ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС) являются незаменимыми материалами для горячих узлов газотурбинных двигателей (ГТД), однако традиционные методы производства деталей со сложной геометрией отличаются высокой длительностью и ресурсозатратностью. Применение аддитивных технологий (АТ), в частности прямого лазерного выращивания (ПЛВ), открывает возможность высокоточного изготовления изделий произвольной формы. Однако большинство ЖНС с высокой объемной долей γ′-фазы (Ni₃Al) склонны к образованию трещин. Перспективным направлением является разработка новых сплавов, специально адаптированных для АТ. Цель работы. Исследование влияния параметров ПЛВ на растрескивание, микроструктуру и механические свойства разработанных ранее на основе ЖС6К сплавов Ni68 и Ni75. Методы исследования. Тонкостенные образцы были получены методом ПЛВ, варьируя мощность, скорость сканирования, диаметр лазерного пятна и стратегию выращивания. Склонность к растрескиванию оценивалась по удельной длине трещин. Пористость, микроструктура и фазовый состав были проанализированы с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. Механические свойства были оценены по измерениям микротвердости. Результаты и обсуждение. Выявлена нелинейная зависимость удельной длины трещин от мощности лазера с максимумом при 700 Вт для малых диаметров пятна. Показано, что реверсивная стратегия выращивания снижает трещинообразование по сравнению с однонаправленной. Для сплава Ni75 определены оптимальные режимы (мощность 300 Вт, скорость 3 мм/с, диаметр пятна 1,0…1,5 мм) при реверсивной стратегии, позволяющие получать бездефектные образцы с пористостью менее 0,2 %. Установлено, что более низкое содержание углерода в сплаве Ni75 препятствует выделению карбидов, уменьшая вероятность образования трещин. Увеличение мощности лазера от 300 до 1500 Вт слабо изменяет поперечный размер зерен, но вызывает переход от околоравноосной морфологии к столбчатой с выраженной текстурой <100>; объемная доля упрочняющей γ′-фазы остается постоянной и составляет ~60 % для Ni68 и ~41 % для Ni75. Микротвердость слабо зависит от параметров выращивания: 390…410 HV для Ni75 и 430…450 HV для Ni68, что указывает на определяющий вклад характеристик γ′-фазы. Полученные результаты демонстрируют применимость разработанных сплавов для аддитивного производства тонкостенных деталей высокотемпературного назначения.

1. Reed R.C. The superalloys: fundamentals and applications. – Cambridge: Cambridge University Press, 2008. – 388 p. – ISBN 978-1-139-45863-4.

2. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия / под ред. Е.Н. Каблова. – 2-е изд. – М.: Наука, 2006. – 632 с. – ISBN 5-02-034270-X.

3. Development of a laser cladding technology for repairing first-stage high-pressure turbine blades in gas turbine engines / S. Tukov, R. Korsmik, G. Zadykyan, D. Mukin, R. Mendagaliev, N. Roschin // Metals. – 2025. – Vol. 15 (9). – P. 957. – DOI: 10.3390/met15090957.

4. Research and development of technology for obtaining small-scale GTE parts from ceramic composite materials by 3D printing / G.G. Zadykyan, R.S. Korsmik, M.O. Gushchina, A.S. Zhukov, V.V. Promakhov // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1109 (1). – P. 012057. – DOI: 10.1088/1742-6596/1109/1/012057.

5. Перспективы использования технологии лазерной наплавки для восстановления лопаток компрессоров газотурбинных двигателей / Е. Земляков, К. Бабкин, Р. Корсмик, М. Скляр, М. Кузнецов // Фотоника. – 2016. – № 4. – С. 10–25. – DOI: 10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.22.

6. Raevskikh A.N., Chabina E.B., Filonova E.V. Effect of initial powder characteristics on microrelief features in the ZhS6K grade alloy after selective laser fusion // Inorganic Materials: Applied Research. – 2022. – Vol. 13 (6). – P. 1592–1604. – DOI: 10.1134/S207511332206020X.

7. Cracking behavior of the ZhS6K superalloy during direct laser deposition with induction heating / A. Dmitrieva, A. Semenyuk, M. Klimova, I. Udin, D. Mukin, A. Vildanov, S. Zherebtsov, O. Klimova-Korsmik, N. Stepanov // Metals. – 2024. – Vol. 14 (6). – P. 610. – DOI: 10.3390/met14060610.

8. Optimizing selective laser melting of a high-alloyed Ni-based superalloy: achieving crack-free fabrication with enhanced microstructure and mechanical properties / L. Zhu, B. Wei, K. Wang, C. Zhou, H. Ji // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2025. – Vol. 38 (10). – P. 1719–1734. – DOI: 10.1007/s40195-025-01900-7.

9. Markanday J.F.S. Applications of alloy design to cracking resistance of additively manufactured Ni-based alloys // Materials Science and Technology. – 2022. – Vol. 38 (16). – P. 1300–1314. – DOI: 10.1080/02670836.2022.2068759.

10. Tailoring ZhS6K-based Ni superalloys for laser-based directed energy deposition / M. Klimova, I. Astakhov, D. Klimenko, G. Zadykyan, O. Klimova-Korsmik, R. Korsmik, N. Stepanov // Journal of Alloys and Compounds. – 2026. – Vol. 1058. – P. 186956. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2026.186956.

11. Fabrication of thin-walled Inconel 718 microchannels by LP-DED: influence of deposition strategy on geometric fidelity, surface texture, and post-processing feasibility via hybrid manufacturing / S. Momeni, P. Gargarella, A.R. Rodrigues, R.G. Jasinevicius // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2026. – Vol. 144 (9–10). – P. 7009–7032. – DOI: 10.1007/s00170-026-18255-7.

12. Laser directed energy deposition of thin-walled GH4099 superalloy with gradient microstructure and mechanical properties / X. Zhang, S. Wang, Y. Liang, Y. Guo, Z. Guo, F. Yi, J. Lin // Materials Science and Engineering: A. – 2025. – Vol. 933. – P. 148283. – DOI: 10.1016/j.msea.2025.148283.

13. Cracking mechanism and susceptibility of laser melting deposited Inconel 738 superalloy / X. Zhang, H. Chen, L. Xu, J. Xu, X. Ren, X. Chen // Materials & Design. – 2019. – Vol. 183. – P. 108105. – DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108105.

14. The effect of heat treatment on characteristics of the gamma prime phase and hardness of the nickel-based superalloy Rene® 80 / M.M. Barjesteh, S.M. Abbasi, K. Zangeneh Madar, K. Shirvani // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – Vol. 227. – P. 46–55. – DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.01.038.

15. Microstructure and mechanical properties of gradient Rene 41/Rene 80 superalloy, fabricated by laser-based directed energy deposition / M. Klimova, I. Astakhov, N. Yurchenko, G. Zadykyan, D. Klimenko, O. Klimova-Korsmik, R. Korsmik, G. Turichin, S. Zherebtsov, N. Stepanov // Journal of Alloys and Compounds. – 2025. – Vol. 1048. – P. 185270. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2025.185270.

16. Particle size of gamma prime as a result of vacuum heat treatment of INCONEL 738 super alloy / I. Guzman, E. Granda, R. Mendez, G. Lopez, J. Acevedo, D. Gonzalez // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22 (4). – P. 1143–1148. – DOI: 10.1007/s11665-012-0385-y.

17. Goodfellow A.J. Strengthening mechanisms in polycrystalline nickel-based superalloys // Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34 (15). – P. 1793–1808. – DOI: 10.1080/02670836.2018.1461594.

18. Кузнецов В.П., Лесников В.П., Попов Н.А. Структура и свойства монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов: учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. – 160 с. – ISBN 978-5-7996-1829-2.

19. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1969. – 752 с.

20. Jin Z., Kong X., Ma L. Investigating the impact of substrate preheating on the thermal flow and microstructure of laser cladding of nickel-based superalloy // Materials. – 2024. – Vol. 17 (2). – P. 399. – DOI: 10.3390/ma17020399.

21. Gulov M.A., Gertsel I.S., Malikov A.G. Additional substrate heating in direct laser deposition of Inconel 738 // Physical Mesomechanics. – 2026. – Vol. 29 (1). – P. 115–126. – DOI: 10.1134/S1029959925600910.

22. Formation and evolution behavior of M6C carbide in a Ni-W-Cr superalloy / M. Huang, Z. Zhou, C. Cui, R. Zhang, Z. Shi, X. Wang, Y. Zhou, X. Sun // Materials Characterization. – 2023. – Vol. 204. – P. 113211. – DOI: 10.1016/j.matchar.2023.113211.