ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В настоящее время для аддитивного производства разрабатываются новые порошковые системы на основе алюминия. Работы ученых направлены на всесторонние исследования получения порошков, оптимизацию условий для получения сплава и формирования трехмерных образцов с минимальной пористостью и отсутствием растрескивания в процессе селективного лазерного плавления. Целью данной работы является синтез композитного порошка околосферической формы AlSiMg (Al – 91 масс.%, Si – 8 масс.%, Mg – 1 масс.%) из порошков алюминия ПА-4 (ГОСТ 6058–22), кремния (ГОСТ 2169–69) и магния МПФ-4 (ГОСТ 6001–79), изначально не предназначенных для технологии селективного лазерного плавления, и оптимизация режимов селективного лазерного плавления для получения сплава и формирования трехмерных образцов с минимальной пористостью и отсутствием растрескивания. Для создания порошковой композиции методом ситового анализа были отобраны порошки размером от 20 до 64 мкм и подвержены механическому перемешиванию в шаровой мельнице в защитной среде аргона в течение одного часа. Методами исследования являются методы рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии, а также механические испытания микротвердости. Исследования порошковой композиции после механического перемешивания показали, что смешанный порошок алюминия, кремния и магния представляет собой конгломераты из сферических частиц овальной и неправильной формы. Результаты и обсуждения. Оптимальными режимами для получения образца с минимальной пористостью 0,03 % и микротвердостью 1291 МПа являются режимы селективного лазерного плавления: P = 90 Вт, V = 225 мм/с, S = 0,08 мм, h = 0,025 мм. Проведенное исследование показывает возможность синтеза изделий из металлических порошков, не приспособленных к обработке методом селективного лазерного плавления, и получения сплава с новыми механическими свойствами в процессе лазерного воздействия.

1. Bandyopadhyay A., Heer B. Additive manufacturing of multi-material structures // Materials Science and Engineering: R. – 2018. – Vol. 129. – P. 1–16. – DOI: 10.1016/j.mser.2018.04.001.

2. 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.

3. Effect of compositional changes on microstructure in additively manufactured aluminum alloy 2139 / C.A. Brice, W.A. Tayon, J.A. Newman, M.V. Kral, C. Bishop, A. Sokolova // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 143. – P. 50–58. – DOI: 10.1016/j.matchar.2018.04.002.

4. Foteinopoulos P., Papacharalampopoulos A., Stavropoulos P. On thermal modeling of additive manufacturing processes // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2018. – Vol. 20. – P. 66–83. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2017.09.007.

5. Influence of thermal treatment duration on structure and phase composition of additive Co-Cr-Mo alloy samples / M.A. Khimich, E.A. Ibragimov, A.I. Tolmachev, N.A. Saprykina, A.A. Saprykin, Y.P. Sharkeev // Letters on Materials. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 43–48. – DOI: 10.22226/2410-3535-2022-1-43-48.

6. The mechanism of forming coagulated particles in selective laser melting of cobalt-chromium-molybdenum powder / А.А. Saprykin, Y.P. Sharkeev, N.А. Saprykina, E.A. Ibragimov // Key Engineering Materials. – 2020. – Vol. 839. – P. 79–85. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.839.79.

7. Effects of process conditions on the mechanical behavior of aluminum wrought alloy EN AW-2219 (AlCu6Mn) additively manufactured by laser beam melting in powder bed / M.C.H. Karg, B. Ahuja, S. Wiesenmayer, S.V. Kuryntsev, M. Schmidt // Micromachines. – 2017. – Vol. 8 (1). – P. 11. – DOI: 10.3390/mi8010023.

8. Influence of scanning strategies on processing of aluminum alloy EN AW 2618 using selective laser melting / D. Koutny, D. Palousek, L. Pantelejev, C. Hoeller, R. Pichler, L. Tesicky, J. Kaiser // Materials. – 2018. – Vol. 11 (2). – P. 298. – DOI: 10.3390/ma11020298.

9. Fatigue crack growth behavior and mechanical properties of additively processed EN AW-7075 aluminum alloy / W. Reschetnik, J.P. Brüggemann, M.E. Aydinöz, O. Grydin, K.P. Hoyer, G. Kullmer, H.A. Richard // Procedia Structural Integrity. – 2016. – Vol. 2. – P. 3040–3048. – DOI: 10.1016/j.prostr.2016.06.380.

10. 3D printing of high-strength aluminum alloys / J.H. Martin, B.D. Yahata, J.M. Hundley, J.A. Mayer, T. Schaedler, T.M. Pollock // Nature. – 2017. – Vol. 549. – P. 365–369. – DOI: 10.1038/nature23894.

11. Microstructure and mechanical properties of 7075 alloy with additional Si fabricated by selective laser melting / Y. Otani, Y. Kusaki, K. Itagaki, S. Sasaki // Materials Transactions. – 2019. – Vol. 60 (10). – P. 2143–2150. – DOI: 10.2320/matertrans.Y-M2019837.

12. Effect of solidification processing parameters and silicon content on the dendritic spacing and hardness in hypoeutectic Al-Si alloys / R.C. Sales, P. Felipe, K.G. Paradela, W.J.L. Garcao, A.F. Ferreira // Materials Research. – 2018. – Vol. 21 (6). – P. 8. – DOI: 10.1590/1980-5373-mr-2018-0333.

13. Smith P., Cowie J., Weritz J. Registration system for aluminum alloys used in additive manufacturing // Light Metal Age. – 2019. – Vol. 77 (4). – P. 72–75.

14. Metal powders in additive manufacturing: a review on reusability and recyclability of common titanium, nickel and aluminum alloys / P. Moghimian, T. Poirié, M. Habibnejad-Korayem, J.A. Zavala, J. Kroeger, F. Marion, F. Larouche // Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 43. – P. 102017. – DOI: 10.1016/j.addma.2021.102017.

15. 3D printing of aluminium alloys: additive manufacturing of aluminium 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. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2019.100578.

16. Influence of gas flow speed on laser plume attenuation and powder bed particle pickup in laser powder bed fusion / H. Shen, P. Rometsch, X. Wu, A. Huang // Materials Science & Engineering. – 2020. – Vol. 72. – P. 1039–1051. – DOI: 10.1007/s11837-020-04020-y.

17. Laser-based additive manufacturing of metal parts: modeling, optimization, and control of mechanical properties / ed. by L. Bian, N. Shamsaei, J.M. Usher. – Boca Raton: CRC Press, 2017. – 328 p. – (Advanced and Additive Manufacturing Series). – ISBN 9781498739986.

18. Selective laser melting of aluminum alloys / N.T. Aboulkhair, N.M. Everitt, I. Maskery, I. Ashcroft, C. Tuck // MRS Bulletin. – 2017. – Vol. 42. – P. 311–319. – DOI: 10.1557/mrs.2017.63.

19. Fine-structured aluminium products with controllable texture by selective laser melting of pre-alloyed AlSi10Mg powder / L. Thijs, K. Kempen, J.P. Kruth, J. Van Humbeeck // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61. – P. 1809–1819. – DOI: 10.1016/j.actamat.2012.11.052.

20. 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.

21. Review of selective laser melting: materials and applications / C.Y. Yap, C.K. Chua, Z.L. Dong, Z.H. Liu, D.Q. Zhang, L.E. Loh, S.L. Sing // Applied Physics Reviews. – 2015. – Vol. 2 (4). – P. 041101. – DOI: 10.1063/1.4935926.

22. Selective laser melting of a novel Sc and Zr modified Al-6.2 Mg alloy: processing, microstructure, and properties / R. Li, M. Wang, T. Yuan, B. Song, C. Chen, K. Zhou, P. Cao // Powder Technology. – 2017. – Vol. 319. – P. 117–128. – DOI: 10.1016/j.powtec.2017.06.050.

23. Investigation on selective laser melting AlSi10Mg cellular lattice strut: molten pool morphology, surface roughness and dimensional accuracy / X. Han, H. Zhu, X. Nie, G. Wang, X. Zeng // Materials (Basel). – 2018. – Vol. 11. – P. 392. – DOI: 10.3390/ma11030392.

24. A review of selective laser melting of aluminum alloys: processing, microstructure, property and developing trends / J. Zhang, B. Song, Q. Wei, D. Bourell, Y. Shi // Journal of Materials Science & Technology. – 2019. – Vol. 35. – P. 270–284. – DOI: 10.1016/j.jmst.2018.09.004.

25. Selective laser melting of AlSi10Mg alloy: process optimisation and mechanical properties development / N. Read, W. Wang, K. Essa, M.M. Attallah // Materials & Design. – 2015. – Vol. 65. – P. 417–424. – DOI: 10.1016/j.matdes.2014.09.044.