Статья: Исследование механизмов центробежного распыления на основе модельного эксперимента (2024)

Повышение качества поверхности оболочек из алюминиевых сплавов, подвергающихся высоким нагрузкам, остается актуальной задачей, для решения которой используются различные методы. Для алюминиевых сплавов наибольшее распространение получило дробеструйное упрочнение. В статье исследуются усталостные характеристики алюминиевых сплавов 2024-T4 и 2024-T361 после дробеструйного упрочнения и без него при комнатной и повышенной температуре (250 °C). Полученные результаты хорошо согласуются с ранее опубликованными данными, предоставляя полезную информацию о поведении этих сплавов при повышенных температурах. Была разработана математическая модель, объединяющая кривую усталости «напряжение – количество циклов до разрушения», амплитуду нагрузки, температуру и твердость поверхности, подвергнутой дробеструйному упрочнению. Полученные с использованием этой модели результаты были сравнены с гипотезой Майнера для оценки усталостной долговечности. Было установлено, что новая модель обеспечивает более точные прогнозы усталостной долговечности, чем гипотеза Майнера, тем самым повышая надежность и безопасность разработанных на ее основе компонентов при высокотемпературных условиях эксплуатации.

Изучалось влияние состава сплавов (мягкой стали и алюминия) на несколько параметров обработки, таких как температура, сила резания, шероховатость поверхности и морфология стружки. Значительные изменения этих параметров были обнаружены путем модификации сплавов при поддержании постоянных условий процесса. В мягкой стали скорость вращения влияла на морфологию стружки, при этом повышенные скорости приводили к образованию непрерывной стружки, а пониженные скорости – к образованию более короткой стружки. Увеличенный передний угол влияет на свойства стружки, что приводит к небольшому уменьшению ее длины. При заданной скорости вращения на длину стружки влияла сила резания. Алюминиевые сплавы, напротив, непрерывно производили непрерывные фрагменты стружки независимо от скорости резания или переднего угла. Были выбраны коэффициенты корреляции переменных, разработана эффективная регрессионная модель и применена к экспериментальным данным. Модель случайного леса показывает, что выбор материала существенно влияет на температуру, силу резания, шероховатость поверхности и морфологию стружки во время обработки. Получены данные о корреляции между передним углом инструмента и другими параметрами обработки, выявлены факторы, влияющие на качество поверхности. Результаты способствуют лучшему пониманию свойств обработанной поверхности, что облегчает оптимизацию операций обработки для различных материалов.

При разработке технических требований к сплавам важно применять комплексный подход. Сочетая аналитическое и имитационное моделирование, можно уменьшить технологические риски на этапе создания или изменения требований. Реализация данного подхода напрямую зависит от степени учета всех факторов, включенных в модели, а также от их влияния на изменчивость характеристик. Однако известные модели не дают удовлетворительной сходимости с реальными промышленными сплавами. На примере сложнолегированной латуни ЛМцАЖКС (CuZn13Mn8Al5Si2Fe1Pb) предложен подход, позволяющий описать изменчивость структурного состояния многокомпонентных латуней. Анализ статистических данных химического состава и микроструктуры промышленных партий позволил установить, что матричный раствор сплава представляет собой (a+β)-латунь и соответствует соотношению фаз при 700 °C на политермическом псевдобинарном разрезе диаграммы Cu–Zn–Mn5Si3. Методами рентгеноспектрального анализа исследовано распределение легирующих элементов в основных фазах. Подтверждена полная связанность железа в силицидах и равномерное распределение марганца в горячепрессованном состоянии. Предложен расчет доли кремния, входящего в твердый раствор. Измеренная плотность сплава составляет 7650 кг/м3, расчетная плотность матричного раствора – 8100 кг/м3. На основании уточненных параметров универсальной модели методом Монте-Карло оценили изменчивость микроструктуры в зависимости от требований к химическому составу. Причиной нестабильноости технологических свойств является значительная изменчивость соотношения a- и β-фаз. Содержание a-фазы в сплаве изменяется от 37,5 до 66,5 %, β-фазы – от 17,5 до 55,2 %. Имитационная модель, разработанная в рамках исследования, предоставляет возможность не только анализировать существующие сплавы, но и предсказывать поведение новых сплавов, что является критически важным для оптимизации технологических процессов и улучшения эксплуатационных свойств материалов.

Представлен новый способ равноканального углового прессования (РКУП) с использованием мощных ультразвуковых колебаний (УЗК). Разработано оригинальное устройство ультразвукового РКУП, в котором волновод с матрицей выполнены как единое целое, а элементы крепления волновода расположены в узловой плоскости механических смещений стоячей волны, возбуждение которой происходит непосредственно в матрице и заготовке в процессе прессования. Впервые предложено передавать УЗК в зону пересечения каналов матрицы, через которые перемещается заготовка, не через пуансон, а посредством возбуждения колебаний в самой матрице, т. е. матрица одновременно является волноводом продольных УЗК. Это позволило многократно повысить эффективность ультразвукового воздействия за счет снижения сил трения между поверхностью заготовки и поверхностью каналов матрицы, а также за счет снижения деформационных усилий в зоне пересечения каналов матрицы, где происходит простой сдвиг деформируемого металла. В результате по сравнению с известными способами ультразвукового РКУП, в которых снижение усилия прессования составляет менее 15 %, возбуждение УЗК непосредственно в волноводе – матрице позволило снизить усилие прессования в 1,5–4 раза. При этом существенно меняется и структура прессуемых материалов: уменьшается размер зерен и их кристаллографические ориентировки, увеличивается микротвердость. Изменения фазового состава для всех образцов, полученных РКУП с УЗК и по обычной технологии, не наблюдается.

Сплавы на основе магния являются современным материалом для изготовления биорезорбируемых (саморастворяющихся) хирургических имплантатов. Магний – металл с наиболее отрицательным из всех конструкционных материалов электродным потенциалом −2,37 В. Это означает, что близкое расположение имплантатов из магниевых и, например, титановых сплавов будет приводить к возникновению гальванического эффекта и ускоренной электрохимической коррозии магния. Однако неизвестно, как влияет соотношение площадей изделий из титана и магния на проявление этого эффекта. Данная работа посвящена этому вопросу. В приведенном исследовании цилиндрические образцы биорезорбируемых магниевых сплавов ZX10 и WZ31 располагались в физиологическом растворе Рингера на расстоянии 3 см от образца из сплава медицинского назначения Ti6Al4V такой же формы и размера. Во время испытания поддерживалась температура коррозионной среды 37 °С. Серия экспериментов включала в себя коррозионные испытания длительностью трое суток с участием одного, двух или четырех магниевых образцов, таким образом, соотношение площадей титанового и магниевого сплава составляло 1:1, 1:2 и 1:4. Выявлено, что для обоих магниевых сплавов при увеличении соотношения площадей эффект от электрохимического воздействия значительно снижается, что выражено в уменьшении скорости коррозии. В то же время влияние присутствия Ti6Al4V на скорость коррозии для сплава WZ31 существенно слабее, чем для ZX10, что объясняется наличием в сплаве LPSO-фазы, а также более легированной и, соответственно, имеющей более положительный электродный потенциал матрицей.

Применение магнетронных распылительных систем с протяженными неохлаждаемыми мишенями позволит разработать промышленные импортозамещающие технологии формирования термобарьерных покрытий на основе оксида циркония, легированного оксидами редкоземельных металлов, для решения актуальных задач газового турбостроения. В работе приведены результаты сравнения технологии получения термобарьерных покрытий методом магнетронного распыления с двумя типами протяженных мишеней из сплава Zr–8%Y – широко распространенной и применяемой охлаждаемой мишенью и разрабатываемой авторами неохлаждаемой протяженной мишенью магнетронной распылительной системы. Приведено сравнение результатов масс-спектрометрических исследований гистерезиса парциального давления кислорода, свойственного технологии получения оксидных пленок; влияния типа мишени на скорость роста покрытия; исследований методом растровой электронной микроскопии структуры термобарьерных покрытий; элементного состава покрытий на основе диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия – YSZ. Экспериментально установлено, что повышение температуры мишени магнетронной распылительной системы позволяет в 2 раза уменьшить ширину петли характерного гистерезиса зависимости парциального давления кислорода от его расхода. Полученные зависимости позволили определить диапазон значений расхода кислорода при различных мощностях магнетронного разряда, при которых работа может производиться с устойчивым и стабильным управлением процессом, без опасности попадания в гистерезис. Проведенные металлографические исследования показали характерную развитую пористую дендритную структуру керамического слоя, необходимую для снижения коэффициента теплопроводности термобарьерного покрытия. Выявлено, что применение неохлаждаемой мишени позволяет повысить скорость осаждения термобарьерного покрытия более чем в 10 раз по сравнению со скоростью осаждения для охлаждаемой мишени. Полученные результаты демонстрируют возможность применения технологии магнетронного распыления протяженной неохлаждаемой мишени для формирования керамического слоя термобарьерных покрытий.

Впервые изучены фазовый состав, микротвердость и тонкая структура (α+β)-титанового сплава ВТ23 со стабильной и метастабильной β-фазой после деформации в камере Бриджмена кручением под давлением 4 ГПа при комнатной температуре. Установлено, что микротвердость сплава в зависимости от истинной степени деформации в условиях высокого гидростатического давления меняется по кривой с максимумом. Выявлена роль инициированного напряжением βм→α“ мартенситного превращения в формировании структуры и микротвердости сплава при кручении под давлением. Наибольшая микротвердость сплава со стабильной β-фазой составила 395 HV 0,05, а с метастабильной – 470 HV 0,05. При этом максимум микротвердости метастабильного сплава по сравнению со стабильным был смещен в область меньшей истинной деформации е=2,6. Использование методов рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии позволило проследить эволюцию структуры сплава при деформации под давлением, заключающуюся в измельчении по сравнению с закаленным состоянием пластин α- и α“-фаз, а также в развитии деформационных βм→α“ и α“→βм мартенситных превращений. Увеличение степени деформации кручением под давлением до е=7,7…7,9 независимо от деформационной стабильности β-фазы приводит к снижению микротвердости сплава до уровня 185…205 HV 0,05, что связано с развитием процесса динамической рекристаллизации и формированием равноосных наночастиц α-фазы размером 20…50 нм. Выявленные при кинетическом индентировании различия в кривых нагружения – разгружения соответствовали характеру изменения микротвердости сплава ВТ23 в зависимости от температуры закалки и степени истинной деформации.

Основной сложностью в использовании магниевых сплавов, применяемых в медицине в качестве биоразлагаемых материалов, является труднодеформируемость, что, в свою очередь, приводит к частым разрушениям образцов во время интенсивной пластической деформации. В работе показано, что температурный режим равноканального углового прессования (РКУП) магниевого сплава системы Mg–Zn–Ca, обеспечивающий деформирование образцов без разрушения, возможно определять по результатам конечно-элементного компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния заготовки, расчета поврежденности сплава c использованием модели Кокрофта – Лэтэма и прогнозирования области разрушения образца. Моделирование показало, что поверхностная область заготовки, примыкающая при РКУП к внутреннему углу матрицы, является областью возможного разрушения магниевого сплава. Значение поврежденности сплава при РКУП в этой области при T=350 °C меньше 1, что соответствует неразрушению металла. Для верификации результатов компьютерного моделирования выполнено физическое моделирование РКУП, получены заготовки без признаков разрушения. Произведено исследование механических свойств магниевого сплава Mg–1%Zn–0,06%Ca до и после обработки РКУП по выбранному режиму: предел прочности повысился на 45 %, твердость увеличилась на 16 %, при этом пластичность повысилась на 5 %.

При исследовании и анализе аддитивных технологий особое внимание уделяется повышению производительности и качества напечатанных изделий. Однако для повышения производительности 3D-печати нельзя просто увеличить скорость перемещения ракеля без изменения его формы или типа. Из-за этого может пострадать качество порошкового слоя, что приведет к ухудшению качеств конечной детали. Для исследования влияния характеристик ролика на нанесение порошкового слоя проведена серия компьютерных моделирований имитационных моделей. Оценка влияния характеристик ролика на нанесение порошкового слоя проводилась для диаметров ролика 30, 50, 70, 100, 150, 200, 250, 300 мм. Моделирование проводилось с тремя способами нанесения: вращающимся и невращающимся роликом, а также вращающимся роликом с подачей дополнительного порошка. Определено, что при нанесении слоя вращающимся роликом с дополнительной подачей порошка можно достичь постоянства сил, действующих на ролик. Это может положительно повлиять на однородность наносимого слоя. Нанесение слоя вращающимся роликом с дополнительной подачей порошка наиболее пригодно в 3D-принтерах с большой зоной построения. Данный способ позволяет избегать перемещения большой массы порошка по предыдущему слою, что положительно влияет на качество конечной детали. Выявлено влияние характеристик ролика на нанесение порошкового слоя. В частности, при увеличении диаметра ролика с 30 до 300 мм увеличивается и значение пиковой силы. При увеличении диаметра ролика на 7,9 % увеличивается и плотность порошкового слоя. Выявлено, что на невращающийся ролик действует наибольшая сила, а силы, действующие на вращающиеся ролики, незначительно отличаются. Вращающийся ролик без добавления порошка создает наиболее плотный слой и позволяет добиться уплотнения порошкового слоя на 5,35 %.