CC BY
13
_АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 620.186
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-4-5-13
НАПРЯЖЕНИЯ ТЕКУЧЕСТИ И ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЗАГОТОВОК ИЗ ПОРОШКОВОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА RS-356
Павел Александрович Петров1, канд. техн. наук, Во Фан Тхань Дат1, Фам Ван Нгок1, Игорь Андреевич Бурлаков И.А.1,2, докт. техн. наук, Нгуен Хань Тоан1, Дмитрий Константинович Рябов3
1Московский политехнический университет, Москва, Россия, petrov_p@mail.ru 2Производственный комплекс «Салют» АО «ОДК», Москва, Россия 3ООО «Институт Легких Материалов и Технологий», Москва, Россия,
dmitriy. ryabov2@rusal.com
Аннотация. Методом испытания на сжатие исследовано влияние термомеханических режимов пластической деформации на микроструктуру алюминиевого сплава RS-356, применяемого в аддитивном производстве. Получена реологическая модель исследуемого сплава и определены ее коэффициенты; модель рекомендуется для применения в специализированных компьютерных программах класса САЕ при моделировании операций обработки давлением сплава RS-356 после его селективного лазерного сплавления. Найдены рациональные режимы пластической деформации заготовок из сплава RS-356, обеспечивающие практически однородную мелкозернистую структуру материала.
Ключевые слова: алюминиевый сплав RS-356, аддитивное производство, микроструктура, компьютерное моделирование, программа QForm, реологическая модель, кривая текучести
Yield Stresses and Structural Change under Plastic Deformation of Billets Made from PM Aluminum Alloy RS-356. Cand. of Sci. (Eng.) Pavel A. Petrov1, Wo Fang Thang Dat1, Fam Wan Ngok1, Dr. of Sci. (Eng.) Igor' A. Burlakov1,2, Nguyen Hang Toan1, Dmitriy K. Ryabov3
1Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia, petrov_p@mail.ru
2»Salyut» Machine-Building Production Association, JSC «UEC», Moscow, Russia
3The Institute of Light Materials and Technologies, Moscow, Russia, dmitriy.ryabov2@rusal.com
Abstract. An influence of thermomechanical conditions of plastic deformation on the microstructure of RS-356 aluminum alloy used in additive manufacturing was studied by the compression test method. A rheological model of the investigated alloy was obtained and its coefficients were determined. The model is recommended for the use in specialized CAE programs to simulate the operations of plastic working of RS-356 alloy after selective laser melting. Rational conditions of plastic working of RS-356 alloy billets, which provide an almost uniform fine-grained structure of the material, are found.
Key words: RS-356 aluminum alloy, additive manufacturing, microstructure, computer simulation, QForm program, rheological model, yield curve
Введение
Механические свойства алюминиевых сплавов зависят от степени чистоты, вида и режимов их обработки, температуры и ряда других факторов [1]. В последнее время в связи с развитием аддитивных технологий широкое распространение начали находить порошковые материалы, в том числе алюминиевые. Применение аддитивных технологий (в англоязычной литературе - Additive Manufacturing, Additive Fabrication, или AM-AF-technologies) предполагает, что все стадии технологического процесса реализуются цифровой CAD/CAM/ CAE-системой, что существенно сокращает время на подготовку производства и снижает расход материала за счет обеспечения практически безотходной технологии. Материал получаемых аддитивным методом деталей обладает достаточно высокими механическими свойствами, чему способствует постоянное совершенствование оборудования и технологических процессов 3D-печати, а также особенности процесса кристаллизации. Применение топологической оптимизации конструкций позволяет существенно уменьшать их массу при сохранении эксплуатационных характеристик. Одним из широко распространенных алюминиевых сплавов для аддитивного производства деталей является сплав RS-356 (AlSi7Mg). Этот сплав обладает хорошими литейными свойствами и высокой производительностью при 3D-печати. После отжига заготовок материалы показывают хорошую прочность и удовлетворительную пластичность на уровне или выше свойств литейных аналогов системы Al-Si. Напечатанные изделия могут быть подвергнуты той же обработке, что и литые. Порошки производятся в соответствии с ТУ 24.42.00-002-44669951-2019. Исходные заготовки, полученные методом 3D-печати, могут иметь пористость до 1 %, для устранения которой применяют различные способы, в том числе пластическую деформацию при различных температурах или технологию изостатического прессования. Учитывая ограниченную информацию, посвященную данному вопросу, нами было выполнено настоящее исследование.
Цель работы - изучение влияния темпера-турно-скоростных режимов на структурообра-
зование заготовок из порошкового алюминиевого сплава марки РБ-356 при пластической деформации.
В процессе исследования были решены задачи:
- изготовлены и осажены образцы при комнатной и повышенных температурах и различных скоростях деформации;
- построена эмпирическая модель сопротивления порошкового алюминиевого сплава РБ-356;
- выполнено моделирование процесса осадки заготовок с учетом найденной эмпирической модели;
- выполнен анализ полученных данных.
Материалы и методы исследования
В качестве исследуемого материала был выбран порошковый алюминиевый сплав РБ-356, химический состав которого в % мас.: А1 - 92,6,
- 6,83, Мд - 0,29, Fe - 0,14, Т - 0,15. Сплав РБ-356 полностью идентичен зарубежному сплаву А^7Мд [2]. Данный сплав широко применяется в автомобилестроении при литье различных деталей легковых автомобилей.
Для получения реологической модели были изготовлены цилиндрические образцы диаметром и высотой 10 мм. Исходный материал для изготовления цилиндрических образцов -стержень диаметром 10 мм и длиной 100 мм, изготовленный по технологии селективного лазерного сплавления ^М) (рис. 1). Микроструктура исходного образца имеет характерный для технологии селективного лазерного сплавления чешуйчатый вид, обусловленный особенностями процесса печати - направленным перемещением лазерного луча при обработке исходного порошкового материала (рис. 2).
При изготовлении стержень ориентировался в установке SLM в плоскости ХУ рабочей платформы (см. рис. 1, а). После 3D-печати из стержня вырезали цилиндрические образцы диаметром 10 мм и высотой 10 мм для испытания на сжатие. Соответственно процесс сжатия проводился вдоль оси X относительно координат печати (см. рис. 1, б). Заготовки после печати дополнительно не термообрабатывали.
Образцы на сжатие испытывали на универсальных испытательных машинах моделей
О
то
а б
Рис. 1. Схема изготовления цилиндрических образцов алюминиевого сплава КБ-356
Х1000
Рис. 2. Структура исходного образца из порошкового алюминиевого сплава RS-356 (в): а - пример подготовленного микрошлифа (образец 1 и 2); б - схема вырезки микрошлифа из образца материала
LFM250 и LFM50 при температурах 20, 300, 400 и 450 °С. Испытания проводили со скоростями деформации е = 4 • 10-1, 10-2 и 10-3 с-1 при постоянной температуре в изотермических условиях без применения смазки. Скорость деформации в каждом испытании поддерживалась постоянной за счет перемещения траверсы, значение которого определяется формулой [3]:
= ^о - ехр(-е{0,
(1)
где Э, - перемещение траверсы испытательной машины, мм; е - скорость деформации, с-1; t - время, с;
- исходная высота образца исследуемого материала, мм.
Рассчитанное значение Э, передается в контроллер испытательной машины до начала испытания. Обработка результатов натурных испытаний проводится в соответствии с методикой, подробно описанной в работе [4].
Моделирование
На завершающем этапе обработки результатов натурных испытаний [4] выполняется постановка виртуального испытания (рис. 3) и, далее, реализуется метод инверсионного анализа или метод постановки обратной задачи [5].
План виртуального испытания соответствует вышеописанному плану натурного эксперимента. Каждое виртуальное испытание завершается сравнением экспериментальной и расчетной диаграммы силы (рис. 4).
Виртуальный эксперимент проводится до тех пор для заданных условий испытания, пока не будет достигнута требуемая сходимость расчетного и экспериментального зна-
Рис. 3. Образец после сжатия в виртуальном испытании (а) и натурном эксперименте (б)
22
20
18
16
14
о 12
10
8
о
6
4
2
1а 16
2а 26
/___
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Ход инструмента, мм
Рис. 4. Диаграмма силы (график «сила -ход инструмента») при сжатии цилиндрической заготовки из сплава RS-356 при температуре 300 °С (1) и 400 °С (2) со скоростью 0,01 с-1: а - расчетная диаграмма силы (QForm); б -экспериментальная диаграмма силы
чений силы деформирования. В нашем случае точность задается равной ±2,5 %. На рис. 4 продемонстрированы результаты виртуального и натурного испытаний на примере сжатия цилиндрического образца при 300 и 400 °С и скорости деформации 0,01 с-1.
Для моделирования испытания на сжатие был применен программный комплекс QForm [6]. Основные данные, заданные при постановке виртуального испытания в программе:
- деформируемый материал - сплав RS-356, результаты натурных испытаний;
- температура (исходная) нагрева цилиндрического образца 300 и 400 °С;
- температура (исходная) инструмента 300 и 400 °С;
- фактор трения 0,8 (в натурном эксперименте технологическая смазка не применялась).
Обсуждение результатов
Полученные испытанием на сжатие зависимости напряжения текучести от деформации при различных температурах и скоростях деформации представлены на рис. 5. Данные кривые текучести - результат обработки на-
300
0,2 0,3
Деформация е
Рис. 5. Экспериментальные зависимости напряжения текучести сплава RS-356 от деформации и температуры:
1, 2, 3 - 20 °С, скорости деформации 0,4; 0,01; 0,001 с-
4, 5, 6 - 300 °С, скорости деформации 0,4; 0,01; 0,001 с-1;
7, 8, 9 - 400 °С, скорости деформации 0,4; 0,01; 0,001 с-1;
10, 11, 12 - 450 °С, скорости деформации 0,4; 0,01; 0,001 с-1
-1
Таблица 1 Коэффициенты модели Хензеля-Шпиттеля для сплава КБ-356
Температурный интервал,°С А т1 т2 т3 т4 т5 т7 т8 т9
20-300 214,042 -0,0021 -0,3945 0,003 -0,0994 —0,0028 0,3474 6,77- 10-5 0,0501
400-450 10,597 -0,0086 -0,082 0,3438 -0,0204 —0,0026 0,8587 -0,0006 0,8813
турных испытаний по вышеописанной методике с постановкой виртуального эксперимента, являются изотермическими кривыми и могут быть использованы для разработки математической модели сопротивления сплава РБ-356 пластической деформации.
При разработке математической модели сплава РБ-356 была применена эмпирическая модель, предложенная Хензелем и Шпит-телем [7], которая устанавливает связь между напряжением текучести и термомеханическими параметрами:
а, = ДвхрКЛГ"9 е Г2* хехр(т4/е)(1 + е)тТ ехр(т7е)еГ3еГвГ,
где А, т1, т2, т3, т4, т5, т7, т8, т9 - неизвестные эмпирические коэффициенты модели сопротивления деформации, которые находили методом Левенберга-Маркардта с применением программы Ма^аЬ [8].
Найденные значения коэффициентов модели сведены в табл. 1. Область определения параметров модели: температура 20-300 °С и 400-450 °С; скорость деформации 0,001; 0,4 с-1; деформация (логарифмическая) 0,015; 0,48.
При температуре испытания 20 °С наблюдалось образование трещин на поверхности сжимаемых образцов при достижении деформации (логарифмической) е = 0,45-0,48 в зависимости от значения скорости деформации (табл. 2). Поэтому, вследствие необходимости
Таблица 2
Влияние термомеханических режимов осадки на структуру порошкового алюминиевого сплава КБ-356
Окончание табл. 2
300
0,56
0,001
300
0,46
0,01
300
0,31
0,4
400
0,46
0,001
400
0,34
0,01
400
0,48
0,4
10
450
0,63
0,001
11
450
0,62
0,01
12
450
0,54
0,4
4
5
6
7
8
9
создания реологическом модели материала в широком температурном диапазоне, учитывая ярко выраженный горизонтальный участок на кривых текучести (см. рис. 5), кривые текучести строили до е = 0,48.
Структура цилиндрических образцов после пластической деформации в различных термомеханических условиях приведена на рис. 6. Пластическая деформация приводит к изменению формы исходной микроструктуры. В процессе деформации исходная микроструктура чешуйчатого вида изменяет свою ориентацию; чешуйки вытягиваются в направлении течения деформируемого материала (см. табл. 2).
Анализ экспериментальных данных
Исходная структура образцов имеет чешуйчатую структуру, характерную для заготовок, полученных методом аддитивной технологии, с шириной чешуек на уровне 100 мкм и глубиной 50 мкм. Границы отдельных фрагментов структуры хорошо просматриваются; местами заметны несплошности. Деформация на величину е = 0,45-0,48 при комнатной
температуре со скоростями е = 0,001, 0,01 и 0,4 с-1 приводит к образованию дефектов, причем с повышением скорости от 0,001 до 0,4 с-1 трещинообразование становится более интенсивным (см. табл. 2). При осадке образцов в температурном интервале 300-450 °С нарушения сплошности образцов не наблюдается, что связано с повышением пластических характеристик металла, однако некоторые исходные несплошности в структуре металла сохраняются. Как видно на рис. 6, скорость деформации оказывает несущественное влияние на структурообразование во всем температурном интервале. Повышение температуры деформации заготовок от 20 до 450 °С позволяет существенно изменить структуру материала. В заготовке, осаженной при 450 °С и скорости деформации е = 0,4 с-1, наблюдается практически однородная структура, в которой менее выражена характерная для 3D-печати слоистость (см. рис. 6). Это явление происходит вследствие воздействия повышенной температуры деформации, так как в процессе печати формируется неравновесная метастабильная структура в синтезиро-
20 °с
300 °С 400 °с
Скорость деформации ё - 0,4 с-1
450 °С
Рис. 6. Изменение микроструктуры в образцах сплава RS-356 в зависимости от температуры и скорости деформации, х500
110
о 100
о
ES 90
8 80
о
ч
У" eg 70
S
60
* 50
40
• ное зна чение
^.............2
< ^ t
100
200 300 Температура, °С
400
500
HV100 = 110,58exp(-0,001 T).
(3)
Точность аппроксимации оценивается по величине коэффициента детерминации Я2 = = 0,8274, что позволяет описать 82,74 % наблюдений в диапазоне температуры от 20 до 450 °С.
Рис. 7. Изменение микротвердости в зависимости от температуры осадки:
1 - твердость исходного образца при 20 °С
(маркер красного цвета);
2 - твердость образцов после испытаний
(аппроксимация, формула (3))
ванном материале, которая при нагреве претерпевает существенные изменения в результате прохождения процесса диффузии. Это приводит к выделению из твердого раствора и укрупнению частиц кремния как на границе, так и в центре зоны трека, что хорошо описано в работе [9].
Исследование микротвердости по методу Виккерса с нагрузкой на индентор 100 г показало существенное влияние температуры, при которой деформировались заготовки (рис. 7). Так, например, при температуре деформирования заготовки 450 °С твердость снижается практически в 2 раза. Показатели твердости согласуются с данными других авторов [10]. Зависимость микротвердости (HV100) от температуры (Т) пластической деформации может быть аппроксимирована функцией вида:
Выводы
1. Проведенные экспериментальные работы по сжатию в изотермических условиях образцов из алюминиевого сплава РБ-356 для аддитивного производства при комнатной (20 °С) и повышенных (300, 400 и 450 °С) температурах с различными (е = 0,4; 0,01 и 0,001 с-1) скоростями деформации позволили определить рациональные режимы деформации заготовок, обеспечивающие практически однородную мелкозернистую структуру металла.
2. Результаты проведенных экспериментов показывают, что в диапазоне температур от 400 до 450 °С микротвердость исследуемого материала после его пластической деформации асимптотически стремится к значению 50 HV100. Аппроксимация (см. формулу (3)) позволяет выполнить расчет микротвердости в зависимости от температуры пластической деформации. Снижение микротвердости приводит к снижению напряжения текучести (см. рис. 5). Характер кривых текучести при температуре 400 и 450 °С показывает, что напряжение текучести практически не изменяется, что может быть следствием формирования однородной гомогенной структуры.
3. Найдена реологическая модель алюминиевого сплава РБ-356, устанавливающая зависимость между напряжением текучести и термомеханическими параметрами, на основе эмпирической модели, предложенной Хензе-лем и Шпиттелем. Значения коэффициентов модели представлены в табл. 1.
4. При разработке модели сплава РБ-356 использованы данные, полученные в натурных испытаниях (см. табл. 2); обработка результатов натурных испытаний основана на постановке виртуального эксперимента, выполненного с применением программы QForm. Разработанная реологическая модель исследуемого сплава рекомендуется к применению для моделирования процессов формообразования заготовок из порошкового алюминиевого сплава РБ-356.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беляев А.И. и др. Металловедение алюминия и его сплавов. М.: Металлургия, 1983. С. 280.
2. Liye Liang, Xuexin Pan, Guilan Wang, Haiou Zhang, Hao Zhang. Microstructure and mechanical properties of selective laser melted AlSi7Mg // Journal
of Physics: Conference Series. 1939 012041, 2021. Р. 1-6.
3. Петров П.А., Перфилов В.И. Исследование упрочнения алюминиевого сплава АМг6 на начальном участке кривой текучести при повышенных темпе-
ратурах // Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии. Труды 2-й Всероссийской научно-практической конференции / Под общей редакцией Мочалова С.П. Новокузнецк: СибГИУ, 2006. С. 205-212.
4. Петров П.А., Матвеев А.Г., Сапрыкин Б.Ю., Петров М.А., Бурлаков И.А., Диксит У.Ш. Повышение надежности технологического процесса штамповки с кручением изделий из алюминиевого сплава // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2021. № 4. С. 3.
5. Петров П.А. и др. Определение модели сопротивления деформации по найденным изотермическим кривым текучести с применением современных компьютерных программ // Заготовительные производства в машиностроении. 2013. № 8. С. 32-38.
6. Власов А.В., Стебунов С.А., Евсюков С.А. и др.
Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки.
М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 383 с.
7. Хензель А., Шпиттель Т. Расчет энергосиловых параметров в процессах обработки давлением: Справ. М.: Металлургия, 1982. 360 с.
8. Marqaurdt. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // Journal for the Society of Industrial and Applied Mathematics. 1963. Vol. 11. Р. 431-441.
9. Snopinski P., Krol M., Pagäc M. et al. Effects of equal channel angular pressing and heat treatments on the microstructures and mechanical properties of selective laser melted and cast AlSi10Mg alloys // Archiv. Civ. Mech. Eng. 2021. 21. 92.
10. Markus Bernd Grieb, Hans-Jürgen Christ, Burkhard Plege. Thermomechanical fatigue of cast aluminium alloys for cylinder head applications - experimental characterization and life prediction // Procedia Engineering. 2010. 2. Р. 1767-1776.
REFERENCES
1. Belyayev A.I. i dr. Metallovedeniye alyuminiya i yego splavov. M.: Metallurgiya, 1983. S. 280.
2. Liye Liang, Xuexin Pan, Guilan Wang, Haiou Zhang, Hao Zhang. Microstructure and mechanical properties of selective laser melted AlSi7Mg // Journal of Physics: Conference Series. 1939 012041, 2021. P. 1-6.
3. Petrov P.A., Perfilov V.I. Issledovaniye uproch-neniya alyuminiyevogo splava AMg6 na nachal'nom uchastke krivoy tekuchesti pri povyshennykh temper-aturakh // Modelirovaniye, programmnoye obespech-eniye i naukoyemkiye tekhnologii v metallurgii. Trudy 2-y Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferen-tsii / Pod obshchey redaktsiyey Mochalova S.P. Novokuznetsk: SibGIU, 2006. S. 205-212.
4. Petrov P.A., Matveyev A.G., Saprykin B.Yu., Petrov M.A., Burlakov I.A., Diksit U.Sh. Povyshe-niye nadezhnosti tekhnologicheskogo protsessa shtampovki s krucheniyem izdeliy iz alyuminiyevogo splava // Problemy mashinostroyeniya i nadezhnosti mashin. 2021. № 4. S. 3.
5. Petrov P.A. i dr. Opredeleniye modeli soprotiv-leniya deformatsii po naydennym izotermicheskim krivym tekuchesti s primeneniyem sovremennykh
komp'yuternykh programm // Zagotovitel'nyye proiz-vodstva v mashinostroyenii. 2013. № 8. S. 32-38.
6. Vlasov A.V., Stebunov S.A., Yevsyukov S.A. i dr. Konechno-elementnoye modelirovaniye tekhnologi-cheskikh protsessov kovki i ob»yemnoy shtampovki. M.: Izdatel'stvo MGTU im. N.E. Baumana, 2019. 383 s.
7. Khenzel' A., Shpittel' T. Raschet energosilovykh parametrov v protsessakh obrabotki davleniyem: Sprav. M.: Metallurgiya, 1982. 360 s.
8. Marqaurdt. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // Journal for the Society of Industrial and Applied Mathematics. 1963. Vol. 11. p. 431-441.
9. Snopinski P., Kröl M., Pagäc M. et al. Effects of equal channel angular pressing and heat treatments on the microstructures and mechanical properties of selective laser melted and cast AlSi10Mg alloys // Archiv. Civ. Mech. Eng. 2021. 21. 92.
10. Markus Bernd Grieb, Hans-Jürgen Christ, Burkhard Plege. Thermomechanical fatigue of cast aluminium alloys for cylinder head applications - experimental characterization and life prediction // Procedia Engineering. 2010. 2. P 1767-1776.
