Алюминиевые сплавы с магнием, литием и цирконием часто используют в авиационной отрасли и других областях производства. Они обладают уникальными свойствами: низкой плотностью, высокой упругостью и стойкостью к коррозии. Из них изготовляют легкие и тонкие конструкции для летательных аппаратов. Однако в процессе сварки в соединениях могут появляться дефекты в виде пор. Ученые Пермского Политеха нашли способ получения бездефектных тонкостенных сварных соединений из алюминиевых сплавов. Исследование выполнено в рамках Программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Получение бездефектных соединений сваркой высококонцентрированными источниками энергии в вакууме позволит повысить качество тонких конструкций из алюминиевых сплавов в авиационной промышленности и безопасности. Это поможет обеспечить технологический суверенитет России.

— Сплавы на основе алюминия, магния и лития с добавками циркония сегодня используют в авиастроении и других сферах промышленности. Они отличаются высокой упругостью и стойкостью к коррозии, свариваемостью и пониженной плотностью. Однако трудности сварки тонкостенных конструкций из алюминиевых сплавов связаны с тем, что на их поверхности образуется рыхлый оксидный слой. Он поглощает влагу, водород и другие газы, которые взаимодействуют с жидким металлом при сварке. При переходе металла из жидкого состояния в твердое растворимость газа в металле резко падает. Если газовые пузыри не успевают всплыть после кристаллизации металла и остаются в нем, это приводит к образованию дефектов, — рассказывает одна из разработчиков, доцент кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов Пермского Политеха, кандидат технических наук Елена Федосеева.

Удаление оксидной пленки с поверхности материалов снижает количество пор, но этого недостаточно для полного отсутствия дефектов. Чтобы избежать их возникновения, специалисты некоторых предприятий проводят термовакуумную обработку материала перед сваркой. Она предположительно позволяет изменить состав материалов и снизить концентрацию водорода в основном металле. С помощью этого метода можно повысить качество исходного материала и снизить его пористость.

— Водород может попадать в зону сварки не только из алюминия, но и из сварочного материала и защитного газа. Оптимальным способом «соединения» алюминиевых сплавов является электронно-лучевая сварка. Ее проводят с помощью высококонцентрированного источника энергии в вакуумной камере. Этот метод позволяет очистить поверхность металла от газов без применения дополнительных средств, — объясняет руководитель проекта, профессор кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов Пермского Политеха, ведущий научный сотрудник Центра аддитивных технологий центра коллективного пользования, доктор технических наук, доцент Татьяна Ольшанская.

Пермские ученые впервые оценили совместное влияние исходного материала, термовакуумной обработки и технологий сварки сплавов на возникновение пор. Они провели металлографический анализ, исследовали состав сплавов и сварных швов. С помощью термодинамических расчетов разработчики определили, как формируются упрочняющие фазы в металле после термовакуумной обработки и без нее при различных способах сварки. Они установили, что такая обработка, закалка и старение не влияют на состав сплава, но распределение упрочняющих фаз происходит более равномерно.

Результаты исследования показали, что электронно-лучевая сварка позволяет избежать образования пор наиболее эффективно, в отличие от сварки методом MIG, при которой используют инертный газ. Применение термовакуумной обработки перед сваркой обоими способами помогает получить однородный по твердости металл.

Поддержать редакцию