ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В настоящее время для создания ответственных изделий из титановых сплавов, таких как шар-баллоны высокого давления для ракетных двигателей, используются в основном традиционные методы получения, в том числе изотермическая штамповка/формование полусфер из заготовок титановых сплавов с последующей сваркой. В основном такие методики являются сложными многостадийными процессами, в связи с чем производство титановых шар-баллонов может занимать очень продолжительное время и влечет за собой большие материальные затраты. Рассматриваемая в данной работе технология проволочного электронно-лучевого аддитивного производства успела зарекомендовать себя в мировом научном и промышленном сообществе как технология, позволяющая повысить производительность процесса изготовления различных металлических деталей, а также сократить затраты материала за счет минимизации механических обработок. Однако несмотря на большой ряд преимуществ данной технологии, технологические особенности процесса, включающие геометрические параметры печатаемой детали, такие как форма и высота конструкции, угол наклона стенок конструкции от плоскости печати и другие, оказывают существенное влияние на формируемую структуру. Это связано с тем, что тепловые параметры процесса для разных конфигураций печатаемого изделия будут оказывать разное влияние на формирование структуры. В связи с этим целью данной работы является проведение анализа влияния тепловых параметров на процесс печати изделий из титанового сплава ВТ6 методом электронно-лучевого аддитивного производства, чтобы выявить закономерности формирования структуры и свойств материала при различных параметрах процесса. Результаты и обсуждение. Проведенные исследования показали, что при различных комбинациях параметров процесса электронно-лучевой 3D-печати титановым сплавом ВТ6 происходит незначительное изменение макроструктуры полученных образцов. Однако за счет разных тепловложений и скоростей кристаллизации наблюдаются различия в микроструктуре и, следовательно, в механических свойствах. Значения предела прочности и предела текучести для полученных образцов варьируются в пределах от 851 и 796 МПа до 676 и 574МПа соответственно.

1. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges / T.D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K.T.Q. Nguyen, D. Hui // Composites Part B: Engineering. – 2018. – Vol. 143. – P. 172–196. – DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012.

2. 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 // Progress in Materials Science. – 2018. – Vol. 92. – P. 112–224. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001.

3. Scientific, technological and economic issues in metal printing and their solutions / T. DebRoy, T. Mukherjee, J.O. Milewski, J.W. Elmer, B. Ribic, J.J. Blecher, W. Zhang // Nature Materials. – 2019. – Vol. 18, iss. 10. – P. 1026–1032. – DOI: 10.1038/s41563-019-0408-2.

4. Additive manufacturing for aerospace flight applications / A.A. Shapiro, J.P. Borgonia, Q.N. Chen, R.P. Dillon, B. McEnerney, R. Polit-Casillas, L. Soloway // Journal of Spacecraft and Rockets. – 2016. – Vol. 53, iss. 5. – P. 952–959. – DOI: 10.2514/1.A33544.

5. Structural heredity of the aluminum alloy obtained by the additive method and modified under severe thermomechanical action on its final structure and properties / T.A. Kalashnikova, A.V. Chumaevskii, V.E. Rubtsov, K.N. Kalashnikov, E.A. Kolubaev, A.A. Eliseev // Russian Physics Journal. – 2020. – Vol. 62, iss. 9. – P. 1565–1572. – DOI: 10.1007/s11182-020-01877-z.

6. Mower T.M., Long M.J. Mechanical behavior of additive manufactured, powder-bed laser-fused materials // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 651. – P. 198–213. – DOI: 10.1016/j.msea.2015.10.068.

7. Processing of Al-Sc aluminum alloy using SLM technology / D. Koutny, D. Skulina, L. Pantelejev, D. Paloušek, B. Lenczowski, F. Palm, A. Nick // Procedia CIRP. – 2018. – Vol. 74. – P. 44–48. – DOI: 10.1016/j.procir.2018.08.027.

8. Cordova L., Campos M., Tinga T. Revealing the effects of powder reuse for selective laser melting by powder characterization // JOM. – 2019. – Vol. 71, iss. 3. – P. 1062–1072. – DOI: 10.1007/s11837-018-3305-2.

9. Microstructural evolution and chemical corrosion of electron beam wire-feed additively manufactured AISI 304 stainless steel / S.Y. 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.

10. The features of structure formation in chromium-nickel steel manufactured by a wire-feed electron beam additive process / A.V. Kolubaev, S.Y. Tarasov, A.V. Filippov, Y.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.

11. Basak A., Das S. Microstructure of nickel-base superalloy MAR-M247 additively manufactured through scanning laser epitaxy (SLE) // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 705. – P. 806–816. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.02.013.

12. Ramakrishnan A., Dinda G.P. Direct laser metal deposition of Inconel 738 // Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 740–741. – P. 1–13. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.10.020.

13. Brandl E., Schoberth A., Leyens C. Morphology, microstructure, and hardness of titanium (Ti-6Al-4V) blocks deposited by wire-feed additive layer manufacturing (ALM) // Materials Science & Engineering: A. – 2012. – Vol. 532 (Complete). – P. 295–307. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.10.095.

14. Thermal and microstructural analysis of laser-based directed energy deposition for Ti-6Al-4V and Inconel 625 deposits / F. Lia, J.Z. Park, J.S. Keist, S. Joshi, R.P. Martukanitz // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 717. – P. 1–10. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.01.060.

15. Gockel J., Beuth J., Taminger K. Integrated control of solidification microstructure and melt pool dimensions in electron beam wire feed additive manufacturing of Ti-6Al-4V // Additive Manufacturing. – 2014. – Vol. 1–4. – P. 119–126. – DOI: 10.1016/j.addma.2014.09.004.

16. Influence of successive thermal cycling on microstructure evolution of EBM-manufactured alloy 718 in track-by-track and layer-by-layer design / P. Karimi, E. Sadeghi, P. Åkerfeldt, J. Ålgårdh, J. Andersson // Materials & Design. – 2018. – Vol. 160. – P. 427–441. – DOI: 10.1016/j.matdes.2018.09.038.

17. Mechanical behavior of differently oriented electron beam melting Ti–6Al–4V components using digital image correlation / E. Arrieta, M. Haque, J. Mireles, C. Stewart, C. Carrasco, R.B. Wicker // Journal of Engineering Materials and Technology. – 2018. – Vol. 141, iss. 1. – DOI: 10.1115/1.4040553.

18. Grain morphology evolution and texture characterization of wire and arc additive manufactured Ti-6Al-4V / J. Wang, X. Lin, J. Wang, H. Yang, Y. Zhou, C. Wang, Q. Li, W. Huang // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 768. – P. 97–113. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.07.235.

19. Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition / B.J. Hayes, B.W. Martin, B. Welk, S.J. Kuhr, T.K. Ales, D.A. Brice, I. Ghamarian, A.H. Baker, C.V. Haden, D.G. Harlow, H.L. Fraser, P.C. Collins // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 133. – P. 120–133. – DOI: 10.1016/j.actamat.2017.05.025.

20. 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 // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 105, iss. 7–8. – P. 3147–3156. – DOI: 10.1007/s00170-019-04589-y.