ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Технология селективного лазерного плавления является одной из ключевых технологий в Индустрии 4.0, которая позволяет изготовить изделия любой сложной геометрической формы, значительно снизить количество применяемого материала, сократить время выполнения заказа и получить новый сплав из элементарных порошков в процессе плавления. Для понимания процесса образования сплава при лазерном воздействии необходимо знать исходные данные порошков, которые существенно влияют на качество получаемых изделий. Целью данного исследования является определение требований к структурно-фазовому состоянию, элементному составу порошков алюминия, кремния и магния и дальнейшей подготовки смеси порошковой композиции Al-Si-Mg (Al – 91 масс.%, Si – 8 масс. %, Mg – 1 масс. %) для лазерного синтеза. Методами рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа проведены исследования исходных порошков алюминия ПА-4 ГОСТ 6058–73, кремния ГОСТ 2169–69 и магния МПФ-4 ГОСТ 6001–79 и порошковой композиции Al-Si-Mg. Исследованиями растровых электронных изображений определены форма и размеры частиц. Методом селективного лазерного плавления из порошковой композиции получены образцы при постоянном и импульсном воздействии лазера. Композиция подготовлена посредством перемешивания порошков в шаровой мельнице Результаты и обсуждение. Исследования показали, что исходные порошки алюминия, кремния и магния однофазны. Для получения порошковой композиции выбран диапазон размера частиц 20…64 мкм, рекомендованный для селективного лазерного плавления. При перемешивании порошков в течение одного часа были получены частицы сферической формы, которая является предпочтительной для лазерного плавления. Результаты шлифования образцов после лазерного плавления показали, что наибольшая механическая прочность была у образцов, полученных при постоянном воздействии лазера при следующих параметрах режима: P = 80 Вт, V = 300 мм/с, s = 90 мкм, h =25 мкм. Выводы. Описанное исследование показывает возможность синтеза изделий из порошковой композиции алюминия, кремния и магния методом селективного лазерного плавления.
Сапрыкина Наталья Анатольевна
Чебодаева Валентина Вадимовна
Сапрыкин Александр Александрович
Ибрагимов Егор Артурович
Гусева Таисия Сергеевна
1. Khajavi S.H., Partanen J., Hölmstrom J. Additive manufacturing in the spare parts supply chain // Computers in Industry. – 2014. – Vol. 65. – P. 50–63.
2. Post heat treatment of additive manufactured AlSi10Mg: on silicon morphology, texture and small-scale properties / F. Alghamdi, X. Song, A. Hadadzadeh, B. Shalchi-Amirkhiz, M. Mohammadi, M. Haghshenas // Materials Science and Engineering A. – 2020. – Vol. 783. – P. 139296.
3. Yadollahi A., Shamsaei N. Additive manufacturing of fatigue resistant materials: challenges and opportunities // International Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 98. – P. 14–31.
4. Advances in laser additive manufacturing of Ti-Nb alloys: from nanostructured powders to bulk objects / M.A. Khimich, K.A. Prosolov, T. Mishurova, S. Evsevleev, X. Monforte, A.H. Teuschl, P. Slezak, E.A. Ibragimov, A.A. Saprykin, Z.G. Kovalevskaya, A.I. Dmitriev, G. Bruno, Y.P. Sharkeev // Nanomaterials. – 2021. – Vol. 11 (5). – P. 1159.
5. 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.
6. 3D printing of aluminum alloys: additive manufacturing of aluminum alloys using selective laser melting / N.T. Aboulkhair, M. Simonelli, L. Parry, I. Ashcroft, C. Tuck, R. Hague // Progress in Materials Science. – 2019. – Vol. 106. – P. 100578.
7. Fatigue of AlSi10Mg specimens fabricated by additive manufacturing selective laser melting (AM-SLM) / N.E. Uzan, R. Shneck, O. Yeheskel, N. Frage // Materials Science and Engineering A. – 2017. – Vol. 704. – P. 229–237.
8. Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting / N.T. Aboulkhair, N.M. Everitt, I. Ashcroft, C. Tuck // Additive Manufacturing. – 2014. – Vol. 1–4. – P. 77–86.
9. Mechanical behavior and strengthening mechanisms in ultrafine grain precipitation-strengthened aluminum alloy / K. Ma, H. Wen, T. Hu, T.D. Topping, D. Isheim, D.N. Seidman, E.J. Lavernia, J.M. Schoenung // Acta Materialia. – 2014. – Vol. 62. – P. 141–155.
10. Laser powder bed fusion additive manufacturing of metals; physics, computational, and materials challenges / W.E. King, A.T. Anderson, R.M. Ferencz, N.E. Hodge, C. Kamath, S.A. Khairallah // Applied Physics Reviews. – 2015. – Vol. 2 (4). – P. 41304. – DOI: 10.1063/1.4937809.
11. Saprykina N.A., Saprykin A.A., Arkhipova D.A. Influence of shielding gas and mechanical activation of metal powders on the quality of surface sintered layers // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 125 (1). – P. 012016.
12. Comparison of microstructure and mechanical properties of Scalmalloy® produced by selective laser melting and laser metal deposition / M. Awd, J. Tenkamp, M. Hirtler, S. Siddique, M. Bambach, F. Walther // Materials. – 2017. – Vol. 11. – P. 1–17.
13. High power selective laser melting (HPSLM) of aluminum parts / D. Buchbinder, H. Schleifenbaum, S. Heidrich, W. Meiners, J. Bültmann // Physics Procedia. – 2011. – Vol. 12. – P. 271–278.
14. Effect of laser rescanning on the grain microstructure of a selective laser melted Al-Mg-Zr alloy / S. Griffiths, M.D. Rossell, J. Croteau, N.Q. Vo, D.C. Dunand, C. Leinenbach // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 143. – P. 34–42.
15. Lu Z., Zhang L.J. Thermodynamic description of the quaternary Al-Si-Mg-Sc system and its application to the design of novel Sc-additional A356 alloys // Materials and Design. – 2017. – Vol. 116. – P. 427–437.
16. Zhang D. Processing of advanced materials using high-energy mechanical milling // Progress in Materials Science. – 2004. – Vol. 49. – P. 537–560.
17. Gu D., Wang H., Zhang G. Selective laser melting additive manufacturing of Ti-based nanocomposites: the role of nanopowder metal // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2014. – Vol. 45. – P. 464–476.
18. Selective laser melting of the Ti–(40–50) wt.% Nb alloy / Y.P. Sharkeev, A.I. Dmitriev, A.G. Knyazeva, A.Yu. Eroshenko, A.A. Saprykin, M.A. Khimich, E.A. Ibragimov, I.A. Glukhov, A.M. Mairambekova, A.Y. Nikonov // High Temperature Material Processes. – 2017. – Vol. 21 (2). – P. 161–183.
19. Selective laser melting of magnesium / А.А. Saprykin, Y.P. Sharkeev, N.А. Saprykina, E.A. Ibragimov // Key Engineering Materials. – 2020. – Vol. 839. – P. 144–149.
20. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms / D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe // International Materials Reviews. – 2012. – Vol. 57. – P. 133–164. – DOI: 10.1179/1743280411Y.0000000014.
Финансирование:
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-01491, https://rscf.ru/project/22-29-01491
Благодарности:
Авторы выражают благодарность к.т.н. М.А. Химич за помощь в проведении исследований. Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034).
Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления / Н.А. Сапрыкина, В.В. Чебодаева, А.А. Сапрыкин, Ю.П. Шаркеев, Е.А. Ибрагимов, Т.С. Гусева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 151–164. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-151-164.
Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Synthesis of a three-component aluminum-based alloy by selective laser melting. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2022, vol. 24, no. 4, pp. 151–164. DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-151-164. (In Russian).
