Том 26 № 1 2024 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, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, 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, ИФТПС СО РАН, г. Якутск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары 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 Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Куц В.В., Олешицкий А.В., Гречухин А.Н., Григоров И.Ю. Исследование изменения геометрических параметров образцов, наплавленных методом GMAW при воздействии на электрическую дугу продольного магнитного поля....................................................................................................................................................................................... 6 Сапрыкина Н.А., Чебодаева В.В., Сапрыкин А.А., Шаркеев Ю.П., Ибрагимов Е.А., Гусева Т.С. Оптимизация режимов селективного лазерного плавления порошковой композиции системы AlSiMg................................ 22 Губин Д.С., Кисель А.Г. Особенности расчета температуры резания при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов без применения СОЖ................................................................................................................... 38 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Борисов М.А., Лобанов Д.В., Зворыгин А.С., Скиба В.Ю. Адаптация системы ЧПУ станка к условиям комбинированной обработки.................................................................................................................................................... 55 Носенко В.А., Багайсков Ю.С., Мироседи А.Е., Горбунов А.С. Эластичные хоны для полирования профилей зубьев термообработанных цилиндрических колес специального назначения.............................................................. 66 Подгорный Ю.И., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В., Папко С.С., Рожнов Е.Е., Юлусов И.С. Синтез механизма привода ремиз............................................................................................................. 80 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рагазин А.А., Арышенский В.Ю., Коновалов С.В., Арышенский Е.В., Бахтегареев И.Д. Изучение влияния содержания гафния и эрбия на формирование микроструктуры при литье алюминиевого сплава 1590 в медный кокиль............................................................................................................................................................................ 99 Зорин И.А., Арышенский Е.В., Дриц А.М., Коновалов С.В. Изучение эволюции микроструктуры и механических свойств в алюминиевом сплаве 1570 с добавкой 0,5 % гафния......................................................................... 113 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Взаимосвязь микроструктуры с ударной вязкостью металлов сварного шва трубных высокопрочных низколегированных сталей (обзор исследований).............................................................................................................................................. 129 Патил Н.Г., Сараф А.Р., Кулкарни А.П. Полуэмпирическое моделирование температуры резания и шероховатости поверхности при точении конструкционных материалов твердосплавным инструментом с покрытием TiAlN.......................................................................................................................................................................... 155 Савант Д., Булах Р., Джатти В., Чинчаникар С., Мишра А., Сефене Э.М. Исследование электроэрозионной обработки криогенно обработанных бериллиево-медных сплавов (BeCu)................................................................... 175 Карлина А.И., Кондратьев В.В., Сысоев И.А., Колосов А.Д., Константинова М.В., Гусева Е.А. Исследование влияния комбинированного модификатора из отходов кремниевого производства на свойства серых чугунов................................................................................................................................................................................. 194 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 212 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 223 Корректор Е.Е. Татарникова 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 06.03.2024. Выход в свет 15.03.2024. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 28,0. Уч.-изд. л. 52,08. Изд. № 15. Заказ 84. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 26 No. 1 2024 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. 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 Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. 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.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 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 Aff airs, 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. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; 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, V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the RAS, Yakutsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 26 No. 1 2024 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Kuts V.V., Oleshitsky A.V., Grechukhin A.N., Grigorov I.Y. Investigation of changes in geometrical parameters of GMAW surfaced specimens under the infl uence of longitudinal magnetic fi eld on electric arc....................................... 6 Saprykina N.А., Chebodaeva V.V., Saprykin A.А., Sharkeev Y.P., Ibragimov E.А., Guseva T.S. Optimization of selective laser melting modes of powder composition of the AlSiMg system................................................................. 22 Gubin D.S., Kisel’ A.G. Features of calculating the cutting temperature during high-speed milling of aluminum alloys without the use of cutting fl uid............................................................................................................................................. 38 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Borisov M.A., Lobanov D.V., Zvorygin A.S., Skeeba V.Y. Adaptation of the CNC system of the machine to the conditions of combined processing...................................................................................................................................... 55 Nosenko V.A., Bagaiskov Y.S., Mirocedi A.E., GorbunovA.S. Elastic hones for polishing tooth profi les of heat-treated spur wheels for special applications..................................................................................................................................... 66 Podgornyj Y.I., Skeeba V.Y., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V., Papko S.S., Rozhnov E.E., Yulusov I.S. Synthesis of the heddle drive mechanism....................................................................................................... 80 MATERIAL SCIENCE Ragazin A.A., Aryshenskii V.Y., Konovalov S.V., Aryshenskii E.V., Bakhtegareev I.D. Study of the eff ect of hafnium and erbium content on the formation of microstructure in aluminium alloy 1590 cast into a copper chill mold............................................................................................................................................................................ 99 Zorin I.A., Aryshenskii E.V., Drits A.M., Konovalov S.V. Study of evolution of microstructure and mechanical properties in aluminum alloy 1570 with the addition of 0.5 % hafnium........................................................................... 113 Karlina Y.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Relationship between microstructure and impact toughness of weld metals in pipe high-strength low-alloy steels (research review)..................... 129 Patil N.G., Saraf A.R., Kulkarni A.P Semi empirical modeling of cutting temperature and surface roughness in turning of engineering materials with TiAlN coated carbide tool................................................................................. 155 Sawant D., Bulakh R., Jatti V., Chinchanikar S., Mishra A., Sefene E.M. Investigation on the electrical discharge machining of cryogenic treated beryllium copper (BeCu) alloys........................................................................................ 175 Karlina A.I., Kondratiev V.V., Sysoev I.A., Kolosov A.D., Konstantinova M.V., Guseva E.A. Study of the eff ect of a combined modifi er from silicon production waste on the properties of gray cast iron................................................. 194 EDITORIALMATERIALS 212 FOUNDERS MATERIALS 223 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 22 ТЕХНОЛОГИЯ Оптимизация режимов селективного лазерного плавления порошковой композиции системы AlSiMg Наталья Сапрыкина 1, a, *, Валентина Чебодаева 2, b, Александр Сапрыкин 1, 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). 2024 Том 26 № 1 с. 22–37 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-22-37 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.78 История статьи: Поступила: 05 ноября 2023 Рецензирование: 24 ноября 2023 Принята к печати: 28 декабря 2023 Доступно онлайн: 15 марта 2024 Ключевые слова: Селективное лазерное плавление Металлический порошок Пористость Режимы селективного лазерного плавления Микротвердость Энерговклад Сплав системы алюминий-кремниймагний Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-01491, https://rscf.ru/ project/22-29-01491/ Благодарности Авторы выражают благодарность к.т.н. М.А. Химич за помощь в проведении исследований. В работе применялось оборудование ЦКП НМНТ ТПУ. АННОТАЦИЯ Введение. В настоящее время для аддитивного производства разрабатываются новые порошковые системы на основе алюминия. Работы ученых направлены на всесторонние исследования получения порошков, оптимизацию условий для получения сплава и формирования трехмерных образцов с минимальной пористостью и отсутствием растрескивания в процессе селективного лазерного плавления. Целью данной работы является синтез композитного порошка околосферической формы AlSiMg (Al – 91 масс.%, Si – 8 масс.%, Mg – 1 масс.%) из порошков алюминия ПА-4 (ГОСТ 6058–22), кремния (ГОСТ 2169–69) и магния МПФ-4 (ГОСТ 6001–79), изначально не предназначенных для технологии селективного лазерного плавления, и оптимизация режимов селективного лазерного плавления для получения сплава и формирования трехмерных образцов с минимальной пористостью и отсутствием растрескивания. Для создания порошковой композиции методом ситового анализа были отобраны порошки размером от 20 до 64 мкм и подвержены механическому перемешиванию в шаровой мельнице в защитной среде аргона в течение одного часа. Методами исследования являются методы рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии, а также механические испытания микротвердости. Исследования порошковой композиции после механического перемешивания показали, что смешанный порошок алюминия, кремния и магния представляет собой конгломераты из сферических частиц овальной и неправильной формы. Результаты и обсуждения. Оптимальными режимами для получения образца с минимальной пористостью 0,03 % и микротвердостью 1291 МПа являются режимы селективного лазерного плавления: P = 90 Вт, V = 225 мм/с, S = 0,08 мм, h = 0,025 мм. Проведенное исследование показывает возможность синтеза изделий из металлических порошков, не приспособленных к обработке методом селективного лазерного плавления, и получения сплава с новыми механическими свойствами в процессе лазерного воздействия. Для цитирования: Оптимизация режимов селективного лазерного плавления порошковой композиции системы AlSiMg / Н.А. Сапрыкина, В.В. Чебодаева, А.А. Сапрыкин, Ю.П. Шаркеев, Е.А. Ибрагимов, Т.С. Гусева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 1. – С. 22–37. – DOI: 10.17212/1994-6309-2024-26.1-22-37. ______ *Адрес для переписки Сапрыкина Наталья Анатольевна, к.т.н., доцент Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, 634050, г. Томск, Россия Тел.: +7 923 49-72-483, e-mail: saprikina@tpu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 23 TECHNOLOGY Введение Сплавы на основе алюминия благодаря своему легкому весу, прочности, пластичности и хорошей коррозионной стойкости широко применяются во многих отраслях машиностроения [1, 2]. Алюминий почти в три раза легче стали и является третьим по распространенности элементом на Земле. Традиционными способами получения деталей из алюминиевых сплавов являются литье под давлением, в кокиль и песчано-глинистые формы [2]. В последние годы аддитивные технологии (АТ) совершают революцию в обрабатывающей промышленности, позволяя изготавливать детали сложной геометрической формы непосредственно из трехмерного чертежа [3, 4]. Программное обеспечение рассекает 3D-объект на слои толщиной от 20 до 100 мкм, в то время как лазер сплавляет их слой за слоем, двигаясь по заданной траектории. Наиболее распространенной технологией послойного получения деталей из металлических порошков является технология селективного лазерного плавления (СЛП, SLM). Анализ литературы показывает, что этим методом получены сплавы на основе железа, титана, кобальта и никеля с механическими свойствами намного выше, чем у сплавов, изготовленных традиционными методами [5, 6]. В сплавах на основе алюминия, полученных по технологии СЛП, легко образуются структурные дефекты, которые приводят к возникновению сильного растрескивания. Ученые предлагают различные способы для их устранения. В исследовании [7] растрескивание предотвращено за счет снижения скорости охлаждения во время процесса СЛП и уменьшения теплопередачи от деталей к платформе. Koutny et al. [8] исследовали влияние параметров процесса СЛП (мощности лазера, скорости сканирования, стратегии сканирования и нагрева платформы) на относительную плотность и механические свойства образцов, полученных из сплава 2618 (сплав AlCuMnMgAg) [3]. В процессе эксперимента из-за высокой разницы температур во время затвердевания между твердой и жидкой фазами образцов наблюдалось образование трещин. Уменьшение теплового градиента за счет построения опорных элементов приводит к снижению количества трещин. Нагрев платформы до 400 °C и более низкая скорость сканирования не могли улучшить качество образцов и вызывали газовую пористость. В исследовании Reschetnik et al. сказано о низких механических свойствах деталей из сплава 7075 (AlZn5,5MgCu), изготовленных методом SLM [9]. Причиной пониженных механических свойств являются растрескивания, которые возникают при затвердевании. Авторами было предложено изменить режимы плавления (мощность лазера, шаг сканирования и скорость сканирования) и последующую термообработку для улучшения механических свойств. В настоящее время разрабатываются новые системы на основе алюминия специально для аддитивного производства. В статье [10] решили проблему растрескивания образцов из алюминиевого сплава 6061 (AlMgSiFeCuMnCrZnTi) путем введения в сплав оксида циркония как центров кристаллизации. В литературе также описано, что легкий элемент магний значительно повышает прочность алюминиевой матрицы за счет механизма твердого упрочнения, в то время как скандий повышает прочность алюминиевой матрицы за счет измельчения зерна [11, 12]. Учитывая значительный рост количества алюминиевых порошков, используемых в аддитивном производстве, Алюминиевая ассоциация разработала систему регистрации алюминиевых сплавов, известную как Purple Sheets [13]. На сегодняшний день цены на коммерчески доступные порошки алюминиевых сплавов для СЛП находятся в диапазоне 40–80 долл. США за 1 кг, для сплавов AlSiMg – до 200 долл. США за 1 кг. Качество и сферическая форма порошка также влияют на цену: порошки, полученные плазменным распылением, обычно стоят дороже, чем порошки, распыленные газом [14, 15]. Изза этого в настоящее время стоимость деталей, полученных методом СЛП, гораздо выше, чем изготовленных традиционными способами. Для снижения стоимости изделий и экономии материала не сплавленный порошок можно применять повторно [14, 15], хотя вторично используемые порошки включают в себя сажу, продукты горения и окисления, что приводит к ухудшению механических свойств деталей [14, 16]. Растущее количество сплавов, в настоящее время зарегистрированных в Purple Sheets [13], свидетельствует о том, что существует спрос на
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 24 ТЕХНОЛОГИЯ широкий спектр алюминиевых сплавов для аддитивного производства. Отмечается, что оптимальные параметры обработки особенно важны для широкого применения в промышленности алюминиевых сплавов, полученных методом СЛП [17]. Это происходит главным образом потому, что порошок алюминия обладает высокой отражательной способностью и высокой теплопроводностью, что снижает лазерное поглощение порошка [18, 19]. Кроме того, образование оксидных слоев на ванне расплава способствует образованию пористости [16]. Наличие пор и дефектов в деталях, изготовленных методом SLM, обычно ухудшает механические свойства изделий. Целью настоящей работы является синтез композитного порошка околосферической формы AlSiMg (Al – 91 масс.%, Si – 8 масс.%, Mg – 1 масс.%) из порошков алюминия ПА-4 (ГОСТ 6058–22), кремния (ГОСТ 2169–69) и магния МПФ-4 (ГОСТ 6001–79), изначально не предназначенных для технологии селективного лазерного плавления, и оптимизация режимов селективного лазерного плавления для получения сплава и формирования трехмерных образцов с минимальной пористостью и отсутствием растрескивания [20]. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: получение порошковой композиции из смеси однокомпонентных порошков с частицами околосферической формы; определение структурного и фазового состава полученной композиции порошков методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа; формирование образцов посредством технологии селективного лазерного плавления; определение оптимальной плотности энергии для обеспечения минимальной пористости образцов; выполнение отжига образцов; определение микротвердости образцов до и после отжига; исследование структурно-фазового состава образца методом просвечивающей микроскопии. Методика исследований Для получения порошковой композиции AlSiMg однокомпонентные порошки алюминия, кремния и магния были подвержены ситовому анализу. Частицы размером 20–64 мкм являются оптимальными для технологии селективного лазерного плавления. Распределение фракционного состава порошка алюминия ПА-4 представлено на рис. 1. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ выполнен на рентгеновском дифрактометре ДРОН-7 («Буревестник», Россия). Сканирующая электронная микроскопия проведена на растровом электронном микроскопе LEO EVO в ЦКП «Нанотех» [20]. Рис. 1. Распределение фракционного состава порошка ПА-4 (ГОСТ 6058–22) Fig. 1. Particle size distribution of PA-4 powder (GOST 6058–22) Количество, %
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 25 TECHNOLOGY Образцы размером 10×10×2 мм изготовлены на 3D-принтере ВАРИСКАФ-100МВС, который оснащен иттербиевым волоконным лазером мощностью 100 Вт. В качестве первого изменяемого фактора СЛП была выбрана скорость сканирования (V) 225, 250, 275, 300 мм/с, второго – шаг сканирования (S) 0,09, 0,08, 0,07 мм. Мощность непрерывного лазерного излучения (P) составляла 90 Вт, толщина слоя порошка (h) – 0,025 мм, в качестве защитной среды использовался аргон, температура рабочего стола в начале цикла СЛП составляла +25 °С. Затем образцы были подвергнуты шлифованию и полированию на алмазных пастах со снятием верхнего слоя около 400 мкм. Пористость определялась как средняя по девяти оптическим изображениям поверхности шлифа. Отжиг образцов осуществлялся при температуре 400 °С в течение 5 ч. Испытание микротвердости полированных образцов проводили на установке модели Duramin 5 с приложенной нагрузкой 50 г и временем выдержки 10 с. Для достижения средних показаний был выбран режим измерения по 10 точкам в продольном и поперечном сечениях. Исследования структурно-фазового состояния образца выполнены на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-2100. Результаты и обсуждения Порошки с размером частиц 20–64 мкм были соединены в весовой пропорции Al – 91 масс.%, Si – 8 масс.%, Mg – 1 масс.%, а затем подвержены перемешиванию в шаровой мельнице в течение одного часа в защитной среде аргона для предотвращения формирования оксидов и нежелательного влияния кислорода на структуру и фазовый состав получаемого порошка [20]. Поисковые эксперименты показали, что время механического легирования, равное 40 и 50 мин, недостаточно для получения околосферической формы. Поэтому все дальнейшие исследования проведены с порошковой композицией, подвергнутой часовой активации. Ниже приводится краткое описание результатов при работе с рентгеновскими дифрактограммами образцов порошка AlSiMg, который был получен механическим перемешиванием в шаровой мельнице, работающей по принципу «пьяная бочка», в течение одного часа. Рентгеновская дифракция показывает идентификацию фаз алюминия, кремния и магния (рис. 2). Установлен фазовый состав алюминия – 91 %, кремния – 8 % и магния – 1 %. Растровые электронные изображения перемешанного порошка алюминия, кремния и магния приведены на рис. 3. Порошковая комРис. 2. Рентгеновская дифрактограмма образца порошка AlSiMg, полученного перемешиванием в течение одного часа Fig. 2. X-ray diff raction pattern of a specimen of AlSiMg powder obtained by stirring for 1 hour
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 26 ТЕХНОЛОГИЯ а б в г Рис. 3. РЭМ-изображения (а) и карты распределения элементов Al (б), Si (в), Mg (г) после одного часа механоактивации Fig. 3. SEM images (a) and distribution maps of the elements Al (б), Si (в), Mg (г) after 1 hour of mechanical activation позиция представляет собой конгломераты из частиц околосферической формы и сателлитов неправильной формы с размером частиц от 1 до 170 мкм (рис. 3, а). Элементный состав частиц: алюминий (90,3 масс.%), кремний (8,4 масс.%) и магний (1,3 масс.%). Увеличенное изображение на рис. 3, а показывает частицы порошка преимущественно с гладкой поверхностью, мелкозернистой структурой и некоторыми мелкими сателлитными порошками, частично приплавленными к поверхности более крупных частиц. Метод картирования позволил определить равномерное распределение частиц порошка алюминия в виде крупных и мелких конгломератов по всему объему смеси (рис. 3, б). Из анализа карты распределения сделан вывод, что алюминий имеет наибольшую долю в смеси порошков. Порошок кремния распределен по объему порошковой смеси неоднородно и представляет собой отдельные мелкие частицы размером от 5 до 20 мкм, а также представлен в виде налета более мелких частиц на поверхности алюминия. Кремния в объеме порошковой смеси представлено наименьшее количество, что видно на соответствующей карте распределения (рис. 3, г). Кроме того, указанный факт подтверждает проведённый элементный энергодисперсионный микроанализ. Содержание магния в объеме порошковой смеси не превышает 1,3 масс.% и 1,5 ат.%. При этом алюминия в составе порошка 90,3 масс.% и 90,8 ат.%, а кремния – 8,4 масс.% и 7,7 ат.%.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 26 No. 1 2024 27 TECHNOLOGY Получение образцов из композитного порошка реализовано на установке ВАРИСКАФ100МВС. По результатам поисковых экспериментов для дальнейшего исследования были выбраны следующие изменяемые параметры режима: скорость сканирования 225, 250, 275, 300 мм/с с шагом сканирования 0,09, 0,08, 0,07 мм при неизменных параметрах мощности непрерывного лазерного излучения 90 Вт, толщины слоя порошка 0,025 мм; защитная среда – аргон, температура рабочего стола в начале цикла СЛП составляла +25 °С. Были изготовлены образцы размером 10×10×2 мм. При скорости сканирования 300 мм/с поверхность образцов показала увеличение пористости, поэтому при 350 мм/с эксперименты не проводились. В таблице представлены фотографии структуры образца с минимальной пористостью 0,03 %, который изготовлен на следующих режимах СЛП: P = 90 Вт; V = 225 мм/с; S = 0,08 мм; h = 0,025 мм; t = 25 С°. Пористость находилась как среднее значение девяти измерений. Значения пористости, определенные по фотографии структуры образца, полученного методом СЛП из композиции порошков на режимах СЛП: P = 90 Вт; V = 225 мм/с; S = 0,08 мм; h = 0,025 мм; t = 25 °С Porosity values determined from a photograph of the structure of a specimen obtained by SLM from a composition of powders in SLM modes: P = 90 W; V = 225 mm/s; S = 0.08 mm; h = 0.025 mm; t = 25 °C
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 26 № 1 2024 28 ТЕХНОЛОГИЯ Аналогично определена пористость при скорости перемещения лазера V = 250, 275, 300 мм/с. На рис. 4 показаны зависимости пористости образцов от скорости и шага сканирования, полученные на следующих режимах СЛП: P = 90 Вт; h = 0,025 мм; t = 25 С°. На рис. 5 представлены РЭМ-изображения и элементное картирование образцов, полученных из смешанных порошков алюминия, магния и кремния. По картам распределения алюминия, магния и кремния видно, что элементы в матрице распределены однородно по всей поверхности образцов. В результате исследования элементного состава было выявлено, что элементы в образце распределены следующим образом: алюминий – 90,5 масс.% и 91 ат.%; кремний – 7,8 масс.% и 8 ат.%; магний – 1,7 масс.% и 1 ат.%. Анализ проведенных исследований показывает, что перемешивание порошков в процессе механоактивации способствует созданию объемных образцов методом лазерного селективного сплавления с однородным распределением элементов порошка (алюминий, кремний и магний). Рис. 4. График зависимости среднего значения пористости от скорости и шага сканирования образцов, полученных на режимах СЛП: P = 90 Вт; h = 0,025 мм; t = 25 С° Fig. 4. Plot of the dependence of the average porosity value against the scanning speed and step of specimens obtained in SLM modes: P = 90 W; h = 0.025 mm; t = 25 °C На рис. 6 представлены результаты испытаний микротвердости, измеренной по десяти точкам в продольном и поперечном сечении образца, которые показывают, что образец имеет среднее значение микротвердости в продольном сечении 1291 МПа, а в поперечном сечении 1243 МПа. Отклонения значений не превышают 5 %. Для снижения остаточных напряжений подобраны режимы и выполнен отжиг образцов при температуре 400 °С в течение 5 ч. РЭМ-изображения образцов после отжига показывают, что поверхность характеризуется однородной морфологией без видимых дефектов (рис. 7). Отжиг образцов приводит к уплотнению структуры поверхности образцов. На рис. 8 приведены РЭМ-изображения и карты распределения элементов (Al, Mg, Si) образцов, полученных после отжига. Алюминий и магний во всех образцах распределены однородно. При этом кремний в образцах распределен в виде мелких частиц с размером менее 5 мкм. Элементный состав показал, что элементы в образце распределены следующим образом: алюминий – 88,6 масс.% и 88,2 ат.%; кремний – 9,9 масс .% и 9,5 ат.%; магний – 1,5 масс.% и 2,3 ат.%. Определение микротвердости образца после отжига показало значение 722 МПа в продольном сечении и 710 МПа в поперечном сечении. Уменьшение микротвердости почти в два раза при термообработке строго зависит от микроструктурных изменений. Во всех рассмотренных работах отмечается снижение прочности после термообработки, которое становится более интенсивным с увеличением температуры или продолжительности термообработки. Эти изменения механического поведения совершенно непосредственно следуют из постепенного уменьшения пересыщения матрицы α-Al, разрыва сетки Si и непрерывного роста относительно крупных частиц Si. Исследования структурно-фазового состояния образца выполнены на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-2100, они показали, что исследуемый образец имеет зеренную структуру, как видно на рис. 9. На исследуемом образце в области, доступной для исследования, при используемых увеличениях микроскопические поры не выявляются.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1