Применение математических методов для исследования температурно-временных условий процесса фрикционной наплавки при изготовлении функционально-организованных сталеалюминиевых композиций

Разработана математическая модель для исследования температурно-временных условий процесса фрикционной наплавки при изготовлении функционально-организованных сталеалюминиевых композиций и проведена ее валидация. В качестве материала расходуемого стержня при фрикционной наплавке применяли прутки из чистого алюминия марки ER1100. Подложка в форме прямоугольной пластины была изготовлена из качественной стали 20. Геометрическую модель объекта при моделировании процесса фрикционной наплавки в программном комплексе ANSYS 2021R2 задавали в виде стержня и подложки. Исходными данными для проведения расчетов температурно-временных условий процесса фрикционной наплавки в ПК ANSYS являлись: геометрические параметры объекта моделирования; характеристики тепловых нагрузок источника нагрева, зависящие от технологических параметров режима наплавки (скорость осевого вращения стержня, осевое давление, граничные условия объекта моделирования для температурной задачи); вспомогательные параметры, определяющие порядок выполнения расчетов. В качестве параметра тепловых нагрузок источника рассматривали тепловую мощность, возникающую в месте физического контакта вращающегося расходуемого стержня и подложки. Расчет распространения тепла для процесса фрикционной наплавки проводили по схеме с нормально-круговым источником, расположенным на поверхности подложки. Выбранная расчетная схема отражает основную особенность процесса фрикционной наплавки — введение тепла вследствие трения между вращающимся расходуемым стержнем и подложкой. Показано, что за счет учета граничных условий и геометрических особенностей 3D-модели разработанная математическая модель характеризуется удовлетворительной сходимостью и позволяет с неопределенностью не более 5 % определять температуру нагрева стальной подложки при формировании методом наплавки на ее поверхности функциональных алюминиевых покрытий, а также композиционных материалов на их основе.

1. Gandra J., Krohn H., Miranda R. M., et al. Friction surfacing — A review / Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 214. P. 1062 – 1093. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2013.12.008

2. Badheka K., Badheka V. Friction surfacing of aluminium on steel: An experimental approach / Materials Today: Processing. 2017. Vol. 4. P. 9937 – 9941. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.06.297

3. Sekhar S. R., Raju M., Govardhan D., et al. Optimization of friction surfaced deposits of aluminium alloy 6068 over low carbon steel / Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 62. P. 4480 – 4486. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.04.939

4. Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Kolmakov A. G. Research of the intermetallics formation mechanism during the synthesis of functionally graded layered steel-aluminum compositions / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 848. N 012056. P. 1 – 7. DOI: 10.1088/1757-899X/848/1/012056

5. Carvalho G. H., Galvao I., Mendes R., Leal R. M. Microstructure and mechanical behaviour of aluminium-carbon steel and aluminium-stainless steel clads produced with an aluminium interlayer / Materials Characterization. 2019. Vol. 155. P. 109819. DOI: 10.1016/j.matchar.2019.109819

6. Kaur J., Mangla V., Singh J., et al. Cladding of stainless steel (SS304) on aluminium alloy (AA1100) by explosive welding / Materials Today: Processing. 2018. Vol. 5. Issue 9. P. 19136 – 19139. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.06.267

7. Ha D. W., Jeon G. W., Shin J. S., Jeong C. Y. Mechanical properties of steel-aluminum multi-materials using a structural adhesive / Materials Today: Communications. 2020. Vol. 25. P. 101552. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2020.101552

8. Liu J., Wu B., Wang Z., et al. Microstructure and mechanical properties of aluminum-steel dissimilar metal welded using arc and friction stir hybrid welding / Materials and Design. 2022. Vol. 225. P. 11520. DOI: 10.1016/j.matdes.2022.111520

9. Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Bykov P. A. Investigation of the diffusion zone formation mechanisms during the production of functional steel-aluminium compositions by arc processes / Materials Science Forum. 2022. Vol. 1052. P. 14 – 20. DOI: 10.4028/p-1k2d4m

10. Ibragim A. B., Al-Badour F. A., Adesina A. Y., Merah N. Effect of process parameters on microstructural and mechanical properties of friction stir diffusion cladded ASTM A516-70 steel using 5052 Al alloy / Journal of Manufacturing Processes. 2018. Vol. 34. P. 451 – 462. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.06.020

11. Sahoo D. K., Mohanty B. S., Pradeep A. M. V., John A. D. An experimental study on friction surfaced coating of aluminium 6063 over AISI 316 stainless steel substrate / Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 40. P. 510 – 518. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.03.251

12. Kallien Z., Klusemann B. Combined experimental-numerical analysis of the temperature evolution and distribution during friction surfacing / Surface and coatings technology. 2022. Vol. 437. P. 12850. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128350

13. Seidi E., Miller S. F. A novel approach to friction surfacing: experimental analysis of deposition from radial surface of a consumable tool / Coatings. 2020. Vol. 10. P. 1016 – 1033. DOI: 10.3390/coatings10111016

14. Kallien Z., Rath L., Roos A., Klusemann B. Experimentally established correlation of friction surfacing process temperature and deposit geometry / Surface and Coatings Technology. 2020. Vol. 397. P. 126040. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126040

15. Pirhayati P., Aval H. J. Phase-field microstructure simulation during aluminum alloy friction surfacing / Surface and Coating Technology. 2020. Vol. 402. P. 126496. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126496

16. Bararpour S. M., Aval H. J., Jamaati R. Modeling and experimental investigation on friction surfacing of aluminum alloys / Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 805. P. 57 – 68. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.07.010

17. Zhang S., Chen G., Liu Q., et al. Numerical analysis and analytical modeling of the spatial distribution of heat flux during friction stir welding / Journal of Manufacturing Processes. 2018. Vol. 33. P. 245 – 255. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.05.021

18. Anand R. S., Prakash P., Jha S. K., Singh A. K. Numerical investigations of effect of input process parameters on heat generation in friction stir welding / Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 33. P. 5354 – 5361. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.03.113

19. Logesh M., Kumar D. V., Shankaranarayana R., et al. A numerical analysis of friction stir welded joint using FEA / Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 62. P. 2362 – 2369. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.04.850

20. Mikheev R. S., Kalashnikov I. E. Using mathematical methods for analysis of temperature — time conditions of arc surfacing upon manufacturing of steel-aluminum compositions / Inorganic Materials. 2022. Vol. 58. N 15. P. 1594 – 1603. DOI: 10.1134/S0020168522150092