Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет35666310.17212/1994-6309-2025-27.4-62-79TECHNOLOGYТЕХНОЛОГИЯResearch ArticleMilling of a blank from austenitic stainless steel AISI 321, deposited using wire-arc additive manufacturing (WAAM)Фрезерование заготовки из аустенитной нержавеющей стали AISI 321, наплавленной методом проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM)https://orcid.org/0009-0002-7820-1227MZQ-6626-20257543-1914ZhangQingrongЧжанЦинжун
Russian Federation

Post-graduate Student

аспирант

cinzhun1@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7583-01706602818041L-6178-20169036-3306KlimenovVasiliy A.КлименовВасилий Александрович
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Professor

доктор техн. наук, профессор

klimenov@tpu.ruhttps://staff.tpu.ru/personal/employee?lid=58243https://orcid.org/0000-0001-9351-571357117126400AAH-4717-20198273-1440KozlovV. N.КозловВиктор Николаевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

kozlov-viktor@bk.ruhttps://staff.tpu.ru/personal/employee?lid=58330https://orcid.org/0000-0002-4319-79456508235280AAG-6844-20213449-9185ChinakhovDmitry A.ЧинаховДмитрий Анатольевич
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Associate Professor

доктор техн. наук, доцент

chinakhov@corp.nstu.ruhttps://ciu.nstu.ru/kaf/persons/96587https://orcid.org/0000-0001-6502-654158310050000AGU-5699-20223444-2695HanZeliХаньЦзэли
Russian Federation

Post-graduate Student

аспирант

hanzelizy@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3738-019358000788300KRV-7414-20241437-7723QiMengxuЦиМэнсюй
Russian Federation

Post-graduate Student

аспирант

mensyuy1@tpu.ruhttps://orcid.org/0009-0009-6303-7453LFS-2489-20241210-3746DingZeruДинЦзэжу
Russian Federation

Post-graduate Student

аспирант

czezhu1@tpu.ruhttps://orcid.org/0009-0004-1128-9935JQV-6745-20237570-5817PanMenghuaПаньМэнхуа
Russian Federation

Post-graduate Student

аспирант

menhua1@tpu.ruNational Research Tomsk Polytechnic UniversityНациональный исследовательский Томский политехнический университетNovosibirsk State Technical UniversityНовосибирский государственный технический университет274VOL 27, NO4 (2025)ТОМ 27, №4 (2025)627907122025Copyright ©; 2025, Zhang Q., Klimenov V.A., Kozlov V.N., Chinakhov D.A., Han Z., Qi M., Ding Z., Pan M.Copyright ©; 2025, Чжан Ц., Клименов В.А., Козлов В.Н., Чинахов Д.А., Хань Ц., Ци М., Дин Ц., Пань М.2025Zhang Q., Klimenov V.A., Kozlov V.N., Chinakhov D.A., Han Z., Qi M., Ding Z., Pan M.Чжан Ц., Клименов В.А., Козлов В.Н., Чинахов Д.А., Хань Ц., Ци М., Дин Ц., Пань М.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/356663

Introduction. Wire arc additive manufacturing (WAAM), due to its “design as manufacturing” characteristic, is gradually becoming one of the most promising technologies. However, at present, there are no comprehensive comparative studies on the microstructure and mechanical properties of deposited samples made from austenitic stainless steel at different locations of the sample. In addition, their machinability remains insufficiently investigated. The purpose of this study is to compare the microstructure and mechanical properties of samples made of austenitic stainless steel ER321 (analogues – AISI 321, 0.08% C-18% Cr-10% Ni-Ti) obtained by the WAAM method at different locations within the sample and to assess their machinability by the magnitude of the components of the cutting force during end milling and the roughness of the machined surface. The properties and microstructure of samples obtained by wire-arc additive technology are investigated, and milling forces are investigated. The effect of the feed on the components of the cutting force and the roughness of the machined surfaces during conventional milling of ER321 steel workpieces using 12 mm diameter cemented carbide end mills with a wear-resistant AlTiN coating applied by physical vapor deposition (PVD) is determined. Research methods. The content of elements and the solidification pattern in various parts of the workpieces were determined using X-ray microanalysis. The microstructure of the samples was studied by a metallographic method. Stress-strain diagrams were obtained by tensile tests, and the microhardness of the samples was also measured. In comparison with the pattern of conventional milling of rolled workpieces, a pattern of changes in cutting forces and surface roughness was established depending on the feed rate during milling of deposited workpieces. Results and discussion. During deposition, ferrite with a vermicular morphology is primarily formed in the lower region of the sample, whereas austenite with a dendritic ferrite structure is observed in other regions. The microhardness values of the deposited and rolled samples are close, averaging around 230 HV0.1. The ultimate tensile strength of the rolled samples is 666 MPa, which is approximately 40 MPa higher than that of the deposited samples. During milling of the deposited workpieces, the lateral cutting force acting perpendicular to the feed direction is greater, and the surface quality is poorer. During milling of deposited workpieces, the lateral cutting force acting perpendicular to the feed direction is greater, and the surface quality is poorer. During milling of deposited workpieces, the feed force acting in the feed direction is greater under high feed rates.

Введение. Проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM) благодаря своей характеристике «проектирование как производство» постепенно становится одной из перспективных технологий. Однако в настоящее время отсутствуют сравнительные исследования микроструктуры и механических свойств наплавленных образцов из аустенитной нержавеющей стали на различных участках, а также недостаточно изучена их обрабатываемость. Цель работы. Сравнение микроструктуры и механических свойств образцов из аустенитной нержавеющей стали ER321 (аналоги – AISI 321, 08Х18Н10Т), полученных методом WAAM, на различных участках и оценка их обрабатываемости по величине составляющих силы резания при концевом фрезеровании и шероховатости обработанной поверхности. В работе исследованы свойства и микроструктура образцов, полученных проволочно-дуговой аддитивной технологией, измерены силы фрезерования. Установлено влияние подачи на составляющие силы резания и шероховатость обработанных поверхностей при встречном фрезеровании образцов из стали ER321 концевыми фрезами из твердого сплава ВК10 диаметром 12 мм с износостойким покрытием AlTiN, нанесенным методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Методы исследования. С использованием микрорентгеноспектрального анализа определялись содержание элементов и схема затвердевания в различных участках образцов. Металлографическим методом исследовалась микроструктура образцов. В результате испытаний на растяжение были получены диаграммы растяжения, а также измерялась микротвердость образцов. По сравнению с закономерностью при встречном фрезеровании прокатанных образцов была установлена закономерность изменения сил резания и шероховатости поверхности в зависимости от величины подачи при фрезеровании наплавленных образцов. Результаты и обсуждение. При наплавке на нижнем участке образца первично выделяется феррит червеобразной формы, а на остальных участках – аустенит, в котором феррит имеет дендритную форму. Значения микротвердости наплавленных и прокатанных образцов близки и составляют около 230 HV0,1. Предел прочности на растяжение прокатанных образцов составляет 666 МПа, что примерно на 40 МПа выше, чем у наплавленных образцов. При фрезеровании наплавленных образцов боковая сила, действующая перпендикулярно направлению подачи, больше, а качество обработанной поверхности хуже. При большой минутной подаче при фрезеровании наплавленных образцов сила подачи, действующая в направлении подачи, больше, чем у прокатанных образцов.

Wire-arc additive manufacturingCold metal transferAustenitic stainless steel ER321Microstructure Mechanical propertyMilling forceRoughnessАддитивное производство дуговым наплавлением проволокойХолодный перенос металлаАустенитная нержавеющая сталь ER321МикроструктураМеханическое свойствоСила фрезерованияШероховатостьThe equipment used for the research was provided by the Shared Use Center “Structure, Mechanical and Physical Properties of Materials” at Novosibirsk State Technical University.В работе для исследований было использовано оборудование Центра коллективного пользования «Структура, механические и физические свойства материалов» Новосибирского государственного технического университета.

The equipment used for the research was provided by the Shared Use Center “Structure, Mechanical and Physical Properties of Materials” at Novosibirsk State Technical University.

В работе для исследований было использовано оборудование Центра коллективного пользования «Структура, механические и физические свойства материалов» Новосибирского государственного технического университета.

Ahuja B., Karg M., Schmidt M. Additive manufacturing in production: Challenges and opportunities // Proceedings of SPIE. – 2015. – Vol. 9353. – P. 11–20. – DOI: 10.1117/12.2082521.Altaf K., Abdul-Rani A.M., Raghavan V. Prototype production and experimental analysis for circular and profiled conformal cooling channels in aluminium filled epoxy injection mould tools // Rapid Prototyping Journal. – 2013. – Vol. 19 (4). – P. 220–229. – DOI: 10.1108/13552541311323236.Rozvany G.I. A critical review of established methods of structural topology optimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. – 2009. – Vol. 37 (2). – P. 217–237. – DOI: 10.1007/s00158-007-0217-0.Sobczak J.J., Drenchev L. Metallic functionally graded materials: A specific class of advanced composites // Journal of Materials Science and Technology. – 2013. – Vol. 29 (4). – P. 297–316. – DOI: 10.1016/j.jmst.2013.02.006.Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при ЭБ-печати проволокой / В.A. Клименов, Е.A. Колубаев, Ц. Хань, А.В. Чумаевский, Э.С. Двилис, И.Л. Стрелкова, Е.А. Дробяз, О.Б. Яременко, А.Е. Куранов // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 180–201. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-180-201.Flow behavior and microstructure evolution during dynamic deformation of 316L stainless steel fabricated by wire and arc additive manufacturing / J. Chen, H. Wei, X. Zhang, Y. Peng, J. Kong, K. Wang // Materials & Design. – 2021. – Vol. 198. – P. 109325. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109325.Microstructure evolution and mechanical properties of a wire-arc additive manufactured austenitic stainless steel: Effect of processing parameter / P. Long, D. Wen, J. Min, Z. Zheng, J. Li, Y. Liu // Materials. – 2021. – Vol. 14 (7). – P. 1681. – DOI: 10.3390/ma14071681.Microstructure, mechanical properties and fracture toughness of SS 321 stainless steel manufactured using wire arc additive manufacturing / K.S. Prakash, A.R. Kannan, R. Pramod, N.P. Kumar, N.S. Shanmugam // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2023. – Vol. 76 (2). – P. 537–544. – DOI: 10.1007/s12666-022-02713-3.Chinakhov D.A., Akimov K.O. Formation of the structure and properties of deposited multilayer specimens from austenitic steel under various heat removal conditions // Metals. – 2022. – Vol. 12 (9). – P. 1527. – DOI: 10.3390/met12091527.Microstructure and grain growth inhomogeneity in austenitic steel produced by wire-feed electron beam melting: the effect of post-building solid-solution treatment / E.G. Astafurova, M.Y. Panchenko, V.A. Moskvina, G.G. Maier, S.V. Astafurov, E.V. Melnikov // Journal of Materials Science. – 2020. – Vol. 55 (3). – P. 9211–9224. – DOI: 10.1007/s10853-020-04424-w.Effects of laser additive manufacturing on microstructure and crystallographic texture of austenitic and martensitic stainless steels / F. Khodabakhshi, M.H. Farshidianfar, A.P. Gerlich, M. Nosko, V. Trembošová, A. Khajepour // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 31. – P. 100915. – DOI: 10.1016/j.addma.2019.100915.Design for additive manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints / M.K. Thompson, G. Moroni, T. Vaneker, G. Fadel, R.I. Campbell, I. Gibson // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 65 (2). – P. 737–760. – DOI: 10.1016/j.cirp.2016.05.004.Исследование сил резания и обрабатываемости при фрезеровании порошковой коррозионно-стойкой стали, полученной по технологии прямого лазерного выращивания (LMD) / А.С. Бабаев, В.Н. Козлов, А.Р. Семенов, А.С. Шевчук, В.А. Овчаренко, Е.А. Сударев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 38–56. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-38-56.Investigations on the effect of layers’; thickness and orientations in the machining of additively manufactured stainless steel 316L / A. Dabwan, S. Anwar, A.M. Al-Samhan, A. AlFaify, M.M. Nasr // Materials. – 2021. – Vol. 14 (7). – P. 1797. – DOI: 10.3390/ma14071797.Study on microstructure, mechanical properties and machinability of efficiently additive manufactured AISI 316L stainless steel by high-power direct laser deposition / P. Guo, B. Zou, C. Huang, H. Gao // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 240. – P. 12–22. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2016.09.005.Thermal study during milling of Ti6Al4V produced by Electron Beam Melting (EBM) process / S. Milton, A. Duchosal, F. Chalon, R. Leroy, A. Morandeau // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 38. – P. 256–265. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.12.027.Anisotropy and heterogeneity of microstructure and mechanical properties in metal additive manufacturing: A critical review / Y. Kok, X.P. Tan, P. Wang, M.L.S. Nai, N.H. Loh, E. Liu, S.B. Tor // Materials & Design. – 2018. – Vol. 139. – P. 565–586. – DOI: 10.1016/j.matdes.2017.11.021.Марочник стали и сплавов: сайт. – 2003–2025. – URL: https://www.splav-kharkov.com (дата обращения: 17.10.2025).Flow behavior and microstructure evolution during dynamic deformation of 316L stainless steel fabricated by wire and arc additive manufacturing / J. Chen, H. Wei, X. Zhang, Y. Peng, J. Kong, K. Wang // Materials & Design. – 2021. – Vol. 198. – P. 109325. – DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109325.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.Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties / P. Bajaj, A. Hariharan, A. Kini, P. Kürnsteiner, D. Raabe, E.A. Jägle // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 772. – P. 138633. – DOI: 10.1016/j.msea.2019.138633.Elmer J.W., Allen S.M., Eagar T.W. Microstructural development during solidification of stainless steel alloys // Metallurgical Transactions A. – 1989. – Vol. 20 (8). – P. 2117–2131. – DOI: 10.1007/BF02650298.Thermal behavior and microstructural evolution during laser deposition with laser-engineered net shaping: Part I. Numerical calculations / B. Zheng, Y. Zhou, J.E. Smugeresky, J.M. Schoenung, E.J. Lavernia // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2008. – Vol. 39 (10). – P. 2228–2236. – DOI: 10.1007/s11661-008-9557-7.Production of workpieces from martensitic stainless steel using electron-beam surfacing and investigation of cutting forces when milling workpieces / N.V. Martyushev, V.N. Kozlov, M. Qi, V.S. Tynchenko, R.V. Kononenko, V.Y. Konyukhov, D.V. Valuev // Materials. – 2023. – Vol. 16 (13). – P. 4529. – DOI: 10.3390/ma16134529.Расчет напряжений в режущем инструменте в начале резания / Ц. Чжан, Л. Шэ, Т. Го, В.Н. Козлов // Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов: сборник докладов III Международной научно-практической конференции. – Томск, 2023. – C. 450–456.Study of a methodology for calculating contact stresses during blade processing of structural steel / V.N. Kozlov, A.S. Babaev, N.A. Shults, A.S. Semenov, A.S. Shevchuk // Metals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 2009. – DOI: 10.3390/met13122009.Heat transfer modelling and stability analysis of selective laser melting / A.V. Gusarov, I. Yadroitsev, P. Bertrand, I. Smurov // Applied Surface Science. – 2007. – Vol. 254 (4). – P. 975–979. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.08.074.Das C.R., Ghosh A. Performance of carbide end mills coated with new generation nano-composite TiAlSiN in machining of austenitic stainless steel under near-dry (MQL) and flood cooling conditions // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 104. – P. 418–442. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.09.020.