Материаловеды НИУ «БелГУ» запатентовали инновационный способ изготовления инструментов для сварки трением с перемешиванием

Учёные Белгородского государственного университета разработали инновационный способ производства инструментов сложного профиля для сварки трением с перемешиванием (СТП). Этот вид сварки применяют в различных отраслях промышленности: аэрокосмической, железнодорожной, автомобильной, атомной, судостроении. Скорость сварки и её качество напрямую зависит от сварочных инструментов, которые должны обладать высокой прочностью при повышенных температурах и сохранять такую прочность продолжительное время.

На базе лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов НИИ материаловедения и инновационных технологий НИУ «БелГУ» под руководством профессора кафедры материаловедения и нанотехнологий, доктора физико-математических наук Сергея Миронова с применением аддитивных технологий получено высокопрочное соединение из разнородных алюминиевых сплавов.

Предложенный способ предполагает 3D-печать инструмента из мартенситностареющей стали. Суть процесса заключается в послойном сплавлении атомизированного металлического порошка посредством лазерного луча, следующего по заданной траектории в соответствии с трехмерной компьютерной моделью изделия. Особенностью разработки является проведение последующего «старения» аддитивного инструмента, позволившего повысить его прочность и износостойкость при рабочих температурах.

По словам учёных, была проведена серия предварительных научных исследований, в ходе которых выявлены основные механизмы, определяющие формирование микроструктуры в ходе 3D-печати и её связь с механическими свойствами аддитивных изделий. Только на основе этих научных результатов удалось оптимизировать процесс аддитивной печати и добиться получения инструмента с комплексом необходимых свойств.

- Нам удалось понять физические («микроструктурные») механизмы, которые управляют поведением металла в ходе 3D печати. Это позволило в известной мере контролировать его поведение. В результате мы добились того, что напечатанные изделия - инструменты - были достаточно прочными, - прокомментировал Сергей Миронов.

Предложенный способ обеспечивает надёжные инструменты высокой прочности для сварки трением с перемешиванием и имеет ряд преимуществ. Изготовленные с его применением инструменты – это цельные детали необходимой формы, со сложной конфигурацией наконечника и заплечиков. Производить такие методом токарной обработки технически сложно или невозможно. Детали, выполненные по технологии аддитивной печати, не нуждаются в последующей токарно-фрезерной обработке. В запатентованном способе заложен потенциал оптимизации производственного процесса, так как сокращается время на его изготовление и исключено применение дорогостоящего обрабатывающего инструмента.

‒ Полученный нами инструмент позволил усовершенствовать технологический процесс и существенно повысить качество конечных изделий. Нам удалось получить равнопрочные сварные соединения из термоупрочняемых алюминиевых сплавов. Это очень хороший результат, который может быть востребован в транспортной индустрии, и, прежде всего, в авиакосмической отрасли, ‒ рассказал Сергей Юрьевич о перспективах промышленного применения разработки.

Изготовленные с применением предложенного учёными НИУ «БелГУ» способа инструменты – это цельные детали необходимой формы, со сложной конфигурацией наконечника и заплечиков. Производить такие методом токарной обработки технически сложно или невозможно. Детали, выполненные по технологии аддитивной печати, не нуждаются в последующей токарно-фрезерной обработке. Учёные оптимизировали производственный процесс, в результате чего сократилось время на изготовление инструмента, а также исключилось применение дорогостоящего обрабатывающего инструмента.

Исследования проводились в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». Разработчиками нового способа стали как опытные, так и молодые исследователи лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов: кандидат технических наук Сергей Малофеев, кандидат физико-математических наук Александр Калиненко, кандидат физико-математических наук Иван Зуйко и аспирант Юлия Борисова. Соавтором идеи изобретения является кандидат технических наук Игорь Высоцкий. Свой вклад в достижение внёс один из ведущих учёных-материаловедов, директор НИИ материаловедения и инновационных технологий НИУ «БелГУ», доктор физико-математических наук, профессор Рустам Кайбышев. Проделана огромная работа, результаты которой отражены не только в патенте, но и в ряде статей в международных научно-технических журналах первого квартиля (Q1).