Том 26 № 3 2024 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сухов А.В., Сундуков С.К., Фатюхин Д.С. Сборка резьбовых и клеерезьбовых соединений с наложением ультразвуковых колебаний.................................................................................................................................................. 6 Барабошкин К.А., Адигамов Р.Р., Юсупов В.С., Кожевникова И.А., Карлина А.И. Термомеханическая прокатка при производстве обсадных труб (обзор исследований)................................................................................. 24 Двиведи Р., Соматкар А., Чинчаникар С. Моделирование и оптимизация процесса накатывания роликом Al6061-T6 для достижения минимального отклонения от круглости, минимальной шероховатости поверхности и повышения ее микротвердости....................................................................................................................................... 52 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов шлифования рельсов с применением нового скоростного электропривода.................................................................. 66 Карлина Ю.И, Конюхов В.Ю., Опарина Т.А. Оценка возможности контактно-стыковой сварки оплавлением труб из теплоустойчивой стали 15Х5М............................................................................................................................ 79 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Шеленок Е.А. Жизненный цикл изделия: мониторинг процессов механической обработки и фильтрация виброакустических сигналов.......................................................................................... 94 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В. Информационные свойства частотных характеристик динамической системы резания при диагностике износа инструментов...................................................................... 114 Абляз Т.Р., Блохин В.Б., Шлыков Е.С., Муратов К.Р., Осинников И.В. Особенности применения электродовинструментов, изготовленных аддитивными технологиями, при электроэрозионной обработке изделий............... 135 Сидоров Е.А., Гриненко А.В., Чумаевский А.В., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Рубцов В.Е., Утяганова В.Р., Осипович К.С., Колубаев Е.А. Закономерности износа плазмотронов при плазменной резке толстолистового проката на токе обратной полярности........................................................... 149 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Семин В.О., Панфилов А.О., Утяганова В.Р., Воронцов А.В., Зыкова А.П. Коррозионные характеристики композитов БрАМц9-2/06Х18Н9Т, полученных двухпроволочным электронно-лучевым аддитивным производством........................................................................................................................................................................ 163 Деванган Р., Шарма Б.П., Шарма Ш.С. Исследование характера изменения твердости композиционных материалов с алюминиевой матрицей, упрочненной золой кокосовой скорлупы и красным шламом, с использованием анализа Тагучи..................................................................................................................................................................... 179 Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления.............. 192 Бурдилов А.А., Довженко Г.Д., Батаев И.А., Батаев А.А. Методы монохроматизации синхротронного излучения (обзор исследований)................................................................................................................................................ 208 Бурков А.А., Дворник М.А., Кулик М.А., Быцура А.Ю. Износостойкость и коррозионное поведение Cu-Ti-покрытий в растворе SBF......................................................................................................................................... 234 Пугачева Н.Б., Быкова Т.М., Сирош В.А., Макаров А.В. Структурные особенности и трибологические свойства многослойных высокотемпературных плазменных покрытий....................................................................... 250 Шарма Б.П., Деванган Р., Шарма Ш.С. Механические свойства экологически чистых гибридных полимерных композитов с джутовыми волокнами и волокнами сиды сердцелистной...................................................................... 267 Корниенко Е.Е., Гуляев И.П., Смирнов А.А., Плотникова Н.В., Кузьмин В.И., Головахин В., Тамбовцев А.С., Тырышкин П.А., Сергачёв Д.В. Особенности тонкой структуры Ni-Al покрытий, полученных методом HV-APS.................................................................................................................................................................. 286 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 298 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 307 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 09.09.2024. Выход в свет 17.09.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 38,5. Уч.-изд. л. 71,6. Изд. № 112. Заказ 175. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 3 2024 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 3 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sukhov A.V., Sundukov S.K., Fatyukhin D.S. Assembly of threaded and adhesive-threaded joints with the application of ultrasonic vibrations...................................................................................................................................... 6 Baraboshkin K.A., Adigamov R.R., Yusupov V.S., Kozhevnikova I.A., Karlina A.I. Thermomechanical rolling in well casing production (research review)......................................................................................................................... 24 Dwivedi R., Somatkar A., Chinchanikar S. Modeling and optimization of roller burnishing of Al6061-T6 process for minimum surface roughness, better microhardness and roundness................................................................................ 52 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of rail grinding modes using a new high-speed electric drive...................................................................................................................................................... 66 Karlina Yu.I., Konyukhov V.Yu., Oparina T.A. Assessment of the possibility of resistance butt welding of pipes made of heat-resistant steel 0.15C-5Cr-Mo................................................................................................................................... 79 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Shelenok E.A. Product life cycle: machining processes monitoring and vibroacoustic signals fi lterings.................................................................................................................................................................... 94 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Kislov K.V. Information properties of frequency characteristics of dynamic cutting systems in the diagnosis of tool wear....................................................................................................................... 114 Ablyaz T.R., Blokhin V.B., Shlykov E.S., Muratov K.R., Osinnikov I.V. Features of the use of tool electrodes manufactured by additive technologies in electrical discharge machining of products....................................................... 135 Sidorov E.A., GrinenkoA.V., ChumaevskyA.V., Panfi lovA.O., Knyazhev E.O., NikolaevaA.V., CheremnovA.M., Rubtsov V.E., Utyaganova V.R., Osipovich K.S., Kolubaev E.A. Patterns of reverse-polarity plasma torches wear during cutting of thick rolled sheets..................................................................................................................................... 149 MATERIAL SCIENCE Semin V.O., Panfi lov A.O., Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Zykova A.P. Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing................................ 163 Dewangan R., Sharma B.P., Sharma S.S. Investigation of hardness behavior in aluminum matrix composites reinforced with coconut shell ash and red mud using Taguchi analysis............................................................................ 179 Saprykina N.А., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А. The eff ect of technological parameters on the microstructure and properties of the AlSiMg alloy obtained by selective laser melting......................................................... 192 Burdilov A.A., Dovzhenko G.D., Bataev I.A., Bataev A.A. Methods of synchrotron radiation monochromatization (research review).................................................................................................................................................................. 208 Burkov A.A., Dvornik M.A., Kulik M.A., Bytsura A.Yu. Wear resistance and corrosion behavior of Cu-Ti coatings in SBF solution..................................................................................................................................................................... 234 Pugacheva N.B., Bykova T.M., Sirosh V.A., MakarovA.V. Structural features and tribological properties of multilayer high-temperature plasma coatings........................................................................................................................................ 250 Sharma B.P., Dewangan R., Sharma S.S. Characterizing the mechanical behavior of eco-friendly hybrid polymer composites with jute and Sida cordifolia fi bers.................................................................................................................... 267 Kornienko E.E., Gulyaev I.P., Smirnov A.I., Plotnikova N.V., Kuzmin V.I., Golovakhin V., Tambovtsev A.S., Tyryshkin P.A., Sergachev D.V. Fine structure features of Ni-Al coatings obtained by high velocity atmospheric plasma spraying.................................................................................................................................................................... 286 EDITORIALMATERIALS 298 FOUNDERS MATERIALS 307 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 192 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления Наталья Сапрыкина 1, a, *, Александр Сапрыкин 1, b, Юрий Шаркеев 2, c, Егор Ибрагимов 1, d 1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия 2 Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0002-6391-6345, saprikina@tpu.ru; b https://orcid.org/0000-0002-6518-1792, sapraa@tpu.ru; c https://orcid.org/0000-0001-5037-245X, sharkeev@ispms.tsc.ru; d https://orcid.org/0000-0002-5499-3891, egor83rus@tpu.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2024 Том 26 № 3 с. 192–207 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-192-207 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.78 История статьи: Поступила: 05 июня 2024 Рецензирование: 17 июня 2024 Принята к печати: 28 июня 2024 Доступно онлайн: 15 сентября 2024 Ключевые слова: Селективное лазерное плавление Металлический порошок Пористость Стратегия сканирования Режимы селективного лазерного плавления Микротвердость Энерговклад Сплав системы алюминий-кремний-магний Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-01491, https://rscf.ru/ project/22-29-01491/ Благодарности Авторы выражают благодарность к.т.н. М.А. Химич, к.т.н. В.В. Чебодаевой, И.А. Глухову за помощь в проведении исследований. В работе применялось оборудование ЦКП НМНТ ТПУ. АННОТАЦИЯ Введение. Развитие аддитивных технологий направлено на синтез новых порошковых композиций для установок селективного лазерного плавления и исследование влияния параметров режима на стабильное качество изделий. Целью данной работы является изучение влияния стратегии сканирования на микроструктуру, элементный состав, пористость и плотность образцов, полученных методом селективного лазерного плавления из порошков несферической формы (Al 91 масс. %, Si 8 масс. %, Mg 1 масс. %), подвергнутых специальной подготовке для определения оптимальных условий селективного лазерного плавления. Методами исследования являются рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ, а также просвечивающая электронная микроскопия. В работе исследованы образцы, сформированные на четырех разных стратегиях сканирования. Результаты и обсуждения. Разработан перспективный алюминиевый сплав AlSi8Mg для селективного лазерного плавления. Материал имеет хорошую технологичность и низкую стоимость порошка. Технологические параметры плавления позволяют сформировать тонкую структуру с низким уровнем пористости. Исследован механизм влияния стратегии сканирования на пористость, морфологию поверхности, относительную плотность и микроструктуру. Образец из порошковой композиции AlSi8Mg с высокой относительной плотностью 99,97 % был изготовлен методом селективного лазерного плавления с плотностью энергии 200 Дж/мм3 со стратегией сканирования образца, когда направление движения лазера меняется на угол 90° каждый нечетный слой. Доказано, что плотность сплава AlSiMg зависит от применяемой стратегии сканирования. Расчетная плотность образца составила 2,5 г/см3, что соответствует плотности силумина. Анализ РЭМ-изображений и карт распределения элементов (Al, Mg, Si) образцов показал, что разные стратегии получения образцов не влияют на характер распределения кремния. В готовом сплаве AlSi8Mg наблюдается уникальная зеренная структура. Ванна расплава состоит из мелких зерен на границе и крупных зерен в центре. Образование мелких зерен объясняется добавлением Si и высокой скоростью охлаждения во время селективного лазерного плавления. Для цитирования: Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления / Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 192–207. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-192-207. ______ *Адрес для переписки Сапрыкина Наталья Анатольевна, к.т.н., доцент Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, 634050, г. Томск, Россия Тел.: +7 923 49-72-483, e-mail: saprikina@tpu.ru Введение Селективное лазерное плавление (СЛП) является технологией аддитивного производства (АП), при которой для послойного создания изделий происходит плавление металлического
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 193 MATERIAL SCIENCE порошка лучом лазера по заданной траектории. В сравнении с традиционными технологиями производства СЛП имеет ряд преимуществ, таких как быстрое создание прототипов, изготовление деталей сложной формы и сокращение времени выполнения заказа. Развитие технологии направлено на синтез новых порошковых композиций для установок СЛП, исследование влияния параметров режима на стабильное качество изделий, повторяемость и воспроизводимость на разных установках [1]. Порошок алюминия и сплавов на его основе является одним из распространенных материалов в автомобильной, аэрокосмической и авиационной промышленности, так как имеет превосходное соотношение прочности и массы, хорошую тепло- и электропроводность, обладает коррозионной стойкостью. В последнее время порошок на основе алюминия также является объектом исследований для применения в установках селективного лазерного плавления [2]. Эта технология позволяет не только сократить цикл проектирования и производства, но и получить сплав с уникальной структурой в процессе быстрого расплавления и охлаждения металлического порошка [3]. В настоящее время известно о большом количестве исследований по получению изделий из порошков на основе алюминия методом СЛП [4–6] и даны рекомендации по улучшению качества получаемых изделий. Так, при определении условий СЛП учитываются физические свойства алюминия: высокий коэффициент теплового расширения, высокая усадка при затвердевании, низкий уровень поглощения энергии лазера, формирование прочной оксидной пленки, высокая теплопроводность и относительно широкий диапазон температур затвердевания [7–9]. В процессе селективного лазерного плавления порошков на основе алюминия возникали дефекты поверхности и внутренней структуры, такие как пористость, искажение слоев, растрескивание, низкая точность размеров и шероховатость поверхности [10]. Зачастую эти дефекты связаны с развитием неравномерных температурных градиентов по сплавляемой поверхности, с загрязнением порошков оксидами, а также с неоднородностью поверхностного натяжения, которое препятствует сцеплению расплава с подложкой и межслойному соединению [11]. Все исследования проведены на образцах, полученных из специальных порошков сферической формы необходимых сплавов, имеющих высокую стоимость. Относительная плотность образцов из порошков сферической формы имеет значение более 99,5 %, она получена за счет оптимизации параметров лазерного сканирования из сплавов AlSi10Mg [12, 13], Al-12Si [14] и AlSi7Mg [15]. Кроме того, эти образцы показали превосходные механические свойства сформированной мелкой ячеистой дендритной микроструктуры, вызванной особенностью процесса СЛП [16]. Несмотря на достижения в области аддитивных технологий, только из ограниченного количества алюминиевых сплавов можно изготовить изделие высокого качества методом СЛП [17]. Полностью плотные и не имеющие трещин образцы из порошков на основе алюминия могут быть получены с использованием СЛП в узком диапазоне режима [18, 19], который подбирается экспериментально для каждого материала. Исследования образцов из порошков несферической формы учеными не описаны. Условия СЛП включают в себя более 120 параметров, в той или иной мере влияющих на качество изделия. Помимо режима селективного лазерного плавления стратегия сканирования также является одним из параметров обработки, влияющим на формирование микроструктуры и свойства получаемых деталей. Контролируя направление теплового потока между слоями за счет стратегии сканирования лучом лазера, можно формировать различные зерненые структуры и изменять направление роста межслоевых зерен [20]. Высокие энергозатраты и неравномерное распределение температуры приводят к огромным температурным градиентам, большим термическим напряжениям и деформации. Термические градиенты температуры, направление теплового потока и скорость охлаждения оказывают очень важное влияние на плотность дислокаций, размер зерна и текстуру изготавливаемых деталей. Целью данной работы является изучение влияния стратегии сканирования на микроструктуру, элементный состав, пористость и плотность образцов, полученных методом селективного лазерного плавления из порошков несферической формы (Al – 91 масс. %, Si – 8 масс. %, Mg – 1 масс. %), которые были подвергнуты специаль-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 194 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ной подготовке, описанной в ранее опубликованных статьях [21], для определения оптимальных условий СЛМ. Поставленная цель требует решения следующих задач: – получение образцов методом селективного лазерного плавления с разной стратегией сканирования из подготовленной порошковой композиции [21]; – выявление оптимальной стратегии сканирования, которая позволяет получить образец с наименьшей пористостью без изменения других параметров плавления; – определение плотности образцов, исследование структурно-фазового состава образца методом просвечивающей микроскопии. Методика исследований Исследования проведены на 3D-принтере ВАРИСКАФ-100МВС, изготовленном в Юргинском технологическом институте Томского политехнического университета. Установка оборудована иттербиевым волоконным лазером мощностью 100 Вт с длиной волны 1070 нм. Процесс формирования и исследование порошковой композиции AlSiMg из однокомпонентных порошков алюминия, кремния и магния были описаны ранее [21]. Для анализа влияния стратегии сканирования на микроструктуру, элементный состав, пористость и плотность образцов режимы были определены поисковыми экспериментами и описаны в статье [22]. Образцы размером 10×10×3 мм получены на следующих параметрах режима: скорость сканирования V = 225 мм/с, шаг сканирования S = 0,08 мм, мощность лазера P = 90 Вт, толщина слоя порошка h = 0,025 мм. Температура рабочего стола в начале цикла СЛП составляла +25 °С, плавление порошка происходило в защитной среде аргона. Плотность энергии, равная 200 Дж/мм3, обеспечивает достаточное количество тепла для расплавления порошка и способствует переплавке части предыдущего слоя и дорожки расплава для плавного соединения соседних слоев [22]. После формирования образцы шлифовали и полировали на алмазных пастах с удалением верхнего слоя на величину 400 мкм. Пористость определена как среднее значение по девяти оптическим изображениям поверхности шлифа. Схема съемки представлена на рис. 1. Исследования структурно-фазового состояния образца выполнены на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-2100. Условия съемки: ускоряющее напряжение – 200 кВ, увеличение – 6000…1 500 000 крат, «длина колонны» в микродифракционном режиме – 100 см. Идентификация фаз проводилась при помощи международной картотечной базы данных ICDD PDF4+ (International Center for Diff raction Data). Для изучения влияния стратегии сканирования на микроструктуру и пористость образцов реализованы четыре стратегии. Стратегия сканирования I (∠ 90), при которой направление движения лазера меняется на угол 90° от слоя к слою, показана на рис. 2. Рис. 1. Схема съемки Fig. 1. Shooting pattern Рис. 2. Стратегия сканирования I (∠ 90) Fig. 2. Scanning strategy I (∠ 90) При стратегии сканирования II (∠ 45) направление движения лазера меняется на угол 45° от слоя к слою (рис. 3). При стратегии III (∠ 90S/2) формирование образца происходит, когда направление движения лазера меняется на угол 90° каждый нечетный слой (n, n + 2, и т. д.). Каждый четный слой (n + 1, n + 3) движение лазерного луча происходит параллельно предыдущему слою, при этом трек смещается на расстояние S/2. Стратегия III представлена на рис. 4. Согласно стратегии сканирования ⅠV (∠90 п.п.) каждый слой сканируется лучом лазера два раза
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 195 MATERIAL SCIENCE Рис. 3. Стратегия сканирования II (∠ 45) Fig. 3. Scanning strategy II (∠ 45) Рис. 4. Стратегия сканирования III (∠ 90S/2) Fig. 4. Scanning strategy III (∠ 90S/2) Рис. 5. Стратегия сканирования ⅠV (∠ 90 п.п.) Fig. 5. Scanning strategy ⅠV (∠ 90 p.p.) (двойной переплав), при втором проходе шаг смещается на расстояние S/2, а направление движения лазера меняется на угол 90° от слоя к слою (рис. 5). Результаты и их обсуждение Фотографии структуры образцов, сформированных с разными стратегиями сканирования из композиции порошков на режимах СЛП [22] P = 90 Вт, V = 225 мм/с, S = 0,08 мм, h = 0,025 мм, t = 25 °С, представлены в табл. 1. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Фотографии структуры образца и значения пористости, % Photos of the specimen structure and porosity values, % Стратегия сканирования I (∠ 90) Scanning strategy I (∠ 90) 0,01 0,02 0,01 0,43 0,39 0,06
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 3 2024 196 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 0,63 0,35 0,93 «Средняя» пористость 0,31 % Стратегия сканирования II (∠ 45) / Scanning strategy II (∠ 45) 0,11 0,09 0,05 0,18 0,14 0,06 0,11 1,36 0,47 «Средняя» пористость 0,29 % Стратегия сканирования III (∠ 90S/2) / Scanning strategy III (∠ 90S/2) 0,04 0,01 0,02 П р о д о л ж е н и е т а б л. 1 Сo n t i n u a t i o n o f t h e t a b l e 1
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 3 2024 197 MATERIAL SCIENCE 0,06 0,01 0,02 0,05 0,04 0,03 «Средняя» пористость 0,03 % Стратегия сканирования ⅠV (∠ 90п.п.) / Scanning strategy ⅠV (∠ 90п.п.) О к о н ч а н и е т а б л. 1 T h e e n d t a b l e 1 В результате двойного переплава на поверхности слоя были сформированы крупные капли расплава размером 0,2…0,5 мм, что привело к неравномерному нанесению следующего порошкового слоя и появлению непроплавов. По этой причине не удалось вырастить образец необходимой толщины. Для данного образца пористость не оценивалась ввиду нецелесообразности. График зависимости среднего значения пористости от стратегии сканирования показывает, что наименьшее значение пористости 0,03 % имеет образец, полученный при помощи стратегии III (рис. 6). Плотность является важным показателем для оценки качества деталей. С помощью штангенциркуля произведено измерение габаритных размеров образцов длина × ширина × высота, которое составило 10×10×3 мм соответственно. С помощью аналитических весов ВСТ-600/10 измерена масса образцов, которая составила 0,748 г для образца, полученного с применением стратегии сканирования I, и 0,75 г – по стратегии сканирования II. Расчетная плотность образцов стратегий сканирования I и II – 2,49 г/см3, а образца, полученного с применением стратегии сканирования III, – 2,5 г/см3, что соответствует плотности силумина.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1