Аддитивные технологии в авиационной отрасли позволяют производить облегченные детали и сложные элементы. Но по многим причинам в процессе их изготовления возникает анизотропия — неодинаковость свойств, которая ведет к зависимости прочности и жесткости конструкций от направления механического воздействия. Поэтому необходимо изучать закономерности механического поведения 3D-материалов под воздействием нагрузки. Ученые Пермского Политеха изучили влияние концентрации напряжений на процесс циклического разрушения. Это поможет повысить качество аддитивного производства изделий с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
В ПНИПУ улучшили эффективность применения 3D-деталей в авиации / © Jakub Żerdzicki, Unsplash
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника». Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
В процессе печати 3D-изделий из-за особенностей работы оборудования, стратегий формирования слоя и других причин возникает наведенная анизотропия механических свойств. Это влияет на распределение в материале, подвергающемся нагрузке, напряжений и деформаций. Несмотря на попытки избавиться от проблемы, из-за особенностей аддитивного производства в материале появляется неоднородность, связанная с пористостью и геометрией структуры.
Она влияет на сопротивление усталости – способность материала противостоять разрушению при многократном нагружении. Накопление таких изменений показано на примере экспериментальных исследований малоцикловой усталости (разрушение материала после небольшого количества циклов). Правильный учет влияния концентрации напряжений при наличии анизотропии позволит увеличить срок эксплуатации конструкций из 3D-материалов.
Ученые Пермского Политеха исследовали характеристики сопротивления малоцикловой усталости аддитивного титанового сплава ВТ6, который используется для производства авиационных и ракетных двигателей, приборов и конструкций для военных и гражданских самолетов. Наплавку материала произвели методом холодного переноса металла и сняли остаточные напряжения температурной обработкой. Из готовой пластины вырезали образцы в параллельном и перпендикулярном направлениях к плоскости слоев.
Закономерности механического поведения образца изучались при малоцикловой усталости и наличии концентрации напряжений. Коэффициент применяли к образцам с концентратором и без него. Позже их сравнили между собой. Выявили, что направление вырезки образцов с концентратором практически не влияет на характеристики сопротивления усталости.
«Циклическая долговечность горизонтально вырезанных образцов на 5-10 процентов больше, чем вертикальных. У первых проявляется наибольшая чувствительность к концентрации напряжений при долговечности порядка 105 циклов. Наибольшее определенное значение введенного эффективного коэффициента для них – 2,8. Для вертикально вырезанных образцов – от 1,8 до 2,2. От этих коэффициентов зависит срок эксплуатации изделия», – пояснил Артем Ильиных, кандидат технических наук, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение» ПНИПУ.
Результаты испытаний ученых Пермского Политеха позволили построить зависимость циклической долговечности от уровня прикладываемых напряжений. Выявленные коэффициенты концентрации напряжений будут полезны при проектировании конструкций из 3D-материалов. Их учет позволит более точно спрогнозировать долговечность и величину воспринимаемых нагрузок.
