, 2006. – 64 с.
61. ГОСТ Р 55878-2013. Спирт этиловый технический гидролизный
ректификованный. Технические условия. – М.:Стандартинформ, 2014. – 18 с.
62. ГОСТ 701-89. Кислота азотная концентрированная. Технические
условия. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 10 с.
63. ГОСТ 3118-77. Реактивы. Кислота соляная. Технические условия.
– М.: ИПК Издательство стандартов, 1997. – 10 с.
64. ГОСТ10484-78.Реактивы.Кислотафтористоводородная.
Технические условия. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. – 10 с.
65. ГОСТ 12.4.103-83 Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Одежда специальная защитная, средства индивидуальной защиты ног
и рук. Классификация. – М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. – 5 с.
66. СНиП 2.01.02-85* Противопожарные нормы. – М.: Госстрой
СССР, 1991. – 16 с.
120