ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Проволочное электронно-лучевое аддитивное производство (ЭЛАП) – перспективная технология производства, позволяющая варьировать дизайном интерфейса в композиционных материалах, что затруднительно при использовании традиционных методов. Возможность управления локальными металлургическими процессами в ванне расплава является ключевым преимуществом технологии ЭЛАП. Было изучено влияние переменных параметров ЭЛАП (тип подачи проволок, характеристики развертки, значения погонной энергии) на возможность создания различного дизайна в биметаллических образцах на основе медных и железных сплавов. Установление взаимосвязи между структурообразованием и параметрами 3D-печати имеет большое значение для развития ЭЛАП. Цель работы. Установление влияния на качество получаемых изделий основных характеристик процесса ЭЛАП (силы тока, скорости подачи, тепловложения, стратегии печати и свойства материала) для формирования качественных биметаллических образцов с резким и плавным интерфейсом, гетерогенной структурой на основе медных и железных сплавов. Методы исследования. Особое внимание уделяется экспериментальным исследованиям, позволяющим оптимизировать процесс печати. Методом проволочного ЭЛАП получены биметаллические образцы с резким и плавным интерфейсом, гетерогенной структурой на основе медного и железного сплавов. В работе проанализированы значения тепловложения в зависимости от наносимого слоя; значения скорости подачи проволоки в зависимости от используемого материала; типы стратегии печати в зависимости от соотношения разнородных материалов в биметаллических образцах. Для визуализации качества выращенных биметаллических образцов с различным дизайном применяли цифровую камеру Pentax K-3 с фокусным расстоянием объектива 100 мм. Результаты и обсуждение. Основываясь на факторах взаимодействия электронного пучка с материалом, в данной работе систематически описаны возможности получения изделий на основе резкого и плавного интерфейса или гетерогенных материалов. Кроме того, были кратко описаны некоторые методы управления процессом для контроля дефектов с точки зрения факторов, влияющих на динамику ванны расплава, включая контроль термических условий процесса во время 3D-печати. Для формирования резкого интерфейса задается фиксированное значение тепловложения для каждого из рассматриваемых материалов: при нанесении слоев меди M1 оно составляет 0,09 кДж/мм, что в 2,5 раза меньше, чем значение тепловложения при нанесении слоев медного сплава БрАМц9-2; при нанесении слоев из железных сплавов 12Х18Н9Т тепловложение составляет 0,17 кДж/мм, что в 1,5 раза меньше, чем его значение при нанесении слоев железного сплава 09Г2С. Для формирования плавного интерфейса значения тепловложения не являлись фиксированными в зависимости от слоя, как и скорость подачи проволок в ванну расплава. При формировании гетерогенной структуры в биметаллическом образце применялось изменение стратегии печати в зависимости от процентного соотношения объема подаваемых проволок разнородных сплавов. Благодаря точному контролю процесса ЭЛАП были получены бездефектные биметаллические образцы на основе медных и железных сплавов.
Осипович Ксения Сергеевна
Сидоров Евгений Алексеевич
Чумаевский Андрей Валерьевич
Никонов Сергей Юрьевич
Колубаев Евгений Александрович
1. Multimaterial powder bed fusion techniques / M. Mehrpouya, D. Tuma, T. Vaneker, M. Afrasiabi, M. Bambach, I. Gibson // Rapid Prototyping Journal. – 2022. – Vol. 28 (11). – P. 1–19. – DOI: 10.1108/RPJ-01-2022-0014.
2. Zadpoor A.A. Additively manufactured metallic porous biomaterials // Journal of Materials Chemistry B. – 2019. – Vol. 7 (26). – P. 4088–4117. – DOI: 10.1039/C9TB00420C.
3. Influence of processing parameters on the characteristics of stainless steel/copper laser welding / S. Chen, J. Huang, J. Xia, X. Zhao, S. Lin // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 222. – P. 43–51. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.03.003.
4. Hybrid parts produced by deposition of 18Ni300 maraging steel via selective laser melting on forged and heat treated advanced high strength steel / L. Kucerová, I. Zetková, Š. Jenícek, K. Burdová // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 32. – P. 101108. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101108.
5. First-principles residual resistivity using a locally self-consistent multiple scattering method / V. Raghuraman, M. Widom, M. Eisenbach, Y. Wang // Physical Review B. – 2024. – Vol. 109. – P. 104204. – DOI: 10.1103/PhysRevB.109.104204.
6. Wittenburg K. Specific instrumentation and diagnostics for high-intensity hadron beams // CERN Yellow Reports. – Geneva, 2013. – P. 251–308. – DOI: 10.5170/CERN-2013-001.251.
7. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms / D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe // International Materials Reviews. – 2012. – Vol. 57 (3). – P. 133–164. – DOI: 10.1179/1743280411Y.0000000014.
8. Understanding thermal behavior in the LENS process / M.L. Griffith, M.E. Schlienger, L.D. Harwell, M.S. Oliver, M.D. Baldwin, M.T. Ensz, M. Essien, J. Brooks, C.V. Robino, J.E. Smugeresky, W.H. Hofmeister, M.J. Wert, D.V. Nelson // Materials & Design. – 1999. – Vol. 20 (2–3). – P. 107–113. – DOI: 10.1016/S0261-3069(99)00016-3.
9. Angehrn N., Pagonakis I.G. A novel electron gun design approach with an externally assembled anode // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2023. – Vol. 70 (11). – P. 5934–5939. – DOI: 10.1109/TED.2023.3317367.
10. Electron beam powder bed fusion of γ-titanium aluminide: effect of processing parameters on part density, surface characteristics, and aluminum content / J. Moritz, M. Teschke, A. Marquardt, L. Stepien, E. López, F. Brückner, M. Macias Barrientos, F. Walther, C. Leyens // Metals. – 2021. – Vol. 11 (7). – P. 1093. – DOI: 10.3390/met11071093.
11. A design of experiment approach for development of electron beam powder bed fusion process parameters and improvement of Ti-6Al-4V as-built properties / D. Braun, Y.I. Ganor, S. Samuha, G.M. Guttmann, M. Chonin, N. Frage, S. Hayun, E. Tiferet // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2022. – Vol. 6 (4). – P. 90. – DOI: 10.3390/jmmp6040090.
12. Compositionally graded metals: a new frontier of additive manufacturing / D.C. Hofmann, J. Kolodziejska, S. Roberts, R. Otis, R.P. Dillon, J.-O. Suh, Z.-K. Liu, J.-P. Borgonia // Journal of Materials Research. – 2014. – Vol. 29. – P. 1899–1910. – DOI: 10.1557/jmr.2014.208.
13. Micro-, meso- and macrostructural design of bulk metallic and polymetallic materials by wire-feed electron-beam additive manufacturing / E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, A.V. Chumaevsky, E.G. Astafurova // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25. – P. 479–491. – DOI: 10.1134/S1029959922060017.
14. Alloys-by-design: application to new superalloys for additive manufacturing / Y.T. Tang, C. Panwisawas, J.N. Ghoussoub, Y. Gong, J. Clark, A. Németh, D.G. McCartney, R.C. Reed // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 202. – P. 417–436. – DOI: 10.1016/j.actamat.2020.09.023.
15. Phase formation, microstructure, and mechanical properties of Ni-Cu bimetallic materials produced by electron beam additive manufacturing / K. Osipovich, D. Gurianov, A. Vorontsov, E. Knyazhev, A. Panfilov, A. Chumaevskii, N. Savchenko, S. Nikonov, V. Rubtsov, E. Kolubaev // Metals. – 2022. – Vol. 12. – P. 1931. – DOI: 10.3390/met12111931.
16. Interfacial characteristic and mechanical performance of maraging steel-copper functional bimetal produced by selective laser melting based hybrid manufacture / C. Tan, K. Zhou, W. Ma, L. Min // Materials & Design. – 2018. – Vol. 155. – P. 77–85. – DOI: 10.1016/j.matdes.2018.05.064.
17. 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.
18. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S.Y. Tarasov, A.V. Filippov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, S.G. Psakhie // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 99. – P. 2353–2363. – DOI: 10.1007/s00170-018-2643-0.
19. Study on powder particle behavior in powder spreading with discrete element method and its critical implications for binder jetting additive manufacturing processes / S. Wu, Y. Yang, Y. Huang, C. Han, J. Chen, Y. Xiao, Y. Li, D. Wang // Virtual and Physical Prototyping. – 2023. – Vol. 18 (1). – P. 1–26. – DOI: 10.1080/17452759.2022.2158877.
20. Materials for additive manufacturing / D. Bourell, J.P. Kruth, M. Leu, G. Levy, D. Rosen, A.M. Beese, A. Clare // CIRP Annals Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 66. – P. 659–681. – DOI: 10.1016/j.cirp.2017.05.009.
Результаты получены в рамках проекта Российского Научного Фонда № 24-72-00118.
Условия изготовления биметаллических образцов на основе железных и медных сплавов методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства / К.С. Осипович, Е.А. Сидоров, А.В. Чумаевский, С.Н. Никонов, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 2. – С. 142–158. – DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-142-158.
Osipovich K.O., Sidorov E.A., Chumaevskii A.V., Nikonov S.N., Kolubaev E.A. Manufacturing conditions of bimetallic samples based on iron and copper alloys by wire-feed electron beam additive manufacturing. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2025, vol. 27, no. 2, pp. 142–158. DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-142-158. (In Russian).
