ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В современной промышленной и научно-технической сфере проблема создания деталей из различных металлов и сплавов аддитивными методами является одной из наиболее острых и требующих своевременного решения. Связано это прежде всего, с необходимостью получения крупногабаритных деталей сложной формы с высокой производительностью и с как можно меньшим количеством отходов. Одним из наиболее применимых аддитивных методов для формирования изделий является электронно-лучевая проволочная технология. С применением проволочного филамента и электронного луча для плавления в зоне печати возможно получение деталей с высокой производительностью и приемлемыми показателями получаемой структуры и механических свойств. Однако на настоящее время недостаточно представлены в литературе взаимосвязи получаемой структуры и механических свойств от параметров процесса аддитивного электронно-лучевого производства. В связи с этим целью данной работы является проведение анализа влияния технологических параметров процесса аддитивного электронно-лучевого производства на формирование изделий из стали 12Х18Н9Т. Результаты и обсуждение. В качестве варьируемых параметров использовали ток электронного пучка, линейную скорость печати и коэффициент подачи проволоки, а за параметр оптимизации был принят предел прочности. Установлены оптимальные параметры тока электронного пучка (40 мА), скорости наплавки (180 мм/мин) и коэффициента подачи проволоки (1,3) при постоянном ускоряющем напряжении (30 кВ), которые позволяют сформировать изделие в целом без дефектов и без оплавления ранее сформированных слоев с пределом прочности 583 МПа. Показано, что использование наибольших значений скорости наплавки (320 мм/мин) и коэффициента подачи проволоки (1,3) при варьировании тока электронного пучка не позволяют осуществить процесс формирования образцов. Установлено, что при параметрах процесса электронно-лучевого аддитивного производства, обеспечивающих формирование изделия в целом, получаемые в материалах структуры обеспечивают механические свойства в пределах 558…595 МПа.

1. 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.

2. 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.

3. 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 (2). – P. 242–269. – DOI: 10.1016/j.jmst.2018.09.002.

4. 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.

5. 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.

6. 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 (8). – P. 1491–1498. – DOI: 10.1007/s11182-018-1561-9.

7. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S.Y. 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 (9–12). – P. 2353–2363. – DOI: 10.1007/s00170-018-2643-0.

8. 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 (1). – P. 1–27. – DOI: 10.1080/14686996.2017.1361305.

9. 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.

10. 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.

11. Regularities of composite materials formation using additive electron-beam technology, friction stir welding and friction stir processing / T.A. Kalashnikova, A.V. Gusarova, A.V. Chumaevskii, E.O. Knyazhev, M.A. Shvedov, P.A. Vasilyev // Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science. – 2019. – Vol. 21, N 4. – P. 94–112. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-94-112.

12. 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 (8). – P. 1486–1494. – DOI: 10.1007/s11182-019-01867-w.

13. 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. 226–35. – DOI: 10.1016/j.actamat.2016.03.019.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Electron beam additive manufacturing with wire – Analysis of the process / M.St. Weglowski, S. Blacha, J. Pilarczyk, J. Dutkiewicz, L. Rogal // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 1960, iss. 1. – P. 140015. – DOI: 10.1063/1.5035007.

18. Wanjara P., Brochu M., Jahazi M. Electron beam freeforming of stainless steel using solid wire feed // Materials and Design. – 2007. – Vol. 28. – P. 2278–2286. – DOI: 10.1016/j.matdes.2006.08.008.

19. A three dimensional transient model for heat transfer and fluid flow of weld pool during electron beam freeform fabrication of Ti-6-Al-4-V alloy / Q. Tang, Sh. Pang, B. Chen, H. Suo, J. Zhou // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2014. – Vol. 78. – P. 203–215. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.06.048.

20. Taminger K.M.B., Hafley R.A. Characterization of 2219 aluminum produced by electron beam freeform fabrication // Proceedings at the 13th Solid Freeform Fabrication Symposium, 5–7 August 2002. – Austin, TX, United States, 2002. – P. 1–8.