ВЛИЯНИЕ ПРОТЯЖЕННОСТИ ГРАДИЕНТНОЙ ЗОНЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНОГО ИЗДЕЛИЯ СИСТЕМЫ Cu/Al НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Авторы

DOI:

https://doi.org/10.57070/2304-4497-2022-4(42)-61-73

Ключевые слова:

электронно-лучевая аддитивная технология, двойная подача проволоки, функционально- градиентный материал, Cu/Al, механические свойства

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 α-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.

Биографии авторов

Александр Олегович Панфилов, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

аспирант, младший научный сотрудник лаборатории структурного дизайна перспективных материалов

Анна Петровнф Зыкова, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, заведующий лабораторией структурного дизайна перспективных материалов

Андрей Валерьевич Чумаевский, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

к.т.н., старший научный сотрудник лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях

Андрей Владимирович Воронцов, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

к.т.н., научный сотрудник лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях

Сергей Юрьевич Никонов, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

к.ф.-м.н., ведущий инженер лаборатории физики упрочнения поверхности

Евгений Александрович Колубаев, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

д.т.н., заведующий лабораторией локальной металлургии в аддитивных технологиях

Библиографические ссылки

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.

Chmielewski M., Pietrzak K. Metal-ceramic functionally graded materials–manufacturing // Technical sciences. 2016. Vol. 64. No. 1. P. 151–160.

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.

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.

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.

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.

Domack M.S., Baughman J.M. Development of Nickel-Titanium Graded Composition Components // Rapid Proto. J. 2004.Vol. 11. No. 1. P. 41–51.

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.

Kawasaki A., Watanabe R. Thermal fracture behavior of metal/ceramic functionally graded materials // Eng. Fract. Mech. 2002. Vol. 69. P. 1713–1728.

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.

Loh G.H., Pei E., Harrison D., et al. An overview of functionally graded additive manufacturing // Addit.Manuf. 2018. Vol. 23. P. 34–44.

Mahamood R.M., Akinlabi E.T., Shukla M., et al. Functionally graded material: an overview // Proc. World Cong. Eng. 2012. Vol. 3.

Naebe M., Shirvanimoghaddam K. Functionally graded materials: A review of fabrication and properties // Appl. Materials Today. 2016. Vol. 5. P. 223–245.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Galvão 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.

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.

Paidar M., Elveny M., Mehrez S., Ravi S., Babaei 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Зыкова А.П., Панфилов А.О., Чумаевский А.В., Воронцов А.В., Никонов С.Ю., Москвичев 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.

Загрузки

Опубликован

30.12.2022

Как цитировать

Панфилов, А. О., Зыкова, А. П., Чумаевский, А. В., Воронцов, А. В., Никонов, С. Ю., & Колубаев, Е. А. (2022). ВЛИЯНИЕ ПРОТЯЖЕННОСТИ ГРАДИЕНТНОЙ ЗОНЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНОГО ИЗДЕЛИЯ СИСТЕМЫ Cu/Al НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Вестник Сибирского государственного индустриального университета, 1(4), 61–73. https://doi.org/10.57070/2304-4497-2022-4(42)-61-73

Выпуск

Раздел

Металлургия и материаловедение

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)