ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Развитие аддитивных технологий направлено на синтез новых порошковых композиций для установок селективного лазерного плавления и исследование влияния параметров режима на стабильное качество изделий. Целью данной работы является изучение влияния стратегии сканирования на микроструктуру, элементный состав, пористость и плотность образцов, полученных методом селективного лазерного плавления из порошков несферической формы (Al 91 масс. %, Si 8 масс. %, Mg 1 масс. %), подвергнутых специальной подготовке для определения оптимальных условий селективного лазерного плавления. Методами исследования являются рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ, а также просвечивающая электронная микроскопия. В работе исследованы образцы, сформированные на четырех разных стратегиях сканирования. Результаты и обсуждения. Разработан перспективный алюминиевый сплав AlSi8Mg для селективного лазерного плавления. Материал имеет хорошую технологичность и низкую стоимость порошка. Технологические параметры плавления позволяют сформировать тонкую структуру с низким уровнем пористости. Исследован механизм влияния стратегии сканирования на пористость, морфологию поверхности, относительную плотность и микроструктуру. Образец из порошковой композиции AlSi8Mg с высокой относительной плотностью 99,97 % был изготовлен методом селективного лазерного плавления с плотностью энергии 200 Дж/мм3 со стратегией сканирования образца, когда направление движения лазера меняется на угол 90° каждый нечетный слой. Доказано, что плотность сплава AlSiMg зависит от применяемой стратегии сканирования. Расчетная плотность образца составила 2,5 г/см3, что соответствует плотности силумина. Анализ РЭМ-изображений и карт распределения элементов (Al, Mg, Si) образцов показал, что разные стратегии получения образцов не влияют на характер распределения кремния. В готовом сплаве AlSi8Mg наблюдается уникальная зеренная структура. Ванна расплава состоит из мелких зерен на границе и крупных зерен в центре. Образование мелких зерен объясняется добавлением Si и высокой скоростью охлаждения во время селективного лазерного плавления.
Сапрыкина Наталья Анатольевна
Сапрыкин Александр Александрович
Шаркеев Юрий Петрович
Ибрагимов Егор Артурович
1. Oliveira J.P., LaLonde A.D., Ma J. Processing parameters in laser powder bed fusion metal additive manufacturing // Materials and Design. – 2020. – Vol. 193. – P. 108762. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108762.
2. Fabrication of titanium alloy frameworks for complete dentures by selective laser melting / M. Kanazawa, M. Iwaki, S. Minakuchi, N. Naoyuki // Journal of Prosthetic Dentistry. – 2014. – Vol. 112 (6). – P. 1441–1447. – DOI: 10.1016/j.prosdent.2014.06.017.
3. A review of laser powder bed fusion additive manufacturing of aluminium alloys: microstructure and properties / H.R. Kotadia, G. Gibbons, A. Das, P.D. Howes // Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 46. – P. 102155. – DOI: 10.1016/j.addma.2021.102155.
4. Making selective-laser-melted high-strength Al-Mg-Sc-Zr alloy tough via ultrafine and heterogeneous microstructure / Z.H. Wang, X. Lin, N. Kang, Y.F. Wang, X.B. Yu, H. Tan, H.O. Yang, W.D. Huang // Scripta Materialia. – 2021. – Vol. 203. – P. 114052. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2021.114052.
5. A high-strength AlSiMg1.4 alloy fabricated by selective laser melting / Y.X. Geng, Y.M. Wang, J.H. Xu, S.B. Mi, S.M. Fan, Y.K. Xiao, Y. Wu, J.H. Luan // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 867. – P. 159103. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.159103.
6. A novel crack-free Ti-modified Al-Cu-Mg alloy designed for selective laser melting / J.L. Zhang, J.B. Gao, B. Song, L.J. Zhang, C.J. Han, C. Cai, K. Zhou, Y.S. Shi // Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 38. – P. 101829. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101829.
7. Effect of Al2Ca addition and heat treatment on the microstructure modification and tensile properties of hypoeutectic Al–Mg–Si alloys / A.W. Shah, S. Ha, B. Kim, Y. Yoon, H. Lim, S.K. Kim // Materials. – 2021. – Vol. 14. – P. 4588. – DOI: 10.3390/ma14164588.
8. Nanoscale periodic gradients generated by laser powder bed fusion of an AlSi10Mg alloy / W. Lefebvre, G. Rose, P. Delroisse, E. Baustert, F. Cuvilly, A. Simar // Materials and Design. – 2021. – Vol. 97. – P. 109264. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109264.
9. Intensive processing optimization for achieving strong and ductile Al-Mn-Mg-Sc-Zr alloy produced by selective laser melting / D. Bayoumy, D. Schliephake, S. Dietrich, X.H. Wu, Y.M. Zhu, A.J. Huang // Materials and Design. – 2021. – Vol. 198. – P. 109317. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109317.
10. Multiple precipitation pathways in an Al-7Si-0.6Mg alloy fabricated by selective laser melting / J.H. Rao, Y. Zhang, K. Zhang, A. Huang, C.H.J. Davies, X. Wu // Scripta Materialia. – 2019. – Vol. 160. – P. 66–69. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.09.045.
11. Zhang H., Gu D., Dai D. Laser printing path and its influence on molten pool configuration, microstructure and mechanical properties of laser powder bed fusion processed rare earth element modified Al-Mg alloy // Virtual and Physical Prototyping2022.17P. 308–328DOI: 10.1080/17452759.2022.2036530.
12. Bhattacharjee R., Datta S., Biswas P. Thermomechanical and material flow analysis during friction stir welding of marine grade aluminum alloy 5083 // Journal of Ship Production and Design.2023.39 (1).1–24. DOI: 10.5957/jspd.02220010.
13. Fundamentals of radiation heat transfer in AlSi10Mg powder bed during selective laser melting / P. Wei, Z. Wei, Z. Chen, J. Du, Y. He, J. Li // Rapid Prototyping Journal.2019.25 (9).1506–1515.DOI: 10.1108/rpj-11-2016-0189.
14. Effect of TiB2 particles on microstructure and crystallographic texture of Al-12Si fabricated by selective laser melting / L. Xi, P. Wang, K.G. Prashanth, H. Li, H.V. Prykhodko, S. Scudino, I. Kaban // Journal of Alloys and Compounds.2019. Vol. 786. P. 551–556. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.01.327.
15. Effects of substrate surface treatments on hybrid manufacturing of AlSi7Mg using die casting and selective laser melting / H. Fan, A. Witvrouw, F. Wolf-Monheim, R. Souschek, S. Yang // Journal of Materials Science and Technology. 2023. Vol. 156. P. 142–156. DOI: 10.1016/j.jmst.2023.02.009.
16. The effect of selective laser melting process parameters on the microstructure and mechanical properties of Al6061 and AlSi10Mg alloys / A.H. Maamoun, Y.F. Xue, M.A. Elbestawi, S.C. Veldhuis // Materials. – 2018. – Vol. 12 (1). – P. 12. – DOI: 10.3390/ma12010012.
17. 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. 100578. – DOI: 10.1016/j.pmatsci.2019.100578.
18. A high-strength AlSiMg1.4 alloy fabricated by selective laser melting / Y.X. Geng, Y.M. Wang, J.H. Xu, S.B. Mi, S.M. Fan, Y.K. Xiao, Y. Wu, J.H.Luan // Journal of Alloys and Compounds. 2021. Vol. 867. 159103. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.159103.
19. Microstructure and strength of selectively laser melted AlSi10Mg / J. Wu, X.Q. Wang, W. Wang, M.M. Attallah, M.H. Loretto // Acta Materialia. 2016. 117. P. 311–320. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.07.012.
20. Influence of powder characteristics on processability of AlSi12 alloy fabricated by selective laser melting / R. Baitimerov, P. Lykov, D. Zherebtsov, L. Radionova, A. Shultc, K. Prashanth // Materials. – 2018. – Vol. 11. – P. 742. – DOI: 10.3390/ma11050742.
21. DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-151-164.
22. Оптимизация режимов селективного лазерного плавления порошковой композиции системы AlSiMg / Н.А. Сапрыкина, В.В. Чебодаева, А.А. Сапрыкин, Ю.П. Шаркеев, Е.А. Ибрагимов, Т.С. Гусева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 1. – С. 22–37. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-22-37.
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, к.т.н. В.В. Чебодаевой, И.А. Глухову за помощь в проведении исследований. В работе применялось оборудование ЦКП НМНТ ТПУ.
Влияние технологических параметров на микроструктуру и свойства сплава AlSiMg, полученного методом селективного лазерного плавления / Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А. // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 3. – С. 192–207. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-192-207.
Saprykina N.А., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А. The e?ect of technological parameters on the microstructure and properties of the AlSiMg alloy obtained by selective laser melting. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2024, vol. 26, no. 3, pp. 192–207. DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.3-192-207. (In Russian).
