Том 27 № 2 2025 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 в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 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 27 № 2 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сундуков С.К., Нигметзянов Р.И., Приходько В.М., Фатюхин Д.С., Кольдюшов В.К. Сравнение методов ультразвуковой обработки поверхностей, полученных послойным синтезом, на примере сплава Ti6Al4V............. 6 Кейт Н., Кулкарни А.П., Дама Й.Б. Сравнительная оценка трения и износа альтернативных материалов, используемых для производства фрикционных композиционных материалов тормозных систем................................ 29 Наумов С.В., Панов Д.О., Соколовский В.С., Черниченко Р.С., Салищев Г.А., Белинин Д.С., Лукьянов В.В. Влияние режимов аргонодуговой сварки на структуру и свойства сварных соединений из сплава ВТИ-4 (Ti2AlNb).............................................................................................................................................................................. 43 Джатти В.С., Сингараджан В., Сайятибрагим А., Джатти В.С., Кришнан М.Р., Джатти С.В. Улучшение характеристик электроэрозионной обработки сплавов NiTi, NiCu и BeCu с использованием многокритериального подхода на основе функции полезности........................................................................................................................... 57 Стельмаков В.А., Гимадеев М.Р., Никитенко А.В. Обеспечение точности формы отверстий, полученных при чистовой обработке методом растачивания............................................................................................................... 89 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Патил Н., Агарвал С., Кулкарни А.П., Сараф А., Ране М., Дама Й.Б. Экспериментальное исследование наноСОЖ на основе оксида графена при сверлении композиционного алюмоматричного материала, армированного частицами SiC, в условиях минимального количества смазочно-охлаждающей жидкости........................................ 103 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Никитенко А.В., Улисков М.В. Прогнозирование шероховатости поверхности при фрезеровании сфероцилиндрическим инструментом с использованием искусственной нейронной сети....................................................................................................................................................................................... 126 Осипович К.С., Сидоров Е.А., Чумаевский А.В., Никонов С.Н., Колубаев Е.А. Условия изготовления биметаллических образцов на основе железных и медных сплавов методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства.................................................................................................................................................. 142 Бабаев А.С., Савченко Н.Л., Козлов В.Н., Семёнов А.Р., Григорьев М.В. Работоспособность композиционной керамики Y-TZP-Al2O3 при сухом высокоскоростном точении термически упрочнённой стали марки 40Х........... 159 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Мамадалиев Р.А. Морфологические изменения поверхности деформированной конструкционной стали в коррозионно-активной среде............................................................................................ 174 Черниченко Р.С., Панов Д.О., Наумов С.В., Кудрявцев Е.А., Салищев Г.А., Перцев А.С. Влияние гетерогенной структуры, сформированной деформационно-термической обработкой, на механическое поведение аустенитной нержавеющей стали...................................................................................................................................... 189 Панов Д.О., Черниченко Р.С., Наумов С.В., Кудрявцев Е.А., Салищев Г.А., Перцев А.С. Влияние холодной радиальной ковки на структуру, текстуру и механические свойства легкой аустенитной стали................................ 206 Дешпанде А., Кулкарни А.П., Анерао П., Дешпанде Л., Соматкар А. Комплексное численное и экспериментальное исследование трибологических характеристик композиционного материала на основе ПТФЭ.................. 219 Воронцов А.В., Панфилов А.О., Николаева А.В., Черемнов А.В., Княжев Е.О. Влияние ударной обработки на структуру и свойства никелевого сплава ЖС6У, полученного литьем и электронно-лучевым аддитивным производством............................................................................................................................................................................... 238 Мисоченко А.А. Мартенситные превращения в сплавах на основе TiNi в процессе прокатки с импульсным током..................................................................................................................................................................................... 255 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 270 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 279 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 03.06.2025. Выход в свет 16.06.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 35,0. Уч.-изд. л. 65,1. Изд. № 77. Заказ 150. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 2 2025 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. 27 No. 2 2025 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. 27 No. 2 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sundukov S.K., Nigmetzyanov R.I., Prikhodko V.M., Fatyukhin D.S., Koldyushov V.K. Comparison of ultrasonic surface treatment methods applied to additively manufactured Ti-6Al-4V alloy................................................................ 6 Kate N., Kulkarni A.P., Dama Y.B. A comparative evaluation of friction and wear in alternative materials for brake friction composites............................................................................................................................................................... 29 Naumov S.V., Panov D.O., Sokolovsky V.S., Chernichenko R.S., Salishchev G.A., Belinin D.S., Lukianov V.V. Microstructure and mechanical properties of Ti2AlNb-based alloy weld joints as a function of gas tungsten arc welding parameters............................................................................................................................................................................. 43 Jatti V.S., Singarajan V., SaiyathibrahimA., Jatti V.S., KrishnanM.R., Jatti S.V. Enhancement of EDM performance for NiTi, NiCu, and BeCu alloys using a multi-criteria approach based on utility function................................................ 57 Stelmakov V.A., Gimadeev M.R., Nikitenko A.V. Ensuring hole shape accuracy in fi nish machining using boring...... 89 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Patil N., Agarwal S., Kulkarni A.P., Saraf A., Rane M., Dama Y.B. Experimental investigation of graphene oxide-based nano cutting fl uid in drilling of aluminum matrix composite reinforced with SiC particles under nano-MQL conditions............................................................................................................................................................................. 103 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Nikitenko A.V., Uliskov M.V. Prediction of surface roughness in milling with a ball end tool using an artifi cial neural network................................................................................................................. 126 Osipovich K.O., Sidorov E.A., Chumaevskii A.V., Nikonov S.N., Kolubaev E.A. Manufacturing conditions of bimetallic samples based on iron and copper alloys by wire-feed electron beam additive manufacturing......................... 142 Babaev A.S., Savchenko N.L., Kozlov V.N., Semenov A.R., Grigoriev M.V. Performance of Y-TZP-Al2O3 composite ceramics in dry high-speed turning of thermally hardened steel 0.4 C-Cr (AISI 5135)...................................................... 159 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Mamadaliev R.A. Morphological changes of deformed structural steel surface in corrosive environment......................................................................................................................................................... 174 Chernichenko R.S., Panov D.O., Naumov S.V., Kudryavtsev E.A., Salishchev G.A., Pertsev A.S. Eff ect of heterogeneous structure on mechanical behavior of austenitic stainless steel subjected to novel thermomechanical processing............................................................................................................................................................................. 189 Panov D.O., Chernichenko R.S., Naumov S.V., Kudryavtsev E.A., Salishchev G.A., Pertsev A.S. Eff ect of cold radial forging on structure, texture and mechanical properties of lightweight austenitic steel................................................ 206 Deshpande A., Kulkarni A.P., Anerao P., Deshpande L., Somatkar A. Integrated numerical and experimental investigation of tribological performance of PTFE based composite material.................................................................... 219 Vorontsov A.V., Panfi lov A.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.V., Knyazhev E.O. Eff ect of impact processing on the structure and properties of nickel alloy ZhS6U produced by casting and electron beam additive manufacturing........ 238 Misochenko A.A. Martensitic transformations in TiNi-based alloys during rolling with pulsed current........................... 255 EDITORIALMATERIALS 270 FOUNDERS MATERIALS 279 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 2 2025 6 ТЕХНОЛОГИЯ Cравнение методов ультразвуковой обработки поверхностей, полученных послойным синтезом, на примере сплава Ti6Al4V Сергей Сундуков a, *, Равиль Нигметзянов b, Вячеслав Приходько c, Дмитрий Фатюхин d, Владимир Кольдюшов e Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, г. Москва, 125319, Россия a https://orcid.org/0000-0003-4393-4471, sergey-lefmo@yandex.ru; b https://orcid.org/0009-0008-1443-7584, lefmo@yandex.ru; c https://orcid.org/0000-0001-8261-0424, prikhodko@madi.ru; d https://orcid.org/0000-0002-5914-3415, mitriy2@yandex.ru; e https://orcid.org/0009-0005-6711-6256, v.koldyushov@list.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 2 с. 6–28 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-6-28 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 534-8 + 621.9.048.6 История статьи: Поступила: 30 января 2025 Рецензирование: 17 февраля 2025 Принята к печати: 17 марта 2025 Доступно онлайн: 15 июня 2025 Ключевые слова: Ультразвуковая обработка Кавитация Абразив Поверхностное деформирование Селективное лазерное плавление Шероховатость Сферические дефекты Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-19-00463, https://rscf.ru/ project/24-19-00463/ АННОТАЦИЯ Введение. Метод селективного лазерного плавления порошков металлов позволяет изготавливать детали любой формы, что недоступно традиционным технологиям. Главными недостатками метода являются высокая шероховатость поверхности, обусловленная разбрызгиванием металла, сфероидизацией, частичным оплавлением и прилипанием порошка, а также сложности с финишной обработкой сложнопрофильных участков поверхности. Одним из эффективных способов, позволяющих производить обработку таких изделий, является применение ультразвуковых жидкостных технологий, где рабочими телами служат кавитационные пузырьки, проникающие в любые участки поверхности и совершающие там работу. Цель работы: определение влияния различных видов ультразвуковой обработки на свойства поверхности, полученной методом селективного лазерного плавления, путем проведения сравнительных испытаний. В работе исследованы образцы из титанового сплава Ti6Al4V, изготовленные методом селективного лазерного плавления на станке EOS M280. Методика исследований. Для ультразвуковой обработки применялась стержневая магнитострикционная колебательная система, торец излучателя которой располагался на расстоянии 20 мм от боковой поверхности образца. В качестве жидкой среды использовался травильный раствор (3% HF + 5 % HNO3 + H2O) для удаления оксидной плёнки, препятствующей воздействию кавитации. Проводилась кавитационно-эрозионная обработка (КЭО), кавитационно-абразивная обработка (КАО), а также дополнительно проводилось ультразвуковое поверхностно-пластическое деформирование (ППД). У всех образцов после обработки оценивалось состояние поверхности, шероховатость и субмикрогеометрия, у образцов после ППД дополнительно исследовалась микроструктура. Результаты и обсуждение. Методом высокоскоростной съемки проведено сравнение основных механизмов воздействия на поверхность при КЭО и КАО. Так, при КЭО это схлопывающиеся и пульсирующие кавитационные кластеры, располагающиеся в местах наибольших выступов и впадин поверхности, а при КАО к ним добавляется микрорежущее действие абразивных частиц, которые воспринимают ударные волны, возникающие при схлопывании пузырьков, ударяются о поверхность, совершают колебательные, вращательные и продольные движения. В результате сравнения динамики изменения состояния поверхности установлено, что КЭО позволяет полностью удалить дефекты поверхности до дорожек расплава; при КАО часть дефектов поверхности удаляется, а оставшиеся деформируются; при ультразвуковом ППД сферические дефекты сминаются, образуя большие плоские участки. Все виды ультразвуковой обработки снижают шероховатость поверхности: при КЭО Ra снижается на 33 %, при КАО – на 43 %, при ультразвуковом ППД – на 52 %, но при этом Rmax меньше всего при КАО. Микроструктура после ППД характеризуется упрочнённым слоем глубиной примерно 100 мкм и увеличением микротвёрдости до 35 %. При этом после ППД в поверхностном слое образуются дефекты в виде трещин, частично деформированных сфер и заметно наличие необработанных глубоких впадин поверхностей, что значительно снижает эксплуатационные свойства, поэтому перед ППД целесообразно проводить КЭО или КАО для удаления дефектов поверхности. Для цитирования: Cравнение методов ультразвуковой обработки поверхностей, полученных послойным синтезом, на примере сплава Ti6Al4V / С.К. Сундуков, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, Д.С. Фатюхин, В.К. Кольдюшов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 2. – С. 6–28. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-6-28. ______ *Адрес для переписки Сундуков Сергей Константинович, к.т.н., доцент Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, 125319, г. Москва, Россия Тел.: +7 926 369-19-70, e-mail: sergey-lefmo@yandex.ru Введение Производство методом послойного синтеза позволяет изготавливать детали практически любой формы и соответственно снизить металлоёмкость производства, уменьшить вес конструкций и заменить ответственные процессы
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 2 2025 7 TECHNOLOGY сборки соединений на их изготовление целиком за одну операцию [1–3]. Перечисленные преимущества делают производство по аддитивным технологиям одной из самых быстроразвивающихся отраслей промышленности, что выражается в ежегодном росте доли применения аддитивных деталей относительно полученных по традиционным технологиям [4, 5]. Для машиностроения наибольший интерес представляют технологии, позволяющие изготавливать металлические изделия из порошка, к которым относятся селективное лазерное спекание SLP и селективное лазерное плавление SLM. Производство данными методами имеет ряд значительных недостатков [6–8]: – низкую производительность; – высокие требования к гранулометрическому составу порошков металлов; – необходимость печати поддерживающих элементов, которые затем необходимо удалять; – необходимость удаления нерасплавляемого порошка, что исключает возможность изготовления полых деталей с замкнутым контуром; – образование пор внутри детали; – различия механических свойств детали в параллельном и перпендикулярном направлениях относительно слоёв детали; – высокую шероховатость получаемых поверхностей, что при несоответствии заданной требует дополнительной обработки, которая может быть недоступна для участков со сложной геометрией. Поскольку качество поверхностного слоя во многом определяет эксплуатационные свойства изделия в целом, то именно высокая шероховатость является основным фактором, препятствующим более широкому применению аддитивных технологий [9]. Независимо от химического состава сплавляемого металла для селективного лазерного плавления шероховатость поверхности формируется в результате воздействия следующих факторов [10–15]: – разбрызгивания металла из ванны расплава; – сфероидизации жидкого металла под действием сил поверхностного натяжения при удалении пучка лазера от зоны расплавления; – не полностью расплавленных частичек порошка, обладающих различной адгезией к поверхности; – нерасплавленных частиц порошка, прилипших к поверхности; – наличия границ между отдельными слоями, которые вызваны различной степенью расплавления частиц порошка, располагающихся по границам каждого слоя. Другая значительная проблема аддитивного производства – это высокая вероятность появления пор внутри изделия, что значительно снижает прочностные свойства изделия, особенно если поры находятся близко к поверхности. Вопросы обработки таких изделий являются актуальными и находят отражение во многих научных работах, в которых предлагаются такие способы, как лазерное оплавление поверхностей [16], изостатическое прессование (в первую очередь оно применяется для уплотнения материала) [17, 18], различные виды химического воздействия [19, 20], нанесение покрытий [21] и поверхностно-пластическое деформирование (ППД) [22]. Недостатки перечисленных способов заключаются в том, что они не обеспечивают возможность обработки сложнопрофильных поверхностей. Для этой цели одним из наиболее эффективных методов является применение ультразвуковой жидкостной обработки [23, 24]. В этом случае рабочими телами служат кавитационные пузырьки, способные проникать в любые участки поверхности и осуществлять работу по их изменению [25, 26]. В современных исследованиях по данной тематике рассматриваются два вида ультразвуковой жидкостной обработки [27–37]: кавитационно-эрозионная (КЭО) и кавитационно-абразивная (КАО). Результатами во всех исследованиях стало снижение различных параметров шероховатости и изменение морфологии обрабатываемой поверхности, выраженное в уменьшении количества дефектов на поверхности. При этом результаты очень разнятся и достигаются при различных параметрах обработки: время – от одной минуты до нескольких часов, а амплитуды ультразвуковых колебаний – от 5 до 80 мкм. Лучшие результаты достигаются при КАО, когда расстояние между торцом излучателя и обрабатываемой поверхностью составляет 1…2 мм, что является, по сути, размерной обработкой и не может применяться для обработки сложно-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 2 2025 8 ТЕХНОЛОГИЯ профильных деталей, или при КЭО и КАО, совмещённых с электрохимическим полированием на высоких амплитудах колебаний 60…80 мкм. Эти колебания вызывают значительный нагрев электролита, что в свою очередь ускоряет химические реакции и затрудняет оценку вклада ультразвука в получаемый эффект. Ряд работ посвящён ультразвуковому ППД [38–47], которое приводит к существенному снижению шероховатости поверхности, ее упрочнению и способствует закрытию пор в приповерхностном слое. Недостатком данного способа являются сложности и ограничения при обработке сложнопрофильных поверхностей, связанные с невозможностью подведения индентора ультразвуковой колебательной системы в труднодоступные места. Таким образом, требуется проведение дополнительных исследований для более подробного изучения влияния различных видов ультразвуковой обработки на свойства поверхностей, полученных аддитивными технологиями, и оптимизация режимов с целью обработки сложнопрофильных изделий. Исходя из вышесказанного, целью работы является определение влияния различных видов ультразвуковой обработки на свойства поверхности, полученной методом селективного лазерного плавления, путем проведения сравнительных испытаний. Для достижения цели поставлены следующие задачи исследований: – анализ основных механизмов воздействия при ультразвуковых методах обработки (КЭО, КАО, ППД); – исследование динамики изменения поверхности при данных методах; – исследование микро- и субмикрогеометрии обработанной поверхности; – исследование микроструктуры поперечного микрошлифа после ультразвукового ППД. Методика исследований Материал и изготовление образцов Образцы для проведения экспериментальных исследований представляли собой кубики размерами 10×10×10 мм, изготовленные методом селективного лазерного плавления порошка титанового сплава Ti6Al4V, имеющего следующий химический состав (табл. 1). Выбор данного материала для исследований обусловлен тем, что он широко применяется в аэрокосмическом машиностроении, где производство деталей сложной формы особенно перспективно, и при этом после SLM на его поверхности имеются ярко выраженные дефекты, описанные выше. Изготовление образцов производилось в институте СТАНКИН, на кафедре «Высокоэффективные технологии обработки», на станке EOS M280 из порошка диаметром 40 мкм при мощности пучка лазера 200 Вт и скорости сканирования 1100 мм/с. В качестве исследуемой поверхности выбрана боковая, так как именно она образует сложнопрофильные элементы. На рис. 1, а представлена фотография состояния поверхности после производства, на рис. 1, б – поперечный микрошлиф с указанием дефектов. Всего было изготовлено 25 образцов: 5 контрольных и по 5 для рассматриваемых видов обработки. Схемы обработки приведены на рис. 2 и 4. Рельеф поверхности в основном представляет собой последовательность сфер различного диаметра, одна часть из которых является следствием сфероидизации, а другая – частично расплавленным порошком или частицами нерасплавленного порошка, прилипшими к поверхности при кристаллизации крайних дорожек расплава. Наиболее сложными из рассмотренных дефектов с точки зрения дальнейшей обработки Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав порошка Ti6Al4V Chemical composition of Ti-6Al 4V powder Элемент / Element Ti Al V Fe Zr Остальное / Bal. Содержание, % / Content, % 89,72 5,3 3,7 0,17 0,04 ≈ 1
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 2 2025 9 TECHNOLOGY а б Рис. 1. Фотографии состояния боковой поверхности образцов: а – вид сверху; б – поперечный микрошлиф Fig. 1. Images showing the condition of the samples side surface: a – top view; б – cross-sectional micrographic image для снижения шероховатости являются дефекты сфероидизации, поскольку такие сферы образуются из расплавленных дорожек жидкого металла и после кристаллизации они фактически становятся частью поверхности. Схемы проведения ультразвуковой обработки и применяемое оборудование Для изменения состояния поверхности применялись ультразвуковые КЭО, КАО и ППД. Предварительные эксперименты по проведению жидкостных процессов КЭО и КАО образцов из Ti6Al4V показали, что вследствие наличия на поверхности прочной оксидной пленки данный сплав имеет высокую кавитационную стойкость, в результате даже при достаточно длительной ультразвуковой обработке (1 час) с поверхности было удалено лишь незначительное количество частиц порошка, обладающих низкой адгезией, что не оказывает влияния на общее состояние поверхности. Поэтому обработка проводилась в травильном растворе, состоящем из плавиковой и азотной кислоты, а также дистиллированной воды (3 % HF + 5 % HNO3 + H2O), по схемам, представленным на рис. 2. Для сравнения эффективности воздействия ультразвука проводилась химическая обработка в травильном растворе (ХО) без введения ультразвуковых колебаний (рис. 2, а). ХО осуществлялось путем погружения образца в травильный раствор на 30 мин. Каждые 10 мин образец вытаскивался, промывался 1 мин под проточной водой, сушился и протирался этиловым спиртом. Далее с помощью микроскопа выполнялось фотографирование боковой поверхности. Совмещенные процессы КЭО + ХО и КАО + + ХО проводились при введении в жидкость Рис. 2. Схемы обработки Fig. 2. Schematic diagrams of treatment
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 2 2025 10 ТЕХНОЛОГИЯ излучателя ультразвуковой стержневой колебательной системы ПМС 2,0/22, состоящей из магнитострикционного преобразователя, представляющего собой пакет О-образных пластин из пермендюра, и припаянного к нему волновода из титанового сплава. Излучатель, изготовленный из ВТ-3, имел диаметр излучающей поверхности 30 мм. Расстояние между торцом излучателя и обрабатываемой поверхностью образца составляло 20 мм. Питание колебательной системы осуществлялось ультразвуковым генератором УЗГ 2,0/22. Резонансная частота колебаний f = 19 750 Гц, амплитуда колебаний ξm = 20 мкм. При таком режиме обработки потребляемая генератором мощность составила примерно 600 Вт. Амплитуда колебаний 20 мкм соответствует высокоамплитудному режиму обработки, при котором помимо кавитационных пузырьков значительный вклад в процесс обработки вносят крупномасштабные акустические течения, направленные от торца излучателя к поверхности образца. При выбранных условиях эксперимента сила течения образуемых потоков превышает силу тяжести абразивных частиц, что обеспечивает их непрерывную циркуляцию в озвучиваемом объеме и возврат в зону кавитационной обработки. В качестве абразива использовался порошок карбида бора B4C (рис. 3), имеющий высокую твёрдость и устойчивость к химическому воздействию. Порошок абразива насыпался до уровня выше обрабатываемой поверхности, объемная концентрация при этом составила 20 %. После включения ультразвука под действием потоков абразив распределялся по объему. Для минимизации эффекта нагрева при ультразвуковой обработке стеклянная емкость с травильным раствором помещалась в большую ёмкость с водой комнатной температуры (20 °С). С периодичностью 1…3 мин обработка прерывалась для фотографирования изменений поверхностей. Ультразвуковое ППД осуществлялось путем прижима торца колебательной системы к образцу под собственным весом P = 70 Н (рис. 4). Рис. 3. Частицы карбида бора Fig. 3. Boron carbide particles Рис. 4. Схема ультразвукового ППД Fig. 4. Scheme of ultrasonic surface plastic deformation Обработка проводилась в течение 10 с при фотографировании поверхности каждые 2 с. Сравнение механизмов обработки поверхности при КЭО и КАО Для сравнения механизмов воздействия на поверхность при КЭО и КАО производилась высокоскоростная съемка процессов обработки металлической пластины в воде, также расположенной на расстоянии 20 мм от торца излучателя. Съемка осуществлялась на камеру Fastec Hispec, позволяющую записывать видеофрагменты с частотой от 500 до 112 000 кадров в секунду. Для анализа картины перемещений кавитационных пузырьков и абразивных частиц по обрабатываемой поверхности в данной работе снимались видеофрагменты со скоростью 5339 кадров в секунду при размере снимаемой области 3,4×3,3 мм. Далее с помощью специального программного обеспечения, поставляемого изготовителем
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1