Как работает метод электронно-лучевого наплавления проволокой для алюминиевых сплавов?

В качестве метода 3D-печати из алюминиевых сплавов используется электролучевое наплавление. Алюминиевые сплавы сочетают в себе низкий вес и высокую прочность с хорошей пластичностью, электро- и теплопроводностью, а также коррозионной стойкостью. Эти физические, химические и механические свойства позволяют использовать их в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, железнодорожном транспорте, производстве оружия, резервуаров для хранения, бытовой техники, строительстве и производстве строительных материалов. С 1960-х годов алюминиевые сплавы широко применяются в массовом производстве железнодорожного и автомобильного транспорта.

Алюминиевые сплавы можно классифицировать по нескольким признакам. По основному способу обработки они делятся на литейные и кованые сплавы. По назначению к ним относятся чистый алюминий, коррозионно-стойкий алюминий, дуралюминий, супердуралюминий и алюминий специального назначения. По реакции на термообработку они бывают термообрабатываемыми и нетермообрабатываемыми. По основным легирующим элементам они подразделяются на восемь серий. В отдельном справочнике рассматриваются восемь серий алюминиевых сплавов.

Свойства материалов и свариваемость

Поскольку при осаждении электронным пучком материал наносится в виде проволоки, этот процесс по своим характеристикам напоминает сварку, в частности сварку с использованием присадочной проволоки. Поэтому перед началом осаждения необходимо оценить свариваемость материала. Алюминиевые сплавы в целом хорошо поддаются сварке, однако некоторые характеристики могут ухудшить качество сварки и осаждения проволоки.

Сильное окисление

Алюминий легко вступает в реакцию с кислородом воздуха и в процессе сварки, образуя Al₂O₃ пленка. Оксид алюминия обладает высокой температурой плавления, химически и физически устойчив, его трудно удалить, и он сильно впитывает влагу. Поверхностная пленка затрудняет плавление основного металла и может привести к образованию шлаковых включений, непроплавленности и неполному проварю. Впитанная влага может попасть в сварной шов и вызвать пористость.

Перед сваркой поверхность необходимо тщательно очистить с помощью механической шлифовки или химических методов для удаления Al₂O₃. Зона сварки также требует эффективной защиты. При сварке методом TIG обычно используется переменный ток, благодаря чему катодная очистка удаляет оксидную пленку.

Термофизические свойства

Алюминиевые сплавы обладают более высокой теплопроводностью и удельной теплоемкостью, чем сталь. Тепло быстро проникает в основной металл и отводится из зоны сварки, поэтому может потребоваться предварительный нагрев. Их высокий коэффициент линейного расширения также способствует образованию горячих трещин и деформаций. Состав проволоки можно скорректировать для предотвращения образования горячих трещин, а предварительный нагрев поможет контролировать деформации.

Пористость

Жидкий алюминий может растворять гораздо больше водорода, чем твердый; растворимость водорода в жидком и твердом состояниях различается в 17,5 раз. Низкая температура плавления и высокая теплопроводность алюминия приводят к быстрому затвердеванию сварочной ванны, в результате чего водороду не хватает времени для выхода, что способствует образованию водородных пор. Алюминий₂O₃ пленка реформируется практически сразу после очистки, и адсорбированная влага становится основным источником водорода. Поэтому необходимо строго контролировать источники водорода.

Формирование сварного шва

Формирование капель затрудняется по двум причинам. Алюминий не демонстрирует заметных изменений цвета перед плавлением, что затрудняет оценку условий формования, а его низкая высокотемпературная прочность не обеспечивает достаточной опоры для расплавленного металла, что повышает риск прожигания.

Изменения свойств соединений

1. Испарение и выгорание Mn, Mg и Zn при температурах сварки приводят к уменьшению количества элементов, доступных для образования упрочняющих фаз, и снижают механические свойства сварного шва.
2. Рекристаллизация в зоне термического воздействия снижает прочность сплавов, подвергшихся деформационному упрочнению или старению в растворе.
3. Алюминий имеет гранецентрированную кубическую решётку и не имеет аллотропов, поэтому при термическом цикле не происходит фазовых превращений, способных привести к утончению зерен; в результате зерна в сварном шве остаются относительно крупными.

Электронно-лучевая сварка осуществляется в вакууме, что исключает контакт алюминия с воздухом во время сварки. Тщательная очистка перед сваркой для удаления Al₂O₃ остаётся крайне важным, причём очистка алюминиевой проволоки перед наплавкой имеет особое значение. Правильный выбор состава проволоки также позволяет предотвратить горячее растрескивание и связанные с ним дефекты. Сварочная проволока из сплава 2219 широко используется для наплавки электронно-лучевым методом.