Influence of high-energy impact during plasma cutting on structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys

Abstract

Introduction. Plasma cutting of various metals and alloys is one of the most productive processes for obtaining workpieces, especially when using reverse polarity plasmatrons. The use of plasma cutting in the production of workpieces of large thicknesses potentially allows to increase the productivity of the process. In the domestic industry plasma cutting equipment of foreign production is widely used, which poses the problem of import substitution of manufactured products and equipment with the corresponding parts of Russian companies. For this reason, at present the Institute of Strength Physics and Materials Science together with the company "ITS Siberia" develops plasma cutting equipment on reverse polarity currents. At the same time, in order to determine the peculiarities of influence of parameters and modes of plasma cutting process on the structure of metal in the cutting zone, it is necessary to conduct comparative studies on different metals and alloys. Aim of the work: is to identify the characteristics of the influence of high energy impact on the structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys during plasma cutting using a plasma torch operating with reverse polarity currents. The research methods are optical metallography, microhardness measurement and laser scanning microscopy of the surface after plasma cutting. Results and discussions. The conducted researches show a wide range of possibilities to adjust the process parameters of plasma cutting of aluminum alloys AA5056 and AA2124, and titanium alloy Grade2. For the alloys used in this work there are optimal values of process parameters, deviations from which lead to various violations of cut quality. Aluminum alloys show a tendency to significant de-strengthening in the cutting zone, which is associated with the formation of a large crystalline structure and large incoherent secondary phases with simultaneous depletion of the solid solution with alloying elements. Titanium alloys are characterized by quenching effects in the cutting zone with increasing microhardness values. Oxides are also formed in the surface layers despite the use of nitrogen shielding gas. In the alloy Ti-4Al-1Mn, in the previously conducted works, the formation of oxide films with high hardness is not noted, while in the Grade2 alloy at cutting in the surface layers oxides are formed sharply increasing the values of microhardness of the material up to values of about 15 GPa. This situation can complicate mechanical processing of titanium alloys after plasma cutting. The obtained results indicate a rather low value of the allowance for further machining after plasma cutting of aluminum and titanium alloys.

About the authors

V. E. Rubtsov

Email: rvy@ispms.tsc.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, rvy@ispms.tsc.ru

A. O. Panfilov

Email: alexpl@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, alexpl@ispms.ru

E. O. Knyazhev

Email: clothoid@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, clothoid@ispms.tsc.ru

A. V. Nikolaeva

Email: nikolaeva@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, nikolaeva@ispms.tsc.ru

A. M. Cheremnov

Email: amc@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, amc@ispms.tsc.ru

A. V. Gusarova

Email: gusarova@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, gusarova@ispms.ru

V. A. Beloborodov

Email: vabel@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, vabel@ispms.tsc.ru

A. V. Chumaevskii

Email: tch7av@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tch7av@gmail.com

A. V. Grinenko

Email: giga2011@yandex.ru
ITS-Siberia LLC, 16a Severnoe Shosse, Krasnoyarsk, 660118, Russian Federation, giga2011@yandex.ru

E. A. Kolubaev

Email: eak@ispms.tsc.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eak@ispms.tsc.ru

References

  1. Tribological and electric contact resistance properties of pulsed plasma duplex treatments on a low alloy steel / J. Murua, I. Ibañez, A. Dianova, S. Domínguez-Meister, O. Larrañaga, A. Larrañaga, I. Braceras // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 454. – P. 129155. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2022.129155.
  2. Structure and properties of CrN/TiN multilayer coatings produced by cathodic arc plasma deposition on copper and beryllium-copper alloy / A.V. Kolubaev, O.V. Sizova, Yu.A. Denisova, A.A. Leonov, N.V. Teryukalova, O.S. Novitskaya, A.V. Byeli // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25 (4). – P. 306–317. – doi: 10.1134/S102995992204004X.
  3. Microstructure evolution and mechanical properties of plasma sprayed AlCoCrFeNi2.1 eutectic high-entropy alloy coatings / L. Wang, F. Zhang, H. Ma, S. He, F. Yin // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 471. – P. 129924. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2023.129924.
  4. Akkurt A. The effect of cutting process on surface microstructure and hardness of pure and Al 6061 aluminium alloy // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2015. – Vol. 18 (3). – P. 303–308. – doi: 10.1016/j.jestch.2014.07.004.
  5. Ilii S.M., Coteata M. Plasma arc cutting cost // International Journal of Material Forming. – 2009. – Vol. 2 (1). – P. 689–692. – doi: 10.1007/s12289-009-0588-4.
  6. Experimental study of the features of the kerf generated by a 200A high tolerance plasma arc cutting system / R. Bini, B.M. Colosimo, A.E. Kutlu, M. Monno // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 196 (1–3). – P. 345–355. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2007.05.061.
  7. Optimization of surface roughness in plasma arc cutting of AISID2 steel using TLBO / P. Patel, B. Nakum, K. Abhishek, V. Rakesh Kumar, A. Kumar // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5, iss. 9 (3). – P. 18927–18932. – doi: 10.1016/j.matpr.2018.06.242.
  8. Hoult A.P., Pashby I.R., Chan K. Fine plasma cutting of advanced aerospace materials // Journal of Materials Processing Technology. – 1995. – Vol. 48 (1–4). – P. 825–831. – doi: 10.1016/0924-0136(94)01727-I.
  9. Nandan Sharma D., Ram Kumar J. Optimization of dross formation rate in plasma arc cutting process by response surface method // Materials Today: Proceedings. – 2020. – Vol. 32 (3). – P. 354–357. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.01.605.
  10. Gariboldi E., Previtali B. High tolerance plasma arc cutting of commercially pure titanium // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 160 (1). – P. 77–89. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.04.366.
  11. An experimental analysis of cutting quality in plasma arc machining / M. Gostimirovic, D. Rodic, M. Sekulic, A. Aleksic // Advanced Technologies & Materials. – 2020. – Vol. 45 (1). – P. 1–8. – doi: 10.24867/ATM-2020-1-001.
  12. Cinar Z., Asmael M., Zeeshan Q. Developments in plasma arc cutting (PAC) of steel alloys: A review // Jurnal Kejuruteraan. – 2018. – Vol. 30 (1). – P. 7–16. – doi: 10.17576/jkukm-2018-30(1)-02.
  13. Kudrna L., Fries J., Merta M. Influences on plasma cutting quality on CNC machine // Multidisciplinary Aspects of Production Engineering. – 2019. – Vol. 2 (1). – P. 108–117. – doi: 10.2478/mape-2019-0011.
  14. Влияние конструктивных особенностей плазмотрона на качество реза при прецизионной воздушно-плазменной разделке металла / С.В. Анахов, Б.Н. Гузанов, А.В. Матушкин, Н.Б. Пугачева, Ю.А. Пыкин // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2020. – Т. 63 (2). – С. 155–162. – doi: 10.17073/0368-0797-2020-2-155-162.
  15. Modeling and optimization of cut quality responses in plasma jet cutting of aluminium alloy EN AW-5083 / I. Peko, D. Maric, B. Nedic, I. Samardzic // Materials. – 2021. – Vol. 14 (19). – P. 5559. – doi: 10.3390/ma14195559.
  16. Salonitis K., Vatousianos S. Experimental investigation of the plasma arc cutting process // Procedia CIRP. – 2012. – Vol. 3. – P. 287–292. – doi: 10.1016/j.procir.2012.07.050.
  17. Suresh A., Diwakar G. Optimization of process parameters in plasma arc cutting for TWIP steel plates // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 38 (5). – P. 2417–2424. – doi: 10.1016/j.matpr.2020.07.383.
  18. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью / В.Е. Рубцов, А.О. Панфилов, Е.О. Княжев, А.В. Николаева, А.М. Черемнов, А.В. Гусарова, В.А. Белобородов, А.В. Чумаевский, А.Н. Иванов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 33–52. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-33-52.
  19. Matushkina I., Anakhov S., Pyckin Yu. Design of a new gas-dynamic stabilization system for a metal-cutting plasma torch // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 2094. – P. 042075. – doi: 10.1088/1742-6596/2094/4/042075.
  20. Shchitsyn V.Yu., Yazovskikh V.M. Effect of polarity on the heat input into the nozzle of a plasma torch // Welding International. – 2002. – Vol. 16 (6). – P. 485–487. – doi: 10.1080/09507110209549563.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».