ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. В целях снижения количества дефектов и повышения механических свойств изделий, получаемых проволочной дуговой аддитивной технологией (WAAM), перспективно применение в процессе синтеза операций деформационного упрочнения. Волновое деформационное упрочнение позволяет формировать глубокий упрочненный слой, что особенно важно для гибридных WAAM-процессов, где последующий нагрев верхних слоев может сопровождаться разупрочнением предыдущих. Важным параметром, определяющим эффективность волнового деформационного упрочнения, является температура, при которой выполняется деформационное воздействие на синтезированный материал. Цель работы: анализ влияния температуры изделия на эффективность волнового деформационного упрочнения для ряда перспективных конструкционных материалов, получаемых WAAM-методом. Методика исследования. Эксперимент включал в себя синтез образцов с последующим нагревом в печи до заданной температуры (для сталей 04Х19Н9, 30ХГСА, 18ХГС и 09ХГМНТАА – 300…900 °C, для сплава АМг3 – 100…500 °C), после чего они подвергались упрочнению. Для оценки эффективности метода строились эпюры микротвердости (по Виккерсу) по глубине упрочненного слоя. Результаты и обсуждение. Исследование выявило для каждого материала характерный оптимальный температурный интервал, в котором применение волнового деформационного упрочнения (ВДУ) обеспечивает максимальный упрочняющий эффект. Для аустенитной стали 04Х19Н9 наибольший прирост твердости (до 52 %) достигнут при обработке при 700 °C, для среднелегированных сталей 30ХГСА, 18ХГС и 09ХГМНТАА – при 400…600 °C с максимальным увеличением твердости на 34…50 %, для алюминиевого сплава АМг3 эффективный интервал составил 100…300 °C с приростом до 24 %. Полученные данные позволили сформулировать практические рекомендации по выбору температурных режимов ВДУ для интеграции в гибридный WAAM-процесс в зависимости от класса материала, что обеспечит максимальное повышение твердости и глубины упрочненного слоя синтезированных деталей.

1. Advances in metal additive manufacturing: A review of common processes, industrial applications, and current challenges / A. Vafadar, F. Guzzomi, A. Rassau, K. Hayward // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11 (3). – P. 1213. – DOI: 10.3390/app11031213.

2. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing / W.J. Sames, F.A. List, S. Pannala, R.R. Dehoff, S.S. Babu // International Materials Reviews. – 2016. – Vol. 61 (5). – P. 315–360. – DOI: 10.1080/09506608.2015.1116649.

3. Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests / D. Ding, Z. Pan, D. Cuiuri, H. Li // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 81 (1–4). – P. 465–481. – DOI: 10.1007/s00170-015-7077-3.

4. Das S., Bourell D.L., Babu S.S. Metallic materials for 3D printing // MRS Bulletin. – 2016. – Vol. 41 (10). – P. 729–741. – DOI: 10.1557/mrs.2016.217.

5. Invited review article: Strategies and processes for high quality wire arc additive manufacturing / C.R. Cunningham, J.M. Flynn, A. Shokrani, V. Dhokia, S.T. Newman // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 22. – P. 672–686. – DOI: 10.1016/j.addma.2018.06.020.

6. Wire arc additive manufacturing of stainless steels: a review / W. Jin, C. Zhang, S. Jin, Y. Tian, D. Wellmann, W. Liu // Applied Sciences. – 2020. – Vol. 10 (5). – P. 1563. – DOI: 10.3390/app10051563.

7. Li Y., Su C., Zhu J. Comprehensive review of wire arc additive manufacturing: Hardware system, physical process, monitoring, property characterization, application and future prospects // Results in Engineering. – 2022. – Vol. 13. – P. 100330. – DOI: 10.1016/j.rineng.2021.100330.

8. Pattanayak S., Sahoo S.K. Gas metal arc welding based additive manufacturing – a review // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2021. – Vol. 33. – P. 398–442. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2021.04.010.

9. Environmental and economic assessment of a steel wall fabricated by wire-based directed energy deposition / S. Kokare, J.P. Oliveira, T.G. Santos, R. Godina // Additive Manufacturing. – 2023. – Vol. 61. – P. 103316. – DOI: 10.1016/j.addma.2022.103316.

10. Abdulaziz A. A brief review on the common defects in wire arc additive manufacturing // International Journal of Current Science Research and Review. – 2022. – Vol. 5 (12). – P. 4556–4576. – DOI: 10.47191/ijcsrr/V5-i12-19.

11. Residual stress in wire and arc additively manufactured aluminum components / S. Jiamin, H. Jonas, K. Markus, D. Klaus // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 65. – P. 97–111. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.02.021.

12. Designing a WAAM based manufacturing system for defence applications / A. Busachi, J. Erkoyuncu, P. Colegrove, F. Martina, J. Ding // Procedia CIRP. – 2015. – Vol. 37. – P. 48–53. – DOI: 10.1016/j.procir.2015.08.085.

13. Microstructure tailoring of a wire-arc DED processed Ti6242 alloy for high damage tolerance performance / F. Zakir, A.K. Syed, X. Zhang, A.E. Davis, V.K. Sahu, A.E. Caballero, R. Biswal, P.B. Prangnell, S. Williams // Additive Manufacturing. – 2025. – Vol. 105. – P. 104785. – DOI: 10.1016/j.addma.2025.104785.

14. A solution for estimating high-temperature strength based on additive manufacturing characteristics / X. Wang, L. Xu, L. Zhao, Y. Han // International Journal of Mechanical Sciences. – 2023. – Vol. 245. – P. 108124. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2023.108124.

15. Hot forging wire and arc additive manufacturing (HF-WAAM) / V.R. Duarte, T.A. Rodrigues, N. Schell, R.M. Miranda, J.P. Oliveira, T.G. Santos // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 35. – P. 101193. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101193.

16. Post-build thermomechanical processing of wire arc additively manufactured stainless steel for improved mechanical properties and reduction of crystallographic texture / J.W. Elmer, K. Fisher, G. Gibbs, J. Sengthay, D. Urabe // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 50. – P. 102573. – DOI: 10.1016/j.addma.2021.102573.

17. Interpass rolling of Ti-6Al-4V wire + arc additively manufactured features for microstructural refinement / A.R. McAndrew, M.A. Rosales, P.A. Colegrove, J.R. Hönnige, A. Ho, R. Fayolle, K. Eyitayo, I. Stan, P. Sukrongpang, A. Crochemore, Z. Pinter // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 21. – P. 340–349. – DOI: 10.1016/j.addma.2018.03.006.

18. Hönnige J.R., Colegrove P., Williams S. Improvement of microstructure and mechanical properties in wire + arc additively manufactured Ti-6Al-4V with machine hammer peening // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 216. – P. 8–17. – DOI: 10.1016/j.proeng.2018.02.083.

19. Application of bulk deformation methods for microstructural and material property improvement and residual stress and distortion control in additively manufactured components / P.A. Colegrove, J. Donoghue, F. Martina, J. Gu, P. Prangnell, J. Hönnige // Scripta Materialia. – 2017. – Vol. 135. – P. 111–118. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.10.031.

20. The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al–6.3Cu alloy / J. Gu, J. Ding, S.W. Williams, H. Gu, J. Bai, Y. Zhai, P. Ma // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 651. – P. 18–26. – DOI: 10.1016/j.msea.2015.10.101.

21. Microstructure, residual stress and tensile properties control of wire-arc additive manufactured 2319 aluminum alloy with laser shock peening / R. Sun, L. Li, Y. Zhu, W. Guo, P. Peng, B. Cong, J. Sun, Z. Che, B. Li, C. Guo, L. Liu // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 747. – P. 255–265. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.02.353.

22. Liu J., Ye C., Dong Y. Recent development of thermally assisted surface hardening techniques: A review // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. – 2021. – Vol. 2. – P. 100006. – DOI: 10.1016/j.aime.2020.100006.

23. Thomas M., Jackson M. The role of temperature and alloy chemistry on subsurface deformation mechanisms during shot peening of titanium alloys // Scripta Materialia. – 2012. – Vol. 66 (12). – P. 1065–1068. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.02.049.

24. Harada Y., Mori K. Effect of processing temperature on warm shot peening of spring steel // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 162–163. – P. 498–503. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.095.

25. Effects of warm laser peening on thermal stability and high temperature mechanical properties of A356 alloy / H. Chen, J. Zhou, J. Sheng, X.K. Meng, S. Huang, X. Xie // Metals. – 2016. – Vol. 6 (6). – P. 126. – DOI: 10.3390/met6060126.

26. Modified wear behavior of selective laser melted Ti6Al4V alloy by direct current assisted ultrasonic surface rolling process / Z. Wang, Z. Liu, C. Gao, K. Wong, S. Ye, Z. Xiao // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 381. – P. 125122. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.125122.

27. Amanov A., Umarov R. The effects of ultrasonic nanocrystal surface modification temperature on the mechanical properties and fretting wear resistance of Inconel 690 alloy // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 441. – P. 515–529. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.01.293.

28. Исследование влияния деформационного упрочнения на механические свойства образцов из сплава АМг5, полученных способом многослойной наплавки / М.Ф. Карташев, Г.Л. Пермяков, Д.Н. Трушников, М.Р. Миндибаев // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2019. – Т. 17, № 3. – С. 38–45. – DOI: 10.18503/1995-2732-2019-17-3-38-45.

29. Kirichek A.V., Soloviev D.L., Altuhov A.Yu. Deformation wave hardening of metallic materials // Journal of Nano and Electronic Physics. – 2014. – Vol. 6 (3). – P. 03069.

30. Исследования комбинированного упрочнения волновым деформационным воздействием и термообработкой стали 30ХГСА / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, С.А. Силантьев, А.В. Яшин, М.Е. Жидков // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2022. – Т. 18, № 11 (215). – С. 524–528. – DOI: 10.36652/1813-1336-2022-18-11-524-528.

31. Kirichek A.V., Solov’ev D.L. Creating heterogeneous surface structures by static-pulsed treatment // Russian Engineering Research. – 2008. – Vol. 28 (3). – P. 277–279. – DOI: 10.3103/S1068798X08030209.

32. Беляев Г.С. Влияние нагрева на твердость и структуру упрочненного слоя // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1979. – № 11. – С. 64.

33. Amininejad A., Jamaati R., Hosseinipour S.J. Influence of deformation and post-annealing treatment on the microstructure and mechanical properties of austenitic stainless steel // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2021. – Vol. 74 (7). – P. 1799–1807. – DOI: 10.1007/s12666-021-02277-8.

34. Boroumand K., Hadi M., Vafaei R. Hot deformation behavior and constitutive modelling of a medium-carbon structural steel // Physics of Metals and Metallography. – 2021. – Vol. 122. – P. 1611–1620. – DOI: 10.1134/S0031918X21140052.

35. Капустова М., Титтел В. Исследование влияния температуры нагрева на механические свойства и деформируемость стали типа 18ХГ при неполной горячей деформации // Литье и металлургия. – 2006. – № 1 (37). – С. 139–142.

36. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей: пер. с англ. – М.: Металлургия, 1982. – 184 с.

37. Obitov N., Ruzibaev A. Heat treatment of non-hardened aluminum alloys // AIP Conference Proceedings. – 2023. – Vol. 2612. – P. 040004. – DOI: 10.1063/5.0127487.

38. Phase transformation and annealing behavior of SUS 304 austenitic stainless steel deformed by high pressure torsion / I. Shuro, M. Umemoto, Y. Todaka, S. Yokoyama // Materials Science Forum. – 2010. – Vol. 654–656. – P. 334–337. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.334.