cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ "МИСИС"10.17073/0021-3438-2025-4-37-49cvmet-1736Research ArticleОбработка металлов давлениемPressure Treatment of MetalsКонечно-элементное моделирование и анализ технологической возможности применения новой схемы плакирования слитков из алюминий-литиевого сплава 1441Finite element modeling and analysis of the technological feasibility of a new cladding scheme for aluminum-lithium alloy 1441 ingotshttps://orcid.org/0000-0002-5443-423XПесинА. М.PesinA. M.

Александр Моисеевич Песин – д.т.н., профессор, гл. науч. сотрудник лаборатории «Механика градиентных материалов им. А.П. Жиляева»

455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр-т Ленина, 38

Aleksandr M. Pesin – Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher of the Laboratory of Mechanics of Gradient Nanomaterials n.a. A.P. Zhilyaev

38 Lenin Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

pesin@bk.ruhttps://orcid.org/0009-0006-2851-227XРазинкинА. В.RazinkinA. V.

Александр Викторович Разинкин – к.т.н., директор по производству

623405, Свердловская обл., г. Каменск-Уральский, ул. Заводская, 5

Aleksandr V. Razinkin – Cand. Sci. (Eng.), Director of Production

5 Zavodskaya Str., Kamensk-Uralsky, Sverdlovsk Region 623405

RazinkinAV@kumz.ruhttps://orcid.org/0009-0006-6743-9212ЗамараевВ. А.ZamaraevV. A.

Владимир Андреевич Замараев – инженер-технолог

623405, Свердловская обл., г. Каменск-Уральский, ул. Заводская, 5

Vladimir A. Zamaraev – Engineer

5 Zavodskaya Str., Kamensk-Uralsky, Sverdlovsk Region 623405

zamaraevva@kumw.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0496-0976ПустовойтовД. О.PustovoitovD. O.

Денис Олегович Пустовойтов – к.т.н., доцент, вед. науч. сотрудник лаборатории «Механика градиентных материалов им. А.П. Жиляева»

455000, Челябинская обл., г. Магнитогорск, пр-т Ленина, 38

Denis O. Pustovoitov – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Leading Researcher of the Laboratory of Mechanics of Gradient Nanomaterials n.a. A.P. Zhilyaev

38 Lenin Ave., Magnitogorsk, Chelyabinsk Region 455000

pustovoitov_den@mail.ruМагнитогорский государственный технический университет им. Г.И. НосоваРоссияNosov Magnitogorsk State Technical UniversityRussian FederationПАО «Каменск-Уральский металлургический завод»РоссияPJSC “Kamensk-Uralsky Metallurgical Plant”Russian Federation202508012026043749Copyright © Песин А.М., Разинкин А.В., Замараев В.А., Пустовойтов Д.О., 20262026Песин А.М., Разинкин А.В., Замараев В.А., Пустовойтов Д.О.Pesin A.M., Razinkin A.V., Zamaraev V.A., Pustovoitov D.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1736

С использованием программы «QForm» проведен конечно-элементный анализ технологической возможности применения новой схемы плакирования слитков толщиной 360 мм из алюминий-литиевого сплава 1441 в условиях ПАО «КУМЗ». Взамен традиционной схемы плакирования, предусматривающей приварку планшетов к слитку за 4 прохода с абсолютными обжатиями по 6 мм, предложено укладывать планшеты в специальные углубления, предварительно выполненные фрезерованием на верхней и нижней поверхностях слитка, а приварку осуществлять за 1 проход с абсолютным обжатием 24 мм. Показано, что новая схема плакирования позволяет предотвратить выдавливание планшетов с поверхности слитка при высоких абсолютных обжатиях. Это дает возможность использовать более тонкие планшеты (толщиной 10 мм) взамен традиционных (15 мм). Установлено, что по новой схеме плакирования существенно сокращается общее количество проходов и междеформационных пауз при черновой прокатке и за счет этого улучшается тепловое состояние раската перед чистовой прокаткой. При сокращении 3 проходов и 3 междеформационных пауз среднее повышение температуры составляет 23 °С. Исследовано деформированное состояние основного металла (сплав 1441) и плакирующего слоя (сплав АЦпл). Показано, что средняя накопленная деформация в слитке (математическое ожидание) после прокатки по новой схеме в 2 раза выше в сравнении с традиционной схемой. При этом характер деформации плакирующего слоя при прокатке по новой схеме более равномерный. Результаты могут быть использованы для совершенствования и оптимизации технологических режимов горячей прокатки плакированных листов и полос из алюминий-литиевого сплава 1441 в условиях ПАО «КУМЗ».

Using the QForm software package, a finite-element analysis was conducted to assess the technological feasibility of implementing a new cladding scheme for 360-mm-thick aluminum–lithium alloy 1441 ingots under the production conditions of PJSC “KUMP”. Instead of the traditional cladding scheme, in which the cladding plates are roll-bonded to the ingot over four passes with an absolute reduction of 6 mm per pass, the cladding plates are seated in pre-machined recesses milled into the top and bottom surfaces of the ingot and roll-bonded in a single pass with an absolute reduction of 24 mm. The analysis showed that the new cladding scheme prevents extrusion of the cladding plates from the ingot surface at high reductions, enabling the use of thinner plates (10 mm instead of the conventional 15 mm). The new approach also significantly reduces the total number of passes and inter-deformation pauses during rough rolling, thereby improving the thermal condition of the workpiece before finish rolling. A reduction of three passes and three pauses (10 s each) leads to an average temperature increase of approximately 23 °C. The deformation behavior of the base metal (alloy 1441) and the cladding layer (ACpl alloy) was analyzed. The mean accumulated strain in the ingot after rolling according to the new scheme was found to be twice as high as under the traditional scheme, while the deformation distribution within the cladding layer was more uniform. The obtained results can be used to enhance and optimize hot-rolling parameters for clad sheets and strips of aluminum– lithium alloy 1441 at PJSC “KUMP”.

алюминий-литиевый сплав 1441горячая прокаткаплакированиережимы деформациимоделирование методом конечных элементовнапряженно-деформированное состояниетемператураaluminum-lithium alloy 1441hot rollingcladdingdeformation statefinite-element modelingstress-strain statetemperatureИсследования выполнены за счет гранта Российского научного фонда (соглашение № 23-79-30015) и в рамках договора о софинансировании № KK0987F-2023.The research was supported by the Russian Science Foundation (Grant No. 23-79-30015) and co-funded under Agreement No. KK0987F-2023.ReferencesBetsofen S.Ya., Antipov V.V., Knyazev M.I. Al—Cu—Li and Al—Mg—Li alloys: Phase composition, texture, and anisotropy of mechanical properties (Review). Russian Metallurgy (Metally). 2016;2016:326—341. https://doi.org/10.1134/S0036029516040042Betsofen S.Ya., Antipov V.V., Knyazev M.I. Al—Cu—Li and Al—Mg—Li alloys: Phase composition, texture, and anisotropy of mechanical properties (Review). Russian Metallurgy (Metally). 2016;2016:326—341. https://doi.org/10.1134/S0036029516040042Rioja R.J., Liu J. The evolution of Al—Li base products for aerospace and space applications. Metallurgical and Materials Transactions A. 2012;43:3325—3337. https://doi.org/10.1007/s11661-012-1155-zRioja R.J., Liu J. The evolution of Al—Li base products for aerospace and space applications. Metallurgical and Materials Transactions A. 2012;43:3325—3337. https://doi.org/10.1007/s11661-012-1155-zEl-Aty A.A., Xu Y., Guo X., Zhang S.-H., Ma Y., Chen D. Strengthening mechanisms, deformation behavior, and anisotropic mechanical properties of Al— Li alloys: A review. Journal of Advanced Research. 2018;10:49—67. https://doi.org/10.1016/j.jare.2017.12.004El-Aty A.A., Xu Y., Guo X., Zhang S.-H., Ma Y., Chen D. Strengthening mechanisms, deformation behavior, and anisotropic mechanical properties of Al— Li alloys: A review. Journal of Advanced Research. 2018;10:49—67. https://doi.org/10.1016/j.jare.2017.12.004Антипов В.В., Ткаченко Е.А., Зайцев Д.В., Селиванов А.А., Овсянников Б.В. Влияние режимов гомогенизационного отжига на структурно-фазовое состояние и механические свойства слитков из алюминий-литиевого сплава 1441. Труды ВИАМ. 2019;3(75):44—52. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2019-0-3-44-52Antipov V.V., Tkachenko E.A., Zaitsev D.V., Selivanov A.A., Ovsyannikov B.V. Influence of homogenization annealing modes on the structural-phase state and mechanical properties of ingots made of aluminumlithium alloy 1441. Trudy VIAM. 2019;3(75):44—52. (In Russ.). https://doi.org/10.18577/2307-6046-2019-0-3-44-52Li H., Zou Z., Li J., Xu G., Zheng Z. Correlation between grain structures and tensile properties of Al—Li alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2023;33(12):3597—3611. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(23)66357-5Li H., Zou Z., Li J., Xu G., Zheng Z. Correlation between grain structures and tensile properties of Al—Li alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2023;33(12):3597—3611. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(23)66357-5Овсянников Б.В. Новый алюминиево-литиевый сплав системы A—Cu—Mg—Li(Ag,Sc), предназначенный для изготовления тонких листов и профилей. Цветные металлы. 2014;(11):90—94.Ovsyannikov B.V. New aluminum-lithium alloy of the Al—Cu—Mg—Li(Ag,Sc) system intended for the production of thin sheets and profiles. Non-Ferrous Metals. 2014;(11):90—94. (In Russ.).Коковин П.Л., Мальцева Т.В., Овсянников Б.В. Освоение технологии литья крупногабаритных плоских слитков из алюминиево-литиевого сплава нового поколения. Литейщик России. 2023;(1):21—24.Kokovin P.L., Maltseva T.V., Ovsyannikov B.V. Mastering the technology of casting large-sized flat ingots from a new generation aluminum-lithium alloy. Liteishchik Rossii. 2023;(1):21—24. (In Russ.).Овсянников Б.В., Комаров С.Б. Развитие производства деформированных полуфабрикатов из алюминиево-литиевых сплавов в ОАО «КУМЗ». Технология легких сплавов. 2014;(1):97—103.Ovsyannikov B.V., Komarov S.B. Development of production of deformed semi-finished products from aluminum-lithium alloys at JSC “KUMZ”. Tekhnologiya legkikh splavov. 2014;(1):97—103. (In Russ.).Hajjioui E.A., Bouchaala K., Faqir M., Essadiqi E. A review of manufacturing processes, mechanical properties and precipitations for aluminum lithium alloys used in aeronautic applications. Heliyon. 2023;9(3):e12565. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e12565Hajjioui E.A., Bouchaala K., Faqir M., Essadiqi E. A review of manufacturing processes, mechanical properties and precipitations for aluminum lithium alloys used in aeronautic applications. Heliyon. 2023;9(3):e12565. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e12565Duan S.Y., Huang L.K., Yang S.H., Zhou Z., Song S.J., Yang X.B., Chen Y.Z., Li Y.J., Liu G., Liu F. Uncovering the origin of enhanced strengthening in Li-added Al—Cu—Mg alloys. Materials Science and Engineering: A. 2021;827:142079. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142079Duan S.Y., Huang L.K., Yang S.H., Zhou Z., Song S.J., Yang X.B., Chen Y.Z., Li Y.J., Liu G., Liu F. Uncovering the origin of enhanced strengthening in Li-added Al—Cu—Mg alloys. Materials Science and Engineering: A. 2021;827:142079. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142079Rioja R.J., Liu J. The evolution of Al—Li base products for aerospace and space applications. Metallurgical and Materials Transactions A. 2012;43(9):3325—3337. https://doi.org/10.1007/s11661-012-1155-zRioja R.J., Liu J. The evolution of Al—Li base products for aerospace and space applications. Metallurgical and Materials Transactions A. 2012;43(9):3325—3337. https://doi.org/10.1007/s11661-012-1155-zFirst-principles insights into solute partition among various nano-phases in Al—Cu—Li—Mg alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2024:34(6): 1734—1744. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66503-9First-principles insights into solute partition among various nano-phases in Al—Cu—Li—Mg alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2024:34(6): 1734—1744. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(24)66503-9Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б., Антипов В.В. Перспективные алюминий-литиевые сплавы для самолетных конструкций. Технология легких сплавов. 2007;(2):35—38.Kolobnev N.I., Khokhlatova L.B., Antipov V.V. Promising aluminum-lithium alloys for aircraft structures. Tekhnologiya legkikh splavov. 2007;(2):35—38. (In Russ.).Pantelakis S.G., Chamos A.N., Setsika D. Tolerable corrosion damage on aircraft aluminum structures: Local cladding patterns. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2012;58(1):55—64. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2012.02.008Pantelakis S.G., Chamos A.N., Setsika D. Tolerable corrosion damage on aircraft aluminum structures: Local cladding patterns. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2012;58(1):55—64. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2012.02.008Коррозия алюминия и алюминиевых сплавов. Под ред. Д.Р. Дэйвиса. Пер. с англ. Ю.И. Кузнецова, М.З. Локшина. М.: НП «АПРАЛ», 2016. 333 с.Corrosion of aluminum and aluminum alloys. Ed. D.R. Davis. Transl. Yu.I. Kuznetsov, M.Z. Lokshin. Moscow: NP «APRAL», 2016. 333 p. (In Russ.).Разинкин А.В., Мальцева Т.В., Овсянников Б.В., Левина А.В. Типовые дефекты в слитках и полуфабрикатах из алюминиевых деформируемых сплавов. Екатеринбург: Уральский рабочий, 2023. 144 с.Razinkin A.V., Maltseva T.V., Ovsyannikov B.V., Levina A.V. Typical defects in ingots and semi-finished products made of aluminum deformable alloys. Ekaterinburg: Uralskii rabochii, 2023. 144 p. (In Russ.).Дегтярев А.В., Мальцева Т.В., Глинских П.И., Яковлев С.И. Технологические особенности производства плакированных листов из твердых алюминиевых сплавов в ОАО «КУМЗ». Технология легких сплавов. 2024;(2):40—46. https://doi.org/10.24412/0321-4664-2024-2-40-46Degtyarev A.V., Maltseva T.V., Glinskikh P.I., Yakovlev S.I. Technological features of production of clad sheets from hard aluminum alloys at JSC “KUMZ”. Tekhnologiya legkikh splavov. 2024;(2):40—46 (In Russ.). https://doi.org/10.24412/0321-4664-2024-2-40-46Орлов В.К., Дрозд В.Г., Сарафанов М.А. Особенности прокатки плит из алюминиевых сплавов. Производство проката. 2016;(4):11—16.Orlov V.К., Drozd V.G., Sarafanov М.А., Specific features of aluminum alloy plates rolling. Proizvodstvo prokata. 2016;(4):11—16. (In Russ.).Яшин В.В., Беглов Э.Д., Арышенский Е.В., Латушкин И.А. Влияние толщины плакирующего слоя на распределение деформации по сечению слитка. В сб.: IХ Международный конгресс «Цветные металлы и минералы-2017» (Красноярск, 11—15 сент. 2017). Красноярск, 2017. С. 735—744.Yashin V.V., Beglov E.D., Aryshensky E.V., Latushkin I.A. Effect of cladding layer thickness on deformation distribution over ingot cross-section. In: IX International congress "Non-ferrous metals and minerals-2017" (Krasnoyarsk, 11–15 September 2017). Krasnoyarsk, 2017. P. 735–744. (In Russ.).Torikai G., Yoshida Y., Asano M., Niikura A. Visualization of metal flow and adhering of aluminum alloy in threelayer clad rolling. Procedia Manufacturing. 2018;15: 144—151. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.188Torikai G., Yoshida Y., Asano M., Niikura A. Visualization of metal flow and adhering of aluminum alloy in threelayer clad rolling. Procedia Manufacturing. 2018;15: 144—151. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.188Пучкова Л.М. Особенности совместной прокатки высоких слоистых полос разнопрочных металлов. Производство проката. 2014;(9):3—10.Puchkova L.M. Features of joint rolling of high layered strips of different-strength metals. Proizvodstvo prokata. 2014;(9):3—10. (In Russ.).Khan H.A., Asim K., Akram F., Hameed A., Khan A., Mansoor B. Roll bonding processes: State-of-the-аrt and future perspectives. Metals. 2021;11(9):1344. https://doi.org/10.3390/met11091344Khan H.A., Asim K., Akram F., Hameed A., Khan A., Mansoor B. Roll bonding processes: State-of-the-аrt and future perspectives. Metals. 2021;11(9):1344. https://doi.org/10.3390/met11091344Zixuan L., Shahed R., Tao W., Han J., Shu X., Pater Z., Huang Q. Recent advances and trends in roll bonding process and bonding model: A review. Chinese Journal of Aeronautics. 2023;36(4):36—74. https://doi.org/10.1016/j.cja.2022.07.004Zixuan L., Shahed R., Tao W., Han J., Shu X., Pater Z., Huang Q. Recent advances and trends in roll bonding process and bonding model: A review. Chinese Journal of Aeronautics. 2023;36(4):36—74. https://doi.org/10.1016/j.cja.2022.07.004Kebriaei R., Vladimirov I.N., Reese S. Joining of the alloys AA1050 and AA5754 — Experimental characterization and multiscale modeling based on a cohesive zone element technique. Journal of Materials Processing Technology. 2014;214(10):2146—2155. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.03.014Kebriaei R., Vladimirov I.N., Reese S. Joining of the alloys AA1050 and AA5754 — Experimental characterization and multiscale modeling based on a cohesive zone element technique. Journal of Materials Processing Technology. 2014;214(10):2146—2155. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.03.014Салихянов Д.Р. Исследование напряженно-деформированного состояния на границе между материалами при прокатке слоистого композита. Черные металлы. 2023;(9):34—39.Salikhyanov D.R. Investigation of the stress-strain state at the boundary between materials during rolling of a layered composite. Ferrous Metals. 2023;(9):34—39. (In Russ.). https://doi.org/10.17580/chm.2023.09.06Koshmin A., Zinoviev A., Cherkasov S., Ali Alhaj A.M., Tsydenov K., Churyumov A. Finite element modeling and experimental verification of a new aluminum Al— 2%Cu—2%Mn alloy hot cladding by flat rolling. Metals. 2024;14(8):852. https://doi.org/10.3390/met14080852Koshmin A., Zinoviev A., Cherkasov S., Ali Alhaj A.M., Tsydenov K., Churyumov A. Finite element modeling and experimental verification of a new aluminum Al— 2%Cu—2%Mn alloy hot cladding by flat rolling. Metals. 2024;14(8):852. https://doi.org/10.3390/met14080852Zinyagin A.G., Borisenko N.R., Muntin A.V., Kryuchkova M.O. Features of finite element modeling for hot rolling process of clad sheets and strips. CIS Iron and Steel Review. 2023;26(2):51—57. https://doi.org/10.17580/cisisr.2023.02.08Zinyagin A.G., Borisenko N.R., Muntin A.V., Kryuchkova M.O. Features of finite element modeling for hot rolling process of clad sheets and strips. CIS Iron and Steel Review. 2023;26(2):51—57. https://doi.org/10.17580/cisisr.2023.02.08Власов А.В., Стебунов С.А., Евсюков С.А., Биба Н.В., Шитиков А.А. Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки: Учеб. пос. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019. 384 с.Vlasov A.V., Stebunov S.A., Evsyukov S.A., Biba N.V., Shitikov A.A. Finite element modeling of technological processes of forging and bulk stamping: a tutorial. Moscow: Publ. House of the Bauman MSTU, 2019. 384 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.