Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет30885010.17212/1994-6309-2025-27.3-205-220ArticlesСтатьиResearch ArticleFeatures of the structure of gradient layers «steel - Inconel - steel», obtained by laser direct metal depositionОсобенности строения градиентных слоев «сталь – Inconel – сталь», полученных методом прямого лазерного выращиванияhttps://orcid.org/0000-0003-3918-273X57203801980DolgovaSvetlana V.ДолговаСветлана Васильевна
Russian Federation

advanced manufacturing engineer

ведущий инженер-технолог

svetlanadolgova99@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1268-854622941697700O-9762-20152488-7130MalikovAlexandr G.МаликовАлександр Геннадьевич
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Leading researcher

доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник

smalik707@yandex.ruhttps://scholar.google.com/citations?user=lNeQeMQAAAAJhttps://orcid.org/0000-0002-4243-060214521123300P-1678-20154619-9480GolyshevAlexander A.ГолышевАлександр Анатольевич
Russian Federation

Ph.D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник

alexgol@itam.nsc.ruhttps://scholar.google.com/citations?user=Y2kgs8cAAAAJ&hl=ruhttps://orcid.org/0000-0001-9249-227325031513500A-3467-20147600-8285NikulinaAelita A.НикулинаАэлита Александровна
Russian Federation

Head of department, D.Sc. (Engineering), Associate Professor

зав. кафедрой, доктор техн. наук, доцент

a.nikulina@corp.nstu.ruhttps://ciu.nstu.ru/kaf/persons/20084/Novosibirsk semiconductor device plant VostokНовосибирский завод полупроводниковых приборов «Восток»Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RASИнститут теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАНNovosibirsk State Technical UniversityНовосибирский государственный технический университет15092025273VOL 27, NO3 (2025)ТОМ 27, №3 (2025)20522010092025Copyright ©; 2025, Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A.Copyright ©; 2025, Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А.2025Dolgova S.V., Malikov A.G., Golyshev A.A., Nikulina A.A.Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/308850

Introduction. Traditionally, the most common technology for producing parts from nickel alloys involves casting followed by heat treatment to achieve the required phase composition. Significant disadvantages of this method include the segregation of chemical elements, the presence of large undesirable inclusions such as Laves phase and eutectic structures, and the non-uniform distribution of strengthening phases throughout the workpiece cross-section. At the same time, many complex-shaped parts are assembled into a single combined structure using welding. An analysis of the hardening characteristics of nickel alloys and the products derived from them suggests that additive manufacturing techniques are a promising approach for fabricating such workpieces. The structure and phase composition of the material volumes formed via layer-by-layer deposition will differ significantly from those obtained by conventional methods. In the case of producing combined structures using additive methods, identifying the patterns of structure and phase composition formation becomes an even more complex challenge. Therefore, the purpose of this work is to identify the structural features of “steel - nickel alloy – steel” gradient layers fabricated by direct metal deposition. The study examines dissimilar joints produced using the “Welding and Surfacing Complex based on a Multi-Coordinate Arm and a Fiber Laser” at the S.A. Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, employing direct metal deposition technology. Research methods. A Carl Zeiss Axio Imager A1m light microscope and a Carl Zeiss EVO 50 XVP scanning electron microscope, equipped with an INCA X-Act energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) attachment, were utilized for microstructural investigations of the fabricated layers. Phase composition analysis of the samples was performed using an ARL X'TRA X-ray diffractometer. Microhardness testing was conducted using a Wolpert Group 402 MVD Vickers hardness tester. Results and discussion. It was observed that the maximum layer height (up to 7 mm) was achieved when implementing the following parameters: 1,000 W laser power with a scanning speed of 35 mm/s, and 1,500 W laser power with a scanning speed of 15 mm/s. In the first case, minimal material mixing at the fusion boundary was noted. In all fabricated compositions, defects in the form of unmelted powder particles were observed, as well as cracks in the first steel layers. During the deposition of Inconel 625 onto 316L stainless steel, the transition zone exhibited solidification modes consistent with the formation of iron-based alloys, specifically FA (ferrite-austenite), AF (austenite-ferrite), and A (austenite) sequentially. When depositing 316L stainless steel onto Inconel 625, the transition zone exhibited a solidification mode characterized by the formation of only the austenite phase. The microhardness values were found to be 230 ±15 HV for 316L stainless steel and 298 ± 20 HV for Inconel 625.

Введение. Традиционно наиболее распространенной технологией получения деталей из никелевых сплавов является литье с последующей термической обработкой для формирования необходимого фазового состава. Существенными недостатками материала в данном случае считаются сегрегация химических элементов, наличие крупных нежелательных включений фазы Лавеса и эвтектик, а также неравномерное распределение упрочняющих фаз по сечению заготовки. При этом многие сложнопрофильные детали собираются в единую комбинированную конструкцию с использованием сварки. Анализ особенностей упрочнения никелевых сплавов и изделий, которые изготавливают из них, показывает, что перспективным способом формирования таких заготовок являются аддитивные технологии. Структура и фазовый состав объемов материала, формируемых послойным нанесением, будет существенно отличаться от материалов, получаемых традиционными способами. В случае получения комбинированных конструкций аддитивными способами выявление закономерностей формирования структуры и фазового состава материалов становится еще более сложной задачей. Поэтому цель данной работы заключается в выявлении особенностей строения градиентных слоев «сталь – никелевый сплав – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания. В работе исследованы разнородные соединения, изготовленные с использованием установки «Наплавочно-сварочный комплекс на базе многокоординатной руки и волоконного лазера» в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН и c реализацией технологии прямого лазерного выращивания. Методы исследования. Для структурных исследований полученных слоев применялись световой микроскоп Carl Zeiss A1Z и растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EVO 50 XVP с энергодисперсионной приставкой INCA X-Act. Фазовый состав образцов определяли на рентгеновском дифрактометре ARL X’;TRA. Дюрометрические испытания проводили на твердомере по Виккерсу Wolpert Group 402 MVD. Результаты и обсуждение. Установлено, что максимальная высота массивов (до 7 мм) формируется при реализации режимов 1000 Вт, скорость сканирования 35 мм/с; 1500 Вт, скорость сканирования 15 мм/с; при этом в первом случае происходит минимальное перемешивание материалов на границе сплавления. Во всех композициях присутствуют дефекты в виде не расплавившихся частиц порошка, а также трещины в первых слоях стали. При наплавке Inconel 625 на сталь 316L в переходной зоне, где по химическому составу образуются сплавы на основе железа, последовательно реализуются режимы затвердевания FA (феррит – аустенит), AF (аустенит – феррит) и A (аустенит). При наплавке стали 316L на Inconel 625 в переходной зоне реализуется режим затвердевания с образованием только фазы аустенита. Уровень микротвердости для стали 316L составляет 230 ±15 HV, для Inconel 625 он равен 298 ± 20 HV.

Additive manufacturingMicrostructureGradient layersPhase compositionAustenitic stainless steel 316LNickel alloy Inconel 625Аддитивные технологиимикроструктураградиентные слоифазовый составаустенитная сталь 316Lникелевый сплав Inconel 625Funding The work was carried out within the framework of the state assignment of the S.A. Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS No. 124021500015-1. Acknowledgements Experiments on direct laser deposition were carried out at the Center of Collective Use “Mechanics” of ITAM SB RAS. Structural research was conducted at core facility “Structure, mechanical and physical properties of materials” NSTU and scientific and educational center in the field of mechanical engineering of NSTU.Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН № 124021500015-1. Благодарности Эксперименты по прямому лазерному выращиванию выполнены на базе ЦКП «Механика» ИТПМ СО РАН. Структурные исследования выполнены в ЦКП ССМ НГТУ и НОЦ в области машиностроения НГТУ.Effect of nickel-based filler metal types on creep properties of dissimilar metal welds between Inconel 617B and 10 % Cr martensitic steel / Y. Zhang, M. Hu, Z. Cai, C. Han, X. Li, X. Huo, M. Fan, S. Rui, K. Li, J. Pan // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 14. – P. 2289–2301. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.07.131.Fabrication of steel-Inconel functionally graded materials by laser melting deposition integrating with laser synchronous preheating / W. Meng, W. Zhang, W. Zhang, X. Yin, B. Cui // Optics & Laser Technology. – 2020. – Vol. 131. – P. 106451. – DOI: 10.1016/j.optlastec.2020.106451.Naffakh H., Shamanian M., Ashrafizadeh F. Dissimilar welding of AISI 310 austenitic stainless steel to nickel-based alloy Inconel 657 // Journal of materials processing technology. – 2009. – Vol. 209 (7). – P. 3628–3639. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2008.08.019.Reed R.C. The superalloys: fundamentals and applications. – Cambridge: Cambridge university press, 2008. – 363 p. – ISBN 9780511541285. – DOI: 10.1017/CBO9780511541285.Inconel 718: A solidification diagram / G.A. Knorovsky, M.J. Cieslak, T.J. Headley, A.D. Romig, W.F. Hammetter // Metallurgical transactions A. – 1989. – Vol. 20 (10). – P. 2149–2158. – DOI: 10.1007/BF02650300.Investigation on the Laves phase formation during laser cladding of IN718 alloy by CA-FE / H. Xie, K. Yang, F. Li, C. Sun, Z. Yu// Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 52. – P. 132–144. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.01.050.Effects of heat treatments on the microstructure of IN792 alloy / J. Yang, Q. Zheng, H. Zhang, X. Sun, H. Guan, Z. Hu // Materials Science and Engineering: A. – 2010. – Vol. 527 (4–5). – P. 1016–1021. – DOI: 10.1016/j.msea.2009.10.026.Рашковец М.В. Структура и свойства никелевых сплавов, полученных по аддитивной технологии с использованием метода прямого лазерного выращивания: дис. … канд. техн. наук. – Новосибирск, 2022. – 164 с.Deshpande A. Additive manufacturing of nickel alloys // Springer handbook of additive manufacturing. – Cham: Springer, 2023. – P. 655–669. – ISBN 978-3-031-20751-8. – DOI: 10.1007/978-3-031-20752-5_39.Microstructures and mechanical behavior of the bimetallic additively-manufactured structure (BAMS) of austenitic stainless steel and Inconel 625 / Md. R.U. Ahsan, X. Fan, G.-J. Seo, C. Ji, M. Noakes, A. Nycz, P.K. Liaw, D.B. Kim // Journal of Materials Science & Technology. – 2021. – Vol. 74. – P. 176–188. – DOI: 10.1016/j.jmst.2020.10.001.Functionally graded material of 304L stainless steel and Inconel 625 fabricated by directed energy deposition: Characterization and thermodynamic modeling / B.E. Carroll, R.A. Otis, J.P. Borgonia, J. Suh, R.P. Dillon, A.A. Shapiro, D.C. Hofmann, Z.-K. Liu, A.M. Beese // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 108. – P. 46–54. – DOI: 10.1016/j.actamat.2016.02.019.Inconel-steel functionally bimetal materials by hybrid directed energy deposition and thermal milling: Microstructure and mechanical properties / P. Li, Y. Gong, Y. Xu, Y. Qi, Y. Sun, H. Zhang // Archives of Civil and Mechanical Engineering. – 2019. – Vol. 19 (3). – P. 820–831. – DOI: 10.1016/j.acme.2019.03.002.Microstructure and mechanical properties of stainless steel 316L-Inconel 625 bimetallic structure fabricated by laser wire direct energy deposition / S. Tyagi, S.K. Balla, M. Manjaiah, C. Aranas // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 33. – P. 8361–8371. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2024.11.130.Design optimization for defect-free AISI 316 L/IN718 functionally graded materials produced by laser additive manufacturing / R. Ghanavati, H. Naffakh-Moosavy, M. Moradi, F. Mazzucato, A. Valente, S. Bagherifard, A. Saboori // Materials Characterization. – 2025. – Vol. 220. – P. 114697. – DOI: 10.1016/j.matchar.2024.114697.High temperature fracture behavior of 316L stainless steel-Inconel 718 functionally graded materials manufactured by directed energy deposition: Role of interface orientation and heat treatment / Y. Li, M. Koukolíková, J. Dzugan, M. Brázda // Materials Science and Engineering: A. – 2024. – Vol. 898. – P. 146389. – DOI: 10.1016/j.msea.2024.146389.Влияние режимов лазерной наплавки на геометрические размеры стального трека / С.В. Долгова, А.Г. Маликов, А.А. Голышев, А.А. Никулина // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 57–70. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-57-70.Microstructural characteristics and crack formation in additively manufactured bimetal material of 316L stainless steel and Inconel 625 / N. Chen, H.A. Khan, Z. Wan, J. Lippert, H. Sun, S.-L. Shang, Z.-K. Liu, J. Li // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 32. – P. 101037. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101037.Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing / S.K. Everton, M. Hirsch, P. Stravroulakis, R.K. Leach, A.T. Clare // Materials & Design. – 2016. – Vol. 95. – P. 431–445. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.01.099.Interfacial characterization and mechanical properties of 316L stainless steel/Inconel 718 manufactured by selective laser melting / X. Mei, X. Wang, Y. Peng, H. Gu, G. Zhong, S. Yang // Material Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 758. – P. 185–191. – DOI: 10.1016/j.msea.2019.05.011.Laser Beam Direct Energy Deposition of graded austenitic-to-martensitic steel junctions compared to dissimilar Electron Beam welding / F. Villaret, X. Boulnat, P. Aubry, Y. Yano, S. Ohtsuka, D. Fabrègue, Y. de Carlan // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 824. – P. 141794. – DOI: 10.1016/j.msea.2021.141794.Astafurov S., Astafurova E. Phase composition of austenitic stainless steels in additive manufacturing: A review // Metals. – 2021. – Vol. 11 (7). – P. 1052. – DOI: 10.3390/met11071052.Pouranvari M., Khorramifar M., Marashi S.P.H. Ferritic–austenitic stainless steels dissimilar resistance spot welds: metallurgical and failure characteristics // Science and Technology of Welding and Joining. – 2016. – Vol. 21 (6). – P. 438–445. – DOI: 10.1080/13621718.2015.1124491.