ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Развитие технологий аддитивного производства расширяет возможности изготовления (печати) изделий из разнообразных материалов. Процесс печати осуществляется путем локального высокоэнергетического нагрева филамента и подложки, за счет чего формируется ванна расплава. В таких условиях формование структуры материала происходит в условиях быстрой кристаллизации и повторного циклического нагрева. Важной проблемой печати объемных изделий из большинства конструкционных сплавов является формирование дендритной структуры. Форма и размеры дендритов, а также связанное с ними образование вторичных фаз могут оказывать влияние на прочность и эксплуатационные свойства изделий. Цель работы: исследование структуры и механических свойств алюминиевой бронзы, полученной методом электронно-лучевого аддитивного производства. В работе исследованы особенности формирования структуры алюминиевой бронзы в зависимости от участка образца. Проведены механические испытания при статическом растяжении и сжатии образцов, вырезанных в продольном и поперечном сечении относительно направления печати. Методами исследования являются механические испытания на сжатие и растяжение, оптическая металлография, растровая электронная микроскопия. Результаты и обсуждение. На основе анализа металлографических изображений были выделены четыре характерных типа микроструктур, формирующихся на разной высоте от подложки в напечатанном материале. Первый тип – небольшие дендритные зерна с интерметаллидными частицами; второй – небольшие дендритные зерна; третий – крупные столбчатые дендритные зерна; четвертый – широкие дендритные зерна с мелкими включениями вторичной фазы. Формирование этих типов микроструктур обусловлено, во-первых, использованием стальной подложки, во-вторых, изменением условий теплоотвода по мере увеличения высоты образца в процессе печати. На основе проведенных испытаний выявлена значительная анизотропия механических свойств, которая обусловлена направленным характером роста столбчатых дендритных зерен, а также изменением размеров зерна по высоте напечатанного материала. Полученные результаты расширяют фундаментальные представления о процессах структурообразования сплавов в условиях электронно-лучевого аддитивного производства и могут быть использованы при разработке технологий печати изделий из медных сплавов.
Хорошко Екатерина Сергеевна
Филиппов Андрей Владимирович
Тарасов Сергей Юльевич
Шамарин Николай Николаевич
Колубаев Евгений Александрович
Москвичев Евгений Николаевич
Лычагин Дмитрий Васильевич
1. Gohar G.A., Manzoor T., Shah A.N. Investigation of thermal and mechanical properties of Cu-Al alloys with silver addition prepared by powder metallurgy // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 735. – P. 802–812. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.11.176.
2. Phase equilibria in the Cu-rich portion of the Cu–Al binary system / X. Liu, I. Ohnuma, R. Kainuma, K. Ishida // Journal of Alloys and Compounds. – 1998. – Vol. 264. – P. 201–208. DOI: 10.1016/S0925-8388(97)00235-1.
3. 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.
4. Laser-Additive repair of cast Ni–Al–Bronze components / X. Cao, P. Wanjara, J. Gholipour, Y. Wang // TMS 2019 148th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. – Cham: Springer, 2018. – P. 205–216. – DOI: 10.1007/978-3-030-05861-6_19.
5. Underwater laser cladding in full wet surroundings for fabrication of nickel aluminum bronze coatings / X. Feng, X. Cui, G. Jin, W. Zheng, Z. Cai, X. Wen, B. Lu, J. Liu // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 333. – P. 104–114. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.10.056.
6. Thermal stability and corrosion resistance in a novel nickle aluminum bronze coating by laser cladding / X.P. Tao, S. Zhang, C.L. Wu, C.H. Zhang, J.B. Zhang, Y. Liu // Materials Research Express. – 2018. – Vol. 5, N 11. – P. 116527. – DOI: 10.1088/2053-1591/aade7c.
7. Hyatt C.V., Magee K.H., Betancourt T. The effect of heat input on the microstructure and properties of nickel aluminum bronze laser clad with a consumable of composition Cu-9.0Al-4.6Ni-3.9Fe-1.2Mn // Metallurgical and Materials Transactions A: Physics of Metals and Materials Science. – 1998. – Vol. 29. – P. 1677–1690. DOI: 10.1007/s11661-998-0090-5.
8. Effect of the protective materials and water on the repairing quality of nickel aluminum bronze during underwater wet laser repairing / X. Feng, X. Cui, W. Zheng, B. Lu, M. Dong, X. Wen, Y. Zhao, G. Jin // Optics and Laser Technology. – 2019. – Vol. 114. – P. 140–145. DOI: 10.1016/j.optlastec.2019.01.034.
9. Effect of Fe and Ni contents on microstructure and wear resistance of aluminum bronze coatings on 316 stainless steel by laser cladding / X.P. Tao, S. Zhang, C.H. Zhang, C.L. Wu, J. Chen, A.O. Abdullah // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 342. – P. 76–84. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.032.
10. Fabrication of copper-rich Cu-Al alloy using the wire-arc additive manufacturing process / B. Dong, Z. Pan, C. Shen, Y. Ma, H. Li // Metallurgical and Material Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. – 2017. – Vol. 48. – P. 3143–3151. DOI: 10.1007/s11663-017-1071-0.
11. In-situ wire-feed additive manufacturing of Cu-Al alloy by addition of silicon / Y. Wang, X. Chen, S. Konovalov, C. Su, A.N. Siddiquee, N. Gangil // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 487. – P. 1366–1375. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.05.068.
12. Microstructural evolution and mechanical behavior of nickel aluminum bronze Cu-9Al-4Fe-4Ni-1Mn fabricated through wire-arc additive manufacturing / C. Dharmendra, A. Hadadzadeh, B.S. Amirkhiz, G.D. Janaki Ram, M. Mohammadi // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 30. – P. 100872. – DOI: 10.1016/j.addma.2019.100872.
13. The influence of post-production heat treatment on the multi-directional properties of nickel-aluminum bronze alloy fabricated using wire-arc additive manufacturing process / C. Shen, Z. Pan, D. Ding, L. Yuan, N. Nie, Y. Wang, D. Luo, D. Cuiuri, S. van Duin, H. Li // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 23. – P. 411–421. – DOI: 10.1016/j.addma.2018.08.008.
14. The morphology, crystallography, and chemistry of phases in wire-arc additively manufactured nickel aluminum bronze / C. Dharmendra, A. Hadadzadeh, B.S. Amirkhiz, M. Mohammadi, // TMS 2019 148th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. – Cham: Springer, 2019. – P. 443–453. – DOI: 10.1007/978-3-030-05861-6_41.
15. Fabricating superior NiAl bronze components through wire arc additive manufacturing / D. Ding, Z. Pan, S. van Duin, H. Li, C. Shen // Materials (Basel). – 2016. – Vol. 9, N 8. – DOI: 10.3390/ma9080652.
16. Wolf T., Fu Z., Körner C. Selective electron beam melting of an aluminum bronze: microstructure and mechanical properties // Materials Letters. – 2019. – Vol. 238. – P. 241–244. – DOI: 10.1016/j.matlet.2018.12.015.
17. 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.
18. 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, iss. 9-12. – P. 2353–2363. – DOI: 10.1007/s00170-018-2643-0.
19. Gradient transition zone structure in “steel–copper” sample produced by double wire-feed electron beam additive manufacturing / K.S. Osipovich, E.G. Astafurova, A.V. Chumaevskii, K.N. Kalashnikov, S.V. Astafurov, G.G. Maier, E.V. Melnikov, V.A. Moskvina, M.Yu. Panchenko, S.Yu. Tarasov, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev // Journal of Materials Science. – 2020. – 25 March. – DOI: 10.1007/s10853-020-04549-y.
20. Multilevel model for the description of plastic and superplastic deformation of polycrystalline materials / P.V. Trusov, E.R. Sharifullina, A.I. Shveykin // Physical Mesomechanics. – 2019. – Vol. 22. – P. 402–419. – DOI: 10.1134/S1029959919050072.
21. Фридман Я.Б., Гордеева Т.А., Зайцев А.М. Строение и анализ изломов металлов. – М.: МАШГИЗ, 1960. – 128 с.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-90130. Металлографические исследования выполнены в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы, направление III.23.2. Исследования поверхностей разрушения проведены с использованием оборудования центра коллективного пользования «Аналитический центр геохимии природных систем» Национального исследовательского Томского государственного университета.
Исследование структуры и механических свойств алюминиевой бронзы, напечатанной методом электронно- лучевого аддитивного производства / Е.С. Хорошко, А.В. Филиппов, С.Ю. Тарасов, Н.Н. Шамарин, Е.А. Колубаев, Е.Н. Москвичев, Д.В. Лычагин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 2. – С. 118–129. – DOI: 10.17212/1994- 6309-2020-22.2-118-129.
Khoroshko E.S., Filippov A.V., Tarasov S.Yu., Shamarin N.N., Kolubaev E.A., Moskvichev E.N., Lychagin D.V. Study of the structure and mechanical properties of aluminum bronze printed by electron beam additive manufacturing. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2020, vol. 22, no. 2, pp. 118–129. DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.2- 118-129. (In Russian).
