Разработка и сертификация летной годности современной ответственной детали корпуса переключателя для аэрокосмических систем, изготовленной из сплава AlSi10Mg с помощью аддитивной технологии

Аддитивные технологии (АТ) очень эффективны для макетирования и быстрого производства, поэтому их применение выгодно для аэрокосмической отрасли. Они позволяют сэкономить средства, а также облегчить конструкции, подходят для комплексного проектирования. Однако на данный момент доступно лишь несколько стандартов аддитивных технологий, требуется много материалов и оборудования, что приводит к возникновению затруднений с сертификацией и внедрением АТ. Нестандартные испытания приводят к тому, что АТ в аэрозольных материалах оказываются менее привлекательными из-за их дороговизны и трудоемкости. Целью работы является изготовление деталей корпуса переключателя военных и гражданских самолетов методом лазерного сплавления порошкового слоя (LPBF) с применением порошка AlSi10Mg. Выявлены физико-химические свойства материала, проведены неразрушающие и разрушающие испытания, а также даны четкие разъяснения процедур сертификации. Сделан упор на необходимости разработки руководств и стандартов, охватывающих все аспекты производства – от проектирования до изготовления и эксплуатации продукта. Комплексный анализ испытаний на проникновение жидкости показывает, что дефекты находятся в пределах допустимого уровня. AlSi10Mg демонстрирует более высокие показатели предела текучести, предела прочности и относительного удлинения, равные (259±4) МПа, (323±4) МПа и (12,5±1,5) % соответственно. Показано, что дисперсионно-твердеющий AlSi10Mg, разработанный и производящийся в Индии, по свойствам не уступает аналогичным дисперсионно-твердеющим алюминиевым сплавам всемирно известных производителей.

1. Bradford R.L., Cao L., Klosterman D., Herman F., Forman L., Browning C. A metal–metal powder formulation approach for laser additive manufacturing of difficult-to-print high-strength aluminum alloys // Materials Letters. 2021. Vol. 300. Article number 130113. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130113.

2. Bajakke P.A., Malik V.R., Deshpande A.S. Particulate metal matrix composites and their fabrication via friction stir processing – a review // Materials and Manufacturing Processes. 2018. Vol. 34. № 8. P. 833–881. DOI: 10.1080/10426914.2019.1605181.

3. Matilainen V., Piili H., Salminen A., Syvänen T., Nyrhilä O. Characterization of process efficiency improvement in laser additive manufacturing // Physics Procedia. 2014. Vol. 56. P. 317–326. DOI: 10.1016/j.phpro.2014.08.177.

4. Fousová M., Dvorský D., Michalcová A., Vojtěch D. Changes in the microstructure and mechanical properties of additively manufactured AlSi10Mg alloy after exposure to elevated temperatures // Materials Characterization. 2018. Vol. 137. P. 119–126. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.01.028.

5. Tradowsky U., White J., Ward R.M., Read N., Reimers W., Attallah M.M. Selective laser melting of AlSi10Mg: Influence of post-processing on the microstructural and tensile properties development // Materials & Design. 2016. Vol. 105. P. 212–222. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.05.066.

6. Zhou L., Mehta A., Schulz E., McWilliams B., Cho K., Sohn Y. Microstructure, precipitates and hardness of selectively laser melted AlSi10Mg alloy before and after heat treatment // Materials Characterization. 2018. Vol. 143. P. 5–17. DOI: 10.1016/j.matchar.2018.04.022.

7. Li X.P., Wang X.J., Saunders M., Suvorova A., Zhang L.C., Liu Y.J., Fang M.H., Huang Z.H., Sercombe T.B. A selective laser melting and solution heat treatment refined Al–12Si alloy with a controllable ultrafine eutectic microstructure and 25% tensile ductility // Acta Materialia. 2015. Vol. 95. P. 74–82. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.05.017.

8. Andersen S.J., Zandbergen H.W., Jansen J., TrÆholt C., Tundal U., Reiso O. The crystal structure of the β″ phase in Al–Mg–Si alloys // Acta Materialia. 1998. Vol. 46. № 9. P. 3283–3298. DOI: 10.1016/S1359-6454(97)00493-X.

9. Rometsch P.A., Schaffer G.B. An age hardening model for Al–7Si–Mg casting alloys // Materials Science and Engineering: A. 2002. Vol. 325. № 1-2. P. 424–434. DOI: 10.1016/S0921-5093(01)01479-4.

10. Montero-Sistiaga M.L., Mertens R., Vrancken B., Wang X., Van Hooreweder B., Kruth J.P., Van Humbeeck J. Changing the alloy composition of Al7075 for better processability by selective laser melting // Journal of Materials Processing Technology. 2016. Vol. 238. P. 437–445. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.08.003.

11. Li W., Li S., Liu J., Zhang A., Zhou Y., Wei Q., Yan C., Shi Y. Effect of heat treatment on AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting: Microstructure evolution, mechanical properties and fracture mechanism // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 663. P. 116–125. DOI: 10.1016/j.msea.2016.03.088.

12. Takata N., Kodaira H., Sekizawa K., Suzuki A., Kobashi M. Change in microstructure of selectively laser melted AlSi10Mg alloy with heat treatments // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 704. P. 218–228. DOI: 10.1016/j.msea.2017.08.029.

13. Reunova K.A., Astafurova E.G., Moskvina V.A., Astafurov S.V., Panchenko M.Y., Melnikov E.V., Kolubaev E.A. Microstructure and Phase Composition of a Gradient Material “Stainless Steel/Cr-Ni Alloy” Produced by Electron-Beam Additive Manufacturing // Russian Physics Journal. 2022. Vol. 65. P. 771–777. DOI: 10.1007/s11182-022-02696-0.

14. Astafurova E.G., Panchenko M.Yu., Moskvina V.A. et al. Microstructure and grain growth inhomogeneity in austenitic steel produced by wire-feed electron beam melting: The effect of post-building solid-solution treatment // Journal of Materials Science. 2020. Vol. 55. № 22. P. 9211–9224. DOI: 10.1007/s10853-020-04424-w.

15. Москвина В.А., Мельников Е.В., Загибалова Е.А. Особенности градиентного материала на основе нержавеющей хромоникелевой стали и сплава Х20Н80, изготовленного методом электронно-лучевой 3D-печати // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2021. № 3. С. 57–66. DOI: 10.18323/2073-5073-2021-3-57-66.

16. Халикова Г.Р., Закирова Г.Р., Фархутдинов А.И., Корзникова Е.А., Трифонов В.Г. Структура и механические свойства алюминиевого сплава АК12Д, подвергнутого обработке трением с перемешиванием // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 3-2. С. 99–108. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-3-2-99-108.

17. Торубаров И.С., Дроботов А.В., Гущин И.А., Вдовин Д.С., Плотников А.Л., Яковлев А.А. Аддитивное производство изделий с пространственным армированием непрерывным волокном // Frontier Materials & Technologies. 2022. № 2. С. 92–104. DOI: 10.18323/2782-4039-2022-2-92-104.

18. Веткасов Н.И., Капустин А.И., Сапунов В.В. Разработка и применение процесса предварительного формирования высокооднородной сухой смеси «Алюминиевый порошок – одностенные УНТ» в технологии получения алюмоматричных композитов // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2018. № 3. С. 14–21. DOI: 10.18323/2073-5073-2018-3-14-21.

19. Raja A., Cheethirala S.R., Gupta P., Vasa N.J., Jayaganthan R. A review on the fatigue behaviour of AlSi10Mg alloy fabricated using laser powder bed fusion technique // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 17. P. 1013–1029. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.01.028.

20. Limbasiya N., Jain A., Soni H., Wankhede V., Krolczyk G., Sahlot P. Comprehensive review on the effect of process parameters and post-process treatments on microstructure and mechanical properties of selective laser melting of AlSi10Mg // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 21. P. 1141–1176. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.09.092.

21. Sha G., Möller H., Stumpf W.E., Xia J.H., Govender G., Ringer S.P. Solute nanostructures and their strengthening effects in Al–7Si–0.6 Mg alloy F357 // Acta Materialia. 2012. Vol. 60. № 2. P. 692–701. DOI: 10.1016/j.actamat.2011.10.029.

22. Zhao L., Song L., Macías J.G.S., Zhu Y., Huang M., Simar A., Li Z. Review on the correlation between microstructure and mechanical performance for laser powder bed fusion AlSi10Mg // Additive Manufacturing. 2022. Vol. 56. Article number 102914. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102914.