Ученые из Института автоматизации проектирования РАН и МФТИ смоделировали структуру и процесс разрушения легких сплавов. Модель позволит определять межремонтный интервал авиационного оборудования и оптимизировать производство комплектующих, что повысит безопасность полетов. Результаты работы опубликованы в журнале «Вычислительная механика сплошных сред».
Литье, сварку, обработку металлов давлением и механообработку широко применяют в промышленности. Методы проверены временем, но изготовить с их помощью детали сложной геометрической формы весьма проблематично. Особые трудности вызывает выпуск тонкостенных изделий с внутренними полостями.
Решить эту проблему машиностроения позволяет селективное лазерное плавление. Его реализацию начинают с построения трехмерной модели детали в системе автоматизированного проектирования. Затем в 3D-принтере лазерным лучом послойно сплавляют частицы порошка, согласно модели. Процесс ведут в инертном газе. При необходимости поверхность детали дополнительно обрабатывают.
При всех неоспоримых преимуществах технологии, материал из сплавленных частиц имеет поры. Их наличие сокращает срок службы изделий. Чтобы определить межремонтный интервал оборудования, нужно знать усталостную прочность, то есть число циклических нагрузок с определенным напряжением, которые выдерживает материал. На сегодняшний день не существует методов оценки усталостной прочности материалов, полученных селективным лазерным плавлением.
По этой причине ученые из ИАП РАН и МФТИ разработали модель плавления порошка под действием лазерного излучения (рисунок 1). В ее основе лежит уравнение изменения во времени теплосодержания системы. При вычислениях они учли следующие параметры процесса: мощность лазера, скорость движения лазерного луча, степень перекрытия сплавляемых слоев и возможное парообразование при сильном нагреве. Результатом моделирования стало математическое описание структуры затвердевших слоев металла. Особое внимание было уделено наличию структурных дефектов.
Рисунок 1. Схема плавления металла с образованием ванны расплава и последующего затвердевания. Ось X совпадает с направлением движения лазерного луча по слою порошка толщиной h (30 мкм). Источник: журнал «Вычислительная механика сплошных сред»
Чтобы проверить точность модели, ученые изготовили алюминиевый образец методом селективного лазерного плавления и рассмотрели его под оптическим микроскопом. После чего они смоделировали структуру образца при этих же условиях получения. В ходе сопоставления расчетных и опытных данных было установлено их соответствие (рисунок 2).
Рисунок 2. Слоистая структура образца: расчет (сверху), изображение в оптическом микроскопе (снизу). Режим селективного лазерного плавления: мощность лазера — 370 Вт, скорость движения луча — 1500 мм/с, шаг луча — 105 мкм, диаметр пятна — 80 мкм. Источник: журнал «Вычислительная механика сплошных сред»
Моделирование структурных дефектов титанового сплава показало, что при высокой скорости лазерного луча остаются участки с нерасплавленным порошком. С замедлением движения лазера, наоборот, появляются области переплавления материала. Многократный переход вещества из жидкого состояния в твердое вызывают процессы формирования соседних слоев. Следовательно, в зависимости от режима селективного лазерного плавления образуется материал с непроплавленными либо переплавленными участками, расположенными послойно (рисунок 3). Такие локальные дефекты занимают до 30–40% от линейного размера слоя.
Рисунок 3. Структурные дефекты двухфазного α + β титанового сплава: а) непроплавы, б) переплавы (непроплавы отсутствуют). Режим селективного лазерного плавления: мощность лазера — 50 Вт, скорость движения луча (мм/с): а) 1000, б) 500. Цифрами обозначены порядковые номера слоев. Источник: журнал «Вычислительная механика сплошных сред»
На непроплавленных участках размером около 100 мкм часть вещества замещена порой, а оплавленные частицы слабо связаны друг с другом и с окружающим их сплошным материалом. Из-за этого непроплавы имеют значительно меньший модуль упругости, чем бездефектные области. Иными словами, непроплавы сильнее подвержены упругой деформации и становятся центрами зарождения усталостных трещин и каверн (рисунок 4).
Рисунок 4. Изображения поверхности образцов, полученные методом сканирующей электронной микроскопии: а) усталостный излом с областями непроплава 1–5, б) каверна с оплавленными частицами порошка (выделена штриховой линией на обоих рисунках). Источник: журнал «Вычислительная механика сплошных сред»
В переплавах, благодаря длительному тепловому воздействию, образуются крупные зерна с иным фазовым составом (рисунок 5). Их появление увеличивает микротвердость и модуль упругости переплавов на 10–15% по сравнению с бездефектными областями.
Рисунок 5. Изображение в оптическом микроскопе усталостного излома материала, полученного селективным лазерным плавлением (а). Результаты измерения твердости по диаметру корсетного образца (б). Источник: журнал «Вычислительная механика сплошных сред»
«Мы разработали алгоритмы вычисления усталостной прочности и долговечности образцов, изготовленных методом селективного лазерного плавления,— пояснил Василий Голубев, профессор кафедры информатики и вычислительной математики МФТИ.— Предложенные решения позволят определить диапазон параметров ведения процесса, при котором уровень усталостной прочности будет наилучшим».
Результаты работы математиков будут использованы для оптимизации производства авиационных комплектующих.
_____________________________
Исследование выполнено в рамках проекта РНФ № 23-19-00640.
Научная статья: Nikitin I. S., Golubev V. I., Nikitin A. D., Stratula B. A. Numerical modeling of fatigue fracture in the light alloys produced by additive technology // Computational Continuum Mechanics. 2025. Vol. 18. No. 2, 173–189. DOI: 10.7242/1999-6691/2025.18.2.13
