Испытания металлов для авиакосмической промышленности

Микроструктура материала определяет многие из его наиболее важных свойств, таких как твёрдость, прочность и долговечность. Однако информации о металлах на микроуровне и о том, как на эту микроструктуру влияет обработка, мало. Большинство компонентов и деталей в авиастроении проектируются исходя из того, что они будут эксплуатироваться в самых сложных условиях из возможных. 

Инженеры работают над уменьшением воздействия авиации на окружающую среду за счет снижения веса и других улучшений, ищут новые производственные процессы и материалы, а для этого им необходимо больше информации о микроструктуре металлов. 

Сегодня в аэрокосмической области расширяется применение аддитивных технологий (АМ — additive manufacturing) для изготовления металлических компонентов. По сравнению с традиционными методами производства в аддитивном время нагрева и охлаждения металла чрезвычайно сокращается. О процессах, происходящих при этом в микроструктуре металлов информации очень мало, что делает чрезвычайно трудной оценку безопасности и долговечности деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Моделирование микроструктурных процессов

Оценить микроструктуру металлов во время проектирования и испытаний, улучшить свойства и качество деталей помогает программное обеспечение для моделирования микроструктурных процессов. Компания e-Xstream, занимающаяся мультифизическим моделированием в партнерстве с Институтом исследования материалов IMDEA в Мадриде (Испания) сделала модели микроструктуры металлов IMDEA коммерчески доступными.

IMDEA, известная своей работой с конструкционными материалами, насчитывает около 120 исследователей. В подходе к разработке микроструктурных моделей инженеры и ученые IMDEA применяют принципы интегрированной инженерии вычислительных материалов (ICME). Профессор Хавьер Сегурадо из IMDEA говорит: «Мы помогли разработать композиты последнего поколения и теперь работаем над микроскопическими характеристиками металлов».

«Мы можем моделировать, что происходит с зёрнами металла на микроструктурном уровне, и прогнозировать свойства произведенной детали на различных масштабах длины. Инженеры хотят лучше разбираться в материалах, чтобы проектировать детали с улучшенными характеристиками. Моделирование материала на микроструктурном уровне помогает лучше понимать границы его применения». 

Система двигателя ALPS

Упрощенно говоря, микроструктурное моделирование металлов в IMDEA является продолжением исследований композитов, изучающих волокна и матрицы внутри материала.

«Между материалами существуют большие различия», — говорит Сегурадо. «Металлы гетерогенны подобно композитам, но не склеены. Механизмы деформации пересекают границы зерен. Композиты имеют чёткую структуру, тогда как в металле всё сложнее». 

Сегурадо поясняет, что разные уровни сложности требуют разных уровней моделирования, для которых используются разные приложения: «Для относительно большой детали, такой как диск в реактивном двигателе, вам, возможно, придется смотреть только на деформацию и реакцию на температуру на макроуровне. Мы только уменьшаем размер, вплоть до атомарного масштаба, если это необходимо, когда того требует приложение». 

«Основная цель партнерства с e-Xstream — понять микро- или мезоскопический уровень. Это позволяет нам рассматривать металл уже не как монолитную, а как неоднородную структуру, которая состоит из разных зёрен, имеющих разную ориентацию, форму и размер».

«Размер, ориентация и форма зерна зависят от способа изготовления детали. Мы учитываем это в разрабатываемых нами моделях, на которых можем затем моделировать механические реакции». 

Моделирование микроструктуры металла позволяет сократить количество лабораторных испытаний и оптимизировать конструкцию детали. Некоторые части реактивных двигателей уже имеют металлические компоненты, смоделированные на микроструктурном уровне на этапе проектирования.

«Если у вас есть хороший инструмент для прогнозирования механического отклика в зависимости от микроструктуры, вы можете отказаться от ряда испытаний. Например, известно, что металлы с мелкими зёрнами обладают лучшими усталостными характеристиками, чем металлы с крупными зёрнами. Если вы представите новый процесс, который позволяет создавать металлы с крупными зёрнами, вы можете смоделировать результаты перед физическими испытаниями, сократив количество испытаний и оптимизируя конструкцию», — говорит Сегурадо.

Аддитивное производство

КомпанияQuestek Innovationsиз Иллинойса (США) является одной из нескольких компаний, участвующих в спонсируемой ВВС США задаче по ускорению внедрения AM в аэрокосмическое производство. Questek использует принципы ICME, чтобы понять основы металлургии и решить проблемы с материалами для клиентов. Её ферритовые стали используются в новейших зубчатых передачах вертолётов и в компонентах нескольких самолетов, в том числе для хвостовиков крюка на Т-45 в ВМС США. Задача ВВС США потребовала от компаний повысить точность прогнозов моделей для металлического AM при использовании никель-хромового сплава Inconel 625 (IN625). 

Джефф Грабовски, менеджер по развитию бизнеса Questek, говорит: «Metallic AM — это процесс, который металлурги не изучили так тщательно, как литьё или ковку. При простом взятии химического состава традиционных сплавов и их использовании в AM возникали серьёзные проблемы, такие как растрескивание или низкая производительность».

«Есть металлургические проблемы, которые необходимо решить, но также есть возможность использовать преимущества быстрой закалки материала для достижения микроструктуры, недостижимой при более медленном производственном процессе охлаждения, и, следовательно, улучшить характеристики материала».

Инженеры и ученые Questek используют комбинацию вычислительной инженерии материалов и физических моделей для прогнозирования осадков, химии границ зёрен и микроструктуры материалов, а также конечных свойств. Они также используют коммерческое программное обеспечение Thermo-Calc в сочетании со своими собственными моделями.

«Мы также делаем множество прототипов материалов, характеризуем их и экспериментируем с целью проверки и калибровки наших моделей», — говорит Грабовски. «Мы применяем сканирующую электронную микроскопию, оптическую микроскопию, дифракцию рентгеновских лучей, испытания на твёрдость, механические испытания. Атомно-зондовая томография позволяет нам глубоко изучить структуру материалов, чтобы подтвердить наличие наноразмерных осадков и других особенностей».

Наноразмерные металлы

Сяолин Чжоу, научный сотрудник Принстонского университета был соавтором исследования, опубликованного ранее в этом году в Университете Юты, которое продвинуло понимание структуры металлов на наноразмерном уровне и может помочь в создании сверхпрочных металлов.

В исследовании использовались образцы никеля с диаметром зёрен всего 3 нм. Образцы были помещены под сильное давление в ячейку с алмазной наковальней, и исследователи использовали дифракцию рентгеновских лучей, чтобы наблюдать, что происходило в наномасштабе. 

По словам Чжоу, метод исследования можно использовать для измерения прочности других материалов в наномасштабе. Он говорит: «Метод радиальной дифракции рентгеновских лучей под высоким давлением через ячейку с алмазной наковальней позволил нам измерить прочность нанометаллов способом, недоступным при традиционных измерениях прочности, таких как испытания на растяжение или измерения твёрдости».

Согласно соотношению Холла-Петча, с уменьшением размера зерна примерно до 10–15 нм прочность металла увеличивается. Считалось, что поверхностное трение между зёрнами размером менее 10 нм изменяется и под действием напряжения зёрна проскальзывают друг относительно друга, приводя к значительному ослаблению металла.

Испытания показали, что вместо ослабления прочность увеличивалась вплоть до наименьшего доступного размера зерна. Образец 3 нм перед необратимой деформацией выдержал давление 4,2 гПа, что в 10 раз больше, чем никель с размером зерна промышленного качества. Применяя давление, исследователи смогли подавить механизм скольжения между зернами ниже 20 нм. 

Результаты исследования, которые были опубликованы в журнале Nature, могут помочь в разработке нового поколения сверхпрочных металлов путём разработки поверхности их зёрен для подавления скольжения зёрен. Эти металлы подходят для любой части летательного аппарата, требующей высокой прочности в экстремальных условиях.

«Наши результаты позволяют предложить возможную стратегию производства сверхпрочных металлов», — говорит Чжоу. «Раньше исследователи полагали, что самый прочный размер зерна составляет около 10–15 нм, но мы обнаружили, что можем делать более прочные металлы с размером зёрен менее 10 нм.

«Следующим шагом должна быть попытка изготавливать более крупные куски прочных металлов, ограничивая размер зерна 3–10 нм. Трудно сказать, сколько времени потребуется, чтобы перейти к коммерческому использованию, но я настроен оптимистично».

Чжоу считает, что наблюдение и конструирование металлов на наномасштабном уровне — это следующий шаг в исследованиях металлов. «Поскольку зёрна очень маленькие и близки к атомному уровню, нанометаллы будут демонстрировать свойства, отличные от свойств металлов микронного размера», — говорит он.

Алюминий, титан, сталь и тугоплавкие сплавы, используемые в аэрокосмической отрасли — лёгкие, прочные и термостойкие. Композиты на керамической и полимерной основе имеют проблемы с технологичностью, надёжными / постоянными свойствами, геометрическими ограничениями и могут быть хрупкими или иметь недостаточную термостойкость. Грабовски полагает, что в обозримом будущем в аэрокосмической отрасли будут использоваться металлы, и что способы анализа и тестирования этих металлов будут продолжать расширяться. «Сейчас ведётся много исследований по объединению ICME с инструментами обнаружения методом перебора, такими как машинное обучение, искусственный интеллект, нейронные сети и анализ больших данных. Мы исследовали их и они уже продемонстрировали некоторый потенциал, поэтому мы продолжим совершенствовать наши возможности в этой области».

Однако до полного понимания металлов на микроструктурном и более низком уровне ещё далеко. «В данный момент мы ещё даже не на полпути к полному пониманию», — говорит Сегурадо. «Чтобы понять, как атомы образуют свою структуру и взаимодействуют с дефектами, придётся привлекать даже квантовую механику. Но если вы не так амбициозны и хотите просто лучше оценивать изменения в микроструктуре, чтобы лучше проектировать, то до конечной точки исследований предстоит пройти ещё 80% пути».