ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Метод селективного лазерного плавления порошков металлов позволяет изготавливать детали любой формы, что недоступно традиционным технологиям. Главными недостатками метода являются высокая шероховатость поверхности, обусловленная разбрызгиванием металла, сфероидизацией, частичным оплавлением и прилипанием порошка, а также сложности с финишной обработкой сложнопрофильных участков поверхности. Одним из эффективных способов, позволяющих производить обработку таких изделий, является применение ультразвуковых жидкостных технологий, где рабочими телами служат кавитационные пузырьки, проникающие в любые участки поверхности и совершающие там работу. Цель работы: определение влияния различных видов ультразвуковой обработки на свойства поверхности, полученной методом селективного лазерного плавления, путём проведения сравнительных испытаний. В работе исследованы образцы из титанового сплава Ti6Al4V, изготовленные методом селективного лазерного плавления на станке EOS M280. Методика исследований. Для ультразвуковой обработки применялась стержневая магнитострикционная колебательная система, торец излучателя которой располагался на расстоянии 20 мм от боковой поверхности образца. В качестве жидкой среды использовался травильный раствор (3% HF + 5 % HNO3 + H₂O) для удаления оксидной плёнки, препятствующей воздействию кавитации. Проводилась кавитационно-эрозионная обработка (КЭО), кавитационно-абразивная обработка (КАО), а также дополнительно проводилось ультразвуковое поверхностно-пластическое деформирование (ППД). У всех образцов после обработки оценивалось состояние поверхности, шероховатость и субмикрогеометрия, у образцов после ППД дополнительно исследовалась микроструктура. Результаты и обсуждение. Методом высокоскоростной съёмки проведено сравнение основных механизмов воздействия на поверхность при КЭО и КАО. Так, при КЭО это схлопывающиеся и пульсирующие кавитационные кластеры, располагающиеся в местах наибольших выступов и впадин поверхности, а при КАО к ним добавляется микрорежущее действие абразивных частиц, которые воспринимают ударные волны, возникающие при схлопывании пузырьков, ударяются о поверхность, совершают колебательные, вращательные и продольные движения. В результате сравнения динамики изменения состояния поверхности установлено, что КЭО позволяет полностью удалить дефекты поверхности до дорожек расплава; при КАО часть дефектов поверхности удаляется, а оставшиеся деформируются; при ультразвуковом ППД сферические дефекты сминаются, образуя большие плоские участки. Все виды ультразвуковой обработки снижают шероховатость поверхности: при КЭО Ra снижается на 33 %, при КАО – на 43 %, при ультразвуковом ППД – на 52%, но при этом Rmax меньше всего при КАО. Микроструктура после ППД характеризуется упрочнённым слоем глубиной примерно 100 мкм и увеличением микротвёрдости до 35 %. При этом после ППД в поверхностном слое образуются дефекты в виде трещин, частично деформированных сфер и заметно наличие необработанных глубоких впадин поверхностей, что значительно снижает эксплуатационные свойства, поэтому перед ППД целесообразно проводить КЭО или КАО для удаления дефектов поверхности.

1. A review of post-processing technologies in additive manufacturing / X. Peng, L. Kong, J.Y.H. Fuh, H. Wang // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2021. – Vol. 5 (2). – P. 38. – DOI: 10.3390/jmmp5020038.

2. Сундуков С.К. Ультразвуковые технологии в процессах получения неразъемных соединений. – М.: Техполиграфцентр, 2023. – 269 с. – ISBN 978-5-94385-209-1.

3. Григорьев С.Н., Тарасова Т.В. Возможности технологии аддитивного производства для изготовления сложнопрофильных деталей и получения функциональных покрытий из металлических порошков // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2015. – № 10 (724). – С. 5–10.

4. Possibilities of additive technologies for the manufacturing of tooling from corrosion-resistant steels in order to protect parts surfaces from thermochemical treatment / A. Metel, T. Tarasova, E. Gutsaliuk, R. Khmyrov, S. Egorov, S. Grigoriev // Metals. – 2021. – Vol. 11 (10). – P. 1551. – DOI: 10.3390/met11101551.

5. Current surface issues in additive manufacturing / J. Magnien, P. Cosemans, N. Nutal, T. Kairet // Plasma Processes and Polymers. – 2020. – Vol. 17 (1). – P. 1900154. – DOI: 10.1002/ppap.201900154.

6. Tarasova T.V., Nazarov A.P., Prokof'ev M.V. Effect of the regimes of selective laser melting on the structure and physicomechanical properties of cobalt-base superalloys // The Physics of Metals and Metallography. – 2015. – Vol. 116 (6). – P. 601–605. – DOI: 10.1134/S0031918X15060101.

7. Ultrasonic methods for improving object surface quality prepared by corrosion-resistant steel powder selective laser melting / V.A. Aleksandrov, D.S. Fatyukhin, S.K. Sundukov, A.A. Filatova // Metal Science and Heat Treatment. – 2018. – Vol. 60 (5–6). – P. 381–386. – DOI: 10.1007/s11041-018-0287-1.

8. Перспективы применения ультразвуковых технологий в аддитивном производстве / С.Г. Конов, Д.В. Котобан, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2015. – № 9 (51). – С. 28–34.

9. Tang C., Tan J.L., Wong C.H. A numerical investigation on the physical mechanisms of single track defects in selective laser melting // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 126. – P. 957–968. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.073.

10. Zhang B., Li Y., Bai Q. Defect formation mechanisms in selective laser melting: a review // Chinese Journal of Mechanical Engineering. – 2017. – Vol. 30. – P. 515–527. – DOI: 10.1007/s10033-017-0121-5.

11. On morphological surface features of the parts printed by selective laser melting (SLM) / M.H. Nasab, D. Gastaldi, N. Lecis, M. Vedani // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 24. – P. 373–377. – DOI: 10.1016/j.addma.2018.10.011.

12. Selective laser melting of Ti6Al4V alloy: process parameters, defects and post-treatments / A.K. Singla, M. Banerjee, A. Sharma, J. Singh, A. Bansal, M.K. Gupta, N. Khanna, A.S. Shahi, D.K. Goyal // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 64. – P. 161–187. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.01.009.

13. Evolution mechanism of surface morphology and internal hole defect of 18Ni300 maraging steel fabricated by selective laser melting / Y. Bai, C. Zhao, D. Wang, H. Wang // Journal of Materials Processing Technology. – 2022. – Vol. 299. – P. 117328. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117328.

14. Surface characteristics enhancement and morphology evolution of selective-laser-melting (SLM) fabricated stainless steel 316L by laser polishing / C. Li, D. Liu, G. Liu, Sh. Liu, X. Jin, Y. Bai // Optics & Laser Technology. – 2023. – Vol. 162. – P. 109246. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2023.109246.

15. Effect of high layer thickness on surface quality and defect behavior of Ti-6Al-4V fabricated by selective laser melting / X. Shi, C. Yan, W. Feng, Y. Zhang, Z. Leng // Optics & Laser Technology. – 2020. – Vol. 132. – P. 106471. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106471.

16. Giorleo L., Ceretti E., Giardini C. Ti surface laser polishing: effect of laser path and assist gas // Procedia CIRP. – 2015. – Vol. 33. – P. 446–451. – DOI: 10.1016/j.procir.2015.06.102.

17. The effects of Hot Isostatic Pressing on parts fabricated by binder jetting additive manufacturing / A.Y. Kumar, Y. Bai, A. Eklund, C.B. Williams // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 24. – P. 115–124. – DOI: 10.1016/j.addma.2018.09.021.

18. Effect of Hot Isostatic Pressure treatment on the Electron-Beam Melted Ti-6Al-4V specimens / V. Popov, A. Katz-Demyanetz, A. Garkun, G. Muller, E. Strokin, H. Rosenson // Procedia Manufacturing. – 2018. – Vol. 21. – P. 125–132. – DOI: 10.1016/j.promfg.2018.02.102.

19. Chemical polishing of scaffolds made of Ti-6Al-7Nb alloy by additive manufacturing / E. Lyczkowska, P. Szymczyk, B. Dybala, E. Chlebus // Archives of Civil and Mechanical Engineering. – 2014. – Vol. 14 (4). – P. 586–594. – DOI: 10.1016/j.acme.2014.03.001.

20. Electrochemical polishing of selective laser melted Inconel 718 / S. Jain, M. Corliss, B. Tai, W.N. Hung // Procedia Manufacturing. – 2019. – Vol. 34. – P. 239–246. – DOI: 10.1016/j.promfg.2019.06.145.

21. Surface roughness reduction of additive manufactured products by applying a functional coating using ultrasonic spray coating / S. Slegers, M. Linzas, J. Drijkoningen, J. D’Haen, N.K. Reddy, W. Deferme // Coatings. – 2017. – Vol. 7. – P. 208. – DOI: 10.3390/coatings7120208.

22. Severe plastic deformation as a processing tool for strengthening of additive manufactured alloys / A. Hosseinzadeh, A. Radi, J. Richter, T. Wegener, S.V. Sajadifar, T. Niendorf, G.G. Yapici // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 68 (2). – P. 788–795. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.05.070.

23. Additive manufacturing with ultrasound / R.I. Nigmetzyanov, S.K. Sundukov, D.S. Fatyukhin, V.V. Grib, S.K. Kartsov // Russian Engineering Research. – 2017. – Vol. 37 (12). – P. 1070–1073. – DOI: 10.3103/S1068798X17120140.

24. Sundukov S.K. Ultrasonic vibration mechanism in making permanent joints // Steel in Translation. – 2024. – Vol. 54 (1). – P. 10–15. – DOI: 10.3103/S0967091224700190.

25. Effect of cavitation erosion wear, vibration tumbling, and heat treatment on additively manufactured surface quality and properties / S.N. Grigoriev, A.S. Metel, T.V. Tarasova, A.A. Filatova, S.K. Sundukov, M.A. Volosova, A.A. Okunkova, Y.A. Melnik, P.A. Podrabinnik // Metals. – 2020. – Vol. 10 (11). – P. 1540. – DOI: 10.3390/met10111540.

26. Influence of postprocessing on wear resistance of aerospace steel parts produced by laser powder bed fusion / A.S. Metel, S.N. Grigoriev, T.V. Tarasova, A.A. Filatova, S.K. Sundukov, M.A. Volosova, A.A. Okunkova, Y.A. Melnik, P.A. Podrabinnik // Technologies. – 2020. – Vol. 8 (4). – P. 73. – DOI: 10.3390/technologies8040073.

27. Tan K.L., Yeo S.H. Surface modification of additive manufactured components by ultrasonic cavitation abrasive finishing // Wear. – 2017. – Vol. 378–379. – P. 90–95. – DOI: 10.1016/j.wear.2017.02.030.

28. Tan K.L., Yeo S.H. Surface finishing on IN625 additively manufactured surfaces by combined ultrasonic cavitation and abrasion // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 31. – P. 100938. – DOI: 10.1016/j.addma.2019.100938.

29. Wang J., Zhu J., Liew P.J. Material removal in ultrasonic abrasive polishing of additive manufactured components // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (24). – P. 5359. – DOI: 10.3390/app9245359.

30. Tan W.X., Tan K.W., Tan K.L. Developing high intensity ultrasonic cleaning (HIUC) for post-processing additively manufactured metal components // Ultrasonics. – 2022. – Vol. 126. – P. 106829. – DOI: 10.1016/j.ultras.2022.106829.

31. Goh K.W.S., Tan K.L., Yeo S.H. Hybrid ultrasonic cavitation abrasive peening and electrochemical polishing on additively manufactured AlSi10Mg components // Proceedings of the 3rd International Conference on Advanced Surface Enhancement (INCASE) 2023. – Singapore: Springer, 2023. – P. 59–66. – DOI: 10.1007/978-981-99-8643-9_7.

32. Sun M., Toyserkani E. A novel hybrid ultrasound abrasive-driven electrochemical surface finishing technique for additively manufactured Ti6Al4V parts // Inventions. – 2024. – Vol. 9 (2). – P. 45. – DOI: 10.3390/inventions9020045.

33. Wang B., Castellana J., Melkote S.N. A hybrid post-processing method for improving the surface quality of additively manufactured metal parts // CIRP Annals. – 2021. – Vol. 70 (1). – P. 175–178. – DOI: 10.1016/j.cirp.2021.03.010.

34. Effect of electropolishing on ultrasonic cavitation in hybrid post-processing of additively manufactured metal surfaces / J.H. Jeon, N. Panpalia, A. Rashid, S.N. Melkote // Journal of Manufacturing Processes. – 2024. – Vol. 120. – P. 703–711. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.04.092.

35. Rotary ultrasonic-assisted abrasive flow finishing and its fundamental performance in Al6061 machining / Q. Wang, M.S. Vohra, S. Bai, S.H. Yeo // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – Vol. 113. – P. 473–481. – DOI: 10.1007/s00170-021-06666-7.

36. Nagalingam A.P., Yuvaraj H.K., Yeo S.H. Synergistic effects in hydrodynamic cavitation abrasive finishing for internal surface-finish enhancement of additive-manufactured components // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 33. – P. 101110. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101110.

37. Nagalingam A.P., Yeo S.H. Controlled hydrodynamic cavitation erosion with abrasive particles for internal surface modification of additive manufactured components // Wear. – 2018. – Vol. 414. – P. 89–100. – DOI: 10.1016/j.wear.2018.08.006.

38. Improving surface finish and wear resistance of additive manufactured nickel-titanium by ultrasonic nano-crystal surface modification / C. Ma, M.T. Andani, H. Qin, N.S. Moghaddam, H. Ibrahim, A. Jahadakbar, A. Amerinatanzi, Z. Ren, H. Zhang, G.L. Doll, Y. Dong, M. Elahinia, C. Ye // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 249. – P. 433–440. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.06.038.

39. Ultrasonic surface post-processing of hot isostatic pressed and heat treated superalloy parts manufactured by laser powder bed fusion / D.A. Lesyk, S. Martinez, B.N. Mordyuk, O.O. Pedash, V.V. Dzhemelinskyi, А. Lamikiz // Additive Manufacturing Letters. – 2022. – Vol. 3. – P. 100063. – DOI: 10.1016/j.addlet.2022.100063.

40. Effect of electropulsing-assisted ultrasonic nanocrystal surface modification on microstructures and hardness of additive manufactured Inconel 718 / Y. Ye, C. Zhang, L. Gao, L. Peng, G. Liu, Y. Zhang, C. Tang, T. Huang, C. Ye // Engineering Failure Analysis. – 2023. – Vol. 153. – P. 107611. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107611.

41. Surface properties of additively manufactured 316L steel subjected to ultrasonic rolling / Q. Xu, Z. Qiu, D. Jiang, G. Cai, X. Yang, J. Liu, G. Li // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 34 (2). – P. 1733–1742. – DOI: 10.1007/s11665-024-09173-4.

42. Amanov A., Karimbaev R.M. Effect of ultrasonic nanocrystal surface modification temperature: microstructural evolution, mechanical properties and tribological behavior of silicon carbide manufactured by additive manufacturing // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 425. – P. 127688. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127688.

43. Effects of ultrasonic impact treatment on the stress-controlled fatigue performance of additively manufactured DMLS Ti-6Al-4V alloy / P. Walker, S. Malz, E. Trudel, S. Nosir, M.S.A. ElSayed, L. Kok // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (22). – P. 4787. – DOI: 10.3390/app9224787.

44. Superior effects of hybrid laser shock peening and ultrasonic nanocrystalline surface modification on fatigue behavior of additive manufactured AlSi10Mg / E. Maleki, S. Bagherifard, O. Unal, A. Jam, S. Shao, M. Guagliano, N. Shamsaei // Surface and Coatings Technology. – 2023. – Vol. 463. – P. 129512. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129512.

45. Effects of ultrasonic nanocrystal surface modification on the surface integrity, microstructure, and wear resistance of 300M martensitic ultra-high strength steel / W. Zhao, D. Liu, R. Chiang, H. Qin, X. Zhang, H. Zhang, J. Liu, Z. Ren, R. Zhang, G.L. Doll, V.K. Vasudevan, Y. Dong, C. Ye // Journal of Materials Processing Technology. – 2020. – Vol. 285. – P. 116767. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116767.

46. Teramachi A., Yan J. Improving the surface integrity of additive-manufactured metal parts by ultrasonic vibration-assisted burnishing // Journal of Micro and Nano-Manufacturing. – 2019. – Vol. 7 (2) – P. 024501. – DOI: 10.1115/1.4043344.

47. The effect of ultrasonic impact treatment on deformation and fracture of electron beam additive manufactured Ti-6Al-4V under uniaxial tension / A.V. Panin, M.S. Kazachenok, A.I. Dmitriev, A.Y. Nikonov, O.B. Perevalova, L.A. Kazantseva, E.A. Sinyakova, S.A. Martynov // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 832. – P. 142458. – DOI: 10.1016/j.msea.2021.142458.

48. Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Т. 3. Физические основы ультразвуковой технологии. – М.: Наука, 1970. – 689 с.

49. Сундуков С.К. Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 2. – С. 50–66. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-50-66.

50. Приходько В.М. Ультразвуковые технологии при производстве и ремонте автотракторной техники. – М.: Техполиграфцентр, 2000. – 252 с. – ISBN 5-900095-16-9.

51. Comparison of the effects of ultrasonic cavitation on the surfaces of 45 and 40Kh steels / D.S. Fatyukhin, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, A.V. Sukhov, S.K. Sundukov // Metals. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 138. – DOI: 10.3390/met12010138.