Новые методы диагностирования и определении свойств материалов в аддитивных технологиях

Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты

В 2020 году

Проведен анализ существующих подходов экспериментального определения предельных физико-механических характеристик материалов для аддитивного производства методами разрушающего и неразрушающего контроля, позволяющий определить направление последующих исследований.

1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.

Для достижения поставленных целей проведен ряд натурных экспериментов по изучению физико-механических свойств материалов. С помощью методов лазерной фотоакустики были исследованы предварительно индентированные призмой Виккерса образцы из стали У8 и керамики, получены фотоакустические изображения отпечатков, определяющихся остаточными напряжениями в образцах. С помощью методов лазерной диагностики проведено исследование по исследованию поведения материалов (диэлектриков, полупроводников и проводников) под действием лазерного излучения короткой длительности (менее микросекунды), установлены принципиальные отличия в поведении материалов, чего не может описать классическая теория теплопроводности.

Полученные выводы в натурных экспериментах требуют разработки новой теории поведения материалов в области лазерных технологий. Требуется разработка теории описания зависимости свойств материалов от напряженно-деформированного состояния при работе с высокочастотным лазерным излучением. Требуется разработка поведения металлов в области субмикросекундных воздействий лазерного излучения.

Предложены подходы к решению и описанию эффектов, возникающих в натурных экспериментах, а именно:

• эмпирические и теоретические подходы к описанию зависимости коэффициента температурного расширения материала от напряженно-деформированного состояния материала и, в частности, от остаточных напряжений/деформаций в конструкции с деформированной структурой (в области пластических деформаций);
• теоретические подходы к описанию работы электронного газа в металлах, что является причиной сильного различия поведения материалов проводников и диэлектриков;
• подходы к моделированию процессов неупругого деформирования и разрушения монокристаллических сплавов на никелевой основе.

Для реализации предложенных подходов разработаны или находятся в стадии разработки:

• Цифровой двойник процессов облучения лазерным воздействием образцов материала с введенным предварительным напряженным состоянием. Установлена принципиальная неспособность классической теории теплопроводности к описанию процессов прохождения термоупругих волн в средах с предварительным напряженным состоянием.
• двойник процессов облучения лазерным воздействием материалов различной внутренней структуры. Установлена принципиальная неспособность классической теории теплопроводности к описанию процессов прохождения термоупругих волн в средах различной внутренней структуры (проводники/диэлектрики).
• Цифровой двойник процессов неупругого деформирования и разрушения монокристаллических сплавов на никелевой основе. Разработаны феноменологические модели процессов неупругого деформирования жаропрочных монокристаллических сплавов на никелевой основе с учетом эволюции фазового состава.

2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем.

В современных методах исследования теплофизических и упругих свойств объемных материалов, тонких пленок и тонкопленочных структур, неразрушающего контроля материалов широко используется динамическое воздействие лазерного излучения [1].

Исследование динамических тепловых и упругих процессов в различных материалах и структурах от микро- и наносекундного до пикосекундного в работах [2-5] демонстрирует общую мировую заинтересованность в эффектах, наблюдаемых в экспериментах, проводимых в научном центре мирового уровня.

До текущего момента (2020 год) нет полностью разработанных методик и подходов к решению проблем, поставленных перед центром.

Существуют подходы к определению зависимости коэффициента температурного расширения от напряженного состояния тела [6]. Данный подход оперирует понятием остаточных напряжений, что не совсем применимо в случае пластических деформаций. Целью центра является разработка теории в терминах деформаций и остаточных (пластических) деформаций для максимальной применимости подхода во всех случаях нагружения.

Существуют подходы к описанию двухкомпонентной модели металлов, учитывающих динамику электронного газа [7] , [8]. Однако ни полноценного цифрового двойника, ни полноценной аналитической теории до сих пор нет. Целью центра является разработка как цифрового двойника, так и аналитических подходов к анализу поведения такого рода материалов.

Список использованных источников:

1. Khafizov М., Pakarinen J., Нe L., Нenderson Н.В., Мanuel М.V., Nelson А.Т., Jaques В.J., Вutt D.P., Нurley D.Н. Subsurface imaging of grain microstructure using picosecond ultrasonics // Acta Mater. 2016. V. 112. P. 209-2015. doi 10.1016/j.actamat.2016.04.003.
2. Sudenkov Уu.V., Zimin В.А. Effect of "the thermal piston" in a dynamic thermoelastic problem // Int. J. Heat Mass Transfer. 2015. V. 85. P. 781-786. doi 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.119.
3. Гуревич С.Ю., Петров Ю.В. Лазерная генерация и электромагнит ная регистрация нормальных акустических волн в ферромагнитных металлах // ЖТФ. 2016. Т. 86. № 3. С. 114-117.
4. Vega-Flick А., Eliason J.K., Мaznev А.А., Khanolkar А., АЬi Ghanem М., Вoechler N., Аlvarado-Gil J.J., Nelson K.А. Laser-induced transient grating setup with continuously tunable period // Rev. Sci. Instrum. 2015. V. 86. P. 123101 (4 p). doi 10.1103/PhysRevB. 94.214106.
5. Мatsuda О., Larciprete М.С., Voti R.L., Wright О.В. Fundamentals of picosecond laser ultrasonics // Ultrasonics. 2014. V. 56. P. 320. doi 10.1016/j.ultras.2014.06.005.
6. Черняева Т.П. Корреляция между упругостью и другими свойствами циркония // Т.П.Черняева, В.М. Грицина, Е.А. Михайлов, А.В. Остапов // Вопросы атомной науки и техники. – 2009. - № 4. – С.206-217.
7. Гуревич С.Ю., Петров Ю.В. Лазерная генерация и электромагнит ная регистрация нормальных акустических волн в ферромагнитных металлах // ЖТФ. 2016. Т. 86. № 3. С. 114-117.
8. Vega-Flick А., Eliason J.K., Мaznev А.А., Khanolkar А., АЬi Ghanem М., Вoechler N., Аlvarado-Gil J.J., Nelson K.А. Laser-induced transient grating setup with continuously tunable period // Rev