Материаловеды запатентовали инновационный способ изготовления инструментов для сварки трением с перемешиванием

Учёные Белгородского государственного университета разработали инновационный способ производства инструментов сложного профиля для сварки трением с перемешиванием (СТП). Этот вид сварки применяют в различных отраслях промышленности: аэрокосмической, железнодорожной, автомобильной, атомной, судостроении. Скорость сварки и её качество напрямую зависит от сварочных инструментов, которые должны обладать высокой прочностью при повышенных температурах и сохранять такую прочность продолжительное время.

На базе лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов НИИ материаловедения и инновационных технологий НИУ «БелГУ» под руководством профессора кафедры материаловедения и нанотехнологий, доктора физико-математических наук Сергея Миронова с применением аддитивных технологий получено высокопрочное соединение из разнородных алюминиевых сплавов.

Перед коллективом исследователей Белгородского госуниверситета стояла задача - получить цельный инструмент твердостью не менее 35 HRC для сварки трением с перемешиванием. В основе найденного решения – аддитивные технологии и цифровое материаловедение. Предложенный способ предполагает 3D-печать инструмента из мартенситностареющей стали. Суть процесса заключается в послойном сплавлении атомизированного металлического порошка посредством лазерного луча, следующего по заданной траектории в соответствии с трехмерной компьютерной моделью изделия. Особенностью разработки является проведение последующего «старения» аддитивного инструмента, позволившего повысить его прочность и износостойкость при рабочих температурах.

По словам учёных, была проведена серия предварительных научных исследований, в ходе которых выявлены основные механизмы, определяющие формирование микроструктуры в ходе 3D-печати и её связь с механическими свойствами аддитивных изделий. Только на основе этих научных результатов удалось оптимизировать процесс аддитивной печати и добиться получения инструмента с комплексом необходимых свойств.

Предложенный способ обеспечивает надёжные инструменты высокой прочности для сварки трением с перемешиванием и имеет ряд преимуществ. Изготовленные с его применением инструменты – это цельные детали необходимой формы, со сложной конфигурацией наконечника и заплечиков. Производить такие методом токарной обработки технически сложно или невозможно. Детали, выполненные по технологии аддитивной печати, не нуждаются в последующей токарно-фрезерной обработке. В запатентованном способе заложен потенциал оптимизации производственного процесса, так как сокращается время на его изготовление и исключено применение дорогостоящего обрабатывающего инструмента. Изготовленный с применением предложенного способа инструмент для сварки трением с перемешиванием был апробирован на разнородных алюминиевых сплавах 2ххх, 6ххх и 7ххх серий. Коэффициент прочности полученных сварных соединений, измеренный посредством механических испытаний, варьировался от 108 до 110%, что подтверждает получение равнопрочных СТП соединений.

«Применение запатентованного инструмента позволило усовершенствовать технологический процесс и существенно повысить качество конечных изделий. Нам удалось получить равнопрочные сварные соединения из термоупрочняемых алюминиевых сплавов. Это очень хороший результат, который может быть востребован в транспортной индустрии, и, прежде всего, в авиакосмической отрасли», ‒ рассказал Марков о перспективах промышленного применения разработки.

По сравнению с известными ранее способами, разработка материаловедов НИУ «БелГУ» лишена ряда существенных недостатков. Во-первых, в нём не используются дорогостоящие резцы для первичной токарной обработки инструмента, а после термообработки отсутствует необходимость доводить его размеры до требуемых. С применением запатентованной разработки изготавливают цельный инструмент, которому для исключения люфтов и биений при эксплуатации не нужна высокоточная токарно-фрезерная обработка составных частей.