Специалисты Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН исследовали особенности лазерной сварки разнородных материалов промышленных сплавов на основе титана и алюминия. В работе структурно-фазовый состав этого сварного соединения был впервые 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».
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. Однако различия в химических и физических свойствах титана и алюминия (температура плавления, плотность, теплопроводность) делают технологический процесс сварки достаточно сложным.
«В 2017 году в новосибирский 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 Геннадьевич 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.
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 синхротронного излучения, а также оптимизацию режимов лазерной сварки. Она 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».
«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 Игоревич 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.
«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».
Пресс-служба ИЯФ СО РАН
