Заготовка из алюминиевого сплава, полученная аддитивной электродуговой наплавкой Российский патент 2023 года по МПК C22C21/06 C22C1/51 B33Y70/00 B33Y10/00 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу и технологии получения заготовок и деталей из сплавов на основе алюминия.

Алюминиевые сплавы широко применяются в авиастроении и космической техники. Они обладают высокой пластичностью, но невысокими механическими свойствами (прочностью).

Известен алюминиевый сплав АМг₅, содержащий в %: Fe 0,16, Si 0,12, Mn 0,66, Ti 0,08, Mg 5,2, Be 0,004, Cu 0,05, Zn 0,09 Al и неизбежные примеси остальное, полученный, электрометаллургическим способом (см. Белецкий В.М. Алюминиевые сплавы. Состав, свойства, технология и применение. Справочник, М.: КОМИНТЕХ, 2005. - 256с.). Для повышения прочности и пластичности в него вводят также в % скандий 0,2-0,6, цирконий 0,5-1,0 и другие элементы (RU 2723578 C1).

Недостатком такого сплава является все же недостаточная прочность, хотя, например, за счет циркония она возрастает, а скандий резко повышает пластичность.

Алюминиевые сплавы можно также получать путем продувки газом расплава алюминия в емкости с образованием упрочняющих дисперсных частиц (оксидов), причем продувку газом осуществляют с помощью соплового блока (патент RU 2666197 C2), расположенного в донной части емкости, при этом подают газ, содержащий не менее 20 об.% кислорода, Достигается повышение прочности и износостойкости алюминиевых сплавов.

Однако получаемая структура является неоднородной, причем крупные оксиды раскалываются и образуют микротрещины, рост которых приводит к разрушению изделий.

В последнее годы появились методы аддитивных технологий, позволяющие также создавать новые материалы, послойно выращивая заготовки (изделия) при высокоэнергетическом воздействии (лазера, электронного луча и т.д.) на порошковую смесь, либо на проволоку из исходного материала (сырья), при этом возможно введение в расплав дисперсных частиц.

В настоящее время для производства металлических изделий методом быстрого прототипирования 3D-печати, используются следующие технологии (см. Кабалдин Ю.Г., Беляков В.В., Аносов М.С., Шатагин Д.А., Желонкин М.В. Обеспечение эксплуатационных свойств деталей, полученных аддитивным выращиванием, в автономных транспортных средствах при их использовании в условиях Арктики и Крайнегого Севера, под ред. Ю.Г. Кабалдина. - Нижегород. Гос. Техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева).

Селективное лазерное спекание (SLS) - рабочий материал металлический порошок.

Электронно-лучевая плавка (EBM, EBF3) - рабочий материал порошок, металлическая проволока.

Лазерная наплавка порошковых металлов (LENS) - рабочий материал металлический порошок.

Плазменная наплавка (PTA) - рабочий материал металлический порошок и проволока.

Электродуговая наплавка WAAM - рабочий материал проволока.

Самый производительный на наш взгляд и позволяющий получить хорошее качество материала метод, является технология WAAM. Для достижения заявленного состава материала с сварочную ванну дополнительно вводились легирующие частицы титана и циркония.

Наиболее близким к заявленному нами алюминиевого сплава, является сплав, описанный в журнале Nature (см. статью 3D-принтеры научили печатать высокопрочными алюминиевыми сплавами, Nature 549, 365-369, 2017. https://doi.org/10.1038/nature23894, Martin, J., Yahata, B., Hundley, J. et al. 3D printing of high-strength aluminium alloys), позволяющий повысить прочность алюминиевых сплавов. Он основан на использовании вместе с сырьем (порошок, проволока) дисперсных частиц, способных служить центрами кристаллизации зерен и тем самым обеспечивать отсутствие трещин и других дефектов при затвердевании жидкого расплава. В поисках подходящего материала, исследователи проанализировали огромное количество материалов. В итоге ученые остановились на гидриде циркония, который в результате физико-химических процессов при печати образует дисперсную фазу (интерметаллид) Al₃Zr. Множество этих частиц на поверхности частиц порошка служат центрами кристаллизации, которые обеспечивают образование мелких равноосных зерен и отсутствие трещин и полостей в конечном материале. С помощью этих частиц, ученые напечатали на 3D-принтере легкие, но в то же время прочные изделия из этих сплавов.

Однако повышение прочности, формируемой структуры алюминиевого сплава, содержащего интерметаллиды Al₃Zr, оказывается все же недостаточной. Это связано с тем, что микротрещины при усталостном нагружении сплава прорастают в процессе эксплуатации, что приводит к разрушению изделия.

Цель изобретения - повышение прочности и износостойкости алюминиевых сплавов.

Решаемая задача - совершенствование структуры алюминиевых сплавов за счет введении дисперсных частиц, обеспечивающих более высокие значения предела прочности и текучести.

Технический результат достигается тем, что алюминиевый сплав повышенной прочности, содержащий в %: Fe 0,16, Si 0,12, Mn 0,66, Ti 0,08, Mg 5,2, Be 0,004, Cu 0,05, Zn 0,09, Al, скандий 0,2-0,6, цирконий 0,5-1,0, частицы Al₃Zr и неизбежные примеси остальное, получен с использованием технологии аддитивного электродугового выращивания и дополнительно содержит интерметаллиды AlTi₃ до 3 по мас.% за счет чего обладает повышенной прочностью.

Это достигается дополнительным введением в состав алюминиевого сплава интерметаллидов AlTi₃. Для оценки механических свойств нового материала, проведены механические испытания, результаты которых приведены в таблице.

Анализ результатов испытаний, представленные в таблице показывает, что заявленный состав алюминиевого сплава показывает большие значения предела прочности на растяжение и предела текучести, пластичность при этом сохраняется по сравнению с прототипом (АМг5).

Таблица. Результаты испытаний Материал Температура испытания,
t, °C Предел текучести, σ_т Предел прочности, σ_в Относительное удлинение,
δ (%) МПа АМг₅, прототип +20 148 292 18 АМг₅ + AlTi₃ от 0,7 до 1 по мас. % +20 195 360 17 АМг₅ + AlTi₃ до 2 по мас. % +20 215 380 17 АМг₅ + AlTi₃ до 3 по мас. % +20 220 387 18 АМг₅ + AlTi₃ до 4 по мас. % +20 205 362 16

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу и технологии получения заготовок и деталей из сплавов на основе алюминия, и может быть использовано в авиастроении и космической технике. Заготовка из алюминиевого сплава, полученная методом аддитивного электродугового выращивания, при этом она получена из алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: Mg 5,2, Fe 0,16, Si 0,12, Mn 0,66, Ti 0,08, Be 0,004, Cu 0,05, Zn 0,09, скандий 0,2-0,6, цирконий 0,5-1,0, AlTi₃ до 3, Al и неизбежные примеси - остальное. Обеспечивается повышение значений предела прочности и текучести. 1 табл.

Заготовка из алюминиевого сплава, полученная методом аддитивного электродугового выращивания, отличающаяся тем, что она получена из алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: Mg 5,2, Fe 0,16, Si 0,12, Mn 0,66, Ti 0,08, Be 0,004, Cu 0,05, Zn 0,09, скандий 0,2-0,6, цирконий 0,5-1,0, AlTi₃ до 3, Al и неизбежные примеси - остальное.