| 16. |
Аннотация |
Интенсивное развитие регионов Арктики и Крайнего Севера обусловливает необходимость в разработке новых подходов к получению уникальных деталей сложных форм из хладостойких материалов для надёжной эксплуатации в составе технических объектов транспортной и энергетической инфраструктуры. При этом предлагаемые методы должны обладать высокой экономической эффективностью производства и гарантией качества готовой продукции. Наиболее полно удовлетворяющими данным требованиям являются сквозные цифровые и аддитивные технологии, реализующие принципиально новые методы проектирования и производства подобных изделий. Одним из таких методов является топологическая оптимизация изделий с учётом их функционального назначения и условий эксплуатации, а в качестве основного способа изготовления таких деталей рассматривается лазерное сплавление металлических порошков (SLM) и электродуговая наплавка проволокой (WAAM). Преимуществами технологии WAAM по сравнению с другими аддитивными технологиями являются: широкая номенклатура сварочной проволоки, сравнительно невысокая стоимость оборудования для электродуговой наплавки и возможность интеграции данной технологии в станки с ЧПУ с наименьшими затратами на переоборудование. Учитывая особенности процессов послойного выращивания изделия, открываются уникальные возможности получения не только оптимальной топологии детали, но и оптимальных физико-механических свойств за счёт комбинации слоев металлов с различным химическим составом и типом кристаллических решёток. Применение аддитивных технологий при изготовлении слоистых металлических композиций позволяет повысить надёжность и долговечность большой номенклатуры деталей и оборудования, а также существенно сократить расход высоколегированных сталей, дефицитных и дорогостоящих цветных металлов (никель, хром, медь, молибден и др.), снизить энергоёмкость и металлоёмкость. В настоящее время уже существуют композиционные слоистые материалы, выпускаемые серийно с применением методов литейного плакирования, диффузионной сварки, реакционного спекания фольг, горячей прокатки, сварки взрывом и т. д. Однако существуют значительные технологические и экономические ограничения применения данных методов при изготовлении топологически оптимизированных конструкций сложных форм в условиях единичного и мелкосерийного производства, особенно в труднодоступных регионах Арктики и Крайнего Севера. Решением данной проблемы может стать использование технологии WAAM, однако на данный момент остаётся ряд неразрешённых вопросов, ограничивающих применение аддитивного электродугового выращивания слоистых композиционных материалов для эксплуатации в условиях низких температур. В частности, отсутствует оборудование с функцией быстрой переналадки наплавляемого материала и оптимизации режимов, способное интегрироваться в станки с ЧПУ. Недостаточно сведений по оценке влияния режимов 3D-печати на конечный состав, размеры, структуру, свойства слоёв и переходных зон в материале. Причём, именно состояние переходной зоны во многом определяет для слоистого композита возможность сопротивления распространению трещин и релаксации сопутствующих напряжений в материале, поэтому необходимы математические модели процесса аддитивного электродугового выращивания, позволяющие управлять параметрами переходной зоны в процессе наплавки за счёт вариации количества подводимой энергии и температурных градиентов в материале, которые во многом определяют кинетику процессов диффузии углерода, хрома, никеля и других химических элементов между слоями. Важную роль в обеспечении сплошности и бездефектной структуры на границе соединяемых материалов играют динамические процессы в системе «источник питания – электрическая дуга – сварочная ванна – материал», определяющие условия каплеобразования и переноса электродного материала, зоны кристаллизации и химические превращения в материале. Таким образом, необходима оперативная диагностика микрометаллургических процессов при формировании слоистых композиционных материалов. Данный факт обусловливает и необходимость в проведении дополнительного экспресс анализа свойств слоев и межфазной зоны композиционных материалов с целью оценки структурных изменений в уже готовом изделии. Необходимо учитывать тот факт, что надежность конструкций определяется не только механическими, но и усталостными характеристиками материала, сильно зависящих от температуры эксплуатации. Большинство деталей и конструкций работает в условиях усталостных нагрузок. Как показывает статистика около 80% поломок и аварий связаны именно с усталостным характером их нагружения. При этом количество факторов определяющих структурное состояние основных слоев и переходных зон возрастает по сравнению с процессом разрушения при статическом нагружении, поскольку к ним следует добавить: влияние частоты, асимметрии циклического нагружения, концентрации напряжений и т.д.. По этой причине, при синтезе слоистых композиционных материалов, актуальным является разработка моделей накопления повреждений и механизмов усталостного разрушения при низких температурах. Таким образом, остается нерешённой важная научная проблема синтеза и оценки структурного состояния хладостойких слоистых композиционных материалов, получаемых методом аддитивного электродугового выращивания. В связи с вышесказанным, целью данного проекта является разработка научно-обоснованных методов управления физико-механическими свойствами, моделей накопления повреждений и механизмов усталостного разрушения основных слоёв и переходных зон композиционных материалов при низких температурах, получаемых методом 3D-печати электродуговой наплавкой. Для достижения поставленной цели в проекте запланировано проведение широкого круга многофакторных экспериментальных исследований процесса аддитивного электродугового выращивания заготовок из слоистых композиционных материалов на станке с ЧПУ, их структуры и физико-механических свойств. В качестве основных материалов будут исследованы двух-, трёх- и пятислойные полиметаллические композиты, представляющие комбинации слоёв низкоуглеродистой стали, высоколегированной стали аустенитного класса, сплава на основе никеля и износостойкой низколегированной мартенситной стали. Базовыми исследуемыми системами будут композиции на основе слоев, преимущественно, с ОЦК и ГЦК кристаллическими решетками: 08Г2С+07Х25Н13; 08Г2С + NiCr20Mn3Nb (Inconel 600) + 08Г2С; NiCr20Mn3Nb+08Г2С+NiCr20Mn3Nb; 08Г2С+NiCr20Mn3Nb+07Г2Х. Выбор данных материалов обусловлен их функциональным назначением в производстве конструкций северного исполнения. Основной задачей является улучшение функциональных свойств основного слоя, получаемого из общедоступной сварочной проволоки Св-08Г2С, за счёт плакирования пластичными слоями из проволок Св-07Х25Н13 и ERNiCrMo-4, а также применение износостойкого плакирующего слоя, выращиваемого из проволоки, для упрочняющей наплавки 7Г2Х (DIN 8555). Также предполагается использование сплава NiCr20Mn3Nb в качестве диффузионного барьера в системе 07Х25Н13+NiCr20Mn3Nb+08Г2С+NiCr20Mn3Nb+07Х25Н13, препятствующего миграции атомов углерода на межслойных границах соединения разнородных сталей, в ходе циклических процессов упруго-пластической деформации. В ходе многофакторных экспериментальных исследований будут установлены зависимости между режимами электродуговой наплавки и физико-механическими свойствами, количественными показателями микроструктуры, фазового и химического состава слоёв и переходных зон в материале, а также показателями хладостойкости напечатанных образцов. Для этого будут проведены механические испытания выращенных слоистых композиционных материалов при низких температурах (до - 80 °C) на ударный изгиб, срез, а также поэтапные исследования на растяжение и усталостную прочность. Будет детально исследована эволюция структуры и процесс накопления повреждений в слоях и переходных зонах с применением структурно-чувствительных методов неразрушающего контроля: физической акустики (ультразвука), параметров акустической эмиссии и магнитного контроля. В ходе выполнения проекта будут установлены закономерности изменения характеристических параметров неразрушающих методов контроля и количественных показателей эволюции структуры металла на различных стадиях упругопластического циклического деформирования при низких температурах. Также будут выявлены наиболее чувствительные характеристические параметры и критерии предразрушения композиционных слоистых материалов. Будут применены методики оптической и электронной микроскопии для исследования структуры и морфологии переходных зон многослойных полиметаллических композиционных соединений, для количественного фрактографического анализа и оценки механизмов разрушения. Дополнительно будет произведена оценка прочности сцепления соединяемых материалов и микротвёрдости переходных зон. Проведение совместных металлографических, ультразвуковых, акустико-эмиссионных и магнитных исследований позволяет учесть комплекс структурных изменений на поверхности и в объёме материала, получить более полную информацию о фактическом состоянии циклически деформируемых слоистых композиционных металлических сплавов, полученных аддитивным электродуговым выращиванием, а также разработать новые модели накопления повреждений и механизмы усталостного разрушения при низких температурах. Для решения задачи управления свойствами основных слоев и переходных зон композиционных материалов будут разработаны цифровые модели на основе методов машинного обучения. Выбор данного метода обусловливается высокой сложностью исследуемой системы и возможностью получения больших статистических выборок разнородных данных. Реализация данного подхода планируется с применением глубоких рекуррентных искусственных нейронных сетей, способных работать с многомерными данными и временными рядами исторических наблюдений за эволюцией динамических систем. В качестве информативных источников о состоянии процесса 3D-печати будут использованы данные, полученные: с датчиков виброакустической эмиссии (ВАЭ) – для мониторинга кинетики процессов плавления и кристаллизации; силы тока и напряжения электрической дуги – для контроля за процессами тепломассопереноса и тепловизора – для построения кривых термических циклов и карт распространения тепловых полей. Таким образом, разработанный комплекс моделей машинного обучения позволит, на основе изменения оперативной телеметрической информации и серии исторических наблюдений, прогнозировать градиентные свойства слоистых композиционных материалов, а также за счет глубокой архитектуры и наличия деконволюционных слоев, осуществлять реконструкцию микроструктуры. Данные модели могут применяться как для выборы оптимальных режимов 3D-печати с целью получения заданных свойств слоистых композиционных материалов, так и реализовывать постоянный мониторинг процесса, обеспечивая гарантированное качество на всём протяжении изготовления изделия. Полученные модели могут быть использованы в рамках концепции сквозных цифровых технологий и применяться на этапах оптимизации конструкции (уточняя используемые численные методы), технологической подготовки производства, в процессе аддитивного электродугового выращивания и на этапе эксплуатации в составе интеллектуальных комплексов неразрушающего контроля нового поколения. Такой подход позволит сформировать цифровой слой практически на всех этапах жизненного цикла композиционных полиметаллических материалов. В качестве путей улучшения свойств слоистых композиционных материалов в проекте предусмотрено исследование дополнительной термической и вибрационной обработки. Вибрационная обработка будет осуществляться непосредственно в процессе 3D-печати за счёт подведения низкочастотных колебаний с использованием специально разработанного вибростола, а также высокочастотных колебаний с использованием ультразвуковых генераторов. Такая комбинация позволит реализовать управление свойствами материалов на различных структурных уровнях за счет создания дополнительных зон кристаллизации, перемешивания ванны с расплавом, уменьшения остаточных напряжений в материале, а также воздействия на кинетику процессов диффузии химических элементов, образование карбидных и интерметаллидных соединений в переходной зоне. Апробация предложенной технологии будет осуществлена путём изготовления топологически оптимизированной детали из слоистого композиционного материала для высоконагруженного элемента конструкции транспортного средства в северном исполнении. В ходе апробации будут произведены усталостные испытания полученной детали на специализированном стенде с количественной оценкой структурного состояния материала детали на различных этапах нагружения и при различных напряжениях в цикле.
Научная новизна проекта заключается в разработке технологии и научно-обоснованных методов синтеза и оценки структурного состояния новых хладостойких слоистых композиционных металлических материалов, получаемых методом аддитивного электродугового выращивания, с использованием подходов машинного обучения и неразрушающих методов контроля. Актуальность и значимость полученных результатов обусловливается социальной и экономической необходимостью решения указанной научной проблемы, развития технологий рационального природопользования и предотвращения техногенных аварий в стратегических регионах Российской Федерации. Разработанные методы и алгоритмы будут способствовать развитию многочисленных автономных производственных и сервисных площадок в труднодоступных регионах Арктики и Крайнего Севера и созданию нового поколения гибридных технологических систем аддитивного электродугового выращивания заготовок из хладостойких слоистых композиционных материалов. |