Том 24 № 4 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Дюрягин А.А., Ардашев Д.В. Исследование взаимосвязи силы резания и шероховатости обработанной поверхности с подачей на зуб при фрезеровании материала EuTroLoy 16604, полученного DMD-методом.... 6 Улаханов Н.С., Тихонов А.С., Мишигдоржийн У.Л., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Проблемы исследования остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое инструментальных штамповых сталей после диффузионного бороалитирования................................................................................................... 18 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Иванов А.Н. Отработка методики плазменной резки меди марки М1, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ОТ4-1 с использованием плазмотрона с обратной полярностью.... 33 Амиров А.И., Москвичев Е.Н., Иванов А.Н., Чумаевский А.В., Белобородов В.А. Особенности формирования сварного соединения сплава ВТ14 сваркой трением с перемешиванием с использованием жаропрочного инструмента из сплава ЖС6У.......................................................................................................... 53 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Ардашев Д.В., Жуков А.С. Исследование взаимосвязи режущей способности инструмента с параметрами акустического сигнала в процессе профильного шлифования.............................................................................. 64 Батаев Д. К-С., Гойтемиров Р.У., Батаева П.Д. Исследования износостойкости и антифрикционных свойств металлополимерных пар, работающих в имитаторе морской воды........................................................ 84 Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Фесенко Э.О. Использование синергетической концепции при определении программы ЧПУ при токарной обработке........................................................................................ 98 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Новиков В.Ф., Ковенский И.М., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Чаугарова Л.З. Влияние термической обработки на образование соединения MnS в низкоуглеродистой конструкционной стали 09Г2С................................................................................................................................................................ 113 Бурков А.А., Крутикова В.О. Осаждение силицида титана на нержавеющую сталь AISI304........................ 127 Пугачева Н.Б., Николин Ю.В., Быкова Т.М., Горулева Л.С. Химический состав, структура и микротвердость многослойных высокотемпературных покрытий.................................................................................. 138 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления......................... 151 Габец Д.А., Марков А.М., Гурьев М.А., Письменный Е.А., Насырова А.К. Влияние комплексного модифицирования на структуру и свойства серого чугуна триботехнического назначения.................................. 165 Иванов И.В., Юргин А.Б., Насенник И.Е., Купер К.Э. Оценка остаточных напряжений в кристаллических фазах высокоэнтропийных сплавов системы AlxCoCrFeNi.......................................................................... 181 Коростелева Е.Н., Николаев И.О., Коржова В.В. Особенности формирования структуры спеченных порошковых материалов с использованием отходов металлообработки стальных заготовок............................... 192 Ерошенко А.Ю. Легостаева Е.В., Глухов И.А., Уваркин П.В., Толмачев А.И., Лугинин Н.А., Батаев В.А., Иванов И.В., Шаркеев Ю.П. Влияние деформационной обработки на микроструктуру и механические свойства сплава Ti-42Nb-7Zr......................................................................................................... 206 Кутькин О.М., Батаев И.А., Довженко Г.Д., Батаева З.Б. Использование метода синхротронной компьютерной ламинографии при изучении особенностей строения металлических сплавов (обзор исследований)...................................................................................................................................................................... 219 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 243 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 255 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 07.12.2022. Выход в свет 15.12.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 32,0. Уч.-изд. л. 59,52. Изд. № 239. Заказ 321. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 4 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 4 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Dyuryagin A.A., Ardashev D.V. A study of the relationship between cutting force and machined surface roughness with the feed per tooth when milling EuTroLoy 16604 material produced by the DMD method...................... 6 Ulakhanov N.S., Tikhonov A.G., Mishigdorzhiyn U.L., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The features of residual stresses investigation in the hardened surface layer of die steels after diffusion boroaluminizing............... 18 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Knyazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Ivanov A.N. Development of plasma cutting technique for C1220 copper, AA2024 aluminum alloy, and Ti-1,5Al-1,0Mn titanium alloy using a plasma torch with reverse polarity................ 33 Amirov A.I., Moskvichev E.N., Ivanov A.N., Chumaevskii A.V, Beloborodov V.A. Formation features of a welding joint of alloy Ti-5Al-3Mo-1V by the friction stir welding using heat-resistant tool from ZhS6 alloy....... 53 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Ardashev D.V., Zhukov A.S. Investigation of the relationship between the cutting ability of the tool and the acoustic signal parameters during profi le grinding..................................................................................................... 64 Bataev D. K-S., Goitemirov R. U., Bataeva P. D. Studies of wear resistance and antifriction properties of metalpolymer pairs operating in a sea water simulator........................................................................................................ 84 Zakovorotny V.L., Gvindjiliya V.E., Fesenko E.O. Application of the synergistic concept in determining the CNC program for turning............................................................................................................................................ 98 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Novikov V.F., Kovenskij I.M., Muratov K.R., Venediktov A.N., Chaugarova L.Z. The effect of heat treatment on the formation of MnS compound in low-carbon structural steel 09Mn2Si................................ 113 Burkov А.А., Krutikova V.O. Deposition of titanium silicide on stainless steel AISI 304 surface...................... 127 Pugacheva N.B., NikolinYu.V., BykovaT.M., Goruleva L.S. Chemical composition, structure and microhardness of multilayer high-temperature coatings..................................................................................................................... 138 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Synthesis of a three-component aluminum-based alloy by selective laser melting............................................................... 151 Gabets D.A., MarkovA.M., Guryev M.A., Pismenny E.A., NasyrovaA.K. The effect of complex modifi cation on the structure and properties of gray cast iron for tribotechnical application..................................................... 165 Ivanov I.V., Yurgin A.B., Nasennik I.E. Kuper K.E. Residual stress estimation in crystalline phases of highentropy alloys of the AlxCoCrFeNi system........................................................................................................... 181 Korosteleva E.N., Nikolaev I.O., Korzhova V.V. Features of the structure formation of sintered powder materials using waste metal processing of steel workpieces................................................................................. 192 EroshenkoA.Yu., Legostaeva E.V., Glukhov I.A., Uvarkin P.V., TolmachevA.I., Luginin N.A., Bataev V.A., Ivanov I.V., Sharkeev Yu.P. Effect of deformation processing on microstructure and mechanical properties of Ti-42Nb-7Zr alloy............................................................................................................................................. 206 Kutkin O.M., Bataev I.A., Dovzhenko G.D., Bataeva Z.B. The study of characteristics of the structure of metallic alloys using synchrotron radiation computed laminography (Research Review)................................ 219 EDITORIALMATERIALS 243 FOUNDERS MATERIALS 255 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 151 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления Наталья Сапрыкина 1, a, *, Валентина Чебодаева 2, b, Александр Сапрыкин1, c, Юрий Шаркеев 2, d, Егор Ибрагимов 1, e, Таисия Гусева 1, f 1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия 2 Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0002-6391-6345, saprikina@tpu.ru, b https://orcid.org/0000-0002-1980-3941, vtina5@mail.ru, c https://orcid.org/0000-0002-6518-1792, sapraa@tpu.ru, d https://orcid.org/0000-0001-5037-245X, sharkeev@ispms.tsc.ru, e https://orcid.org/0000-0002-5499-3891, egor83rus@tpu.ru, f https://orcid.org/0000-0002-3285-1673, tsh2@tpu.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 4 с. 151–164 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-151-164 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Технология селективного лазерного плавления (СЛП) является одной из ключевых технологий в Индустрии 4.0, которая позволяет изготовить изделия любой сложной геометрической формы, значительно снизить количество приИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.78 История статьи: Поступила: 11 августа 2022 Рецензирование: 31 августа 2022 Принята к печати: 21 сентября 2022 Доступно онлайн: 15 декабря 2022 Ключевые слова: Cелективное лазерное плавление Металлический порошок Морфология порошка Аддитивные технологии Рентгеноструктурный анализ Сканирующая электронная микроскопия Сплав системы алюминий-кремниймагний Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-2901491, https://rscf.ru/project/22-29-01491 Благодарности: Авторы выражают благодарность к.т.н. М.А. Химич за помощь в проведении исследований. Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Технология селективного лазерного плавления является одной из ключевых технологий в Индустрии 4.0, которая позволяет изготовить изделия любой сложной геометрической формы, значительно снизить количество применяемого материала, сократить время выполнения заказа и получить новый сплав из элементарных порошков в процессе плавления. Для понимания процесса образования сплава при лазерном воздействии необходимо знать исходные данные порошков, которые существенно влияют на качество получаемых изделий. Целью данного исследования является определение требований к структурно-фазовому состоянию, элементному составу порошков алюминия, кремния и магния и дальнейшей подготовки смеси порошковой композиции Al-Si-Mg (Al – 91 масс.%, Si – 8 масс. %, Mg – 1 масс. %) для лазерного синтеза. Методами рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа проведены исследования исходных порошков алюминия ПА-4 ГОСТ 6058–73, кремния ГОСТ 2169–69 и магния МПФ-4 ГОСТ 6001–79 и порошковой композиции Al-Si-Mg. Исследованиями растровых электронных изображений определены форма и размеры частиц. Методом селективного лазерного плавления из порошковой композиции получены образцы при постоянном и импульсном воздействии лазера. Композиция подготовлена посредством перемешивания порошков в шаровой мельнице. Результаты и обсуждение. Исследования показали, что исходные порошки алюминия, кремния и магния однофазны. Для получения порошковой композиции выбран диапазон размера частиц 20…64 мкм, рекомендованный для селективного лазерного плавления. При перемешивании порошков в течение одного часа были получены частицы сферической формы, которая является предпочтительной для лазерного плавления. Результаты шлифования образцов после лазерного плавления показали, что наибольшая механическая прочность была у образцов, полученных при постоянном воздействии лазера при следующих параметрах режима: P = 80 Вт, V = 300 мм/с, s = 90 мкм, h =25 мкм. Выводы. Описанное исследование показывает возможность синтеза изделий из порошковой композиции алюминия, кремния и магния методом селективного лазерного плавления. Для цитирования: Синтез трехкомпонентного сплава на основе алюминия методом селективного лазерного плавления / Н.А. Сапрыкина, В.В. Чебодаева, А.А. Сапрыкин, Ю.П. Шаркеев, Е.А. Ибрагимов, Т.С. Гусева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 4. – С. 151–164. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.4-151-164. ______ *Адрес для переписки Сапрыкина Наталья Анатольевна, к.т.н., доцент Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30 634050, г. Томск, Россия Тел.: 8 (923) 49-72-483, e-mail: saprikina@tpu.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 152 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ меняемого материала, сократить время выполнения заказа. Таким образом, эти технологии меняют основу для конкуренции в автомобилестроении, аэрокосмической промышленности и машиностроении [1]. Несмотря на растущее внедрение и промышленные инвестиции в аддитивные технологии (АТ) [2] существуют сложности, которые не позволяют полностью раскрыть их огромный потенциал. Многие конструкционные сплавы, обладающие отличными механическими характеристиками при обработке традиционными методами производства, подвержены значительному растрескиванию при затвердевании во время лазерного плавления [3]. Препятствием, ограничивающим применение технологии СЛП, также является большой пробел в знаниях о микроструктурах, возникающий в результате сложных неравновесных процессов, связанных с лазерным плавлением [4]. В настоящее время для аддитивного производства в качестве сырья используется только небольшое количество алюминиевых сплавов [5, 6]. Наиболее распространен закаливаемый сплав AlSiMg [7, 8] и эвтектический AlSi12. Механические свойства компонентов AТ, изготовленных из этих двух сплавов, сравнимы с таковыми у литых образцов или литых под высоким давлением образцов, но явно уступают свойствам деформируемых компонентов, изготовленных из высокопрочных алюминиевых сплавов, таких как Al7075 (5,5 % цинка – 2,5 % магния – 1,5 % меди), которые имеют предел текучести более 500 МПа и пластичность 3…9 % [9]. СЛП последнего, к сожалению, затруднен из-за низкой свариваемости, а также из-за высокой отражательной способности и низкой вязкости (недостаток, свойственный большинству обычных алюминиевых сплавов). В частности, термическое сжатие во время обработки приводит к образованию обширных трещин [10]. Кроме того, испарение во время лазерного плавления легирующих элементов с низкой температурой плавления, таких как Zn, имеет решающее значение для образования упрочняющих фаз, что также в результате способствует ухудшению механических свойств. Анализ литературы показывает, что состав сплава играет важную роль в определении конечной микроструктуры и механических свойств композитов, полученных методом селективного лазерного плавления [11, 12]. Сплав Al-Si-Mg (Al – 91 масс. %, Si – 8 масс. %, Mg – 1 масс. %), близкий к эвтектическому составу, обладает отличной литейной способностью, связанной с небольшим изменением объема при затвердевании, что делает его пригодным для производства отливок сложной формы и малой толщины и перспективным материалом для получения изделий с улучшенными механическими свойствами методом СЛП [13]. Повышение механических свойств происходит за счет увеличения ра створимости твердых веществ и уменьшения размера зерен сплавов Al-Si-Mg вследствие высоких скоростей расплава, охлаждения и затвердевания порошкового материала в процессе СЛП. В настоящее время для установок СЛП используют сферические порошки, полученные из сплава Al-Si-Mg [14, 15]. В проводимом исследовании будет применен метод послойного лазерного синтеза для решения принципиального вопроса – возможности синтеза изделий и сплава системы алюминий-кремний-магний из порошковой композиции алюминия, кремния и магния, имеющих значительное различие в температурах плавления, плотности, теплопроводности и др. Для приготовления смесей металлических порошков обычно используются два метода: прямое смешивание и механическое легирование посредством шаровой мельницы. Механическое легирование представляет собой неравновесный твердотельный метод обработки, который можно использовать для синтеза порошковой композиции при комнатной температуре. Повторяющаяся деформация и разрушение, возникающие при высокоэнергетическом шаровом измельчении, приводят к изменению морфологии, размера и микроструктуры металлических порошков [16]. Поскольку шаровая мельница вносит в порошковую смесь большую энергию (по сравнению с непосредственным смешиванием), она может существенно повлиять на свойства композиционного материала после лазерной обработки [17], поэтому требуются исследования для определения морфологии порошка, размера и характеристик распределения частиц по размерам в исходном порошке. Целью данного исследования является определение требований к структурно-фазовому состоянию, элементному составу порошков
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 4 2022 153 MATERIAL SCIENCE алюминия, кремния и магния и дальнейшей подготовки смеси порошковой композиции Al-Si-Mg (Al – 91 масс.%, Si – 8 масс. %, Mg – 1 масс. %) для лазерного синтеза. Исходя из цели работы поставлены следующие задачи: провести исследования исходных порошков и порошковой композиции методами рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии, подготовить порошковую композицию для процесса селективного лазерного плавления и провести эксперимент лазерного синтеза порошковой композиции для выяснения возможности процесса. Методика исследований В качестве исходного материала для создания порошковой композиции использовали порошки алюминия, кремния и магния. Алюминиевый порошок ПА-4 изготовлен по ГОСТ 6058–73, порошок кремния – по ГОСТ 2169–69 и порошок магниевый МПФ-4 – по ГОСТ 6001–79. Порошки имеют различие в температурах плавления, плотности, теплопроводности и др. Температура плавления алюминия (660 °С), кремния (1414 °С) и магния (650 °С), плотность (у алюминия 2,7 г/см3, у кремния 2,35 г/см3, магния 1,74 г/см3). При этом теплоемкости алюминия, кремния, магния близки друг к другу. Молярная теплоемкость алюминия – 24,35 Дж/(K · моль), кремния – 20,16 Дж/(K · моль), магния – 24,9 Дж/(K · моль), теплопроводность при комнатной температуре алюминия – 237 Вт/(м · К), кремния – 149 Вт/(м · К), магния – 156 Вт/(м · К). Морфология поверхности частиц порошка исследована на растровом электронном микроскопе LEO EVO в ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН. Условия съемки: ускоряющее напряжение – 20 кВ, ток пучка – 1…2 нА, фокусное расстояние 8,5…10 мм, увеличение 100...2000. Элементный состав поверхности образца проведен на приставке к микроскопу для энергодисперсионного анализа Oxford Instruments INCA350. Исследования методом рентгеновской дифракции осуществлялись на рентгеновском дифрактометре ДРОН-7 (Буревестник, Россия) в CoKα-излучении (λ = 0,1789 нм). Напряжение, подаваемое на рентгеновскую трубку, составило 35 кВ, сила тока – 22 мА. Съемка осуществлялась в симметричной геометрии по схеме Брегга-Брентано (2theta-theta) в угловом диапазоне 2θ 10°…165° с шагом сканирования 0,05°, с вращением образца. Время экспозиции в каждой точке составляло 5 с. Для проведения исследований методом рентгеновской дифракции в связи с вертикальной фиксацией образца на гониометре дифрактометра порошки склеивались прозрачным цапонлаком в формы из винипласта. Гранулометрический состав проведен с помощью ситового анализа. Ситовый анализ обеспечивает простой подход для получения распределения порошка по размеру путем просеивания порошка через уложенные друг на друга сита (№ 0100, № 0080, № 0064, № 0040, № 0020) в порядке убывания размеров ячеек, подверженные механической вибрации в течение 60 мин. Каждая отдельная сетка удерживает частицы, которые непроницаемы для следующей сетки, таким образом, генерирует спектр размеров частиц. Результаты ситового анализа порошка алюминия показали, что размер порошка менее 20 мкм составляет 6,5 %, менее 40 мкм составляет 20 % порошка, 64 мкм имеет 27 % частиц, 80 мкм – 17 %, 100 мкм – 11 %, частицы размером более 100 мкм – 17 %. У порошка магния 20 мкм – 3,6%, 40 мкм – 15 %, 64 мкм – 27 %, 80 мкм – 26 %, 100 мкм – 25 %. Потеря порошка при просеивании составила менее 4 %. Порошок кремния просеять не удалось из-за плохих сыпучих свойств. Для получения порошковой композиции был выбран диапазон размера частиц 20…64 мкм, рекомендованный для селективного лазерного плавления. Более мелкие легирующие элементы обеспечивают более высокую плотность порошкового слоя, хотя разница в размерах частиц может привести к нежелательной сегрегации. Три элементарных порошка объединяли в весовой пропорции Al – 91 масс. %, Si – 8 масс. %, Mg – 1 масс. %, а затем перемешивали посредством шаровой мельницы в течение одного часа в защитной среде аргона. В качестве мелящих тел выступали шары из конструкционной стали ШХ15 диаметром 5, 7 и 8 мм. Шаровая мельница является экономичным и широко используемым методом механического легирования порошковой композиции. Выращивание образцов осуществлялось на установке селективного лазерного плавления ВАРИСКАФ100МВС, разработанной и изготовленной в Юргинском технологическом ин-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 4 2022 154 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ституте (филиале) Томского политехнического университета [18, 19]. Поисковые эксперименты проводились при постоянной мощности Р = 80 Вт и импульсной мощности лазера Р = 100 Вт, модуляция m = 5000 Гц, при неизменных параметрах режима: шаг сканирования S = 90 мкм, толщина слоя t = 25 мкм и варьируемой скорости сканирования луча лазера V = 100, 200, 300, 400 мм/с. Образцы со стороной 10 мм построены на подложке из алюминия в предварительно нагретой до 200 °С и заполненной аргоном камере, после предварительного вакуумирования. Металлографические образцы были приготовлены путем проведения стандартной механической шлифовки и полировки на алмазных пастах для получения полированного поперечного сечения. Результаты и их обсуждение В последние годы многие исследования сосредоточены на оптимизации режимов селективного лазерного плавления порошковых металлических сплавов преимущественно сферической формы. Не изученным остается вопрос формирования сплава в процессе СЛП из металлических порошковых материалов, имеющих форму, отличную от сферической. Характеристики порошка меняют свойства как на стадии подготовки порошковой композиции, так и в процессе СЛП от воздействий окружающей среды, механического и теплового влияния. Все это воздействует на качество получаемых изделий. Для определения оптимальных режимов СЛП необходимо знать распределение частиц порошка по размеру и химическому составу поверхности. Загрязнение порошков является основной проблемой в СЛП, особенно при обработке высокореактивного сырья, такого, как магний, титан и алюминиевые сплавы. Длительное нахождение порошков на воздухе приводит к их окислению и, как следствие, нестабильному процессу СЛП. Оксидные пленки препятствуют смачиванию поверхности и являются причиной возникновения пористости. Следовательно, для понимания процесса образования сплава в процессе СЛП необходимо знать исходные данные порошков, которые существенно влияют на качество получаемых изделий. В СЛП характеристики порошкового материала определяются морфологией, гранулометрией, химией поверхности, уплотняемостью, реологией и термическими свойствами, которые, как известно, влияют на поведение материала при лазерном воздействии [20]. Сканирующая электронная микроскопия, рентген и компьютерная томография используются для изучения формы и морфологии поверхности частиц порошка. На рис. 1 приведены растровые электронные изображения (РЭМ) поверхности порошков алюминия, кремния и магния, полученные в результате съемки образца. Порошок алюминия представляет собой конгломераты из частиц неправильной формы размерами 1…20 мкм и более крупных частиц размерами 30...140 мкм (рис. 1, а, б). Однофазный порошок магния представлял собой смесь отдельных частиц с «чешуйчатой» структурой размерами в диапазоне 30…400 мкм (рис. 1, в, г), имеет неправильную форму с грубой текстурой поверхности, что приводит к снижению сыпучести. Элементный состав порошка соответствует магнию при наличии кислорода не более 2 мас. %. Однофазный порошок кремния состоял из конгломератов размером 0,5…45 мкм (рис. 1, д, е). Доля крупных конгломератов в порошке не превышала 15 об. %. Кроме того, в небольшом количестве присутствовали алюминий, титан, кальций и кислород (не более 4 %). На рис. 2–4 приведены рентгеновские дифрактограммы с выполненной идентификацией фаз образцов порошков магния, алюминия и кремния соответственно. Фазовые составы соответствуют единственным фазам Mg, Al, Si. Для формирования порошковой композиции Al-Si-Mg исходные порошки подвергались механическому перемешиванию путем помещения исходных порошков в барабан шаровой мельницы в соотношении: Al – 91 масс.%; Si – 8 масс. %; Mg – 1 масс. % и активации в защитной среде аргона в течение одного и двух часов. В качестве мелящих тел выступали шары диаметром 5, 7 и 8 мм из конструкционной стали ШХ15 в массовом соотношении «порошок – шары» 1:10. При механическом легировании ускорение мелящих тел составило 40 г. Растровые электронные изображения смеси порошков алюминия, магния и кремния, полу-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1