ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. В настоящее время во всем мире активно развиваются аддитивные технологии, которые находят все более широкое применение в промышленном производстве. Применение электронного пучка в аддитивных процессах направленного ввода энергии, так называемых Directed Energy Deposition (DED) технологиях, имеет ряд преимуществ, основными среди которых являются гибкость управления пространственно-энергетическими характеристиками теплового источника и наличие вакуумной защитной среды. Стандартной схемой осуществления аддитивной электронно-лучевой наплавки является оплавление электронным пучком проволочного присадочного материала, подаваемого сбоку в зону воздействия электронного пучка, однако такая схема аддитивной электронно-лучевой наплавки не обеспечивает равномерность теплового воздействия в наплавляемой области. Наиболее эффективным вариантом при электронно-лучевой наплавке является вертикальная подача проволоки, обеспечивающая наиболее стабильное формирование ванны жидкого металла и соответственно наплавленных валиков. При этом до настоящего времени отсутствуют результаты численного анализа этого процесса с целью определения основных его закономерностей. Цель работы: проведение численных экспериментов для качественного анализа и определения закономерностей формирования наплавляемых валиков и переноса присадочного материала, зависимости геометрических характеристик получаемых валиков от влияния сил давления паров, направления и величины азимутального угла действия источников тепла. Методами исследования являлась серия численных экспериментов, при которых анализировались варианты процесса электронно-лучевой наплавки при расположении вектора скорости наплавки в плоскости действия электронных пучков, и перпендикулярно этой плоскости для определения основных закономерностей формирования наплавляемых валиков и переноса присадочного материала, зависимости геометрических характеристик получаемых валиков от влияния сил давления паров, направления действия источников тепла и азимутального угла действия источников тепла. Результаты и обсуждение. Установлено, что геометрические характеристики наплавляемых валиков существенно зависят от взаимного расположения вектора скорости наплавки относительно плоскости действия электронных пучков, а учет силы давления паров оказывает значительное влияние на результаты численного моделирования формирования ванны расплава и протекающих в ней гидродинамических процессов. При этом при расположении вектора скорости наплавки перпендикулярно плоскости действия электронных пучков наблюдается более равномерная геометрия наплавляемых валиков металла, а увеличение азимутального угла действия источников тепла повышает вероятность выплесков на периферию наплавляемого валика, что связано с ограничением движения расплава в продольном направлении силами давления паров.
Пермяков Глеб Львович
Давлятшин Роман Позолович
Беленький Владимир Яковлевич
Трушников Дмитрий Николаевич
Варушкин Степан Владимирович
Панг Шеньон
1. Taminger K.M., Hafley R.A. Electron beam freeform fabrication (EBF3) for cost effective near-net shape manufacturing. – Hampton, VA: National Aeronautics and Space Administration, Langley Research Center, 2006. – (NASA technical memorandum; NASA/TM-2006-214284URL). – URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20060009152 (accessed: 23.06.2022).
2. Patent Application US 2016/0288244 A1. Electron beam layer manufacturing: № 5/180,665: filed 13.06.2016: publ. date 06.10.2016 / Scott Stecker. – 30 p.
3. In-process thermal imaging of the electron beam freeform fabrication process / K.M. Taminger, C.S. Domack, J.N. Zalameda, B.L. Taminger, R.A. Hafley, E.R. Burke // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. – 2016. – Vol. 9861. – P. 986102. – DOI: 10.1117/12.2222439.
4. Fuchs J., Schneider C., Enzinger N. Wire-based additive manufacturing using an electron beam as heat source // Welding in the World. – 2018. – Vol. 62. – P. 267–275. – DOI: 10.1007/s40194-017-0537-7.
5. Особенности формирования изделий методом электронно-лучевой наплавки / А.В. Гуденко, А.П. Слива, В.К. Драгунов, А.В. Щербаков // Сварочное производство. – 2018. – № 8. – C. 12–19.
6. Effect of surface treatments on electron beam freeform fabricated aluminum structures / K.M. Taminger, R.A. Hafley, D.T. Fahringer, R.E. Martin // 2004 International Solid Freeform Fabrication Symposium. – Austin, TX, 2004. – P. 460–470. – DOI: 10.26153/tsw/7012.
7. AWS C7.1M/C7.1:2013. Recommended practices for electron beam welding and allied processes / American Welding Society (AWS), Committee on High Energy Beam Welding and Cutting. – American Welding Society, 2013. – 150 p. – ISBN 0-87171-721-2.
8. Bird R.K., Atherton T.S. Effect of orientation on tensile properties of Inconel 718 block fabricated with electron beam freeform fabrication (EBF3). – Hampton, VA: National Aeronautics and Space Administration, Langley Research Center, 2010. – (NASA technical memorandum; NASA/TM-2010-216719). – URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20100025706 (accessed: 23.06.2022).
9. Microstructure and mechanical properties of electron beam deposits of AISI 316L stainless steel / L. Wang, S.D. Felicelli, J. Coleman, R. Johnson, K.M.B. Taminger, R.L. Lett // Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. – Denver, Colorado, USA, 2011. – Vol. 3: Design and Manufacturing. – P. 15–21. – DOI: 10.1115/IMECE2011-62445.
10. Ivanchenko V.G., Ivasishin O.M., Semiatin S.L. Evaluation of evaporation losses during electron-beam melting of Ti-Al-V alloys // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2003. – Vol. 34 (6). – P. 911–915. – DOI: 10.1007/s11663-003-0097-7.
11. Research on modeling of heat source for electron beam welding fusion-solidification zone / Y. Wang, P. Fu, Y. Guan, Z. Lu, Y. Wei // Chinese Journal of Aeronautics. – 2013. – Vol. 26 (1). – P. 217–223. – DOI: 10.1016/j.cja.2012.12.023.
12. Chowdhury S., Nirsanametla Y., Muralidhar M. Studies on heat transfer analysis of Ti2AlNb electron beam welds using hybrid volumetric heat source // Proceedings of the International Congress 2017 of the International Institute of Welding, 07–09 December 2017. – Chennai, India, 2017.
13. Modelling of heat and mass transfer for wire-based additive manufacturing using electric arc and concentrated sources of energy / D. Trushnikov, A. Perminov, V. Belenkiy, G. Permyakov, M. Kartashov, E. Matveev, A. Dushina, Y. Schitsyn, S. Pang, K.P. Karunakaran // International Journal of Engineering and Technology. – 2018. – Vol. 7, N 4.38. – P. 741–747. – DOI: 10.14419/ijet.v7i4.38.25777.
14. Mladenov G.M., Koleva E.G., Trushnikov D.N. Mathematical modelling for energy beam additive manufacturing // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1089. – Art. 012001. – DOI: 10.1088/1742-6596/1089/1/012001.
15. Разработка и совершенствование технологий и оборудования для электронно-лучевого выращивания изделий / Д.Н. Трушников, Г.Л. Пермяков, С.В. Варушкин, Р.П. Давлятшин, Ю.В. Баяндин, Ш. Панг // СТИН. – 2021. – № 6. – С. 38–40.
16. Brackbill J., Kothe D. Dynamic modeling of the surface tension // Proceedings of the Third Microgravity Fluid Physics Conference. – Cleveland, OH: NASA Lewis Research Center, 1996. – P. 693–698.
17. Anisimov S.I., Khokhlov V.A. Instabilities in laser-matter interaction. – Boca Raton, FL: CRC Press, 1995. – 141 p. – ISBN 0-8493-8660-8.
18. Weld pool flows during initial stages of keyhole formation in laser welding / J.-H. Cho, D.F. Farson, J.O. Milewski, K.J. Hollis // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2009. – Vol. 42, N 17. – DOI: 10.1088/0022-3727/42/17/175502.
19. Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter and denudation zones / S.A. Khairallah, A.T. Anderson, A. Rubenchik, W.E. King // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 108 (16). – P. 36–45. – DOI: 10.1016/j.actamat.2016.02.014.
20. Fundamental analysis of the influence of powder characteristics in Selective Laser Melting of molybdenum based on a multi-physical simulation model / K.-H. Leitz, C. Grohs, P. Singer, B. Tabernig, A. Plankensteiner, H. Kestler, L.S. Sigl // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2018. – Vol. 72. – P. 1–8. – DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2017.11.034.
21. Страхова Е.А., Ерофеев В.А., Судник В.А. Физико-математическое моделирование процесса широкослойной наплавки с поперечными колебаниями плазмотрона // Сварка и диагностика. – 2009. – № 3. – С. 32–38.
22. Semak V., Matsunawa A. The role of recoil pressure in energy balance during laser materials processing // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1997. – Vol. 30, N 18. – P. 2541–2552.
Финансирование:
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Пермского края (соглашение С-26/508 от 09.03.2021 г.) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание № FSNM-2021-0011 и № FSNM-2020-0028).
Благодарности:
Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034).
Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала / Г.Л. Пермяков, Р.П. Давлятшин, В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников, С.В. Варушкин, П. Шеньон // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 6–21. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-6-21.
Permyakov G.L., Davlyatshin R.P., Belenkiy V.Y., Trushnikov D.N., Varushkin S.V., Pang S. Numerical analysis of the process of electron beam additive deposition with vertical feed of wire material. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2022, vol. 24, no. 3, pp. 6–21. DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-6-21. (In Russian).
