Как российские ученые получили высокопрочный сварной шов для авиационных сплавов

Ученым из Новосибирска впервые удалось добиться такого же предела прочности у сварного шва, как и у материала, для сварки которого он использовался. В качестве примера приведен результат, полученный на алюминий-литиевом сплаве В-1469, созданном во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов. В исследовательском проекте участвовали специалисты трех институтов Сибирского отделения Российской академии наук: Института теоретической и прикладной механики имени Христиановича, Института химии твердого тела и механохимии и Института ядерной физики имени Будкера. Наши ученые впервые в мире применили синхротронное излучение в режиме реального времени на каждом этапе лазерной сварки и начали изучать процессы образования тех или иных структурных состояний, причин их трансформаций и переходов. Исследования были проведены в ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения».

Как сообщает пресс-служба Института ядерной физики имени Будкера, до недавнего времени большой проблемой было то, что сварной шов проигрывал в прочности самому сплаву, используемому в авиационной промышленности. Так у сплава В-1469 предел прочности равен 550 мегапаскаль (МПа), если прочность образца со швом после сварки будет 300 или 400 Мпа – это будет плохо. Нужно, чтобы прочностной уровень сварного шва был равен прочностному уровню сплава на 100%, и только в этом случае можно говорить о внедрении метода в практику. Российские ученые получили для всех алюминий-литиевых сплавов, в том числе для сплава В-1469, прочностные свойства швов на уровне прочности основного материала. Более того, благодаря синхротронному излучению исследователи изучили структурно-фазовое состояние сварного шва в процессе лазерного воздействия, увидели, как оно изменилось. Обладая такой информацией, теперь можно управлять процессом лазерной сварки.

Участники исследования пояснили, что при добавлении меди и лития происходит упрочнение алюминиевых сплавов – добавленные элементы рассредоточиваются в материале, выстраиваясь между зерен алюминия, и не дают им расплываться, можно сказать, цементируют их. После того, как при помощи лазерного воздействия мы получаем сварной шов, в материале, начинается обратный процесс — кристаллизация, в ходе которой алюминий вытесняет упрочняющие добавки. Все это похоже на школьный эксперимент с соленой водой, когда в процессе ее заморозки соль вытесняется и вода становится пресной. Так и все прочностные добавки уходят из алюминия, и шов становится хрупким. В ИТПМ СО РАН подобрали температурные режимы лазерной сварки, при которых все возвращается обратно. При помощи синхротронного излучения и экспериментов in situ было подтверждено, что механизм работает, и при определенных параметрах сварки структурное состояние, отвечающее за прочность сплава, можно вернуть.

По информации участников проекта, для сплава В-1469 синхротронное излучение показало, что при лазерном воздействии в шве концентрируется упрочняющая фаза, ее становится даже больше, чем в самом сплаве, но при этом шов все равно оставался хрупким. Опять же, синхротронное излучение помогло ответить и на этот вопрос. Оказалось, что вся фаза концентрируется на границе дендрита металла, а не равномерно распределена по объему. При помощи термообработки ученые из Новосибирска добились перераспределения упрочняющей фазы и получили предел прочности 550 Мпа, идентичный пределу прочности основного материала.

По материалам пресс-службы ИЯФ СО РАН