ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Одним из перспективных современных способов формирования деталей машин являются аддитивные технологии Изготовление этим методом дает возможность получать сложную форму деталей и качественную структуру. При этом качество формируемой структуры зависит от большого количества параметров – оборудования, режимов его работы, материала, среды и т.п. Крупные зарубежные компании, производящие 3D-принтеры, при поставке оборудования дают технологические рекомендации по работе на нем. Эти рекомендации включают информацию о производителях сырья (порошка для печати) и их выпускаемых продуктах, с которыми может работать их оборудование, а также о том, какие режимы необходимо использовать для работы с этими порошками. Для разрабатываемых в рамках исследовательских программ и программ импортозамещения отечественных установок эти параметры необходимо подбирать. Очень часто перед исследователями и разработчиками оборудования для трехмерной печати стоит задача получения на имеющемся сырье образцов деталей с минимальной пористостью, однородностью структуры и механическими свойствами хотя бы на уровне литых заготовок. Одним из распространенных материалов для трехмерной печати является нержавеющая сталь. Данный материал обладает высокой коррозионной стойкостью, что снижается требования к среде, в которой ведется 3D-печать. Изготовленные изделия из нержавеющей стали обладают хорошим сочетанием прочностных и пластических характеристик. Целью работы является получение образцов с минимальным количеством макро- и микродефектов и однородной структурой из нержавеющей стали методом наплавки проволокой на электронно-лучевой оригинальной установке, разработанной в Томскоком политехническом университете. Методы исследования образцов из нержавеющей стали марки AISI 308LSi, полученных трехмерной печатью: рентгеноструктурный анализ, томография, химический анализ, металлографический анализ, исследование микротвердости. Результаты и обсуждение. Установлено, что напечатанные на разработанной установке электронно-лучевой трехмерной печати образцы из нержавеющей стали марки AISI 308LSi не содержат макродефектов во всем объеме образца. Присутствующие небольшие микродефекты остаточных газовых пор имеют размер не более 5,2 мкм. Микроструктура образцов формируется близкой к микроструктуре крупнозернистых литых аустенитых сталей и состоит из столбчатых зерен аустенитной матрицы γ-Fe и высокотемпературного феррита. Границы раздела между слоями укладки проволоки не выражены, но есть небольшие отличия по фазовому составу. На основе анализа полученных результатов установлено, что использование электронно-лучевой трехмерной печати для изготовления деталей из стали марки AISI 308LSi дает структуру, аналогичную литым аустенитным сталям. Появления макродефектов не происходит, а количество газовых пор мало.
Фёдоров Василий Викторович
Рыгин Александр Викторович
Клименов Василий Александрович
Мартюшев Никита Владимирович
Клопотов Анатолий Анатольевич
Стрелкова Ирина Леонидовна
Матрёнин Сергей Вениаминович
Батранин Андрей Викторович
Дерюшева Валентина Николаевна
1. Murr L.E. Metallurgy of additive manufacturing: examples from electron beam melting // Additive Manufacturing. – 2015. – Vol. 5. – P. 40–53. – DOI: 10.1016/j.addma.2014.12.002.
2. Milevski J.O. Additive manufacturing of metals: from fundamental technology to rocket nozzles, medical implants and custom jewelry. – Cham: Springer, 2017. – 351 p. – ISBN 978-3-319-58205-4.
3. Additive manufacturing of metallic materials: a review/ Y. Zhang, L. Wu, X. Guo, S. Kane, Y. Deng, Y.-G. Jung, J.-H. Lee, J. Zhang // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2018. – Vol. 27, iss. 1. – P. 1–13. – DOI: 10.1007/s11665-017-2747-y.
4. Metallurgy, mechanistic models and machine learning in metal printing / T. DebRoy, T. Mukherjee, H.L. Wei, J.W. Elmer, J.O. Milewski // Nature Reviews Materials. – 2020. – Vol. 6. – P. 48–68. – DOI: 10.1038/s41578-020-00236-1.
5. Edwards P., O'Conner A., Ramulu M. Electron beam additive manufacturing of titanium components: properties and performance // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2013. – Vol. 135, iss. 6. – P. 061016. – DOI: 10.1115/1.4025773.
6. Tavlovich B., Shirizly A., Katz R. EBW and LBW of additive manufactured Ti6Al4V products // Welding Journal. – 2018. – Vol. 97, iss. 6. – P. 179–190. – DOI: 10.29391/2018.97.016.
7. Analisis of the current state of additive welding technologies for manufacturing volume metallic products / S. Peleshenko, V. Korzhyk, O. Voitenko, V. Khaskin, V. Tkachuk // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2017. – Vol. 3/1, iss. 87. – P. 42–52. – DOI: 10.15587/1729-4061.2017.99666.
8. Introduction of ternary alloying element in wire arc additive manufacturing of titanium aluminide intermetallic / J. Wang, Z. Pan, L. Wei, S. He, D. Cuiuri, H. Li // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 27. – P. 236–245. – DOI: 10.1016/j.addma.2019.03.014.
9. Laser wire deposition of a large Ti-6Al-4V space component / N. Chekir, J.J. Sixsmith, R. Tollett, M. Brochu // Welding Journal. – 2019. – Vol. 28, iss. 6. – P. 172–180.
10. Taminger K.M., Hafley R.A. Electron beam freeform Fabrication for cost effective near-net shape manufacturing // NATO/RTO AVT-139 Specialists' Meeting on Cost Effective Manufacture via Net Shape Processing. – Amsterdam, 2006. – P. 16.
11. Особенности структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V при формировании изделий с использованием электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии / Н.Л. Савченко, А.В. Воронцов, В.Р. Утяганова, А.А. Елисеев, В.Е. Рубцов, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 4. – С. 60–71. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-60-71.
12. Development of electron-beam equipment and technology for additive layer-wise wire cladding / V.V. Fedorov, V.A. Klimenov, A.V. Batranin, P. Ranga // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2167. – P. 020097. – DOI: 10.1063/1.5131964.
13. Microstructure and compressive behavior of Ti-6Al-4V alloy built by electron beam free-form fabrication / V.A. Klimenov, V.V. Fedorov, M.S. Slobodyan, N.S. Pushilina, I.L. Strelkova, A.A. Klopotov, A.V. Batranin // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2020. – Vol. 29, iss. 11. – P. 7710–7721. – DOI: 10.1007/s11665-020-05223-9.
14. Simar A., Godet S., Watkins T.R. Highlights of the special issue on metal additive manufacturing // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 143. – P. 1–4. – DOI: 10.1016/j.matchar.2018.06.013.
15. 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 // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 99. – P. 2353–2363. – DOI: 10.1007/s00170-018-2643-0.
16. 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.
17. Microstructural evolution and mechanical properties of maraging steel produced by wire + arc additive manufacture process / X. Xu, S. Ganguly, J. Ding, S. Guo, S. Williams, F. Martina // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 143. – P. 152–162. – DOI: 10.1016/j.matchar.2017.12.002.
18. Особенности химического состава и структурно-фазового состояния, обусловившие снижение коррозионной стойкости деталей из стали 18Cr-10Ni / М.В. Костина, В.И. Криворотов, В.С. Костина, А.Э. Кудрашов, С.О. Мурадян // Извести вузов. Черная металлургия. – 2021. – Т. 64. – С. 217–229. – DOI: 10.17073/0368-0797-2021-3-217-229.
19. Influence of defects on mechanical properties of Ti-6Al-4V components produced by selective laser melting and electron beam melting / H. Gong, K. Rafi, H. Gu, G.D. Janaki Ram, T. Starr, B. Stucker // Materials and Design. – 2015. – Vol. 86. – P. 545–554. – DOI: 10.1016/j.matdes.2015.07.147.
20. Applying nondestructive testing to quality control of additive manufactured parts / N.P. Aleshin, M.V. Grigo’rev, N.A. Shchipakov, M.A. Prilutskii, V.V. Murashov // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2016. – Vol. 52, iss. 10. – P. 600–609. – DOI: 10.1134/S1061830916100028.
21. Nanoindention study of Ti6Al4V alloy nitride by low intensity plasma jet process / F. Barberi, C. Otani, C. Lepienski, W. Urruchi, H. Maciel, G. Petraconi // Vacuum. – 2002. – Vol. 67, iss. 3. – P. 457–461. – DOI: 10.1016/S0042-207X(02)00231-2.
22. Characterization and comparison of materials produced by Electron Beam Melting (EBM) of two different Ti-6Al-4V powder fractions / J. Karlsson, A. Snis, H. Engqvist, J. Lausmaa // Journal of Materials Processing Technology. – 2013. – Vol. 213, iss. 12. – P. 2109–2118. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2013.06.010.
23. Ladany L., Roy L. Mechanical behavior of Ti-6Al-4V manufactured by electron beam additive fabrication // ASME 2013 International Manufacturing Science and Engineering Conference. – Madison,WI, 2013. – DOI: 10.1115/MSEC2013-1105.
24. Metallurgy of a Ti-Au alloy synthesized by controlled electric resistance fusion / V. Klimenov, M. Slobodyan, Yu. Ivanov, A. Kiselev, S. Matrenin // Intermetallics. – 2020. – Vol. 127. – P. 106968. – DOI: 10.1016/j.intermet.2020.106968.
25. Lee B.J. A thermodynamic evaluation of the Fe-Cr-Ni system // Journal of the Korean Institute of Metals and Materials. – 1993. – Vol. 31, iss. 4. – P. 480–489.
Финансирование:
Работа выполнена в рамках программы развития ТПУ.
Благодарности:
Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов».
Структурные и механические свойства нержавеющей стали, сформированной в условиях послойного сплавления проволоки электронным лучом / В.В. Фёдоров, А.В. Рыгин, В.А. Клименов, Н.В. Мартюшев, А.А. Клопотов, И.Л. Стрелкова, С.В. Матрёнин, А.В. Батранин, В.Н. Дерюшева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 4. – С. 111–124. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-111-124.
Fedorov V.V., Rygin A.V., Klimenov V.A., Martyushev N.V., Klopotov A.A., Strelkova I.L., Matrenin S.V., Batranin A.V., Deryusheva V.N. Structural and mechanical properties of stainless steel formed under conditions of layer-by-layer fusion of a wire by an electron beam. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2021, vol. 23, no. 4, pp. 111–124. DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-111-124. (In Russian).
