CC BY
9
Оригинальная статья
УДК 621:538.911:538.951
DOI: 10.57070/2304-4497-2022-4(42)-61-73
ВЛИЯНИЕ ПРОТЯЖЕННОСТИ ГРАДИЕНТНОЙ ЗОНЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНОГО ИЗДЕЛИЯ СИСТЕМЫ Cu/Al НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© 2022 г. А. О. Панфилов, А. П. Зыкова, А. В. Чумаевский, А. В. Воронцов,
С. Ю. Никонов, Е. А. Колубаев
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Россия, 634055, Томск, пр. Академический, 2/4)
Аннотация. Формирование функционально -градиентных материалов (ФГМ) Cu/Al со сплошным интерметаллидным поверхностным слоем методом электронно-лучевого аддитивного производства сопряжено с образованием неоднородностей и дефектов в структуре. Основные препятствия для получения стабильных и бездефектных структур ФГМ на поверхности медной основы заключаются в различии коэффициентов термического расширения меди и алюминия на границе при образовании интерметаллидов, растрескиваний и расслоений. Избежать образования трещин и расслоений позволяет формирование плавного градиента от меди к интерметаллидным слоям Cu/Al. В работе методом электронно-лучевой аддитивной технологии были получены бездефектные функционально-градиентные материалы Cu/Al с различной толщиной градиентной зоны. Исследованы структурно-фазовое состояние и механические свойства ФГМ Cu/Al по всей высоте напечатанного материала. Установлено, что градиентная зона ФГМ Cu/Al состоит из фаз a-Cu, Cu4Al, Cu3Al и Cu9Al4. Установлено, что толщина градиентной зоны влияет на объемную долю интерметаллидных фаз CuxAly, которые, в свою очередь, определяют величину относительного удлинения при постоянном значении предела прочности (305 ± 10 МПа). Значения микротвердости резко повышаются в градиентной зоне и имеют неравномерный характер распределения из-за формирования интерметаллидов Cu4Al, Cu3Al и Cu9Al4. Показано, что верхняя часть ФГМ Cu/Al, состоящая из 67 % Cu и 33 % Al (об.), демонстрирует резкое падение механических свойств, что, вероятно, связано с образованием фазы Cu9Al4, объемная доля которой преобладает по сравнению с другими интерметаллидными фазами системы CuxAly.
Ключевые слова : электронно-лучевая аддитивная технология, двойная подача проволоки, функционально -градиентный материал, Cu/Al, механические свойства
Финансирование. Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ НШ-1174.2022.4 и государственного задания ИФПМ СО РАН (тема FWRW-2021-0012).
Для цитирования: Панфилов А.О., Зыкова А.П., Чумаевский А.В., Воронцов А.В., Никонов С.Ю., Колубаев Е.А. Влияние протяженности градиентной зоны функционально-градиентного изделия системы Cu/Al на структурно-фазовое состояние и механические свойства // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2022. № 4 (42). С. 61 - 73.
https://doi.org/10.57070/2304-4497-2022-4(42)-61-73
Original article
INFLUENCE OF THE GRADIENT ZONE EXTENT OF THE FUNCTIONAL GRADIENT PRODUCT OF THE CU/AL SYSTEM ON THE STRUCTURAL-PHASE STATE AND MECHANICAL PROPERTIES
A. O. Panfilov, A. P. Zykova, A. V. Chumaevskii, A. V. Vorontsov, S. Y. Nikonov, E. A. Kolubaev
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS (2/4 Academic Ave. Tomsk, 634055, Russian
Federation)
Abstract. The formation of functional gradient Cu/Al materials with a continuous intermetallic surface layer by electron beam additive manufacturing is associated with the formation of a number of inhomogeneities and defects in the structure. The main obstacles to obtaining stable and defect-free FGM structures on the surface of the copper base are the difference in the coefficients of thermal expansion of copper and aluminum at the boundary with the formation of intermediates, cracks and delaminations. The formation of a smooth gradient from copper to intermetallic Cu/Al layers allows to avoid the formation of cracks and delaminations. In the work, defect-free functional gradient Cu/Al materials with different gradient zone widths were obtained using electron beam additive technology. The structural-phase state and mechanical properties of FGM Cu/Al over the entire height of the printed material are investigated. It is established that the Cu/Al gradient zone of FGM consists of the phases a-Cu, Cu4Al, Cu3Al and Cu9Al4. It is established that the width of the gradient zone affects the volume fraction of CuxAly intermetallic phases, which, in turn, determine the magnitude of the elongation at a constant value of the tensile strength (305 ± 10 MPa). The microhardness values increase sharply in the gradient zone and have an uneven distribution due to the formation of Cu4Al, Cu3Al and Cu9Al4 intermetallides. It is shown that the upper part of the Cu/Al FGM, consisting of 67 % Cu and 33 % Al (vol.), demonstrates a sharp drop in mechanical properties, which is probably due to the formation of the Cu9Al4 phase, the volume fraction of which prevails compared to other intermetallic phases of the CuxAly system.
Keywords, electron beam additive technology, double wire feed, functional gradient material, Cu/Al, mechanical properties
Financing. The work was carried out within the framework of the grant of the President of the Russian Federation for state support of leading scientific schools NSH-1174.2022.4 and the state task of the IFPM SB RAS (topic FWRW-2021-0012).
For citation. Panfilov A.O., Zykova A.P., Chumaevskii A.V., Vorontsov A.V., Nikonov S.Y., Kolubaev E.A. Influence of the gradient zone extent of the functional gradient product of the Cu/Al system on the structural-phase state and mechanical properties. Bulletin of the Siberian State Industrial University. 2022, no. 4 (42), pp. 61 - 73. (In Russ.). https://doi.org/10.57070/2304-4497-2022-4(42)-61-73
Введение
Функционально-градиентные материалы (ФГМ) отличаются от традиционных однородных материалов тем, что их состав и микроструктура постепенно изменяются в пространственном направлении, что обеспечивает непрерывное изменение механических, физических и химических свойств этих материалов в одном или нескольких направлениях [1 - 6]. В настоящее время ФГМ широко используются в аэрокосмической промышленности [7], медицине [8], оптоэлектронике [9], энергетике [5, 10].
Традиционными методами изготовления ФГМ являются литье, спекание в плазме разряда, осаждение из паровой фазы и самораспространяющийся синтез [11 - 13]. Однако вышеперечисленные методы имеют много недостатков, такие как невозможность изготовления нескольких частей изделия без использования дополнительных технологических операций. Основным процессом, используемым для получения ФГМ, была порошковая аддитивная металлургия, где функционально-градиентные микро-
структуры формировались путем смешивания и спекания порошковых компонентов [5, 14, 15]. Основным недостатком порошковых аддитивных методов является невозможность вмешаться в процесс изготовления изделия и изменить микроструктуру. Такая возможность появилась только с развитием проволочного аддитивного производства, когда каждый слой можно наносить при разных параметрах процесса и из разных материалов [1, 16 - 18].
Медь и алюминий - два наиболее распространенных конструкционных материала в области электроники и транспорта. На фоне энергосбережения и повышения эффективности замена меди на алюминиевый сплав способствует эффективному снижению затрат и получению экономической выгоды. Именно поэтому поучение разнородных соединений Al/Cu привлекает широкое внимание.
Обычно такие соединения получают дуговой сваркой [19, 20], сваркой трением с перемешиванием [21] и т.д. Однако из-за больших различий в физико-химических свойствах меди и алюминия при сварке часто образуются дефекты. Кроме того,
70 65 60 55 *50 1 45
сп 140 35
30
- \ 1
- 2
- 3 1 1
\
1 1 1
0 10 20 30 40 50
Количество слоев
Рис. 1. Зависимость тока пучка от толщины слоя изделия из ФГМ Cu/Al с градиентом 10 мм (1), 5 мм (2)
и с резким градиентом (3)
Fig. 1. Dependence of the beam current on the layer thickness of the Cu/Al FGM product with a gradient of 10 mm (1), 5 mm (2)
and with a sharp gradient (3)
высокая погонная энергия вызывает появление в переходной градиентной зоне большого количества интерметаллидных соединений [21], которые могут серьезно влиять на механические свойства изделия. Для решения этих проблем дополнительно используют легирующие прослойки [22 - 24], ультразвук [25] и другие решения [26, 27].
В области аддитивного производства в литературе представлены данные только по получению различных алюминиевых сплавов, содержащих медь, либо медных сплавов, содержащих алюминий. Данных по получению ФГМ на основе Cu - Al не имеется. Ранее авторами была предпринята попытка получить функционально градиентный материал Al/Cu методом электронно-лучевого аддитивного производства с одновременной подачей двух проволок [17, 28]. Печать осуществляли медной (сплав М1) и алюминиевой (АМг5) проволоками с плавно изменяющейся скоростью подачи от 100 % меди до 100 % алюминиевого сплава. Исследования показали, что даже в условиях двухпроволочной градиентной подачи в ванну расплава возможно образование неоднородностей и расслоений в зоне структурного градиента [17, 28], что требует дополнительной работы по выбору режима изготовления образцов и марки алюминиевого сплава.
Задачи исследования: получение функционально-градиентных образцов системы Cu/Al с различной толщиной градиентной зоны методом электронно-лучевой аддитивной технологии (ЭЛАТ) с использованием медного сплава М1 и алюминиевого сплава АК12, а также изучение
влияния толщины градиентной зоны на структурно-фазовое состояние и механические свойства полученных изделий.
Материалы и методы исследования
Заготовки полиметаллических ФГМ Cu/Al были изготовлены на лабораторной установке ЭЛАТ, оснащенной двумя податчиками проволоки [28]. В качестве исходного материала использовались сварочные проволоки медного сплава М1 и алюминиевого сплава АК12 диаметром 1,2 мм. Печать образцов методом ЭЛАТ проводили в вакуумной камере. Для формирования образцов использовалась подложка из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Обе проволоки М1 и АК12 подавались в единую ванну расплава с различным соотношением объемных долей меди и алюминия. Напряжение электронного пучка в процессе печати было постоянным и составляло 30 кВ. Для формирования первых слоев полиметаллических ФГМ Cu/Al ток составлял 70 мА. Далее (по мере увеличения толщины слоя полиметаллических ФГМ Cu/Al) проводилось регулирование тока для формирования ФГМ Cu/Al без дефектов (рис. 1). Скорость перемещения стола составляла 400 мм/мин. Для формирования первых 20 слоев ФГМ Cu/Al использовали материалы в соотношение Cu:Al = 80:20. Далее для получения различной градиентной зоны (ГЗ) использовали материалы в соотношениях, указанных на рис. 2. После формирования градиентной зоны печать стенок продолжалась с соотношением Cu:Al = 67:33 (рис. 2). Необходимое процентное соотношение
Рис. 2. Макроструктура стенок ФГМ Cu/Al в поперечном сечении со схемой нанесения слоев
с градиентной зоной 10 мм (а), 5 мм (б) и с резким градиентом (в) Fig. 2. Microstructure of Cu/Al FGM walls in cross-section with a scheme for applying layers with a gradient zone of 10 mm (a), 5 m (б) and with a sharp gradient (в)
меди и алюминиевого сплава поддерживалось во время наплавки автоматическим регулированием соответствующего соотношения скоростей подачи проволок. В итоге были получены три полиметаллических ФГМ Cu/Al с различной протяженностью градиентной зоны: 10, 5 мм и резким градиентом (рис. 2).
Образцы для изучения макро- и микроструктуры вырезали из выращенных вертикальных стенок с помощью электроэрозионной машины ДК7750. Для микроструктурного анализа плоские образцы были вырезаны из выращенных стенок в плоскости, перпендикулярной направлению печати. Образцы полиметаллических ФГМ Cu/Al последовательно шлифовали, полировали и травили раствором 30 мл HCl + 5 г FeCl3-6H2O + 60 мл H2O.
Макроструктурные исследования проводились с использованием конфокального микроскопа OLYMPUS LEXT OLS4100. Измерения микротвердости проводили по методу Виккерса на приборе Duramin-5 при нагрузке 50 г и выдержке в течение 10 с, шаг индентирования 1 мм. Рент-генофазовый анализ (РФА) проводился для иден-
тификации фаз в трех зонах полиметаллических ФГМ Cu/Al с использованием рентгеновского дифрактометра ДРОН-7 (Co Ka излучение). Для этого из каждой стенки вырезали образцы из нижней, градиентной и верхней зон. Испытания на одноосное растяжение проводили на универсальной испытательной машине УТС-110М в вертикальном направлении образцов (рис. 2).
Результаты и их обсуждение
В результате выращивания стенок ФГМ Cu/Al были получены три стенки, каждая из которых состояла из 60 слоев. Каждая стенка (рис. 2) отличается по высоте и толщине, что связано со значениями тепловложения (рис. 1), регулируемыми во время печати методом ЭЛАТ. При формировании ФГМ Cu/Al с толщиной градиентной зоны 10 мм значение тока пучка изменяется от 70 до 32 мА, что позволяет формировать ФГМ с удовлетворительной формой и размерами без макродефектов (рис. 2, а). С увеличением тока пучка до 38 мА происходит расширение ванны расплава, что приводит к формированию более широких и низких по высоте ФГМ Cu/Al (рис. 1, 2, б, в).
ФГМ Cu/Al с ФГМ Cu/Al с ФГМ Cu/Al с
толщиной Г3 10 мм тоЛщиной Г3 5 мм резким градиентом
67 % Cu+ 33 % Al (вверх)
Градиентная зона (середина)
80 % Cu+ 20 % Al (низ)
500 мкм
шгШЖI
_
500 мкм
500 мкм
*>■' л
Переход от подложки к 80 % Cu+
г
500 мкм
ШЖ
500 мкм
о
'Ж --".ч
500 мкм
г* '
"."я/
20 % Al
HGЯ
, 1 ' '■
к
л
м
н
п
Рис. 3. Металлографические изображения структуры ФГМ Cu/Al (полученные со стенок в поперечном сечении на рис. 2) с
градиентной зоной 10 мм (а, г, ж, к, н), с градиентной зоной 5 мм (б, д, з, л, о), с резким градиентом (в, е, и, м, п) Fig. 3. Metallographic images of the Cu/Al FGM structure (obtained from the walls in cross section in Fig. 2) with a gradient zone of 10 mm ((а, г, ж, к, н), with a gradient zone of 5 mm (б, д, з, л, о), with a sharp gradient (в, е, и, м, п)
Макроструктура ФГМ Cu/Al с шириной градиентной зоны 5 мм и резким градиентом также демонстрируют отсутствие макродефектов и не-сплошностей: то есть подобранные соотношения Cu:Al и технологические параметры приемлемы для получения бездефектных ФГМ Cu/Al в отличие от раннее представленных в работах [17, 28].
На рис. 3 показаны изображения микроструктуры поперечного сечения ФГМ Cu/Al, полученные в разных частях наплавленных стенок. Вблизи стальной подложки можно наблюдать частицы стали и интерметаллидов (рис. 3, н - п).
Образование таких частиц обусловлено разбавлением и частичным растворением легирующих элементов стали и проволок М1 и АК12 во время формирования ванны расплава. Поэтому вероятно образование интерметаллидных
частиц FexAly, NixAl^. Микроструктура нижней части всех ФГМ Cu/Al с объемной долей меди 80 % характеризуется разнозернистостью: можно увидеть равноосные и столбчатые зерна, а также зерна различной формы (рис. 3, к - м). По данным рентгенофазового анализа нижние части всех ФГМ Cu/Al состоят из фазы a-Cu (рис. 4, а). Различие интенсивностей рефлексов для всех образцов ФГМ Cu/Al обусловлено преимущественной ориентацией зерен меди.
Увеличение объемной доли АК12 в начале формирования градиентной зоны всех ФГМ Cu/Al приводит к образованию структуры, напоминающей структуру алюминиевой бронзы [29], состоящей из дендритных зерен a-Cu, по границам которой располагается Р'-фаза (Cu3Al)
7000
6000
tu
i 5000 о
ФГМ с режим
rpOJIKMTOV Cll'Al
2000
♦ a-Cu
а
j К J \
J>f Ч с градиентом Cu Al 5 мм
'я > p » 1 »i (ВЦ iJ^jy.""
. A
_L
_L
_L
_L
_L
_L
_L
20 30 40 50 60 70 80 90 100
20, град.
7000
6000
ta
<U
ФГМ С JK" SK ИМ
градиентом Cu Al
•a-Cu #Cu4AI &Cu,AI SCu.,A14
б
¿ ' *
JO
O 4000 Ж
3 O
¡3000
s
I
2000
Cu Al 5 мм
&
ФГМ с градиентом ^ Я Л
Tu Al Ю мм • V , „ v
*
_L
_L
_L
_L
_L
_L
_L
20 30 40 50 60 70 80 90 100
20, град.
7000
6000
ta
tu
i 5000 o
ФГМ e pe «им градиентом Cu'AI
*
&
A «
s.'
♦ a-Cu #Cu.,Al &Cu,AI SCu4AI4
&
•7*
-v * 'у * &
*s * VWW vV J
&
s &
is
2000
j &*
s T $ $
4"' w UwW*1 Ч-* u v*«/ '
n
& &
■-¿kj^Js ЧыЛЛМ
20 30 40 50 60 70 80 90 100
29, град.
Рис. 4. Рентгенограммы ФГМ Cu/Al, полученные в нижней (а), средней (б) и в верхней (в) частях Fig. 4. Radiographs of FGM Cu/Al obtained in the lower (a), middle (б) and upper (в) parts
(рис. 3, ж - и). Это подтверждается данными РФА (рис. 4, б). Однако фазовый состав в градиентной зоне ФГМ Cu/Al различен (рис. 4, б). В ФГМ с резким градиентом Cu/Al и с градиентным слоем Cu/Al 5 мм наблюдаются фазы: a-Cu, CuAl и Cu3Al (рис. 4, б). Для ФГМ Cu/Al толщиной 10 мм наблюдаются фазы: a-Cu, Cu^, Cu3Al и Cu9Al4 (рис. 4, б). С увеличением концентрации АК12 и толщины градиентной зоны наблюдается увеличение объемных долей интерметаллидных фаз Cu4Al, Cu3Al и Cu9Al4 в градиентной зоне ФГМ Cu/Al (рис. 4, б). В целом структура градиентных зон ФГМ Cu/Al представляет собой дендритные зерна a-Cu, по границам которых расположены интерметаллиды CuAl^
Переход от градиентной зоны к верхним слоям наплавленных материалов с еще большим содержанием АК12 (до 33 % (об.)) характеризуется изменением зеренной структуры (рис. 3, г - е). Происходит формирование равноосных зерен a-Cu (рис. 3, а - в), по границам и в теле которых формируются интерметаллидные частицы. По данным РФА в верхних слоях ФГМ Cu/Al обнаружены фазы a-Cu, Cu4Al, Cu3Al и Cu9Al4 (рис. 4, в). При этом преобладающей фазой является Cu9Al4 в образцах ФГМ Cu/Al с градиентной зоной 5 и 10 мм. В ФГМ Cu/Al с резким градиентом фаза Cu9Al4 явно не обнаруживается. Однако рентгенограмма верхней части образца ФГМ Cu/Al с резким градиентом имеет явное уширение рефлекса в угловых положениях 29 фазы Cu9Al4, что свидетельствует о фазообра-зовании Cu9Al4 в небольшом количестве (рис. 4, в). Это также подтверждается микроструктурными исследованиями (рис. 3, в): в теле равноосных зерен a-Cu можно увидеть дисперсные частицы фазы Cu9Al4, размер и объемная доля которых существенно меньше по сравнению с аналогичными частицами Cu9Al4 в зернах a-Cu ФГМ Cu/Al с градиентом 5 и 10 мм. Таким образом, можно сделать вывод о том, что фазовый состав всех ФГМ Cu/Al идентичен и отличается только объемной долей присутствующих фаз.
Профили микротвердости ФГМ Cu/Al с различной шириной градиентной зоны представлены на рис. 5. Измерение микротвердости проводили по всей высоте образцов, включая переход от подложки к ФГМ Cu/Al. Повышенные значения микротвердости соответствуют индентированию переходного слоя подложка - ФГМ, в котором наблюдались частицы стали и интерметаллидов (рис. 5, рис. 3, н - п). В нижней части всех ФГМ Cu/Al, состоящей из фазы a-Cu, наблюдается равномерное распределение микротвердости, среднее значение которой составляет приблизительно 1 ГПа (рис. 5). При формировании градиентной зоны происходит повышение микротвердости, что связано с образованием интерметаллидов типа CuxAly. Большая неравномерность в значениях микро-
твердости в верхней части всех ФГМ Cu/Al также обусловлена формированием интерметаллидов CuxAly, твердость которых значительно выше твердости матрицы a-твердого раствора меди. В этом случае индентор микротвердомера может попадать в матрицу a-Cu, в частицы интерметаллидов GuAly или на границу этих фаз, что обуславливает промежуточные значения микротвердости на графике. Наибольшая микротвердость выявлена в верхней части образцов для ФГМ Cu/Al с протяженностью градиентной зоны 5 и 10 мм, в указанных случаях микротвердость достигает 5 ГПа. В верхней части образца ФГМ Cu/Al с резким градиентом перехода микротвердость составила 3,2 ГПа (рис. 5).
На основе анализа экспериментальных данных, полученных в ходе испытаний на статическое одноосное растяжение, установлено, что для образца ФГМ Cu/Al с резким градиентом (рис. 6, а) достигается наибольший предел кратковременной прочности в нижней части ФГМ (~480 ± 14 МПа). Для образцов ФГМ Cu/Al с протяженностью градиентной зоны 5 и 10 мм значения предела кратковременной прочности составляют 420 ±13 и 340 ±10 МПа соответственно. При этом относительное удлинение до
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Расстояние (мм) Рис. 5. Профили микротвердости ФГМ Cu/Al Fig. 5. Microhardness profiles of FGM Cu/Al
0.01
005
Рис. 6. Зависимости напряжение - деформация, полученные в условиях статического растяжения образцов, исследуемых в
нижней (а), средней (б) и в верхней (в) частях ФГМ Cu/Al с резким градиентом (1), с градиентом 5 мм (2) и 10 мм (3) Fig. 6. Stress-strain dependences obtained under conditions of static stretching of samples studied in the lower (a), middle (б) and upper (в) parts of the Cu/Al FGM with a sharp gradient (1), with a gradient of 5 mm (2) and 10 mm (3)
разрушения всех образцов ФГМ Cu/Al уменьшается с уменьшением протяженности градиентной зоны (рис. 6, а). Такие неоднозначные результаты анализа механических свойств в нижней части ФГМ Cu/Al могут быть обусловлены наличием частиц стали и интерметаллидов в переходной зоне от подложки к ФГМ Cu/Al. Высота ФГМ Cu/Al напрямую зависит от тока пучка, что видно по толщине формируемой ширины
переходной зоны и зоны медного сплава, обогащенного сплавом АК12. Как обнаружено при анализе микротвердости, зона медного сплава, обогащенного АК12 и свободного от частиц стали и интерметаллидов, у ФГМ с резким градиентом очень узкая (рис. 5) и увеличивается с понижением тока пучка. В градиентной зоне всех образцов ФГМ Cu/Al значения предела прочности составляют примерно 305 ± 10 МПа
(рис. 6, б). При этом относительное удлинение до разрушения образца ФГМ Cu/Al с резким градиентом наибольшее по сравнению с образцами ФГМ Cu/Al с градиентом 5 и 10 мм, что может быть связано с меньшей объемной долей интерметаллидов CuxAly. Верхняя часть всех образцов ФГМ Cu/Al характеризуется низкими значениями относительного удлинения до разрушения, что, вероятно, связано с образованием большой объемной доли фазы Cu9Al4, которая преобладает по сравнению с другими интерме-таллидными фазами системы CuxAly (рис. 6, в). Полученные данные свидетельствуют о том, что при получении резкого градиента от меди к композиционному материалу системы Cu/Al возможно достижение более высокой прочности композиционного материала, хотя и с пониженной микротвердостью. Это обусловлено перемешиванием каждого из последующих нанесенных слоев с предыдущими, что приводит к обеднению алюминием поверхностной зоны при формировании резкого градиента. При этом именно получение резкого градиента от основного объема изделия к поверхностным слоям потенциально имеет применимость для получения покрытий при формировании изделий аддитивным методом. По этой причине можно считать более оптимальным из образцов полученный с резким градиентом между участками с высоким и низким содержанием алюминиевого сплава.
Выводы
Методом электронно-лучевой аддитивной технологии получены бездефектные функционально-градиентные материалы Cu/Al с различной протяженностью градиентной зоны. Установлено, что градиентная зона ФГМ Cu/Al состоит из фаз a-Cu, Cu4Al, Cu3Al и Cu9Al4, объемная доля которых зависит от условий формирования различных протяженностей градиентной зоны ФГМ. Микротвердость резко повышается в градиентной зоне и имеет неравномерный характер распределения из-за формирования различных интерметаллидов CuxAly. По результатам механических испытаний значения предела кратковременной прочности находятся в диапазоне 340 - 480 МПа для нижней части образцов ФГМ Cu/Al, состоящей из 80 % Cu и 20 % Al (об.). Значения относительного удлинения ФГМ Cu/Al зависят от толщины градиентной зоны, которая определяется объемной долей интерме-таллидных фаз, но при этом предел прочности для всех ФГМ Cu/Al в градиентной зоне составляет 305 ± 10 МПа. Верхняя часть ФГМ Cu/Al, состоящая из 67 % Cu и 33 % Al (об.), демонстрирует резкое падение механических свойств,
что, вероятно, связано с образованием фазы Cu9Al4, объемная доля которой преобладает по сравнению с другими интерметаллидными фазами системы Cu^Aly. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно высокой степени применимости проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии как для получения сплавов с регулируемым составом или композиционных функционально-градиентных материалов в различных участках изделия, так и для получения покрытий с резким градиентом от основного объема изделия к поверхностному слою.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Utyaganova V, Filippov A., Tarasov S., Shamarin N., Gurianov D., Vorontsov A., Chumaevskii A., Fortuna S., Savchenko N., Rubtsov V., Kolubaev E. Characterization of AA7075/AA5356 gradient transition zone in an electron beam wire-feed additive manufactured sample // Materials Characterization. 2021. Vol. 172. Article 110867.
2. Chmielewski M., Pietrzak K. Metal-ceramic functionally graded materials-manufacturing // Technical sciences. 2016. Vol. 64. No. 1. P.151-160.
3. Niendorf T., Leuders S., Riemer A., Brenne F., Tröster T., Albert Richard H., Schwarze D. Functionally Graded Alloys Obtained by Additive Manufacturing // Advanced engineering materials. 2014. Vol. 16. P. 857-861.
4. Muller P., Hascoet J.-Y., Mognol P. Toolpaths for additive manufacturing of functionally graded materials (FGM) parts // Rapid Prototyping Journal. 2014. Vol. 20. No. 6. P. 511-522.
5. Yi Su, Bo Chen, Caiwang Tan, Xiaoguo Song, Jicai Feng. Influence of composition gradient variation on the microstructure and mechanical properties of 316L/Inconel718 functionally graded material fabricated by laser additive manufacturing // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 283. Article 116702.
6. Ghanavati R., Naffakh-Moosavy H. Additive manufacturing of functionally graded metallic materials: A review of experimental and numerical studies // Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 13. P. 1628-1664.
7. Domack M.S., Baughman J.M. Development of Nickel-Titanium Graded Composition Components // Rapid Proto. J. 2004. Vol. 11. No. 1. P. 41-51.
8. Matsuo S., Watari F., Ohata N. Fabrication of a functionally graded dental composite resin post and core by laser lithography and finite element analysis of its stress relaxation effect on tooth root // Dent. Mater. J. 2021. Vol. 20. No. 4. P. 257-274.
9. Kawasaki A., Watanabe R. Thermal fracture behavior of metal/ceramic functionally graded materials // Eng. Fract. Mech. 2002. Vol. 69. P. 1713-1728.
10. Niino M., Kisara K., Mori V. Feasibility study of FGM technology in space solar power systems (SSPS) // Mater. Sci. Forum. 2005. Vol. 492. P. 163-170.
11. Loh G.H., Pei E., Harrison D., et al. An overview of functionally graded additive manufacturing // Addit. Manuf. 2018. Vol. 23. P. 34-44.
12. Mahamood R.M., Akinlabi E.T., Shukla M., et al. Functionally graded material: an overview // Proc. World Cong. Eng. 2012. Vol. 3.
13. Naebe M., Shirvanimoghaddam K. Functionally graded materials: A review of fabrication and properties // Appl. Materials Today. 2016. Vol. 5. P. 223-245.
14. Zhe Sun, Yuan-Hui Chueh, Lin Li. Multiphase mesoscopic simulation of multiple and functionally gradient materials laser powder bed fusion additive manufacturing processes // Additive Manufacturing. 2020. Vol. 35. Article 101448.
15. Xiaoji Zhang, Yuan-hui Chueh, Chao Wei, Zhe Sun, Jiwang Yan, Lin Li. Additive manufacturing of three-dimensional metal-glass functionally gradient material components by laser powder bed fusion with insitu powder mixing // Additive Manufacturing. 2020. Vol. 33. Article 101113.
16. Huang J., Liu G., Yu X., Wu H., Huang Y., Yu S., Fan D. Micro-structure regulation of titanium alloy functionally gradient materials fabricated by alternating current assisted wire arc additive manufacturing // Materials & Design. 2022. Vol. 218. Article 110731.
17. Chumaevskii A., Kalashnikova T., Gusarova A., Knjazhev E., Kalashnikov K., Panfilov A. The Structure Organization and Defect Formation of Cu-Al System Polymetallic Materials Produced by the Electron-Beam Additive Technology. In: 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). 2020. P.1294-1298.
18. Osipovich K.S., Astafurova E.G., Chumaevskii A.V., et al. Gradient transition zone structure in "steel-copper" sample produced by double wire-feed electron beam additive manufacturing // J. Mater Sci. 2020. Vol. 55. P. 9258-9272.
19. Oliveira J.P., Crispim B., Zeng Z., Omori T., Braz Fernandes F.M., Miranda R.M. Microstructure and mechanical properties of gas tungsten arc welded Cu-Al-Mn shape memory alloy rods // Journal of Materials Processing Technology. 2019. Vol. 271. P. 93-100.
20. Koteswara Rao S.R., Madhusudhana Reddy G., Kamaraj M., Prasad Rao K. Grain refinement through arc manipulation techniques in Al-Cu alloy GTA welds // Materials Science and Engineering: A. 2005. Vol. 404. P. 227-234.
21. Galvao I., Loureiro A., Rodrigues D.M. Critical review on friction stir welding of aluminium to copper // Sci. Technol. Weld. Join. 2016. Vol. 21. No. 7. P. 523-546.
22. Zhang H., Liu Xu., Zhang B., Guo Y. Enhancing the mechanical performances of friction stir lap welded Al-Zn-Mg-Cu alloy joint by promoting diffusion of alloying element Zn toward the pre-positioned Cu interlayer // Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 832. Article 142467.
23. Paidar M., Elveny M., Mehrez S., Ravi S., Ba-baei B., Ravichandran M. Influence of material positioning during modified friction stir clinching brazing of Al/Zn/Cu welds // Materials Letters. 2021. Vol. 301. Article 130250.
24. Liu H., Zuo Y., Ji S., Dong J., Zhao H. Friction stir solid-liquid spot welding of Cu to Al assisted by Zn interlayer // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 18. P.85-95.
25. Su H., Zhao Q., Chen Ji., Wu C. Homogenizing the intermetallic compounds distribution in Al/Cu dissimilar friction stir welding joint with the assistance of ultrasonic vibration // Materials Today Communications. 2022. Vol. 31. Article 103643.
26. Zhao Y., You J., Qin J., Dong C., Liu L., Liu Z., Miao S. Stationary shoulder friction stir welding of Al-Cu dissimilar materials and its mechanism for improving the microstructures and mechanical properties of joint // Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 837. Article 142754.
27. Shankar S., Chattopadhyaya S., Mehta K.P., Vilaca P. Influence of copper plate positioning, zero tool offset, and bed conditions in friction stir welding of dissimilar Al-Cu alloys with different thicknesses // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2022. Vol. 38. P. 73-83.
28. Chumaevskii A.V., Panfilov A.O., Knyazhev E.O., Zykova A.P., Gusarova A.V., Kalashnikov K.N., Vorontsov A.V., Savchenko N.L., Nikonov S.Y., Cheremnov A.M., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. Production of Gradient Intermetallic Layers Based on Aluminum Alloy and Copper by Electron-beam Additive Technology. In: Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2021. P. 19-31.
29. Зыкова А.П., Панфилов А.О., Чумаевский А.В., Воронцов А.В., Никонов С.Ю., Моск-вичев Е.Н., Гурьянов Д.А., Савченко Н.Л., Тарасов С.Ю., Колубаев Е.А. Особенности формирования микроструктуры и механических свойств алюминиевой бронзы при различном тепловложении во время электронно-лучевой аддитивной печати // Известия вузов. Физика. 2022. № 5. C. 45-51.
REFERENCES
1. Utyaganova V, Filippov A., Tarasov S., Shamarin N., Gurianov D., Vorontsov A., Chumaevskii A., Fortuna S., Savchenko N., Rubtsov V., Kolubaev E. Characterization of AA7075/AA5356 gradient transition zone in an electron beam wire-feed additive manufactured sample. Materials Characterization. 2021, vol. 172, article 110867.
2. Chmielewski M., Pietrzak K. Metal-ceramic functionally graded materials-manufacturing. Technical sciences. 2016, vol. 64, no. 1, pp.151-160.
3. Niendorf T., Leuders S., Riemer A., Brenne F., Tröster T., Albert Richard H., Schwarze D. Functionally Graded Alloys Obtained by Additive Manufacturing. Advanced engineering materials. 2014, vol. 16, pp. 857-861.
4. Muller P., Hascoet J.-Y., Mognol P. Toolpaths for additive manufacturing of functionally graded materials (FGM) parts. Rapid Prototyping Journal. 2014, vol. 20, no. 6, pp. 511-522.
5. Yi Su, Bo Chen, Caiwang Tan, Xiaoguo Song, Jicai Feng. Influence of composition gradient variation on the microstructure and mechanical properties of 316L/Inconel718 functionally graded material fabricated by laser additive manufacturing. Journal of Materials Processing Technology. 2020, vol. 283, article 116702.
6. Ghanavati R., Naffakh-Moosavy H. Additive manufacturing of functionally graded metallic materials: A review of experimental and numerical studies. Journal of Materials Research and Technology. 2021, vol. 13, pp. 1628-1664.
7. Domack M.S., Baughman J.M. Development of Nickel-Titanium Graded Composition Components. Rapid Proto. J. 2004, vol. 11, no. 1, pp. 41-51.
8. Matsuo S., Watari F., Ohata N. Fabrication of a functionally graded dental composite resin post and core by laser lithography and finite element analysis of its stress relaxation effect on tooth root. Dent. Mater. J. 2021, vol. 20, no. 4, pp. 257-274.
9. Kawasaki A., Watanabe R. Thermal fracture behavior of metal/ceramic functionally graded
materials. Eng. Fract. Mech. 2002, vol. 69, pp.1713-1728.
10. Niino M., Kisara K., Mori V. Feasibility study of FGM technology in space solar power systems (SSPS). Mater. Sci. Forum. 2005, vol. 492, pp. 163-170.
11. Loh G.H., Pei E., Harrison D., et al. An overview of functionally graded additive manufacturing. Addit. Manuf. 2018, vol. 23, pp. 34-44.
12. Mahamood R.M., Akinlabi E.T., Shukla M., et al. Functionally graded material: an overview. Proc. World Cong. Eng. 2012, vol. 3.
13. Naebe M., Shirvanimoghaddam K. Functionally graded materials: A review of fabrication and properties. Appl. Materials Today. 2016, vol. 5, pp. 223-245.
14. Zhe Sun, Yuan-Hui Chueh, Lin Li. Multiphase mesoscopic simulation of multiple and functionally gradient materials laser powder bed fusion additive manufacturing processes. Additive Manufacturing. 2020, vol. 35, article 101448.
15. Xiaoji Zhang, Yuan-hui Chueh, Chao Wei, Zhe Sun, Jiwang Yan, Lin Li. Additive manufacturing of three-dimensional metal-glass functionally gradient material components by laser powder bed fusion with insitu powder mixing. Additive Manufacturing. 2020, vol. 33, article 101113.
16. Huang J., Liu G., Yu X., Wu H., Huang Y., Yu S., Fan D. Micro-structure regulation of titanium alloy functionally gradient materials fabricated by alternating current assisted wire arc additive manufacturing. Materials & Design. 2022, vol. 218, article 110731.
17. Chumaevskii A., Kalashnikova T., Gusarova A., Knjazhev E., Kalashnikov K., Panfilov A. The Structure Organization and Defect Formation of Cu-Al System Polymetallic Materials Produced by the Electron-Beam Additive Technology. In: 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE). 2020,pp.1294-1298.
18. Osipovich K.S., Astafurova E.G., Chumaevskii A.V., et al. Gradient transition zone structure in "steel-copper" sample produced by double wire-feed electron beam additive manufacturing. J. Mater Sci. 2020, vol. 55, pp. 9258-9272.
19. Oliveira J.P., Crispim B., Zeng Z., Omori T., Braz Fernandes F.M., Miranda R.M. Microstructure and mechanical properties of gas tungsten arc welded Cu-Al-Mn shape memory alloy rods. Journal of Materials Processing Technology. 2019, vol. 271, pp. 93-100.
20. Koteswara Rao S.R., Madhusudhana Reddy G., Kamaraj M., Prasad Rao K. Grain refinement through arc manipulation techniques in Al-Cu
alloy GTA welds. Materials Science and Engineering: A. 2005, vol. 404, pp. 227-234.
21. Galvâo I., Loureiro A., Rodrigues D.M. Critical review on friction stir welding of aluminium to copper. Sci. Technol. Weld. Join. 2016, vol. 21, no. 7, pp. 523-546.
22. Zhang H., Liu Xu., Zhang B., Guo Y. Enhancing the mechanical performances of friction stir lap welded Al-Zn-Mg-Cu alloy joint by promoting diffusion of alloying element Zn toward the pre-positioned Cu interlayer. Materials Science and Engineering: A. 2022, vol. 832, pp. 142467.
23. Paidar M., Elveny M., Mehrez S., Ravi S., Ba-baei B., Ravichandran M. Influence of material positioning during modified friction stir clinching brazing of Al/Zn/Cu welds. Materials Letters. 2021, vol. 301, article 130250.
24. Liu H., Zuo Y., Ji S., Dong J., Zhao H. Friction stir solid-liquid spot welding of Cu to Al assisted by Zn interlayer. Journal of Materials Research and Technology. 2022, vol. 18, pp.85-95.
25. Su H., Zhao Q., Chen Ji., Wu C. Homogenizing the intermetallic compounds distribution in Al/Cu dissimilar friction stir welding joint with the assistance of ultrasonic vibration. Materials Today Communications. 2022, vol. 31, article 103643.
26. Zhao Y., You J., Qin J., Dong C., Liu L., Liu Z., Miao S. Stationary shoulder friction stir welding of Al-Cu dissimilar materials and its mechanism for improving the microstructures and mechanical properties of joint. Materials Science and Engineering: A. 2022, vol. 837, article 142754.
27. Shankar S., Chattopadhyaya S., Mehta K.P., Vilaca P. Influence of copper plate positioning, zero tool offset, and bed conditions in friction stir welding of dissimilar Al-Cu alloys with different thicknesses. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2022, vol. 38, pp. 73-83.
28. Chumaevskii A.V., Panfilov A.O., Knyazhev E.O., Zykova A.P., Gusarova A.V., Kalashni-kov K.N., Vorontsov A.V., Savchenko N.L., Nikonov S.Y., Cheremnov A.M., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. Production of Gradient Intermetallic Layers Based on Aluminum Alloy and Copper by Electron-beam Additive Technology. In: Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2021, pp.19-31.
29. Zykova A.P., Panfilov A.O., Chumaevskii A.V., Vorontsov A.V., Nikonov S.Yu., Mos-kvichev E.N., Gur'yanov D.A., Savchenko N.L., Tarasov S.Yu., Kolubaev E.A. Features of the formation of the microstructure and me-
chanical properties of aluminum bronze with different heat input during electron beam additive printing. Izvestiya vuzov. Fizika. 2022, no. 5, pp. 45-51. (In Russ.).
Сведения об авторах
Александр Олегович Панфилов, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории структурного дизайна перспективных материалов, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Email: [email protected] ORCID: 0000-0001-8648-0743
Анна Петровна Зыкова, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, заведующий лабораторией структурного дизайна перспективных материалов, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Email: [email protected] ORCID: 0000-0001-8779-3784
Андрей Валерьевич Чумаевский, к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Email: [email protected] ORCID: 0000-0002-1983-4385
Андрей Владимирович Воронцов, к.т.н., научный сотрудник лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Email: [email protected] ORCID: 0000-0002-4334-7616
Сергей Юрьевич Никонов, к.ф.-м.н., ведущий инженер лаборатории физики упрочнения поверхности, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Email: [email protected] ORCID: 0000-0001-9431-0226
Евгений Александрович Колубаев, д.т.н., заведующий лабораторией локальной металлургии в аддитивных технологиях, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Email: [email protected] ORCID: 0000-0001-7288-3656
Information about the authors
Aleksandr O. Panfilov, postgraduate student, Junior researcher at the Laboratory of Structural Design of Advanced Materials, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences Email: [email protected] ORCID: 0000-0001-8648-0743
Anna P. Zykova, Cand. Sci. (Phys.-math.), Senior Researcher, Head of the Laboratory of Structural Design of Advanced Materials, Institute of Strength Physics and
Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences Email: [email protected] ORCID: 0000-0001-8779-3784
Andrey V. Chumaevskii, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher at the Laboratory of Local Metallurgy in Additive Technologies, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences
Email: [email protected] ORCID: 0000-0002-1983-4385
Andrey V. Vorontsov, Cand. Sci. (Eng.), Researcher at the Laboratory of Local Metallurgy in Additive Technologies, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences Email: [email protected] ORCID: 0000-0002-4334-7616
Sergey Yu. Nikonov, Cand. Sci. (Phys.-math.), leading engineer of the Surface hardening Physics Laboratory,
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences Email: [email protected] ORCID: 0000-0001-9431-0226
Evgenii A. Kolubaev, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Laboratory of Local Metallurgy in Additive Technologies, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Email: [email protected] ORCID: 0000-0001-7288-3656
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare that there is no conflict of interest.
Поступила в редакцию 02.09.2022 После доработки 19.09.2022 Принята к публикации 22.09.2022
Received 02.09.2022 Revised 19.09.2022 Accepted 22.09.2022
