Разработка методики акустико-эмиссионного контроля металлических изделий аддитивного производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ковалевич Анастасия Сергеевна

• Ковалевич Анастасия Сергеевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Ковалевич Анастасия Сергеевна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯМИ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1 Анализ особенностей аддитивного технологического процесса

1.2 Анализ существующих методов контроля качества изделий, выполненных технологиями аддитивного производства

1.3 Анализ применимости метода акустической эмиссии в задаче контроля изделий, выполненных технологиями аддитивного производства

Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ ИСТОЧНИКОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ (РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН) В ЭЛЕМЕНТАХ ИЗДЕЛИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯМИ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

2.1 Модель источников акустической эмиссии в процессе изготовления изделия методом селективного лазерного плавления

2.2 Модель циклических испытаний в процессе изготовления изделия методом селективного лазерного плавления

Выводы по главе

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯМИ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

3.1 Экспериментальные исследования зависимости параметров акустической эмиссии от параметров циклических испытаний

3.2 Разработка алгоритма обработки результатов акустико-эмиссионного контроля качества изделий, выполненных технологиями аддитивного производства

Выводы по главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

4.1 Основные положения методики акустико-эмиссионного контроля

металлических изделий аддитивного производства

4.2 Экспериментальная апробация методики акустико-эмиссионного контроля металлических изделий аддитивного производства

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики акустико-эмиссионного контроля металлических изделий аддитивного производства»

Актуальность темы исследования.

В настоящее время технологии аддитивного производства активно развиваются и находят широкое применение в различных областях промышленности, таких как: авиа- и ракетостроение, судо- и машиностроение, автомобильная промышленность [1, 2]. Данный способ изготовления изделий перешел из стадии прототипирования, выпуска экспериментальных образцов и единичных изделий к полноценному серийному промышленному производству изделий. По мнению отдельных ученых и специалистов, в обозримом будущем эти технологии заменят традиционные технологии литья, обработки давлением и резанием. В пользу этого свидетельствует успешное применение продуктов аддитивных технологий в реальных объектах техники, а также высокая эффективность новой технологии в конструировании - возможность замены десятков деталей, собираемых в сборочную единицу, на цельное изделие, полученное в одном производственном цикле [3].

Активному внедрению аддитивных технологий способствует ряд преимуществ, таких как: экономия сырья при производстве деталей, изготовление деталей сложной геометрии, сокращение временных затрат между этапами прототипирования и получения конечного изделия, уникальность характеристик получаемой продукции, придание направленной анизотропии материалу [4].

Однако наряду с преимуществами данного способа изготовления изделий, существует и ряд недостатков, к которым относят: неоднородность материала получаемого изделия [5 - 7], высокая стоимость сырья, ограниченный размер изделий.

Специфика процесса получения изделий технологиями аддитивного производства приводит к наличию в материале (детали) различных структурных неоднородностей. Структура полученного материала определяется не только частью объема, занятой дефектами, но и формой и размером данных структурных неоднородностей, прочностью контактов между частицами. К структурным

факторам следует отнести и характеристики структуры, используемые при изготовлении компактных, беспористых материалов: размер и форма зерна, характер дислокационной субструктуры, наличие дисперсных частиц второй фазы, кристаллографическая и структурная текстура и др.

К одной из главных закономерностей, выявленных при изучении прочностных свойств порошковых металлических материалов, можно отнести резкое снижение предельных характеристик механических свойств, таких как: прочность и пластичность, а также резкое разрушение изделий при увеличении размеров дефектов в материале.

В работе проведено детальное исследование зависимостей изменения параметров сигналов акустической эмиссии от процессов, происходящих в материале в процессе изготовления изделий технологиями аддитивного производства, которое обеспечило возможность обнаружения и лоцирования в материале дефектообразование, что позволило, в свою очередь, перейти к разработке методического аппарата определения потенциальных зон образования дефектов в процессе выращивания изделий.

Актуальность работы обусловлена необходимостью контроля всего жизненного цикла изделия, что, в свою очередь, требует разработки методики контроля, которая позволит повысить оперативность контроля и выявляемость дефектов на всех стадиях производства изделия. Проведение контроля образования дефектов в процессе выращивания изделий различными технологиями аддитивного производства позволит своевременно принимать решения об устранении дефектов путем повторного нагрева предыдущего выращенного слоя, не прерывая процесса. В дальнейшем это позволит повысить качество элементов изделий аддитивного производства и, как следствие, надежность работы узлов ракетно-космической техники.

Научная задача, решаемая в настоящей диссертационной работе, может быть сформулирована следующим образом - исследование зависимостей изменения параметров сигналов акустической эмиссии от процессов, происходящих в материале в ходе аддитивного производства.

Объектом научных исследований являются металлические конструктивные элементы изделий, получаемые аддитивными технологиями.

Предметом научных исследований в диссертации выступает метод и методика акустико-эмиссионного контроля дефектообразования в процессе изготовления изделий технологиями аддитивного производства.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методического аппарата определения потенциальных зон образования дефектов в процессе изготовления изделий технологиями аддитивного производства, позволяющего повысить оперативность контроля и выявляемость дефектов на финальной стадии изготовления.

Задачами исследования являются:

1) анализ особенностей дефектообразования при изготовлении изделий технологиями аддитивного производства;

2) анализ применимости метода акустической эмиссии в задаче контроля дефектообразования и разрешения в процессе аддитивного производства;

3) проведение экспериментальных исследований металлических элементов, изготовленных аддитивными технологиями, используемых в узлах ответственных конструкций ракетно-космической техники, с использованием метода акустической эмиссии;

4) разработка алгоритма анализа сигналов акустической эмиссии в процессе изготовления металлических элементов аддитивного производства;

5) разработка и апробация методики акустико-эмиссионного контроля дефектообразования и разрушения в процессе аддитивного производства;

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) обоснована применимость метода акустико-эмиссионного контроля дефектообразования в процессе выращивания элементов изделий из жаропрочных сплавов методом селективного лазерного сплавления;

2) адаптирована модель формирования источников акустической эмиссии при дефектообразовании в процессе аддитивного производства, позволяющая обнаруживать дефекты в процессе выращивания элементов изделий из

жаропрочных сплавов методом селективного лазерного сплавления;

3) разработан алгоритм обработки результатов акустико-эмиссионного контроля дефектообразования в процессе выращивания элементов изделий из жаропрочных сплавов методом селективного лазерного сплавления.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что выявленная корреляционная зависимость и разработанная методика акустико-эмиссионного контроля металлических изделий аддитивного производства позволяет выявлять дефекты непосредственно в процессе их выращивания, существенно повысить оперативность контроля и качество их изготовления.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались существующие методы исследования, в том числе методы статистической обработки результатов эксперимента.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Корреляционная зависимость параметров акустической эмиссии от состояния жаропрочного сплава 1псопе1 718 на различных стадиях селективного лазерного сплавления.

2. Алгоритм анализа сигналов акустической эмиссии в процессе изготовления методом селективного лазерного сплавления элементов изделий из жаропрочных сплавов.

3. Результаты экспериментальной апробации разработанной методики акустико-эмиссионного контроля дефектообразования и разрушения в процессе селективного лазерного сплавления жаропрочного сплава 1псопе1 718.

Обоснованность и достоверность подтверждаются экспериментальными данными, полученными с применением современных теоретических и экспериментальных методов исследований, использованием при решении частных задач диссертационных исследований известных апробированных моделей и методов.

Апробация работы:

Основное содержание диссертационной работы докладывалось и обсуждались на следующих конференциях:

1) X Международной научно-технической конференции «Политранспортные системы», г. Новосибирск, 2018;

2) III Научно-технической конференции «Приборы и методы Неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов», г. Санкт-Петербург, 2018;

3) XLVШ научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, г. Санкт-Петербург, 2019;

4) VIII Конгрессе молодых ученых, г. Санкт-Петербург, 2019;

5) V Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, г. Екатеринбург, 2019;

6) XLIX научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, г. Санкт-Петербург, 2020;

7) IX Конгрессе молодых ученых, г. Санкт-Петербург, 2020;

8) XI Международной научно-технической конференции «Политранспортные системы» , г. Новосибирск, 2020;

9) Молодежной школе в рамках XXXII Уральской конференции с международным участием «ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ (ЯНУСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ)», г. Екатеринбург, 2020;

10) Молодежной научно-технической школе в рамках IV Научно-технической конференции «Приборы и методы Неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов», г. Санкт-Петербург, 2020;

11) X Конгрессе молодых учёных, г. Санкт-Петербург, 2021;

12) 16ой Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков», г. Екатеринбург, 2021;

13) Международной научной конференции Современные материалы и передовые производственные технологии (СМППТ-2021), г. Санкт-Петербург, 2021;

14) 51 научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, г. Санкт-Петербург, 2022;

15) XI Конгрессе молодых ученых, г. Санкт-Петербург, 2022.

Личный вклад автора.

Личный вклад соискателя состоит в: постановке цели и задач теоретических и экспериментальных исследований, планировании и проведении экспериментов, обработке полученных результатов экспериментов, параметров акустической эмиссии от состояния жаропрочного сплава Inconel 718 на различных стадиях селективного лазерного сплавления.

Все результаты, приведенные в диссертации, составляющие её научную новизну, и положения выносимые на защиту, получены лично автором. Подготовка публикаций проводилась с научным руководителем и соавторами, при этом вклад автора был определяющим.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в соавторстве 18 научных трудов, в том числе в периодических изданиях из списка ВАК - 1 публикация, из базы цитирования Web of Science, Scopus - 2 печатных работы.

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1. Stepanova K.A., Kinzhagulov I.Y., Yakovlev Y.O., Kovalevich A.S., Ashikhin D.S., Alifanova I.E. Applying Laser-Ultrasonic and Acoustic-Emission Methods to Nondestructive Testing at Different Stages of Deformation Formation in Friction Stir Welding//Russian Journal of Nondestructive Testing, 2020, Vol. 56, No. 3, pp. 191-200.

2. Stepanova K., Kinzhagulov I., Iuferev R., Levkova Y., Kovalevich A. The results of the defect formation control in welded joints during friction stir welding by acoustic emission//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, Vol. 666, No. 1, pp. 012010.

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Степанова К.А., Кинжагулов И.Ю., Яковлев Ю.О., Ковалевич А.С., Ашихин Д.С., Алифанова И.Е. рименение лазерно-ультразвукового и акустикоэмиссионного методов неразрушающего контроля на различных этапах дефектообразования при сварке трением с перемешиванием // Дефектоскопия -

2020. - № 3. - С. 3-13.

В иных изданиях:

1. Ковалевич А.С., Кинжагулов И.Ю., Степанова К.А., Семерич А.С. Исследование кинетики разрушения материалов, выполненных технологией селективного лазерного плавления, с применением метода акустической эмиссии // Оптические методы исследования потоков: труды XVI Международной научно-технической конференции (Москва, 28 июня - 02 июля 2021 г.) -2021. - С. 146-155.

2. Ковалевич А.С., Степанова К.А., Кинжагулов И.Ю. Анализ информативных параметров акустической эмиссии в металлических изделиях аддитивного производства//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - 2020.

3. Ковалевич А.С., Кинжагулов И.Ю., Степанова К.А. Экспериментальное исследование параметров акустической эмиссии при циклических испытаниях металлических изделий аддитивного производства // Политранспортные системы: материалы XI Международной научно-технической конференции (Новосибирск, 12-13ноября 2020г.) -2020. - С. 530-531.

4. Ковалевич А.С., Кинжагулов И.Ю., Степанова К.А. Результаты анализа информативных параметров акустической эмиссии в материалах, выполненных методом селективного лазерного сплавления// Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО - 2019.

5. Ковалевич А.С., Степанова К.А., Быченок В.А., Сысунов Н.Д., Кинжагулов И.Ю. Результаты анализа информативных параметров сигналов акустической эмиссии при прочностных испытаниях образцов металлических изделий аддитивного производства//Сборник тезисов докладов V Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле - 2019. - С. 84-85.

6. Кинжагулов И.Ю., Степанова К.А., Ковалевич А.С. Результаты экспериментальной оценки применимости метода акустической эмиссии при контроле дефектообразования в сварных соединениях, выполняемых сваркой трением с перемешиванием // Труды Российского научнотехнического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. Серия: Акустооптические

и радиолокационные методы измерений и обработки информации -2018. - № XI. -С. 111-114.

7. Кинжагулов И.Ю., Степанова К.А., Ковалевич А.С., Ильинский А.В., Краснов И.О. Результаты исследования кинетики разрушения материалов, выполненных по технологиям селективного лазерного сплавления, с применением метода акустической эмиссии//Политранспортные системы: X Международная научно-техническая конференция (Новосибирск, 15-16 ноября 2018 г.): тезисы докладов - 2018. - С. 264-266.

8. Степанова К.А., Кинжагулов И.Ю., Ковалевич А.С., Сысунов Н.Д., Ашихин Д.С. Результаты акустикоэмиссионного контроля дефектообразования в сварных соединениях, выполняемых сваркой трением с перемешиванием//Политранспортные системы: X Международная научно-техническая конференция (Новосибирск, 15-16 ноября 2018 г.): тезисы докладов -2018. - С. 262-264.

9. Ковалевич А.С., Кинжагулов И.Ю., Степанова К.А., Сысунов Н.Д. Результаты испытаний на малоцикловую усталость материалов, выполненных по технологии селективного лазерного сплавления, с применением метода акустической эмиссии// Тезисы докладов конференции "Приборы и методы Неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов" - 2018. - С. 68.

10. Степанова К.А., Ковалевич А.С., Кинжагулов И.Ю., Могутов Т.С. Результаты экспериментальных исследований процесса дефектообразования в процессе формирования соединений сваркой трением с перемешиванием с применением метода акустической эмиссии//Сборник тезисов IV международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле SibTest (27-30 июня 2017 г.) - 2017. - № №17-08-20247. - С. 76.

11. Степанова К.А., Кинжагулов И.Ю., Могутов Т.С., Ковалевич А.С., Ашихин Д.С. Анализ применимости метода акустической эмиссии при исследовании образования дефектов в процессе формирования соединений сваркой трением с перемешиванием // Третий междисциплинарный молодежный научный

форум с международным участием "Новые материалы". Москва 21-24 ноября 2017 г. Сборник Материалов -2017. - С. 345-346.

12. Ковалевич А.С., Степанова К.А., Астрединова Н.В. Результаты экспериментальных исследований кинетики разрушения конструкционных материалов при усталостных испытаниях с применением метода акустической эмиссии//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. - 2017. - С. 1

13. Степанова К.А., Кинжагулов И.Ю., Ашихин Д.С., Могутов Т.С., Ковалевич А.С. Анализ применимости метода акустической эмиссии при исследовании образования дефектов в процессе формирования соединений сваркой трением с перемешиванием//Третий междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием "Новые материалы". Москва 21-24 ноября 2017 г. Сборник Материалов - 2017. - С. 345-346.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 55 наименований. Содержит 109 страниц текста, 47 рисунков и 16 таблиц.

Synopsis

Relevance of the research topic.

At present, additive manufacturing technologies are actively developing and are widely used in various industries, such as aircraft and rocket building, shipbuilding and mechanical engineering, and the automotive industry [1, 2]. This method of manufacturing products has moved from the stage of prototyping, the production of experimental samples and single products to a full-fledged serial industrial production of products. According to some scientists and specialists, in the foreseeable future these technologies will replace traditional casting, forming and cutting technologies. This is evidenced by the successful application of additive technology products in real technical objects, as well as the high efficiency of the new technology in design - the possibility of replacing dozens of parts assembled in an assembly unit with a single product obtained in one production cycle [3].

The active introduction of additive technologies is facilitated by a number of advantages, such as: saving raw materials in the production of parts, manufacturing parts of complex geometry, reducing the time spent between the stages of prototyping and obtaining the final product, the uniqueness of the characteristics of the resulting product, imparting directional anisotropy to the material [4].

However, along with the advantages of this method of manufacturing products, there are a number of disadvantages, which include: heterogeneity of the material of the resulting product [5-7], high cost of raw materials, limited size of products.

The specificity of the process of obtaining products by additive manufacturing technologies leads to the presence of various structural inhomogeneities in the material (part). The structure of the resulting material is determined not only by the part of the volume occupied by defects, but also by the shape and size of these structural inhomogeneities, and the strength of contacts between particles. Structural factors should also include the characteristics of the structure used in the manufacture of compact, non-porous materials: grain size and shape, the nature of the dislocation substructure, the presence of dispersed particles of the second phase, crystallographic and structural

texture, etc.

One of the main patterns established in the study of the strength properties of powder metal materials is a sharp decrease in the ultimate characteristics of strength, ductility and destruction of the product with an increase in the size of defects.

In the work, a detailed study of the dependences of changes in the parameters of acoustic emission signals on the processes occurring in the material in the process of manufacturing products using additive manufacturing technologies was carried out, which made it possible to detect and locate defect formation in the material, which, in turn, made it possible to proceed to the development of a methodological apparatus for determining potential zones formation of defects in the process of growing products.

The relevance of the work is due to the need to control the entire life cycle of the product, which requires the development of a methodology that allows to increase the efficiency of control and the detection of defects at the final stage of manufacture. Carrying out control of defect formation in the process of manufacturing products using additive manufacturing technologies will ensure the possibility of timely decision-making on the elimination of defects during reheating of the previous layer without interrupting the manufacturing cycle, which will improve the quality of manufacturing products and the reliability of the critical components of rocket and space technology.

The scientific problem solved in this dissertation work can be formulated as follows - the study of the dependences of the change in the parameters of acoustic emission signals on the processes occurring in the material during additive manufacturing.

The object of scientific research is metal structural elements of products obtained by additive technologies.

The subject of scientific research in the dissertation is the method and technique of acoustic emission control of defect formation in the process of manufacturing products using additive manufacturing technologies.

The goal of the dissertation work is to develop a methodological apparatus for determining potential zones of defect formation in the process of manufacturing products using additive manufacturing technologies, which makes it possible to increase the

efficiency of control and the detection of defects at the final stage of manufacture.

The objectives of the study are:

6) analysis of the features of defect formation in the manufacture of products using additive manufacturing technologies;

7) analysis of the applicability of the acoustic emission method in the problem of defect formation control and resolution in the process of additive manufacturing;

8) carrying out experimental studies of metal elements manufactured by additive technologies used in the nodes of critical structures of rocket and space technology, using the method of acoustic emission;

9) development of an algorithm for analyzing acoustic emission signals in the process of manufacturing metal elements of additive manufacturing;

10) development and approbation of the method of acoustic emission control of defect formation and destruction in the process of additive manufacturing.

The scientific novelty of the work is as follows:

1) the applicability of the method of acoustic emission control of defect formation in the process of growing elements of products from heat-resistant alloys by the method of selective laser melting is substantiated;

2) the model for the formation of acoustic emission sources during defect formation in the process of additive manufacturing has been adapted, which makes it possible to detect defects in the process of growing elements of products from heat-resistant alloys by the method of selective laser melting;

3) an algorithm has been developed for processing the results of acoustic emission control of defect formation in the process of growing elements of products from heat-resistant alloys by the method of selective laser melting.

The theoretical and practical significance of the work lies in the fact that the revealed correlation dependence and the developed method of acoustic emission control of metal products of additive manufacturing make it possible to detect defects directly in the process of their growth, significantly improve the efficiency of control and the quality of their manufacture.

Research methods. To solve the tasks set, the existing research methods were

used, including the methods of statistical processing of the experimental results.

Assertions that are presented for defense:

1. Correlation dependence of the acoustic emission parameters on the state of the Inconel 718 heat-resistant alloy at various stages of selective laser melting.

2. Algorithm for the analysis of acoustic emission signals in the process of manufacturing by the method of selective laser melting of elements of products from heat-resistant alloys.

3. Results of experimental approbation of the developed technique for acoustic emission control of defect formation and destruction in the process of selective laser melting of Inconel 718 heat-resistant alloy.

Validity and reliability are confirmed by experimental data obtained using modern theoretical and experimental research methods, using well-known proven models and methods in solving particular problems of dissertation research.

Approbation of work:

The main content of the dissertation work was reported and discussed at the following conferences:

1) X International scientific and technical conference "Polytransport systems", Novosibirsk, 2018;

2) III Scientific and technical conference "Instruments and methods for nondestructive quality control of products and structures made of composite and heterogeneous materials", St. Petersburg, 2018;

3) XLVIII scientific and educational conference of ITMO University, St. Petersburg, 2019;

4) VIII Congress of Young Scientists, St. Petersburg, 2019;

5) V International Conference on Innovations in Non-Destructive Testing SibTest, Yekaterinburg, 2019;

6) XLIX scientific and educational conference of ITMO University, St. Petersburg, 2020;

7) IX Congress of Young Scientists, St. Petersburg, 2020;

8) XI International scientific and technical conference "Polytransport systems",

Novosibirsk, 2020;

9) Youth School within the framework of the XXXII Ural Conference with international participation "PHYSICAL METHODS OF NON-DESTRUCTIVE TESTING (YANUSOV READINGS)", Yekaterinburg, 2020;

10) Youth Scientific and Technical School as part of the IV Scientific and Technical Conference "Instruments and Methods for Non-Destructive Quality Control of Products and Structures Made of Composite and Inhomogeneous Materials", St. Petersburg, 2020;

11) X Congress of Young Scientists, St. Petersburg, 2021;

12) 16th International scientific and technical conference "Optical methods for studying flows", Yekaterinburg, 2021;

13) International Scientific Conference Modern Materials and Advanced Manufacturing Technologies (SMPPT-2021), St. Petersburg, 2021;

14) 51 scientific and educational conferences of ITMO University, St. Petersburg, 2022;

15) XI Congress of Young Scientists, St. Petersburg, 2022.

Personal contribution of the author.

The personal contribution of the applicant consists in: setting the goals and objectives of theoretical and experimental studies, planning and conducting experiments, processing the experimental results, acoustic emission parameters from the state of the Inconel 718 heat-resistant alloy at various stages of selective laser alloying.

All the results presented in the dissertation, which constitute its scientific novelty, and the provisions submitted for defense, were obtained personally by the author. The preparation of publications was carried out with the supervisor and co-authors, while the contribution of the author was decisive.

Publications

The main results of the dissertation work were published in co-authorship of 18 scientific papers, including in periodicals from the list of VAK - 1 publication, from the Web of Science citation base, Scopus - 2 printed works.

In international publications indexed in the Scopus database:

1. Stepanova K.A., Kinzhagulov I.Y., Yakovlev Y.O., Kovalevich A.S., Ashikhin D.S., Alifanova I.E. Applying Laser-Ultrasonic and Acoustic-Emission Methods to Nondestructive Testing at Different Stages of Deformation Formation in Friction Stir Welding//Russian Journal of Nondestructive Testing, 2020, Vol. 56, no. 3, pp. 191-200.

2. Stepanova K., Kinzhagulov I., Iuferev R., Levkova Y., Kovalevich A. The results of the defect formation control in welded joints during friction stir welding by acoustic emission//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019 , Vol. 666, no. 1, pp. 012010.

In publications from the list of the Higher Attestation Commission of the Russian Federation:

1. Stepanova K.A., Kinzhagulov I.Yu., Yakovlev Yu.O., Kovalevich A.S., Ashikhin D.S., Alifanova I.E. Application of laser-ultrasonic and acoustic emission methods of non-destructive testing at various stages of defect formation in friction stir welding // Defectoscopy -2020. - No. 3. - pp. 3-13.

In other editions:

1. Kovalevich A.S., Kinzhagulov I.Yu., Stepanova K.A., Semerich A.S. Study of the fracture kinetics of materials made by selective laser melting technology using the acoustic emission method // Optical methods for studying flows: Proceedings of the XVI International Scientific and Technical Conference (Moscow, June 28 - July 02, 2021) -2021. - pp. 146-155.

2. A. S. Kovalevich, K. A. Stepanova, and I. Yu. Analysis of the informative parameters of acoustic emission in metal products of additive manufacturing//Collection of abstracts of reports of the congress of young scientists. Electronic edition. - 2020.

3. Kovalevich A.S., Kinzhagulov I.Yu., Stepanova K.A. Experimental study of acoustic emission parameters during cyclic testing of metal products of additive manufacturing // Polytransport systems: materials of the XI International Scientific and Technical Conference (Novosibirsk, November 12-13, 2020) -2020. - pp. 530-531.

4. Kovalevich A.S., Kinzhagulov I.Yu., Stepanova K.A. The results of the analysis of the informative parameters of acoustic emission in materials made by the method of selective laser melting// Collection of theses of reports of the congress of young scientists.

Electronic edition. - St. Petersburg: ITMO University - 2019.

5. A. S. Kovalevich, K. A. Stepanova, V. A. Bychenok, N. D. Sysunov, and I. Yu. The results of the analysis of the informative parameters of acoustic emission signals during strength tests of samples of metal products of additive manufacturing // Collection of abstracts of the V International Conference on Innovations in Non-Destructive Testing - 2019. - pp. 84-85.

6. Kinzhagulov I.Yu., Stepanova K.A., Kovalevich A.S. Results of an experimental assessment of the applicability of the acoustic emission method in the control of defect formation in welded joints performed by friction stir welding // Proceedings of the A.S. Popov. Series: Acousto-optical and radar methods of measurement and information processing -2018. - No. XI. - pp. 111-114.

7. Kinzhagulov I.Yu., Stepanova K.A., Kovalevich A.S., Ilyinsky A.V., Krasnov I.O. The results of the study of the kinetics of destruction of materials made using selective laser melting technologies using the acoustic emission method // Polytransport systems: X International Scientific and Technical Conference (Novosibirsk, November 15-16, 2018): abstracts - 2018. - pp. 264 -266.

8. Stepanova K.A., Kinzhagulov I.Yu., Kovalevich A.S., Sysunov N.D., Ashikhin D.S. Results of acoustic emission control of defect formation in welded joints performed by friction stir welding // Polytransport systems: X International scientific and technical conference (Novosibirsk, November 15-16, 2018): abstracts - 2018. - pp. 262-264.

9. Kovalevich A.S., Kinzhagulov I.Yu., Stepanova K.A., Sysunov N.D. The results of tests for low-cycle fatigue of materials made using selective laser melting technology using the acoustic emission method // Abstracts of the conference "Instruments and methods for non-destructive quality control of products and structures made of composite and inhomogeneous materials" - 2018. - pp. 68.

10. Stepanova K.A., Kovalevich A.S., Kinzhagulov I.Yu., Mogutov T.S. The results of experimental studies of the process of defect formation in the process of formation of joints by friction stir welding using the acoustic emission method // Collection of abstracts of the IV international conference on innovations in nondestructive testing SibTest (June 27-30, 2017) - 2017. - No. 17-08- 20247. - pp. 76.

11. Stepanova K.A., Kinzhagulov I.Yu., Mogutov T.S., Kovalevich A.S., Ashikhin D.S. Analysis of the applicability of the acoustic emission method in the study of the formation of defects in the process of formation ofjoints by friction stir welding // Third Interdisciplinary Youth Scientific Forum with International Participation "New Materials". Moscow November 21-24, 2017 Collection of Materials -2017. - pp. 345-346.

12. Kovalevich A.S., Stepanova K.A., Astredinova N.V. The results of experimental studies of the kinetics of destruction of structural materials during fatigue tests using the acoustic emission method//Collection of abstracts of reports of the congress of young scientists. - 2017. - pp. 1

13. Stepanova K.A., Kinzhagulov I.Yu., Ashikhin D.S., Mogutov T.S., Kovalevich A.S. Analysis of the applicability of the acoustic emission method in the study of the formation of defects in the process of formation of joints by friction stir welding // The Third Interdisciplinary Youth Scientific Forum with International Participation "New Materials". Moscow November 21-24, 2017 Collection of Materials - 2017. - pp. 345346.

The structure and scope of the dissertation

The dissertation consists of an introduction, four chapters, a conclusion, a list of references, including 55 titles. Contains 109 pages of text, 47 figures and 16 tables.

Введение

Актуальность темы исследования.

В настоящее время технологии, используемые в различных видах аддитивного производства, активно развиваются и находят широкое применение в различных областях промышленности, таких как: авиа- и ракетостроение, судо- и машиностроение, автомобильная промышленность [1, 2]. Данный способ изготовления изделий перешел из стадии прототипирования, выпуска экспериментальных образцов и единичных изделий к полноценному серийному промышленному производству изделий. По мнению отдельных ученых и специалистов, в обозримом будущем эти технологии заменят традиционные технологии литья, обработки давлением и резанием. В пользу этого свидетельствует успешное применение продуктов аддитивных технологий в реальных объектах техники, а также высокая эффективность новой технологии в конструировании - возможность замены десятков деталей, собираемых в сборочную единицу, на цельное изделие, полученное в одном производственном цикле [3].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ковалевич Анастасия Сергеевна, 2022 год

Литература

1. Климков Ю.М., Майоров B.C., Хорошев М.В. Взаимодействие лазерного излучения с веществом, 2014. С. 3-4.

2. Bulatov К.М.; Mantrova Y.V.;Bykov А.А.; Gaponov MX; Zinin P.V.; Machikhin A.S.; Troyan LA.; Batshev V.I.; Ku-tuza I.B. Multi-spectral image processing for the measurement of a spatial temperature distribution on the surface of a laser-heated microscopic object// COMPUTER OPTICS. T. 41. Вып. 6. С. 864-868.

Баранов С.А. Диагностика лазерно-индуцированных структурных изменений в хрящевой ткани методом спекл-интерферометрии: диссертация кандидата химических наук: 02.00.04,02.00.09 Москва, 2007. 182с. Гаврилов Д.И., Карягин М.О., Нуяндин В.Д. Титан: свойства, получение, применение // ACADEMY, 2017.

3.

4.

DETERMINATION OF THE MELTING POINT OF METALS BY A NON-CONTACT METHOD OF SPECKLE INTERFEROMETRY

K.M Bulatov

Scientific and Technological Center of Unique Instrumentation of the Russian Academy of Sciences

A double acoustooptical filter was used to determine the distribution of laser radiation on a sample during laser heating. A combination of laser heating with a double acousto-optic spectrometer was demonstrated that allows measuring the temperature distribution on the sample surface in the region of the laser spot A method of searching for the melting point was demonstrated.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ КОНТРОЛЕ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ, ВЫПОЛНЯЕМЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

доц., к.т.н. Кинжагулов И.Ю.1'2, асп. Степанова К.А.1'2, асп. Ковалевич A.C.1

1Университет ИТМО Учреждение науки «Инженерно-конструкторский центр сопровождения эксплуатации космической техники» [e-mail]

В докладе представлены результаты экспериментальных исследований распределения параметров акустической эмиссии при структурных изменениях в зоне сварного соединения в процессе сварки трением с перемешиванием. Параметры акустико-эмиссионных сигналов характеризуют наличие особенностей при протекании процессов пластификации в случае нарушения однородности пластического течения материала при имитации процесса дефектообразования. Предложен подход к созданию системы автоматизированного неразрушающего контроля качества формирования соединений сваркой трением с перемешиванием в реальном масштабе времени на основе анализа распределения параметров акустической эмиссии.

Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, неразрушающий контроль, дефектообразование, акустическая эмиссия, энергия, медианная частота, активность

Введение

Тенденция внедрения сварки трением с перемешиванием СТП при создании ответственных изделий ракетно-космической техники (РКТ) обусловлена возможностью получения более, прочных соединений, наряду со снижением веса конструкции в целом, повышение автоматизации сварочного процесса, повышение оперативности, так же активно ведутся работы в области доработки технология СПТ для получения соединений разнородных металлических материалов. Процесс СТП реализуется при жестком контроле параметров сварки - скорости сварки, частоты вращения сварочного инструмента, усилия на сварочный инструмент, величины внедрения наконечника сварочного инструмента в свариваемые кромки. Незначительное отклонение одного из указанных параметров может приводить к появлению дефектов и снижению прочности сварного соединения [1].

Проведение контроля дефектообразования в процессе формирования сварного соединения обеспечит возможность обнаруживать дефекты на этапах их зарождения и оперативно принимать решение об устранении дефектов, не прерывая производственный цикл изготовления.

1. Особенности формирования соединений сваркой трением с перемешиванием при дефектообразовании

В процессе формирования соединений СТП выделяют 4 стадии, каждая из которых характеризуется своим основным физическим процессом [2].

Для каждой из стадий процесса формирования соединений СТП характеризуется рядом параметров, характеризующий процесс пластификации материала в зоне сварки. Основными параметрами физических процессов, характеризующий стадии формирования сварных соединений, являются: количество тепла, выделяющегося при трении рабочей поверхности бурта сварочного инструмента с поверхностями свариваемых деталей, поток перемешивающегося пластифицированного металла, характеризуемый направлением, скоростью, функцией непрерывности, давление в объеме, ограниченном буртом сварочного инструмента и подложкой, объем пластифицированного металла в зоне сварки, вовлекаемого при вращении сварочного инструмента [3].

Физические процессы, характеризующие стадии формирования сварных соединений протекают сопровождаются явлениями трения, зернограничного, скольжения, образования и движения дислокационных скоплений, фазовых переходов. Данные явления, являясь основными источниками акустической эмиссии (АЭ), сопровождаются излучением в объем материала свариваемых заготовок акустических волн [4]. При этом возникновение явлений, характеризующих процесс формирования сварных соединений СТП, приводит к изменению параметров акустической эмиссии. В связи с чем параметры физических процессов, характеризующий стадии формирования сварных соединений, связаны с параметрами акустико-эмиссионных сигналов, возникающих при наличии действующих АЭ источников.

Процесс дефектообразовании при СТП приводит к изменению параметров физических процессов, характеризующий стадии формирования сварных соединений. При этом возникновение явлений трения и зернограничного скольжения в различные моменты времени приводит к перераспределению соотношения доминирующих физических процессов. Как следствие данное обстоятельство способствует появлению дополнительных источников АЭ.

Построение полной компьютерной модели всего процесса СТП, учитывающих перечисленные явления, и создание моделей процесса дефектообразования при СТП представляется практически невозможным, поэтому создаются модели отдельных стадий сварки трением с перемешиванием, при этом данные одной модели полностью или частично могут передаваться в качестве исходных данных другой модели [5].

2. Методика проведения исследований

Модельный эксперимент был выбран в качестве основного вида моделирования, при котором в эксперименте участвует не сам объект, а его модель. Типовыми дефекты, возникающими при формировании соединений СТП, являются дефект типа «канал» и дефект типа «непровар корня шва» [6]. Процесс дефектообразования - как объект экспериментальных исследований моделировался имитацией процесса образования дефекта типа «внутренний канал» в виде несплошности. Для имитации дефектов, которые образуются в процессе СТП, были произведены образцы-имитаторы с технологическими отверстиями 0 = 3 мм; 4 мм. Чтобы подтвердить идентичность искусственных дефектов и реально-получаемыми при СТП, образцы после сварки подвергались рентгеновскому контролю, в ходе которого были выявлены аномалии в местах имитации искусственных дефектов.

Так как формирование соединения при СТП происходит при избыточном давлении в объеме, ограниченном рабочими поверхностями инструмента и подложкой. Металл нагревается за счет сил трения до пластического состояния и выдавливается наконечником, который вращается и перемещается вдоль стыка инструмента в освобождающийся за ним объем.

В связи с этим при достижении сварочным инструментом мест сверлений в свариваемых кромках объема пластифицированного металла недостаточно для полного заполнения освобождающегося за инструментом пространства, в результате чего в объеме сварного шва образуется дефект типа «внутренний канал» в виде несплавления.

112__

Образованию несплавления также способствуют процессы недостаточного тепловыделения для пластификации в зоне сварки, необходимого для формирования шва объема металла, и изменения траектории перемешивания материала, нарушение непрерывности его течения.

При СТП динамически взаимодействующими элементами являются сварочный инструмент, пластифицированный и не пластифицированный материал. Интенсивная пластическая деформация и послойный перенос материала вокруг инструмента приводят к формированию акустико-эмиссионных сигналов. Изменения во взаимодействии динамической системы, например, формирование несплошности или взаимодействие рабочего стержня инструмента с подложкой приводят к изменению параметров АЭ сигналов.

3. Результаты исследования и их обсуждение

Экспериментальные исследования изменения параметров АЭ сигналов при имитации процесса де-фектообразования в ходе формирования соединений СТП проводились с использованием опытной сварочной установки, разработанной ЦНИИ «КМ Прометей».

Локационная схема АЭ контроля представляла собой антенну из преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), реализующую линейную локации координат источников акустической эмиссии. Ключевые факторы, которые были учтены при разработке локационной схемы: отсутствие механического воздействия на ПАЭ в ходе контроля, обеспечение непрерывности акустического тракта на пути следования АЭ сигналов от источников до ПАЭ, превышение зарегистрированными в ходе контроля АЭ сигналами порогового уровня дискриминации АЭ аппаратуры.

В ходе оценки результатов экспериментальных исследований распределения параметров АЭ при дефектообразовании в ходе сварки трением с перемешиванием был выполнен анализ следующих параметров

• локализации областей высокой активности сигналов акустической эмиссии (АЭ-активных областей) при формировании сварных соединений с имитацией процесса дефектообразования и при пластификации материала сварочным инструментом без соединений деталей;

• диаграммы распределения суммарной амплитуды в АЭ-активных областях при формировании сварных соединений с имитацией процесса дефектообразования и при пластификации материала сварочным инструментом без соединений деталей;

• зависимости суммарного счета АЭ сигналов от времени сварочного процесса;

• распределение энергии АЭ сигналов во времени сварочного процесса;

• зависимости медианной частоты АЭ сигналов от времени формирования сварного соединения.

В результате анализа результатов экспериментальных исследований выявлено следующее:

• средняя активность АЭ при формировании сварных соединения более чем в 2 раза превышает активность АЭ при пластификации материала сварочным инструментом;

• формирование АЭ-активных областей связано с координатами сварного соединения, связанными с местами сверлений в свариваемых кромках;

• АЭ-активные области локализованы в участках сварного соединения с нарушением однородности структуры, вызванной изменением траектории перемешивания материала и нарушение непрерывности его течения;

• координаты и протяженность активной области АЭ связана не с размером сверлений в кромках заготовок под сварку, выполненных для имитации дефектов, а с изменением структуры пластифицируемого материала и процессов пластического течения материала;

• средняя медианная частота АЭ сигналов, зарегистрированных при формировании соединений выше (более чем на 12 %) средней медианной частоты АЭ сигналов, зарегистрированных при пластификации материала сварочным инструментом

Выводы

Рассмотрены зависимости информативных параметров акустической эмиссии от параметров структурных изменений, происходящих при имитации процесса дефектообразования в сварных соединениях, выполняемых сваркой трением с перемешиванием.

Разработка методической и совершенствование существующей аппаратной базы на основе новых закономерностей информативных параметров позволит разработать и практически реализовать технологию акустико-эмиссионного контроля дефектообразования в процессе формирования соединения сваркой трением с перемешиванием, позволяющую осуществлять контроль качества в ходе производственного процесса изготовления изделий РКТ в реальном масштабе времени, повысить точность определения местоположения и размер дефектов, снизить долю брака при изготовлении ответственных изделий, повысить оперативность контроля и, как следствие, повысить качество их изготовления. Литература

1. Ашихин Д.С., Беркутов И.В., Степанова К.А., Федоров A.B., Алифиренко Е.А., Спирков А.Б., Яковлев Ю.О. Анализ факторов, определяющих качество сварных стыковых алюминиевых соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием // Технология машиностроения. 2018. № 7. С. 18-23.

2. A. Yamileva, A. Chukalova, A. Bikmeyev and R. Gazizov Effect of Process Parameters on Friction Model in Computer Simulation of Linear Friction Welding//Journal of Engineering Science and Technology Review. 7 (5). 2014. P. 59-61. Special Issue on Simulation of Manufacturing Technologies.

___113

3. Покляцкий А.Г. Характерные дефекты при сварке трением с перемешиванием тонколистовых алюминиевых сплавов и основные причины их образования/ Автоматическая сварка. №6. 2008. С. 48-52.

4. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М.: изд-во Стандартов, 1976.

5. Особенности моделирования сварки трением, аддитивной технологии производства узлов современных аэрокосмических систем А.Т. Бикмеев, Р.К. Газизов, А. Ваирис, А.М. Ямилева. 2015.

6. ОСТ 134-1051-2010. Сварка фрикционная. Технические требования к сварным соединениям: Введ. 26.11.2010.

THE RESULTS OF AN EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE APPLICABILITY OF THE ACOUSTIC EMISSION METHOD FOR MONITORING DEFECT FORMATION IN WELDED JOINTS PERFORMED BY FRICTION STIR WELDING

associate professor, PhD Kinzhagulov I.Yu.1,2, postgraduate Stepanova K.A.1,2, postgraduate Kovalevich A.S.1

1ITMO University, Engineering Design Center of Space-Systems Support [e-mail]

The report presents the results of experimental studies of the distribution of acoustic emission parameters during structural changes in the welded joint zone during friction stir welding. Parameters acoustic emission signals characterize the presence of peculiarities in the course of plasticization processes in the event of a disruption in the uniformity of the plastic flow of material during imitation of the defect formation process. An approach to the development of an automated non-destructive quality control system for the formation of compounds by friction welding with mixing in real time is proposed based on an analysis of the distribution of acoustic emission parameters.

Keywords: friction stir welding, non-destructive testing, defect formation, acoustic emission, energy, median frequency, activity

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО ИНДЕНТИРОВАНИЯ

асп. Ильинский A.B.1, асп. Егоров P.A.1, асп. Краснов И.О.1'2.

1Университет ИТМО Учреждение науки ИКЦ СЭКТ [e-mail]

В докладе рассмотрена и обоснована новая модель алгоритма обработки исходного сигнала прибора, реализующего метод динамического индентирования. Предлагаемая модель алгоритма может послужить основой для разработки алгоритма оценки твердости конструкционных металлических материалов с использованием метода и приборов динамического индентирования. Также предлагается разработка средства контроля динамического индентирования. реализующего данный алгоритм обработки. Ключевые слова: неразрушающий контроль, динамическое индентирование, механические характеристики, твердость, алгоритм, обработка сигнала

В результате исследований установлено, что стабильный рост активности АЭ сигналов наблюдался в моменты изменения величины нагрузки, т. е. при нагружении и при сбросе давления. При постоянном давлении активность наблюдалась низкая. Амплитудное распределение сигналов, полученных с бездефектного объекта контроля, не зависит от величины нагрузки. Более того, характер распределения плотности вероятности сигналов по амплитуде имеет степенной вид, также, как и при наличии различных типов дефектов. Поэтому амплитуда сигналов АЭ при классификации типа источника не во всех случаях может быть применима.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90090.

Библиографический список

1. ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов.

2. Барат В. А., Тергнтьгв Д. А., Бардаков В. В., Елизаров С. В. Аналитический метод моделирования сигналов акустической эмиссии в тонкостенных объектах//Контроль. Диагностика. 2020. Т. 23. № б. С. 23-29.

3. NosovV. V., GrigorevE. V., Pavlenkol. A. Determination of nanocharacteristics of strength of structural materials based on signal recording and simulation of time dependences of acoustic emission parameters // Journal of Physics: Conference Series. I OP Publishing, 2020. T. 1431. № . 1. C. 012040.

4. Nosov V. V., Grigoriev E. V., Pavlenko I. A. and Gilyazetdinov E. R. Determination of nanocharacteristics of strength based on acoustic emission diagnostics // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2019. T. 1384. № l.C. 012037.

5. Чернов Д. В., Матвиенко Ю. Г., Иванов В. И., Васильев И. Е„ Барат В. А., Елизаров C.B. Повышение достоверности результатов акустико-эмиссионного контроля при растяжении образцов, выполненных из композиционных материалов // Живучесть и конструкционное материаловедение (ЖивКоМ-2016). 2016. С. 153-159.

6. Чернов Д. В., Елизаров С. В., Барат В. А., Матюнин В. М., Марченков А. Ю. Разработка методики акустико-эмиссионного контроля для определения стадий развития усталостных повреждений // Актуальные проблемы метода акустической эмиссии (АПМАЭ-2018). 2018. С. 25-26.

7. Пат. 2664795 Российская Федерация, МПК G 01N 29/14. Многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций. / Степанова Л. Н., Кабанов С. И., Ельцов A. Е., Бехер С. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет путей сообщения». № 2017111160/29; заявл. 03.04.2017; опубл. 22.08.2018, Бюл. №24. 14 с.

8. Быстродействующая микропроцессорная тензометрическая система для динамических испытаний конструкций / Л. Н. Степанова, С. И. Кабанов, Е. Ю. Лебедев и др. // Контроль. Диагностика. 2006. №7. С. 6-14.

9. ГОСТ Р 54522-2011. Сосуды и аппараты высокого давления. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических обечаек, днищ, фланцев, крышек. Рекомендации по конструированию.

10. КутенъМ. М., Бобров А. Л. Исследование поведения амплитуды сигналов различных источников при акустико-эмиссионном контроле / Южно-сибирский научный вестник. 2020. № 1. С. 45-50.

УДК

Экспериментальное исследование параметров акустической эмиссии при циклических испытаниях металлических изделий аддитивного производства

А. С. Ковалевич, И. Ю. Кинжагулов, К. А. Степанова

Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 197101 Россия

На сегодняшний день во всем мире активно развивается рынок аддитивного производства. Под аддитивными технологиями принято понимать изготовление изделий путем послойного добавления материала, что является существенной отличительной особенностью от традиционной механообработки, заключающейся в удалении материала [1, 2]. Вследствие этого открывается возможность в изготовлении изделий сложных форм, в том числе сложнопрофильных деталей. Наряду с этим к преимуществам данного способа получения изделий можно отнести высокую материалоэффективность, автоматизированный процесс производства, широкий выбор металли-

В результате исследований установлено, что стабильный рост активности АЭ сигналов наблюдался в моменты изменения величины нагрузки, т. е. при нагружении и при сбросе давления. При постоянном давлении активность наблюдалась низкая. Амплитудное распределение сигналов, полученных с бездефектного объекта контроля, не зависит от величины нагрузки. Более того, характер распределения плотности вероятности сигналов по амплитуде имеет степенной вид, также, как и при наличии различных типов дефектов. Поэтому амплитуда сигналов АЭ при классификации типа источника не во всех случаях может быть применима.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90090.

Библиографический список

1. ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов.

2. Барат В. А., Тгргнтьгв Д. А., Бардаков В. В., Елизаров С. В. Аналитический метод моделирования сигналов акустической эмиссии в тонкостенных объектах // Контроль. Диагностика. 2020. Т. 23. № б. С. 23-29.

3. NosovV. V., GrigorevE. V., Pavlenkol. A. Determination of nanocharacteristics of strength of structural materials based on signal recording and simulation of time dependences of acoustic emission parameters // Journal of Physics: Conference Series. I OP Publishing, 2020. T. 1431. № . 1. C. 012040.

4. Nosov V. V., Grigoriev E. V., Pavlenko I. A. and Gilyazetdinov E. R. Determination of nanocharacteristics of strength based on acoustic emission diagnostics // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2019. T. 1384. № l.C. 012037.

5. Чернов Д. В., Матвиенко Ю. Г., Иванов В. И., Васильев И. Е„ Барат В. А., Елизаров C.B. Повышение достоверности результатов акустико-эмиссионного контроля при растяжении образцов, выполненных из композиционных материалов // Живучесть и конструкционное материаловедение (ЖивКоМ-2016). 2016. С. 153-159.

6. Чернов Д. В., Елизаров С. В., Барат В. А., Матюнин В. М., Марченков А. Ю. Разработка методики акустико-эмиссионного контроля для определения стадий развития усталостных повреждений // Актуальные проблемы метода акустической эмиссии (АПМАЭ-2018). 2018. С. 25-26.

7. Пат. 2664795 Российская Федерация, МПК G 01N 29/14. Многоканальная акустико-эмиссионная система диагностики конструкций. / Степанова Л. Н., Кабанов С. И., Ельцов А. Е., Бехер С. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет путей сообщения». № 2017111160/29; заявл. 03.04.2017; опубл. 22.08.2018, Бюл. №24. 14 с.

8. Быстродействующая микропроцессорная тензометрическая система для динамических испытаний конструкций / Л. Н. Степанова, С. И. Кабанов, Е. Ю. Лебедев и др. // Контроль. Диагностика. 2006. №7. С. 6-14.

9. ГОСТ Р 54522-2011. Сосуды и аппараты высокого давления. Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических обечаек, дншц, фланцев, крышек. Рекомендации по конструированию.

10. КутенъМ. М., Бобров А. Л. Исследование поведения амплитуды сигналов различных источников при акустико-эмиссионном контроле / Южно-сибирский научный вестник. 2020. № 1. С. 45-50.

УДК

Экспериментальное исследование параметров акустической эмиссии при циклических испытаниях металлических изделий аддитивного производства

А. С. Ковалевич, И. Ю. Кинжагулов, К. А. Степанова

Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург, 197101 Россия

На сегодняшний день во всем мире активно развивается рынок аддитивного производства. Под аддитивными технологиями принято понимать изготовление изделий путем послойного добавления материала, что является существенной отличительной особенностью от традиционной механообработки, заключающейся в удалении материала [1, 2]. Вследствие этого открывается возможность в изготовлении изделий сложных форм, в том числе сложнопрофильных деталей. Наряду с этим к преимуществам данного способа получения изделий можно отнести высокую материалоэффективность, автоматизированный процесс производства, широкий выбор металли-

Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция «Оптическиеметоды исследования потоков» Москва, 28 июня— 02 июля 2021 г.

УДК 620.16:53.082.4

Ковалевич A.C.1, Кинжагулов И.Ю.1, Степанова К.А.2, Семерич A.C.3

1 Университет ИТМО, Россия, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр-т, 49, E-mail: kovalevi4.a.s(a>gmail.com

2 ООО "НТЦ «Эталон», Россия, 197343, Санкт-Петербург, Матроса Железняка ул., 57 лит. А 3 ГБОУВО МО «Технологический университет» 141074, Московская обл., Королев, Гагаринаул., 42

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЕЙ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ, С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена исследованию кинетики разрушения металлических материалов, полученных по технологии селективного лазерного плавления с применением метода акустической эмиссии. Особенности процесса получения изделий по данной технологии приводят к возникновению в материале различного рода структурных неоднородностей (ггоры, трещины, включения и пр.), что в свою очередь приводит к снижению прочностных характеристик. Распределение параметров акустической эмиссии при испытании образцов на малоцикловую усталость позволило охарактеризовать процессы накопления микроповреждений и деградации механических свойств для различного исходного состояния структуры материала образца и условий нагружения. Использование метода акустической эмиссии при исследовании кинетики разрушения материалов обеспечивает возможность обнаружения и развития в материале процессов усталостного разрушения на ранних стадиях, что позволяет перейти к разработке методик прогнозирования ресурсных характеристик ответственных элементов и конструкций.

СЕЛЕКТИВНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СПЛАВЛЕНИЕ, АКУСТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЯ, МАЛОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ, ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ, КИНЕТИКА РАЗРУШЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ

Селективное лазерное сплавление (Selective Laser Melting или SLM) - одно из важнейших направлений развития аддитивных технологий. Лазерное объемное формообразование металлических материалов является интенсивно развивающимся методом изготовления новых изделий сложной геометрии и является во многих случаях единственной альтернативой традиционным методам изготовления деталей литьем или на станках с числовым программным управлением.

Различные технологические факторы при реализации метода SLM влияют на структуру материала, которая, в свою очередь, определяет комплекс прочностных свойств

146

изделий. Одной из главных закономерностей, установленных при изучении прочностных свойств порошковых металлических материалов, является резкое снижение предельных характеристик прочности, пластичности и работы разрушения с увеличением внутренних дефектов структуры, типа пористости, усадочных пустот, трещин и пр. Физические основы подхода к решению этих задач, очевидно, должны оставаться на базе кинетических представлений о разрушении металлических материалов, полученных методом SLM. Однако, в настоящее время, не получено однозначных ответов на исследовательские вопросы, связанные с оценкой влияния дефектов структуры и воздействием комбинированных нагрузок на прочностные свойства, механизмы зарождения и кинетику разрушения данных материалов и изделий под действием знакопеременных нагрузок.

Физическую основу анализа механического разрушения тел при изменении внешних условий нагружения дают представления о разрушении как о кинетическом явлении, а не как о критическом акте [1]. Макроскопическому разрыву нагруженного материала предшествует процесс образования и развития микроскопических дефектов, развивающихся от момента приложения нагрузки, а сам разрыв является финальным актом детерминированного процесса.

В работе предложено в качестве инструмента исследования кинетики разрушения в условиях испытаний на малоцикловую усталость образцов жаропрочного сплава использовать метод акустической эмиссии (АЭ). Метод АЭ является одним из наиболее информативных методов исследования процессов разрушения материалов на различных масштабных уровнях, мониторинга и диагностики, благодаря высокой чувствительности к накоплению и развитию разрушений на микро- и макроуровне [2-6].

Особенностью метода АЭ является регистрация сигнала АЭ, который является результатом коллективного действия подвергшихся деформации областей материала. Это может быть использовано для идентификации комплексного состояния структуры материала в тех случаях, когда технологически обусловленное локальное воздействие при лазерном сплавлении порошкового материала приводит к формированию локальных структурных неоднородностей [7-11].

МЕТОДИКА. ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Материалы для исследований

Образцы для исследования были получены методом SLM из сплава Inconel 718 на установке EOS (Германия) с имитацией в рабочей части микро- и макродефектов (рис. 1). Геометрические параметры прототипов образцов для последующего выращивания соответствовали пропорциональным плоским образцам (тип I по ГОСТ 1497-84). В табл. 1 приведены основные параметры образцов для исследования.

Направление выращивания ->

"■-J

Рис. 1. Эскиз образцов для исследования

Акустическая эмиссия при испытании образцов на малоцикловую усталость

Регистрация АЭ данных осуществлялась с помощью системы СЦАД 16.10 (ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина») при циклическом нагружении образцов. Использовались два пьезоэлектрических преобразователя АЭ (ПАЭ) с полосой пропускания 100-700 кГц, размещенные в области головок образцов, для определения координат источников АЭ, выделения зоны контроля с целью последующего исключения сигналов от трения образцов в захватах и анализа «полезных» АЭ сигналов от источников, локализованных в рабочей части образцов. Элементы стенда для испытаний приведены на рис. 3.

В измерительных каналах импульсы АЭ проходили каскад предварительного усиления (40 дБ). Порог амплитудной дискриминации составлял 26 дБ, коэффициент усиления 62 дБ.

В качестве информативных параметров АЭ анализировались: число импульсов Л/^. активность акустической эмиссии, амплитуда 11т, длительность переднего фронта Дт и медианная частота /м импульсов АЭ.

Рис. 3. Внешний вид стенда для испытаний: а - система СЦАД-16.10, б - нагружающее устройство

испытательной машины ЬРМ-150кН

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты испытаний на малоцикловую усталость

Прочностные характеристики образцов, полученные в ходе испытаний на малоцикловую усталость приведены в табл. 2.

В результате испытаний установлено, разность расчетных и экспериментальных значений прочностных характеристик (<т0 2, <7В) составила — 10 %, что обусловлено изменением фактических значений размеров внутренних дефектов от закладываемых в САО-моделях прототипов образцов для последующего выращивания методом 81Л1. а также наличием порошковых гранул в закрытых полостях имитаторов дефектов, претерпевающих частичное расплавление на границе сплавления.

Отмечено, что выбранный способ имитации пористости путем периодического расположения сферических полостей в рабочей части и их размеры, привели к повышению характеристик пластичности образцов (<т0 2, 5) и сохранению предела прочности на уровне основного металла.

Табл. 2. Результаты испытаний образцов на малоцикловую усталость

№ образца Общее число циклов до разрушения Предел текучести условный <т0 2, МПа Максимальная нагрузка до разрушения ^тах? кН Предел прочности <тЕ, МПа Снижение предела прочности До-, % Относит, удлинение 8,%

1-0-2 60 972 153 1093 2,4 9,0

1-0-3 75 157 1120 0 10,1

П-20°-1 42 764 120 857 23,5 1,7

П-20°-2 50 125 893 20, 3 2,2

П-45°-1 45 782 123 879 21,5 2,1

П-45°-2 44 122 872 22,1 2,0

Ш-0,2С-1 72 951 157 1121 0 8,7

Ш-0,2С-2 70 148 1068 4,6 8,7

На рис. 4 приведен внешний вид экспериментальных образцов после разрушения.

(в)

Рис. 4. Внешний вид образцов после разрушения: а - № 1-0-2, б - № П-45°-2, в - № П-20°-2

При проведении испытаний отмечен эффект нагрева образцов в области разрушения до температуры ~ 70-80°С. Максимальные значения температур зарегистрированы в момент разрушения образцов без имитации дефектов в рабочей части (образцы №№ 1-0-2, 1-0-3). Данный эффект связан с тем, что состояние металла, вызванное интенсивной пластической деформацией перед разрушением, неустойчиво, о чем свидетельствует повышение его свободной энергии и стремление самопроизвольного перехода в более равновесное состояние с меньшим уровнем свободной энергии. Этот переход также сопровождается процессами изменения плотности и распределения дефектов в деформированных кристаллах в результате перемещения точечных и линейных дефектов, что сопровождается генерацией импульсов АЭ.

Результаты анализа параметров акустической эмиссии

Число импульсов АЭ, зарегистрированных на этапах испытаний образцов при нагружении (+ДР) и разгрузке (-ДР), представлены в табл. 3.

Анализ распределения основных информативных параметров сигналов АЭ (амплитуда, энергия активность, доминантная частота, время нарастания переднего фронта) выполнялся для каждого этапа нагружения.

На рис. 5, 6 приведены диаграммы распределения средней активности АЭ и амплитуды импульсов АЭ 11т на различных этапах нагружения. Распределения амплитуды импульсов АЭ ит на этапе испытаний, при котором произошло разрушение образцов, представлены на рис. 7.

Процесс зарождения микроразрушений при интенсивной пластической деформации связан с дислокационными процессами и распространением скольжения в «кластеры», которое, вероятно, и порождает эффект Кайзера [13], препятствуя возвратной релаксации материала и снижением активности источников АЭ.

В ходе исследований был отмечен специфический эффект, который был условно обозначен как «возврат эффекта Кайзера», то есть восстановление уровня активности АЭ при повторном нагружении, до уровня напряжений, не превышающих достигнутый, при выдержки исследуемого образца без нагрузки в течение суток и более.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследования параметров АЭ при испытаниях образцов, выполненных методом SLM, позволили проследить стадийность развития пластической деформации и разрушения образцов и связать ее со стадийностью изменения параметров акустической эмиссии.

Технологические особенности изготовления изделий методом SLM приводит к возникновению новых типов источников АЭ, связанных с движением порошков в случае образования внутренних несплошностей. Параметры данных источников в настоящее время малоизучены, что требует проведения дополнительных исследований с применением метода АЭ.

Структура материала, формируемая при перемещении локальной ванны расплава в области лазерного нагрева в процессе выращивания, обуславливает формирование дополнительных структурных элементов, при деформации которых также возникают дополнительные источники АЭ. Данные источники локализованы в малом объеме, соизмеримом с размером структурного элемента (30-40 мкм). При генерации АЭ излучения данные источники формируют АЭ сигналы коллективного действия, аддитивный эффект которого приводит к повышению их энергетических характеристик и изменению спектральной плотности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бетехтин В.И., Ройтман В.М., Слуцкер А.И., Кадомцев А.Г. Кинетика разрушения нагруженных материалов при переменной температуре // Журнал технической физики. 1998. Т. 68, № 11. С.76-81.

2. Степанова Л.Н., Пестов Н.М., Чаплыгин В.Н., Кабанов С.И., Кожемякин В.Л., Лебедев Е.Ю., Катарушкин С. А. Акустико-эмиссионный контроль процесса разрушения образцов из авиаматериалов и элементов авиационных конструкций // Контроль. Диагностика. 2002. № 2. С. 19-24.

3. Серьезное А.Н., Степанова Л.Н., Кареев А.Е., Кожемякин В.Л., Лебедев Е.Ю., Кабанов С.И., Чаплыгин В.Н., Катарушкин С. А. Расчет остаточного ресурса образцов из авиаматериалов при их акустико-эмиссионном контроле // Контроль. Диагностика. 2002. №9. С. 13-18.

4. Серьезное А.Н., Степанова Л.Н., Митрофанов О.В., Куликов Е.Н., Кабанов С.И., Лебедев Е.Ю., Чаплыгин В.Н., Катарушкин С.А. Циклические испытания панелей самолета RRJ с использованием метода акустической эмиссии // Контроль. Диагностика. 2007. № 7. С. 56-60.

5. Апасов A.M. Исследование сигналов акустической эмиссии при статическом нагружении плоских образцов из высокопрочной стали // Известия Томского политехнического университета. 2010. №2. Т. 316. С. 32-41.

6. Васильев Е.В., Виноградов А.Ю., Мерсон Д.Л., Брилевский А.И. Акустическая эмиссия при циклической деформации магниевого сплава ZK30 // Сборник материалов

всероссийской конференции с международным участием «Актуальные проблемы метода акустической эмиссии». 2018. С. 76.

7. Barile С., Casavola С., Moramarco V. et al. A comprehensive study of mechanical and acoustic properties of selective laser melting material // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2020. Vol. 20. P. 3.

8. Beramen S., Bechmann Fl., Lindner St., Kruth J.-P., Craeghs T. Quality control of laser-and powder bed-based Additive Manufacturing (AM) technologies // Physics Procedia. 2010. Vol. 5. P. B. P. 617-622.

9. Shevchik S.A., Kenel C., Leinenbach C., Wasmer K. Acoustic emission for in situ quality monitoring in additive manufacturing using spectral convolutional neural networks // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 21. P. 598-604.

10. Strantza M., Aggelis D.G., Baere D., Guillaume P., HemelrijckD. Evaluation of SHM System Produced by Additive Manufacturing via Acoustic Emission and Other NDT Methods // Sensors. 2015. Vol. 15. P. 26709-26725.

11. Wu H., Yu Zh., Wang Y. A new approach for online monitoring of additive manufacturing based on acoustic emission // ASME 2016 Manufacturing Science and Engineering Conference MSEC2016. 2016.

12. Педаш А. А., Лысенко H. А., Клочихин В. В., Шило В. Г. структура и свойства образцов из сплава Inconel 718 полученных по технологии селективного лазерного плавления // Авиационно-космическая техника и технология. 2017. № 8(143). С.46-54.

13. ГОСТ Р ИСО 12716-2009: Контроль неразрушающий. Акустическая эмиссия. Словарь.

Kovalevich A.S.1, Kinzhagulov I.Yu.1, Stepanova К. A.2, Semerich A.S.3

1ITMO University, Russia, 197101, St. Petersburg, Kronverkskypr-t, 49, E-mail: [e-mail] 2 LLC "STC" Etalon ", Russia, 197343, St. Petersburg, Matrosa Zheleznyak St., 57 lit. A 3 State Budgetary Educational Institution of Higher Education MO "Technological University" 141074, Moscow region, Korolev, Gagarina St., 42

INVESTIGATION OF THE KINETICS OF FRACTURE OF MATERIALS MADE BY THE TECHNOLOGY OF SELECTIVE LASER MELTING, USING THE METHOD OF

ACOUSTIC EMISSION

The work is dedicated to the investigation of the fracture kinetics of metallic materials received by the technology of selective laser melting using the method of acoustic emission. The features of the process of obtaining products using this technology lead to the appearance in the material of various kinds of structural discontinuity (pores, cracks, inclusions, etc.), which in turn leads to a decrease in the strength characteristics. The distribution of acoustic emission parameters when testing specimens for low-cycle fatigue made it possible to characterize the processes ofaccumulation ofmicrodamages and degradation of mechanical properties for various initial states of the structure of the sample material and loading conditions. Using of the acoustic emission method in the study of the fracture kinetics of materials makes it possible to detect and develop fatigue fracture processes in the material at early stages, which makes it possible to proceed to the development of methods for predicting the characteristics life of critical components and structures.

SELECTIVE LASER FUSION, ACOUSTIC EMISSION, LOW CYCLE FATIGUE, SPECIMENS TESTING, FRACTURE KINETICS