ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В настоящее время активно развиваются методы аддитивных технологий для получения металлических материалов различного химического и фазового состава. Проволочная технология, основанная на методе электронно-лучевого плавления, является одной из наиболее перспективных технологий, позволяющих помимо получения деталей сложной формы создавать материалы с градиентной, слоистой или уникальной структурой. Но такие технологии позволяют получать изделия со структурой литого разупрочненного материала с крупнокристаллическим строением и неравномерным распределением компонентов используемого материала. Для получения однородной структуры получаемых материалов, а также упрочнения материала и измельчения зерен структуры возможно применение дополнительной фрикционной перемешивающей обработки, способной изменить распределение компонентов полиметаллического образца с формированием структуры, недостижимой при получении материалов существующими методами. Исходя из вышесказанного актуальной на настоящее время является проблема измельчения зерна, упрочнения материала и получения однородной структуры при изготовлении полиметаллических материалов из однородных и разнородных металлов и сплавов. В статье для решения этой проблемы используется совмещение методик аддитивного электронно-лучевого производства и фрикционной перемешивающей обработки. Подход заключается в том, что методом интенсивной пластической деформации воздействуют на градиентный переход полиметаллического изделия, изготовленного методом аддитивного производства. Целью настоящей работы является исследование макроструктурных закономерностей формирования полиметаллических образцов методом аддитивного электронно-лучевого производства, образующих в зоне контакта механические смеси (Cu–Fe), твердые растворы и интерметаллидные соединения (Cu–Al). В работе исследованы особенности формирования биметаллических образцов из однородных и разнородных металлов, полученных аддитивным методом, и закономерности структурных изменений в материалах системы Cu-Fe после гибридной аддитивно-термомеханической обработки. Методами исследования являются оптическая, растровая электронная микроскопия и анализ микромеханических свойств при измерении микротвердости в различных сечениях полученных образцов. Результаты исследования. Выявлены особенности структурных изменений в материалах, полученных аддитивным методом, в зависимости от типов формирующихся фаз в зоне контакта материалов полиметалла. Полученные данные свидетельствуют о более равномерном распределении в зоне структурного градиента компонентов полиметаллического образца, не образующих в зоне контакта интерметаллидных фаз и твердых растворов. Были установлены закономерности пластической деформации и фрагментации в системе Cu-Fe (медь М1 – сталь 12Х18Н9Т) после фрикционной перемешивающей обработки с использованием растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и оптической микроскопии. Полученные данные свидетельствуют о формировании в зоне перемешивания потоков металла в направлении течения материала по контуру инструмента. Слои имеют различный размер зерна, особенности распределения частиц меди и стали, а также закономерности распределения химических элементов. По краям зоны перемешивания имеет место избыточное замешивание стали в верхние слои материала с нижележащих слоев. В зоне перемешивания проявляется неоднородность строения в распределении отдельных слоев, их толщине, размере зерна и объемной доле различных фаз.

1. The effect of wire feed geometry on electron beam freeform 3D printing of complex-shaped samples from Ti-6Al-4V alloy / K.N. Kalashnikov, V.E. Rubtsov, N.L. Savchenko, T.A. Kalashnikova, K.S. Osipovich, A.A. Eliseev, A.V. Chumaevskii // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 105 (7–8). – P. 3147–3156. – DOI: 10.1007/s00170-019-04589-y.

2. Microstructural evolution and chemical corrosion of electron beam wire-feed additively manufactured AISI 304 stainless steel / S.Yu. Tarasov, A.V. Filippov, N.N. Shamarin, S.V. Fortuna, G.G. Maier, E.A. Kolubaev // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 803. – P. 364–370. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.06.246.

3. The features of structure formation in chromium-nickel steel manufactured by a wire-feed electron beam additive process / A.V. Kolubaev, S.Yu. Tarasov, A.V. Filippov, Yu.A. Denisova, E.A. Kolubaev, A.I. Potekaev // Russian Physics Journal. – 2018. – Vol. 61, iss. 8. – P. 1491–1498. – DOI: 10.1007/s11182-018-1561-9.

4. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S.Yu. Tarasov, A.V. Filippov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, S.G. Psakhie // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 99, iss. 9–12. – P. 2353–2363. – DOI: 10.1007/s00170-018-2643-0.

5. Ultrasonic assisted second phase transformations under severe plastic deformation in friction stir welding of AA2024 / A.A. Eliseev, T.A. Kalashnikova, D.A. Gurianov, V.E. Rubtsov, A.N. Ivanov, E.A. Kolubaev // Materials Today Communications. – 2019. – Vol. 21. – P. 100660. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2019.100660.

6. Towards aging in a multipass friction stir–processed АА2024 / K.N. Kalashnikov, S.Yu. Tarasov, A.V. Chumaevskii, S.V. Fortuna, A.A. Eliseev, A.N. Ivanov // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 103, iss. 5–8. – P. 2121–2132. – DOI: 10.1007/s00170-019-03631-3.

7. Abbasi M., Givi M., Bagheri B. Application of vibration to enhance efficiency of friction stir processing // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2019. – Vol. 29, iss. 7. – P. 1393–1400. – DOI: 10.1016/S1003-6326(19)65046-6.

8. Review of friction stir processing of magnesium alloys / R.A. Kumar, S. Ramesh, E.S. Kedarvignesh, M.S.A. Arulchelvam, S. Anjunath // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 16, iss. 2. – P. 1320–1324. – DOI: 10.1016/j.matpr.2019.05.230.

9. Ma Z.Y. Friction stir processing technology: a review // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2008. – Vol. 39, iss. 3. – P. 642–658. – DOI: 10.1007/s11661-007-9459-0.

10. Understanding the mechanisms of friction stir welding based on computer simulation using particles / A.Y. Smolin, E.V. Shilko, S.V. Astafurov, E.A. Kolubaev, G.M. Eremina, S.G. Psakhie // Defence Technology. – 2018. – Vol. 14, iss. 6. – P. 643–656. – DOI: 10.1016/j.dt.2018.09.003.

11. On the Similarity of deformation mechanisms during friction stir welding and sliding friction of the AA5056 alloy / A.V. Kolubaev, A.A. Zaikina, O.V. Sizova, K.V. Ivanov, A.V. Filippov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2018. – Vol. 60, iss. 12. – P. 2123–2129. – DOI: 10.1007/s11182-018-1335-4.

12. Radioscopy of remnant joint line in a friction stir welded seam / S.Yu. Tarasov, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, S.F. Gnyusov, Y.A. Kudinov // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2015. – Vol. 51, iss. 9. – P. 573–579. – DOI: 10.1134/s1061830915090090.

13. Structural phase evolution in ultrasonic-assisted friction stir welded 2195 aluminum alloy joints / A.A. Eliseev, S.V. Fortuna, T.A. Kalashnikova, A.V. Chumaevskii, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2017. – Vol. 60, iss. 6. – P. 1022–1026. – DOI: 10.1007/s11182-017-1172-x.

14. General regularities of the microstructure formation during friction stir welding and sliding friction / A.V. Kolubaev, E.A. Kolubaev, O.V. Sizova, A.A. Zaikina, V.E. Rubtsov, S.Yu. Tarasov, P.A. Vasiliev // Journal of Friction and Wear. – 2015. – Vol. 36, iss. 2. – P. 127–131. – DOI: 10.3103/s1068366615020087.

15. Kolubaev E.A. Investigation of the microstructure of joints of aluminum alloys produced by friction stir welding // Russian Physics Journal. – 2015. – Vol. 57, iss. 10. – P. 1321–1327. – DOI: 10.1007/s11182-015-0384-1.

16. Microstructure modification of 2024 aluminum alloy produced by friction drilling / A.A. Eliseev, S.V. Fortuna, E.A. Kolubaev, T.A. Kalashnikova // Materials Science and Engineering A. – 2017. – Vol. 691. – P. 121–125. – DOI: 10.1016/j.msea.2017.03.040.

17. Ultrasonic-assisted aging in friction stir welding on Al-Cu-Li-Mg aluminum alloy / S.Yu. Tarasov, V.E. Rubtsov, S.V. Fortuna, A.A. Eliseev, A.V. Chumaevsky, T.A. Kalashnikova, E.A. Kolubaev // Welding in the World. – 2017. – Vol. 61 (4). – P. 679–690. – DOI: 10.1007/s40194-017-0447-8.

18. Reactive mechanism and mechanical properties of in-situ hybrid nano-composites fabricated from an Al–Fe2O3 system by friction stir processing / G. Azimi-Roeen, S.F. Kashani-Bozorg, M. Nosko, P. Švec // Materials Characterization. – 2017. – Vol. 127. – P. 279–287. – DOI: 10.1016/j.matchar.2017.03.007.

19. Ram influence of multi-pass friction stir processing on wear behaviour and machinability of an Al-Si hypoeutectic A356 alloy / S.K. Singh, R.J. Immanuel, S. Babu, S.K. Panigrahi, G.D. Janaki // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 236. – P. 252–262. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.05.019.

20. Cast aluminium matrix composites modified with using FSP process – Changing of the structure and mechanical properties / P. Kurtyka, N. Rylko, T. Tokarski, A. Wójcicka, A. Pietras // Composite Structures. – 2015. – Vol. 133. – P. 959–967. – DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.07.122.

21. Friction-stir welding of ultra-fine grained sheets of Al–Mg–Sc–Zr alloy / S. Malopheyev, S. Mironov, V. Kulitskiy, R. Kaibyshev // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – Vol. 624. – P. 132–139. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.11.079.

22. Superplasticity of friction-stir welded Al–Mg–Sc sheets with ultrafine-grained microstructure alloy / S. Malopheyev, S. Mironov, I. Vysotskiy, R. Kaibyshev // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 649. – P. 85–92. – DOI: 10.1016/j.msea.2015.09.106.

23. Friction-stir welding of an Al–Mg–Sc–Zr alloy in as-fabricated and work-hardened conditions / S. Malopheyev, V. Kulitskiy, S. Mironov, D. Zhemchuzhnikova, R. Kaibyshev // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 600. – P. 159–170. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.02.018.

24. Fullerene/A5083 composites fabricated by material flow during friction stir processing / Y. Morisada, H. Fujii, T. Nagaoka, K. Nogi, M. Fukusumi // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2007. – Vol. 38. – P. 2097–2101. – DOI: 10.1016/j.compositesa.2007.07.004.

25. Lee C.J., Huang J.C. High strain rate superplasticity of Mg based composites fabricated by friction stir processing // Materials Transactions. – 2006. – Vol. 47. – P. 2773–2778. – DOI: 10.2320/matertrans.47.2773.

26. Microstructure and mechanical property of nano-SiCp reinforced high strength Mg bulk composites produced by friction stir processing / K. Sun, Q.Y. Shi, Y.J. Sun, G.Q. Chen // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 547. – P. 32–37. – DOI: 10.1016/j.msea.2012.03.071.

27. Dixit M., Newkirk J.W., Mishra R.S. Properties of friction stir-processed Al 1100–NiTi composite // Scripta Materialia. – 2007. – Vol. 56. – P. 541–544. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2006.11.006.

28. Fabrication and mechanical properties of bulk NiTip/Al composites prepared by friction stir processing / D.R. Ni, J.J. Wang, Z.N. Zhou, Z.Y. Ma // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 586. – P. 368–374. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.10.013.

29. Microstructure and mechanical property of multi-walled carbon nanotubes reinforced aluminum matrix composites fabricated by friction stir processing / Q. Liu, L. Ke, F. Liu, C. Huang, L. Xing // Materials & Design. – 2013. – Vol. 45. – P. 343–348. – DOI: 10.1016/j.matdes.2012.08.036.

30. A novel way to produce bulk SiCp reinforced aluminum metal matrix composites by friction stir processing / W. Wang, Q.-Y. Shi, P. Liu, H.-K. Li, T. Li // Journal of Materials Processing Technology. – 2009. – Vol. 209. – P. 2099–2103. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2008.05.001.

31. Fabrication of a new Al-Al2O3-CNTs composite using friction stir processing (FSP) / Z. Du, M.J. Tan, J.F. Guo, G. Bi, J. Wei // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 667. – P. 125–131. – DOI: 10.1016/j.msea.2016.04.094.

32. Debroy T., Wei H.L., Zuback J.S., et al. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties / T. Debroy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O. Milewski, A.M. Beese, A. Wilson-Heid, A. De, W. Zhang // Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 92. – P. 112–224. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001.

33. Additive manufacturing of metals: a brief review of the characteristic microstructures and properties of steels, Ti-6Al-4V and high-entropy alloys / S. Gorsse, C. Hutchinson, M. Gouné, R. Banerjee // Science and Technology of Advanced Materials. – 2017. – Vol. 18, iss. 1. – P. 1–27. – DOI: 10.1080/14686996.2017.1361305.

34. Progress in additive manufacturing on new materials: a review / N. Li, S. Huang, G. Zhang, R. Qin, W. Liu, H. Xiong, G. Shi, J. Blackburn // Journal of Materials Science & Technology. – 2019. – Vol. 35, iss. 2. – P. 242–269. – DOI: 10.1016/j.jmst.2018.09.002.

35. Basak A., Das S. Epitaxy and microstructure evolution in metal additive manufacturing // Annual Review of Materials Research. – 2016. – Vol. 46. – P. 125–149. – DOI: 10.1146/annurev-matsci-070115-031728.

36. Design of novel materials for additive manufacturing – Isotropic microstructure and high defect tolerance / J. Günther, F. Brenne, M. Droste, M. Wendler, O. Volkova, H. Biermann, T. Niendorf // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8. – P. 1–14. – DOI: 10.1038/s41598-018-19376-0.

37. Wang Z., Palmer T.A., Beese A.M. Effect of processing parameters on microstructure and tensile properties of austenitic stainless steel 304L made by directed energy deposition additive manufacturing // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 110. – P. 226–235. – DOI: 10.1016/j.actamat.2016.03.019.

38. Characterization of wire arc additively manufactured titanium aluminide functionally graded material: microstructure, mechanical properties and oxidation behavior / J. Wang, Z. Pan, Y. Ma, Y. Lu, C. Shen, D. Cuiuri, H. Li // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 734. – P. 110–119. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.07.097.

39. Liu W.P., DuPont J.N. Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by laser engineered net shaping // Scripta Materialia. – 2003. – Vol. 48, iss. 9. – P. 1337–1342. – DOI: 10.1016/s1359-6462(03)00020-4.

40. Microstructure and surface analysis of friction stir processed Ti-6Al-4V plates manufactured by electron beam melting / F. Rubino, F. Scherillo, S. Franchitti, A. Squillace, A. Astarita, P. Carlone // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 37. – P. 392–401. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.12.015.

41. Friction welding of electron beam melted Ti-6Al-4V / P.T. Qin, R. Damodaram, T. Maity, W.W. Zhang, C. Yang, Z. Wang, K.G. Prashanth // Materials Science and Engineering A. – 2019. – Vol. 761. – P. 138045. – DOI: 10.1016/j.msea.2019.138045.

42. Friction stir welding of additively manufactured Ti-6Al-4V: microstructure and mechanical properties / A.K. Singh, B. Kumar, K. Jha, A. Astarita, A. Squillace, S. Franchitti, A. Arora // Journal of Materials Processing Technology. – 2020. – Vol. 277. – P. 116433. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2019.116433.

43. Закономерности формирования материалов с композитной структурой с использованием аддитивной электронно-лучевой технологии, сварки трением с перемешиванием и фрикционной перемешивающей обработки / Т.А. Калашникова, А.В. Гусарова, А.В. Чумаевский, Е.О. Княжев, М.А. Шведов, П.А. Васильев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 4. – С. 94–112. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-94-112.

44. Peculiarities of structure formation in copper/steel bimetal fabricated by electron-beam additive technology / K.S. Osipovich, A.V. Chumaevskii, A.A. Eliseev, K.N. Kalashnikov, E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, E.G. Astafurova // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62, iss. 8. – P. 1486–1494. – DOI: 10.1007/s11182-019-01867-w.

45. Шухардина С.В. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди. – М.: Наука, 1979. – 247 с.