В настоящее время в мировом авиастроении широко применяются алюминий-литиевые сплавы – они повышают механические характеристики деталей самолетов. Более того, такие сплавы в будущем позволят совершить переход от традиционной сшивки частей фюзеляжа и крыльев самолета – технологии клепки металла – к сварным соединениям.
В настоящий момент одной из основных проблем является низкий уровень прочности сварного шва по сравнению с основным материалом. Специалисты Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН (ИТПМ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели ряд экспериментов с алюминий-литиевым сплавом системы Al-Cu-Li. Образцы сварного шва, полученного путем лазерной сварки, помещались в печь, где нагревались, и параллельно просвечивались синхротронным излучением (СИ).
Метод рентгеновской дифракции в ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП «СЦСТИ») позволил in situ проследить все стадии нагрева сварного шва и зафиксировать тот момент, когда образуются фазовые переходы. В дальнейшем такие исследования позволят управлять механическими свойствами сварного шва и сплава с помощью изменения температуры. Результаты опубликованы в журнале Materials Characterization.
Алюминиево-литиевые сплавы широко применяются в авиационной и космической промышленности, так как обладают актуальными для этих областей характеристиками: низкой плотностью и высокой прочностью по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами. Высокие механические свойства достигаются за счет образования различных упрочняющих фаз. В настоящее время разрабатываются различные технологии сварки этих сплавов, но основное требование к ним одно – механические свойства сварного шва должны соответствовать механическим свойствам исходных сплавов. Достичь этого довольно трудно, потому что в результате процесса плавления при сварке упрочняющие фазы могут, например, растворяться, что приводит к ухудшению механических характеристик материала.
Один из способов получить прочный шов – послесварочная термическая обработка. Задача исследователей ИТПМ и ИЯФ СО РАН тщательно подобрать параметры нагрева, чтобы сохранить фазовый состав исходного сплава и восстановить его в сварном шве.
«Алюминий-литиевый сплав системы Al-Cu-Li, созданный во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов, является одним из самых высокопрочных в России, – прокомментировал заведующий лабораторией лазерных технологий ИТПМ СО РАН доктор технических наук Александр Маликов. – Мы давно занимаемся лазерной сваркой таких сплавов, и основная проблема заключается в необходимости обеспечения прочности сварного шва. На данном этапе мы исследовали физику фазовых переходов под воздействием температуры, чтобы понять, какие из них упрочняют шов. Для этого мы провели уникальные эксперименты мирового уровня совместно с ИЯФ СО РАН и Александром Николаевичем Шмаковым. Эксперимент состоит в том, что мы помещаем образцы сварного шва алюминиевого сплава в печь, после чего постепенно нагреваем и светим на него синхротронным излучением. При этом ежеминутно, то есть через 5-10°С в зависимости от скорости нагрева, проверяем, как изменяется фазовый состав в зависимости от температуры и в режиме реального времени (in situ) исследуем структурные фазовые изменения и можем предсказать механические свойства материала».
Исследования проводились на станции «Прецизионная дифрактометрия II» в ЦКП «СЦСТИ» ИЯФ СО РАН. При помощи СИ специалисты смогли проследить in situ все фазовые переходы в материале во время его термической обработки.
Станция«Метод дифракции в термических условиях своего рода mast have в любом синхротронном центре, и, конечно, он есть в ЦКП “СЦСТИ”, – добавил ведущий научный сотрудник ЦКП «СКИФ» инженер I категории ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Александр Шмаков. – Несмотря на то, что его применение давно стало рутинным, результаты могут получиться очень хорошими, если подберешь правильный объект. В данном исследовании все сошлось: объект, методика, результат, и как итог публикация в журнале с рейтингом Q1. В данном цикле экспериментов мы в режиме реального времени при нагреве изделия, детали которого были ранее соединены лазерной сваркой, увидели упрочняющую фазу. Эта фаза, ее назвали Ω (Омега большое), в отличие от многих других, которые могут в процессе термической обработки появляться и исчезать, стабилизировалась, что привело к улучшению свойства материала».
Преимущество используемого метода в том, что он позволяет отрабатывать технологию создания прочных сварных конструкций не слепым методом перебора температурных режимов, когда образец сначала нагревается, потом исследуется, а смотреть на все этапы его эволюции под пучком СИ в момент нагрева и контролировать, а при необходимости корректировать или останавливать процесс.
«Мы впервые в мире нашли температуры для сплавов системы Al-Cu-Li, при которых как в сварном шве, так и в самом сплаве либо растворяются, либо образуются упрочняющие фазы. И в дальнейшем мы можем управлять механическими свойствами сплава с помощью изменения температуры», – отметил Александр Маликов.