ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Аддитивные технологии позволяют сократить затраты на материалы за счет сокращения припусков под окончательную размерную механическую обработку заготовок. Для таких дорогостоящих материалов, как медь и медные сплавы, данный способ является во многом привлекательным с точки зрения повышения ресурсоэффективности при производстве. Эксплуатационные свойства сплава БрКМц 3-1, изготовленного с применением аддитивных технологий, изучены не в полной мере и требуют проведения дополнительных исследований. Целью работы является исследование структурно-фазового состояния, механических и эксплуатационных свойств образцов бронзы БрКМц 3-1, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства. В работе исследованы образцы, изготовленные из проволоки БрКМц 3-1, с разной величиной тепловложения, часть из которых была подвергнута термической и механической обработке, а также образцы, изготовленные с применением мультипроволочной технологии. В работе используются такие методы исследований, как исследование коррозионной стойкости бронзовых образцов с помощью потенциостата, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, испытания на трение и рентгенофазовый анализ. Результаты и обсуждение. Обработка образцов посредством пластической деформации сжатием и последующего отжига привела к наиболее серьезным структурным изменениям. На основе рентгенофазового анализа установлено, что более высокое содержание кремния наблюдается в случае добавки к бронзе силуминов. Исследование механических свойств показало, что наиболее высокими прочностными свойствами обладают образцы, напечатанные с применением мультипроволочной технологии. При проведении трибоиспытаний выявлено колебание величины коэффициента трения, обусловленное схемой проведения эксперимента и комбинированным адгезионно-окислительным механизмом изнашивания образцов. Добавка к бронзе 10 вес.% алюминиевого филамента в процессе аддитивного производства является эффективным средством для повышения устойчивости материала к электрохимической коррозии и повышения его износостойкости.

1. Schütze M., Feser R., Bender R. Corrosion resistance of copper and copper alloys. – Wiley, 2011. – 752 p.

2. Horn T.J., Gamzina D. Additive manufacturing of copper and copper alloys // Additive Manufacturing Processes. – ASM International, 2020. – P. 388–418. – DOI: 10.31399/asm.hb.v24.a0006579.

3. Adler L., Fu Z., Koerner C. Electron beam based additive manufacturing of Fe3Al based iron aluminides – processing window, microstructure and properties // Materials Science and Engineering A. – 2020. – Vol. 785. – P. 139369. – DOI: 10.1016/j.msea.2020.139369.

4. Evaluation of electron beam powder bed fusion additive manufacturing of high purity copper for overhang structures using in-situ real time backscatter electron monitoring / C. Ledford, C. Rock, M. Tung, H. Wang, J. Schroth, T. Horn // Procedia Manufacturing. – 2020. – Vol. 48. – P. 828–838. – DOI: 10.1016/j.promfg.2020.05.120.

5. Obtaining of bimetallic product from nickel superalloy and heat-resistant bronze by wire-feed electron beam additive manufacturing / A.V. Chumaevskii, E.A. Kolubaev, K.S. Osipovich, D.A. GurIanov, V.E. Rubtsov, S.Y. Nikonov, A.E. Boltrushevich // Russian Physics Journal. – 2022. – Vol. 65. – P. 1231–1238. – DOI: 10.1007/s11182-022-02756-5.

6. A novel approach for powder bed-based additive manufacturing of compositionally graded composites / Z. Fu, J. Ye, M. Franke, C. Körner // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 56. – P. 102916. – DOI: 10.1016/j.addma.2022.102916.

7. Characterization of gradient CuAl–B4C composites additively manufactured using a combination of wire-feed and powder-bed electron beam deposition methods / A.V. Filippov, E.S. Khoroshko, N.N. Shamarin, N.L. Savchenko, E.N. Moskvichev, V.R. Utyaganova, E.A. Kolubaev, A.Y. Smolin, S.Y. Tarasov // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 859. – P. 157824. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.157824.

8. Aluminum Bronze/Udimet 500 composites prepared by electron-beam additive double-wire-feed manufacturing / A. Zykova, A. Chumaevskii, A. Panfilov, A. Vorontsov, A. Nikolaeva, K. Osipovich, A. Gusarova, V. Chebodaeva, S. Nikonov, D. Gurianov, A. Filippov, A. Dobrovolsky, E. Kolubaev, S. Tarasov // Materials (Basel). – 2022. – Vol. 15. – P. 6270. – DOI: 10.3390/ma15186270.

9. Small scale testing of IN718 single crystals manufactured by EB-PBF / M.R. Gotterbarm, M. Seifi, D. Melzer, J. Dzugan, A.A. Salem, Z.H. Liu, C. Körner // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 36. – P. 101449. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101449.

10. Electron-optical in-situ crack monitoring during electron beam powder bed fusion of the Ni-base superalloy CMSX-4 / J. Bäreis, N. Semjatov, J. Renner, J. Ye, F. Zongwen, C. Körner // Progress in Additive Manufacturing. – 2022. – DOI: 10.1007/s40964-022-00357-9.

11. Features of the macro-, micro-, and fine structure of the nickel superalloy product material formed by the method of electron beam additive manufacturing / S. Fortuna, D. Gurianov, S. Nikonov, K. Ivanov, Y. Mironov, A. Vorontsov // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 8882. – DOI: 10.3390/ma15248882.

12. Assessment of structure and properties homogeneity after repairing of a nickel-based superalloy product by the electron beam additive technology / D. Gurianov, S. Fortuna, S. Nikonov, T. Kalashnikova, A. Chumaevskii, V. Utyaganova, E. Kolubaev, V. Rubtsov // Crystals. – 2022. – Vol. 12. – P. 1400. – DOI: 10.3390/cryst12101400.

13. Microstructure and properties of TiAl processed via an electron beam powder bed fusion capsule technology / J. Bieske, M. Franke, M. Schloffer, C. Körner // Intermetallics. – 2020. – Vol. 126. – P. 106929. – DOI: 10.1016/j.intermet.2020.106929.

14. In-situ aluminum control for titanium aluminide via electron beam powder bed fusion to realize a dual microstructure / J. Knörlein, M.M. Franke, M. Schloffer, C. Körner // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 59. – P. 103132. – DOI: 10.1016/j.addma.2022.103132.

15. Impact of the power-dependent beam diameter during electron beam additive manufacturing: a case study with γ-TiAl / M. Reith, C. Breuning, M. Franke, C. Körner // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12. – P. 11300. – DOI: 10.3390/app122111300.

16. Electron beam-based additive manufacturing of Fe93.5Si6.5 (Wt.%) soft magnetic material with controllable magnetic performance / J. Yang, Z. Fu, J. Ye, D. Kübrich, C. Körner // Scripta Materialia. – 2022. – Vol. 210. – P. 114460. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2021.114460.

17. Characterization of AA7075/AA5356 gradient transition zone in an electron beam wire-feed additive manufactured sample / V. Utyaganova, A. Filippov, S. Tarasov, N. Shamarin, D. Gurianov, A. Vorontsov, A. Chumaevskii, S. Fortuna, N. Savchenko, V. Rubtsov, E. Kolubaev // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 172. – P. 110867. – DOI: 10.1016/j.matchar.2020.110867.

18. Controlling the porosity using exponential decay heat input regimes during electron beam wire-feed additive manufacturing of Al-Mg alloy / V.R. Utyaganova, A.V. Filippov, N.N. Shamarin, A.V. Vorontsov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, D.A. Gurianov, A.V. Chumaevskii, V.E. Rubtsov, S.Yu. Tarasov // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2020. – Vol. 108. – P. 2823–2838. – DOI: 10.1007/s00170-020-05539-9.

19. Processing, microstructure, and mechanical behavior of AZ31 magnesium alloy fabricated by electron beam additive manufacturing / X. Zhang, H. Shi, X. Wang, S. Zhang, P. Luan, X. Hu, C. Xu // Journal of Alloys and Compounds. – 2023. – Vol. 938. – P. 168567. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.168567.

20. 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.

21. Formation of microstructure and mechanical characteristics in electron beam additive manufacturing of aluminum bronze with an in-situ adjustment of the heat input / A.P. Zykova, A.O. Panfilov, A.V. Chumaevskii, A.V. Vorontsov, S.Yu. Nikonov, E.N. Moskvichev, D.A. Gurianov, N.L. Savchenko, S.Yu. Tarasov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2022. – Vol. 65, iss. 5. – P. 811–817. – DOI: 10.1007/s11182-022-02701-6.

22. The effect of heat input, annealing, and deformation treatment on structure and mechanical properties of electron beam additive manufactured (EBAM) silicon bronze / A. Filippov, N. Shamarin, E. Moskvichev, N. Savchenko, E. Kolubaev, E. Khoroshko, S. Tarasov // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 3209. – DOI: 10.3390/ma15093209.

23. Structure and mechanical properties of Cu–Al–Si–Mn system-based copper alloy obtained by additive manufacturing / E.S. Khoroshko, A.V. Filippov, N.N. Shamarin, E.N. Moskvichev, V.R. Utyaganova, S.Yu. Tarasov, N.L. Savchenko, E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, D.V. Lychagin // Russian Physics Journal. – 2021. – Vol. 64. – P. 333–339. – DOI: 10.1007/s11182-021-02333-2.

24. Casting of copper and copper alloys casting // ASM Handbook. Vol. 15. – ASM International, 2008. – P. 1026–1048.

25. Dynamic and post-dynamic recrystallization under hot, cold and severe plastic deformation conditions / T. Sakai, A. Belyakov, R. Kaibyshev, H. Miura, J.J. Jonas // Progress in Materials Science. – 2014. – Vol. 60. – P. 130–207. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.09.002.

26. Ponweiser N., Richter K.W. New investigation of phase equilibria in the system Al–Cu–Si // Journal of Alloys and Compounds. – 2012. – Vol. 512. – P. 252–263. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.09.076.

27. Iqbal J., Ahmed F., Hasan F. Development of microstructure in silicon-aluminum-bronze // Pakistan Journal of Engineering and Applied Sciences. – 2008. – Vol. 3. – P. 47–53.

28. Miettinen J. Thermodynamic description of the Cu–Al–Si system in the copper-rich corner // Calphad. – 2007. – Vol. 31. – P. 449–456. – DOI: 10.1016/j.calphad.2007.05.001.

29. Hisatsune C. Constitution diagram of the copper–silicon–aluminium system // Memoirs of the College of Engineering, Kyoto Imperial University. – 1935. – Vol. 9. – P. 18–47.

30. Wilson F.H. The copper-rich corner of the copper-aluminum-silicon diagram // Metals Technology. – 1948. – Vol. 15. – P. 1–12.

31. Calorimetric measurements and assessment of the binary Cu–Si and ternary Al–Cu–Si phase diagrams / B. Hallstedt, J. Gröbner, M. Hampl, R. Schmid-Fetzer // Calphad. – 2016. – Vol. 53. – P. 25–38.