​Специалисты Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича (ИТПМ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) исследовали особенности лазерной сварки разнородных материалов промышленных сплавов на основе титана и алюминия.

В работе впервые структурно-фазовый состав этого сварного соединения был исследован с использованием синхротронного излучения (СИ), что позволило специалистам оптимизировать режимы сварки и увеличить прочность сварного шва более чем в два раза. Результаты опубликованы в журнале «Прикладная механика и техническая физика» (Маликов А.Г., Оришич А.М., Витошкин И.Е., Карпов Е.В., Анчаров А.И. "ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ20 И АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В-1461". ПМТФ. 2020. Т.61, №2 (360). с.175-186.).

Для ряда изделий в авиастроительной промышленности требуется соединение титановых и алюминиевых сплавов, благодаря которому производимые конструкции приобретают высокие прочностные характеристики и при этом остаются легкими. Наиболее перспективным методом соединения разнородных сплавов является лазерная сварка – она в 30 раз производительнее традиционной автоматической клепки. Но различия в химических и физических свойствах титана и алюминия (температура плавления, плотность, теплопроводность) делают технологический процесс сварки достаточно сложным.

«В 2017 г. в Академгородок приезжала делегация из Объединенной авиастроительной корпорации, специалисты которой знакомились с достижениями Сибирского отделения по интересующим их направлениям, – рассказывает заведующий лабораторией лазерных технологий ИТПМ СО РАН, кандидат технических наук Александр Маликов. – На экскурсии в нашем Институте представители делегации предложили сварить титан и алюминий – одномоментно такую сложную технологичную задачу решить было невозможно, но мы занялись развитием этого направления».

По словам специалиста, переход к лазерной сварке взамен заклепочного соединения – ключевая задача авиастроения, а получение «сварного» самолета – голубая мечта авиастроителей. «Метод заклепочного соединения давно перестал быть технологичным. Сравните, скорость автоматической клепки около 0,2 – 0,3 метров в минуту, тогда как лазерная сварка позволяет сваривать в минуту четыре метра. Наша лаборатория имеет большой опыт работы с титановыми и алюминиевыми сплавами и давно пропагандирует внедрение лазерной сварки в авиастроение», – добавляет Александр Маликов.

Растровая_электронная_микроскопия_и_EDX_1.jpg 

Растровая электронная микроскопия и EDX анализ структуры соединения, полученного без смещения луча. Предоставлена И. Витошкиным.

Задача сварки разнородных материалов технологически достаточна сложна, в первую очередь, из-за различий в химических и физических свойствах: у свариваемых материалов отличаются температура плавления, плотность, теплопроводность. Так, разница в химическом составе может привести к появлению нежелательных соединений в ходе сварки и изменению свойств материалов в зоне шва, а различие в теплофизических свойствах приводит к неравномерному нагреву материалов, что является причиной возникновения остаточных термических напряжений. Все это ухудшает механические характеристики разнородных сварных соединений.

Комплекс исследований, проводимых специалистами СО РАН, включал сварку листов, применяемых в авиастроении алюминиевого и титанового сплавов, исследование микроструктуры полученного сварного соединения, в том числе изучение его структурно-фазового состава с применением СИ, а также оптимизацию режимов лазерной сварки.
 
Лазерная сварка выполнялась на автоматизированном лазерном технологическом комплексе «Сибирь» ИТПМ СО РАН, дифракционные исследования проводились с использованием инфраструктуры Центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП «СЦСТИ»).
«При помощи синхротронного излучения мы в деталях увидели, что происходит в шве после лазерной сварки встык, – рассказывает старший научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, руководитель станции «Дифрактометрия в жестком рентгеновском излучении» ЦКП «СЦСТИ», кандидат химических наук Алексей Анчаров. – Высокоинтенсивным пучком с поперечным размером в сто микрон мы посмотрели семь точек в шве и получили полную дифракционную картину. Для данного сварного соединения структурно-фазовый состав, определенный с использованием СИ, был получен впервые. Мы увидели различные интерметаллидные образования (соединения двух металлов), большинство из которых оказались твердыми и хрупкими, что понизило прочность сварного шва. Следующей нашей задачей было получение однородного сплава».


Специалисты сместили лазерное излучение в сторону титанового сплава, в результате получив меньшее количество интерметаллидов и увеличив прочность сварного шва в 2,25 раза.

Растровая_электронная_микроскопия_2.png 

Растровая электронная микроскопия и EDX анализ структуры соединения, полученного со смещением луча на 1 мм.

«Мы отрегулировали количество интерметаллидов и получили хорошее прочное соединение, что и увидели благодаря синхротронному излучению, – добавляет Александр Маликов. – Теперь необходимо проанализировать все возможные варианты смещения лазерного пучка – такие работы уже ведутся. Совместные исследования в ЦКП «СЦСТИ» показали, что применение синхротронного излучения для диагностики создаваемых материалов – это приоритет. Высокая интенсивность и разрешающая способность источника СИ уже сейчас позволяют нам на качественно новом уровне понимать, как взаимодействуют сплавы. Источник СИ поколения 4+ (Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов»), проект которого реализуется в Новосибирске, улучшит эти возможности в разы. Наша конечная цель – получить сварную технологию, которую можно будет внедрять в авиацию».

 

Источники

Ученые увеличили прочность шва сварного соединения титана и алюминия более чем в два раза
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 20/03/2020
Ученые увеличили прочность шва сварного соединения титана и алюминия более чем в два раза
Наука в Сибири (sbras.info), 20/03/2020
Ученые увеличили прочность шва сварного соединения титана и алюминия более чем в два раза
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 20/03/2020
Российские ученые приблизили воплощение "голубой мечты" авиастроителей
Media Mag (mag-m.com), 20/03/2020
Российские ученые приблизили воплощение "голубой мечты" авиастроителей
Буденовский компьютерный центр (buden.ru), 20/03/2020
Российские ученые приблизили воплощение "голубой мечты" авиастроителей
Авиаторы и их друзья (aviator.guru), 20/03/2020
Российские ученые приблизили воплощение "голубой мечты" авиастроителей
Яндекс.Новости (yandex.ru/news), 20/03/2020
Российские ученые приблизили воплощение "голубой мечты" авиастроителей
Rosinvest.com, 20/03/2020
Российские ученые приблизили воплощение "голубой мечты" авиастроителей
Pcnews.ru, 20/03/2020
Ученые из Новосибирска приблизили исполнение "голубой мечты" авиастроителей
Популярная механика (popmech.ru), 20/03/2020
Ученые увеличили прочность шва сварного соединения титана и алюминия более чем в два раза.
Advis.ru, 20/03/2020
Сибирские ученые более чем вдвое увеличили прочность титан-алюминиевого сварного шва, перспективного для авиастроения
RussiaGoodNews.ru, 21/03/2020
По заказу авиастроителей
Академгородок (academcity.org), 23/03/2020
По заказу авиастроителей
Seldon.News (news.myseldon.com), 23/03/2020
Новосибирские ученые увеличили прочность сварки титана и алюминия более чем в два раза
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 23/03/2020

Похожие новости

  • 12/02/2020

    Новосибирские физики провели эксперимент по изучению зоны плавления алюминий-литиевых сплавов

    ​Специалисты Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича (ИТПМ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) отрабатывают технологию, которая позволит изучить структуру металла во время лазерной сварки.
    591
  • 05/06/2016

    Спечь или взорвать?: разработки ученых Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

    ​​Шарики вместо метеоритов, танки из военного училища и шедевр японского приборостроения для «выпечки» новых материалов. О том, как ученые Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН создают новые материалы для авиации, космоса и повседневной жизни.
    4761
  • 21/10/2019

    Как делают науку в Сибири

    Чем живет сибирская наука? Обычно мы слышим об ученых либо в связи с прорывными и особо интересными открытиями. Либо благодаря созданию новых научных объектов, таких как ЦКП СКИФ. Либо, как это ни печально, из-за каких-либо конфликтов.
    1307
  • 20/06/2017

    Международная выставка «НТИ ЭКСПО» в Новосибирске

    ​​​Уникальная международная выставка достижений технологического развития "НТИ ЭКСПО" пройдет в рамках V Международного форума технологического развития "Технопром-2017" 20-22 июня в Новосибирске при поддержке правительства РФ, коллегии ВПК, Минпромторга России, Минэкономразвития России, МИДа РФ, правительства Новосибирской области.
    3905
  • 14/03/2019

    Как реализовать возможности российского рынка многокомпонентных материалов

    ​Недавняя новость о том, что из-за международных санкций российские авиастроители не смогут получать из США компоненты, необходимые для выпуска отечественного лайнера МС-21, вызвала бурное обсуждение, так или иначе связанное с проблемой преодоления зависимости от импорта.
    1036
  • 27/03/2017

    Новосибирские ученые создали материал, обеспечивающий 30 лет непрерывной работы химического реактора

    Ученые из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) создали новую технологию сплавления титана и тантала, в результате чего получили особо стойкий к коррозии и агрессивным средам материал.
    3058
  • 29/08/2018

    В Новосибирске обсудили перспективы развития технологической кооперации науки и производства

    ​Заседание Совета главных инженеров предприятий Сибирского федерального округа на VI Международном форуме и выставке технологического развития "Технопром-2018" было посвящено перспективам развития технологической кооперации науки и производства.
    1225
  • 10/04/2019

    Космический корабль нового поколения проектируют в Новосибирске

    ​Новосибирские ученые разрабатывают элементы нового космического корабля «Федерация». Он придет на смену привычным со времен Валентины Терешковой «Союзам». В Академгородке рассчитывают динамические и тепловые нагрузки на аппарат, чтобы космонавты не сгорели при температуре три тысячи градусов.
    1006
  • 31/10/2019

    Российские физики «просветили» перспективный материал для атомной промышленности

    ​Технологии долговременного хранения отходов ядерного топлива и многие другие задачи промышленности, ядерной медицины, сегодня требуют разработки и создания новых функциональных материалов. Перспективными являются наноуглеродные структуры (фуллерены, углеродные нанотрубки и другие формы углерода).
    695
  • 21/07/2020

    Минобрнауки РФ намерено модернизировать приборную базу Института ядерной физики СО РАН

    Приборная база Института ядерной физики СО РАН нуждается в обновлении. Об этом сообщил министр науки и высшего образования Валерий Фальков во время визита в Новосибирскую область. По его словам, модернизация нужна сейчас, поскольку при участии института реализуется масштабный проект по созданию синхротрона “Сибирский кольцевой источник фотонов” (СКИФ).
    424