Какие существуют методы аддитивного производства из алюминия?

Низкая плотность, высокая удельная прочность и жесткость, хорошая пластичность, превосходная электро- и теплопроводность, а также хорошая коррозионная стойкость делают алюминиевые сплавы предпочтительными легкими конструкционными материалами для аэрокосмической, транспортной и судостроительной отраслей. По мере сокращения циклов разработки продукции традиционные методы плавки, литья и ковки все чаще сталкиваются с трудностями при удовлетворении спроса на сложные прецизионные детали. Производство должно быть эффективным, оперативно реагировать на изменения в конструкции и гибко адаптироваться к сложной геометрии.

Аддитивное производство позволяет создавать физические детали слой за слоем. В аэрокосмической отрасли, биомедицине и железнодорожном транспорте эта технология обеспечивает быстрое производство отдельных деталей или небольших партий, большую свободу проектирования, возможность изготовления сложных форм по индивидуальному заказу, а также сокращение сроков вывода продукции на рынок, преодолевая при этом некоторые ограничения традиционных методов, связанные с масштабом производства.

Процессы аддитивного производства из алюминия классифицируются в основном по принципу действия и источнику тепла: лазерное, электронно-лучевое, дуговое, ультразвуковое и аддитивное производство методом фрикционного перемешивания. Каждый из них имеет свои характерные технологические особенности.

Лазерное аддитивное производство алюминиевых сплавов

Лазерное аддитивное производство использует лазер в качестве источника тепла и обеспечивает высокую точность формовки, относительно небольшое количество внутренних дефектов и хорошие механические свойства. Обычно в этом процессе используется порошок алюминиевого сплава. Неравномерные зазоры между частицами порошка могут снижать плотность детали, а высокая отражательная способность большинства алюминиевых сплавов по отношению к лазерному излучению снижает энергоэффективность. Поэтому данный метод применяется в основном для литых алюминиевых сплавов или сплавов с хорошей свариваемостью.

Существуют два основных варианта: лазерное наплавление с синхронизированной подачей металлического порошка и лазерная сварка в порошковой подушке. В первом случае порошок подается непрерывно; во втором — последовательные слои в порошковой подушке точно плавятся для формирования сложных структур.

Сплавы Al-Si обладают хорошими литейными и горячедеформируемыми свойствами и являются предметом широких исследований. Исследователи из Сианьского университета Цзяотун оптимизировали мощность лазера, скорость сканирования и шаг штриховки для селективного лазерного плавления сплава AlSi10Mg и предложили модель плотности энергии, описывающую взаимосвязь между вводимой энергией и плотностью. При значениях от 4,0 до 6,0 Дж/мм², плотность превысила 98%. Институт исследования металлов Китайской академии наук изготовил образцы из сплава AlSi10Mg с плотностью 99,63% и хорошими механическими свойствами, а также провёл сравнение методов термообработки для материала, ориентированного параллельно рабочей платформе. Прочность на растяжение в горизонтальном направлении в исходном состоянии достигала 478 МПа, относительное удлинение составляло около 8%, а средняя твёрдость — около 122 HV. После старения при 130 °C в течение 4 часов в лавных ваннах сохранилась полная сетеобразная структура кремния. Пластичность возросла примерно до 11,91 TP33T при сохранении высокой прочности, а средняя твёрдость увеличилась до 133 HV, что примерно на 91 TP33T выше значения в состоянии после наплавки.

Лазерная обработка высокопрочных алюминиевых сплавов серий 2xxx и 7xxx по-прежнему представляет собой сложную задачу. Исследователи снижают количество внутренних дефектов и улучшают механические свойства за счет оптимизации параметров, использования наночастиц-инкуляторов, модификации состава и последующей обработки. В ходе экспериментов по лазерной плавке в порошковой среде с использованием порошков 7075 с различным содержанием кремния утончение зерен, вызванное кремнием, значительно снизило образование микротрещин.

Аддитивное производство алюминиевых сплавов с использованием электронного пучка

Аддитивное производство с использованием электронного пучка подразделяется по типу исходного материала на аддитивное производство с плавлением порошкового слоя электронным пучком и аддитивное производство с подачей проволоки электронным пучком.

При плавке металлического порошка электронным пучком в вакууме в качестве источника тепла используется электронный пучок. Благодаря высокоскоростному сканированию металлический порошок нагревается и плавится слой за слоем, в результате чего формируется деталь. В технологии аддитивного производства с подачей проволоки под электронным лучом проволока, подаваемая синхронно с лучом, плавится под действием высокоэнергетического луча и наносится слой за слоем по траектории, определяемой CAD, до формирования плотной детали. Поскольку поглощение электронного пучка более чем в два раза превышает поглощение лазерного луча, данная технология обладает значительным потенциалом для применения с высокопрочными алюминиевыми сплавами.

Исследования по-прежнему носят ограниченный характер и сосредоточены в основном на процессах электронно-лучевой обработки с подачей проволоки. Исследовательский центр НАСА в Лэнгли изучил технологическое окно для алюминиевого сплава 2219, а также влияние скорости перемещения, скорости подачи проволоки и мощности пучка на микроструктуру и механические свойства. Брайс из компании «Lockheed Martin Space Systems» изготовил образцы алюминия марки 2139 методом осаждения направленной энергии электронного пучка и оценил, как испарение магния влияет на выделение фаз и механические характеристики; потери магния во время осаждения достигали 65%. Исследователи из Университета Цинхуа изучили обработку алюминиевого сплава 2024 методом электронно-лучевой обработки порошкового слоя. Ток пучка и скорость сканирования существенно влияли на относительную плотность и микроструктуру. В α-Al-матрице вдоль границ зерен образовались выделения, содержащие медь, марганец и железо. При выборе подходящих параметров удалось достичь предела прочности при растяжении до 314 МПа и относительного удлинения 6%.

Аддитивное производство алюминиевых сплавов с использованием дуговой сварки

Аддитивное производство с использованием дуговой сварки позволяет создавать детали слой за слоем с помощью дугового источника тепла и синхронизированной подачи проволоки. Высокая степень использования материала, относительно низкая стоимость оборудования и большая рабочая зона делают этот метод подходящим для изготовления крупных и сложных конструкций. Однако высокий приток тепла при сварке, а также относительно низкое качество поверхности и точность обычно требуют значительной последующей обработки. Снижение теплового воздействия для повышения точности и качества поверхности является одной из основных целей исследований.

Исследования сплавов серий 6xxx и 7xxx носят относительно ограниченный характер. С помощью газовой дуговой сварки и сварки вольфрамовым электродом в защитной газа удалось нанести слои из сплавов 4047, 5356, 2024 и 7075. Образцы продемонстрировали более высокую прочность на разрыв по сравнению с образцами, изготовленными традиционным способом, а также более мелкое зерно.

Метод холодного переноса металла также позволил получить образцы из алюминиевых сплавов 2319, 5087 и 5183 с мелким зерном, небольшим количеством пор и улучшенными механическими свойствами. В наплавках из алюминиевого сплава 5336, полученных методом переноса холодного металла, практически не наблюдалось равноосных или столбчатых зерен, а размер зерен уменьшался с увеличением теплоотдачи. Подача тепла определяет геометрию, микроструктуру, дефекты, а также механические и химические свойства. Неравномерный нагрев и охлаждение во время многослойного наплавления, особенно при высокой подаче тепла, могут привести к накоплению тепла, образованию крупных зерен, появлению остаточных напряжений и деформации. Для успешной обработки необходимо контролировать ток, напряжение, скорость подачи проволоки, скорость перемещения и другие переменные.

Ультразвуковое аддитивное производство алюминиевых сплавов

В процессе ультразвукового аддитивного производства используется ультразвуковая энергия высокой мощности. Вибрация и трение между слоями фольги из алюминиевого сплава вызывают выделение тепла, способствуют межфазной атомной диффузии и формируют металлургическую связь в твёрдом состоянии.

Исследователи из Университета Тохоку (Япония) изучили микроструктуру и распределение на границе раздела при ультразвуковом аддитивном производстве алюминиевого сплава 6061. Граница раздела оказывает значительное влияние на микроструктуру: движущая сила рекристаллизации вызывает микроскопические фазовые изменения в приграничной области, а на самой границе раздела образуются поры.

Работа при низких температурах позволяет избежать испарения легирующих элементов и сохранить свойства соединения, что делает данный процесс особенно подходящим для алюминия. Ограничения на экспорт современного оборудования и ограниченный объем отечественных исследований создают значительный потенциал для дальнейших научных разработок. Полная теоретическая модель атомной диффузии на границе раздела материалов пока не создана, и не существует единой концепции, описывающей межфазную пластическую деформацию и нагрев за счет трения. Дальнейшие разработки важны для обеспечения точности, эффективности и коммерциализации.

Аддитивное производство алюминиевых сплавов методом тертичного перемешивания

Аддитивное производство методом сварки трением с перемешиванием развилось из сварки трением с перемешиванием. Быстро вращающийся инструмент погружается в алюминиевый лист и перемещается по заданному направлению. Тепло, выделяемое в результате трения, пластифицирует и размягчает материал, который течет за инструментом, заполняя полость и образуя один наплавленный слой. Затем дополнительный материал наслаивается и обрабатывается по той же траектории. Источник указывает, что получаемые механические свойства могут соперничать с коваными изделиями, однако часть этого предложения является неполной.

Исследователи из Северо-Западного политехнического университета внедрили технологию аддитивного производства с использованием метода фрикционного перемешивания с неподвижным плечом и успешно изготовили высокопрочные детали из алюминиевого сплава 7075-O. Они изучили поведение потока металла в процессе наплавки и обнаружили значительные изменения микроструктуры и механических свойств вдоль направления наплавки. По сравнению с традиционной технологией с вращающимся плечом при сварке с перемешиванием трением, в данном случае неподвижное плечо остается фиксированным, а штифт вращается с высокой скоростью во время сварки, что позволяет исключить зону влияния плеча и обеспечить изготовление деталей с формой, близкой к конечной.

При аддитивном производстве методом трения с перемешиванием высокопрочного алюминия марки 2024 образовалась рекристаллизованная структура с мелкими равноосными зернами. Размер зерен уменьшался от нижней части к верхней части построенного слоя. Вторая фаза подверглась повторному растворению; её общее содержание было заметно ниже, чем в исходном материале, но увеличивалось от нижней части к верхней. Хотя отсутствие плавления и затвердевания значительно снижает количество внутренних дефектов, несоответствующие параметры процесса всё же могут приводить к образованию межфазных дефектов.

Исследователи из Пекинского технологического института проанализировали механизм формования при аддитивном производстве методом трения с перемешиванием для алюминия марки 2024-O. Они сосредоточили внимание на направленных различиях в механических свойствах и их причинах, а также добились нанесения многослойного покрытия без дефектов с использованием многопроходной технологии.

Тенденции развития

Аддитивное производство из алюминия обладает значительным потенциалом как в военной, так и в гражданской сферах, поскольку позволяет осуществлять сложное прецизионное формование и создавать конструкции с облегченной конструкцией. Основные направления включают разработку новых технологических процессов и углубленное изучение взаимосвязей между технологическим процессом, микроструктурой и свойствами. Исследования должны объяснить механизмы образования напряжений и обеспечить контроль величины и распределения остаточных напряжений, особенно в крупных сложных деталях. Они также должны прояснить процессы массопереноса, неравновесного затвердевания, охлаждения, физической металлургии и фазовых превращений в микромасштабных ваннах расплава, чтобы обеспечить точное управление микроструктурой. Эксперименты в сочетании с численным моделированием позволяют прогнозировать температурные поля и управлять зоной термического влияния. Гибридное оборудование, сочетающее аддитивное нанесение материала и фрезерование, может повысить точность формования и обеспечить прецизионную отделку. Усовершенствования технологического процесса и оборудования позволяют устранить пористость, повысить плотность и улучшить общие механические свойства, продвигая технологию в направлении большей точности, эффективности и функциональности.