Ученые Пермского Политеха доказали перспективность ультразвукового воздействия при наплавке изделий из алюминиевых сплавов

В настоящее время аддитивные технологии используются в различных высокотехнологичных областях промышленности. Технология трехмерной наплавки является многообещающей для изготовления крупногабаритных заготовок изделий и позволяет достичь значительной экономической эффективности. Это особенно важно при производстве изделий из конструкционных материалов высокой стоимости, таких как алюминий-магниевые сплавы. Такие сплавы применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей.

Однако процесс трехмерной электродуговой наплавки проволочных материалов еще не изучен в полной мере, что отображается на качестве производимых изделий.

Для алюминий-магниевых сплавов насущными проблемами при трехмерной наплавке является высокая пористость и дефекты геометрии. Для решения данной проблемы ученые Пермского Политеха предлагают метод ультразвукового воздействия.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Стин», 2023, №6. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

В своей работе ученые провели исследование влияния вибрационного воздействия на геометрические размеры и макроструктуру получаемого материала в процессе наплавки проволокой из алюминий-магниевого сплава. Предварительно было выполнено цифровое моделирование образцов с воздействием ультразвуковых колебаний.

Аддитивное формирование образцов политехники производили с использованием двух технологий: СМТ-дуговая и плазменная наплавка проволочного материала. СМТ-дуговая наплавка – это процесс, который позволяет производить наплавку металла с меньшим нагревом подложки по сравнению с другими электродуговыми способами наплавки. При плазменной наплавке в качестве источника нагрева используется плазма, которая представляет собой вещество в сильно ионизированном состоянии.

Учеными был проведен эксперимент. Были созданы восемь  одиночных валиков (металлические образцы) с различным расположением источника ультразвукового колебания. По каждой технологии, СМТ-наплавке и плазменной наплавке, создавалось 4 валика, сначала без воздействия ультразвуковых колебаний, потом с ультразвуковым колебанием горизонтально вдоль направления наплавки, далее горизонтально поперек направления наплавки и вертикально.

Ученые выяснили, что вибрационное воздействие действительно сказывается на геометрии наплавленных валиков. При СМТ-наплавке формируются более высокие валики меньшей ширины, а валики, полученные плазменной наплавкой, в 1,5 раза ниже, но ширина гораздо больше.

 – Результаты экспериментов показали хорошее совпадение на качественном уровне с результатами предварительного моделирования. Так же, как и в цифровой модели, наплавленные валики имеют наибольшую ширину при горизонтальных колебаниях поперек наплавления наплавки. При колебаниях подложки в вертикальной плоскости высота валика повышается вместе с уменьшением его ширины, – рассказывает научный сотрудник кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» Максим Карташев.

Исследователи также проанализировали макроструктуру наплавленного материала. Анализ показал, что при всех вариантах наплавки СМТ, независимо от наличия и направления приложения ультразвукового воздействия, по краям наплавленных валиков наблюдается нерасплавленная оксидная пленка. А при всех вариантах плазменной наплавки оксидная пленка полностью расплавляется.

Оксидная пленка – это прозрачная плотная пленка на поверхности металла, она надежно его защищает от активного окисления. Однако наличие оксидной пленки на поверхности металла затрудняет процесс сварки, из-за чего в дальнейшем ее приходится удалять.

Ученые выяснили, что вибрационное воздействие с торца поперек направления наплавки приводит к снижению количества пор в наплавленном металле. Ультразвуковое воздействие при плазменной наплавке приводит к сокращению общего числа пор, но способствует укрупнению отдельных из них.

Таким образом, исследование ученых показывает перспективность применения дополнительного ультразвукового колебания в процессе наплавки для улучшения геометрических размеров и снижения вероятности образования внутренних дефектов в алюминий-магниевых сплавах.