Том 27 № 2 2025 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 в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). 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 27 № 2 2025 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Сундуков С.К., Нигметзянов Р.И., Приходько В.М., Фатюхин Д.С., Кольдюшов В.К. Сравнение методов ультразвуковой обработки поверхностей, полученных послойным синтезом, на примере сплава Ti6Al4V............. 6 Кейт Н., Кулкарни А.П., Дама Й.Б. Сравнительная оценка трения и износа альтернативных материалов, используемых для производства фрикционных композиционных материалов тормозных систем................................ 29 Наумов С.В., Панов Д.О., Соколовский В.С., Черниченко Р.С., Салищев Г.А., Белинин Д.С., Лукьянов В.В. Влияние режимов аргонодуговой сварки на структуру и свойства сварных соединений из сплава ВТИ-4 (Ti2AlNb).............................................................................................................................................................................. 43 Джатти В.С., Сингараджан В., Сайятибрагим А., Джатти В.С., Кришнан М.Р., Джатти С.В. Улучшение характеристик электроэрозионной обработки сплавов NiTi, NiCu и BeCu с использованием многокритериального подхода на основе функции полезности........................................................................................................................... 57 Стельмаков В.А., Гимадеев М.Р., Никитенко А.В. Обеспечение точности формы отверстий, полученных при чистовой обработке методом растачивания............................................................................................................... 89 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Патил Н., Агарвал С., Кулкарни А.П., Сараф А., Ране М., Дама Й.Б. Экспериментальное исследование наноСОЖ на основе оксида графена при сверлении композиционного алюмоматричного материала, армированного частицами SiC, в условиях минимального количества смазочно-охлаждающей жидкости........................................ 103 Гимадеев М.Р., Стельмаков В.А., Никитенко А.В., Улисков М.В. Прогнозирование шероховатости поверхности при фрезеровании сфероцилиндрическим инструментом с использованием искусственной нейронной сети....................................................................................................................................................................................... 126 Осипович К.С., Сидоров Е.А., Чумаевский А.В., Никонов С.Н., Колубаев Е.А. Условия изготовления биметаллических образцов на основе железных и медных сплавов методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства.................................................................................................................................................. 142 Бабаев А.С., Савченко Н.Л., Козлов В.Н., Семёнов А.Р., Григорьев М.В. Работоспособность композиционной керамики Y-TZP-Al2O3 при сухом высокоскоростном точении термически упрочнённой стали марки 40Х........... 159 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Мамадалиев Р.А. Морфологические изменения поверхности деформированной конструкционной стали в коррозионно-активной среде............................................................................................ 174 Черниченко Р.С., Панов Д.О., Наумов С.В., Кудрявцев Е.А., Салищев Г.А., Перцев А.С. Влияние гетерогенной структуры, сформированной деформационно-термической обработкой, на механическое поведение аустенитной нержавеющей стали...................................................................................................................................... 189 Панов Д.О., Черниченко Р.С., Наумов С.В., Кудрявцев Е.А., Салищев Г.А., Перцев А.С. Влияние холодной радиальной ковки на структуру, текстуру и механические свойства легкой аустенитной стали................................ 206 Дешпанде А., Кулкарни А.П., Анерао П., Дешпанде Л., Соматкар А. Комплексное численное и экспериментальное исследование трибологических характеристик композиционного материала на основе ПТФЭ.................. 219 Воронцов А.В., Панфилов А.О., Николаева А.В., Черемнов А.В., Княжев Е.О. Влияние ударной обработки на структуру и свойства никелевого сплава ЖС6У, полученного литьем и электронно-лучевым аддитивным производством............................................................................................................................................................................... 238 Мисоченко А.А. Мартенситные превращения в сплавах на основе TiNi в процессе прокатки с импульсным током..................................................................................................................................................................................... 255 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 270 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 279 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 03.06.2025. Выход в свет 16.06.2025. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 35,0. Уч.-изд. л. 65,1. Изд. № 77. Заказ 150. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 27 No. 2 2025 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. 27 No. 2 2025 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. 27 No. 2 2025 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Sundukov S.K., Nigmetzyanov R.I., Prikhodko V.M., Fatyukhin D.S., Koldyushov V.K. Comparison of ultrasonic surface treatment methods applied to additively manufactured Ti-6Al-4V alloy................................................................ 6 Kate N., Kulkarni A.P., Dama Y.B. A comparative evaluation of friction and wear in alternative materials for brake friction composites............................................................................................................................................................... 29 Naumov S.V., Panov D.O., Sokolovsky V.S., Chernichenko R.S., Salishchev G.A., Belinin D.S., Lukianov V.V. Microstructure and mechanical properties of Ti2AlNb-based alloy weld joints as a function of gas tungsten arc welding parameters............................................................................................................................................................................. 43 Jatti V.S., Singarajan V., SaiyathibrahimA., Jatti V.S., KrishnanM.R., Jatti S.V. Enhancement of EDM performance for NiTi, NiCu, and BeCu alloys using a multi-criteria approach based on utility function................................................ 57 Stelmakov V.A., Gimadeev M.R., Nikitenko A.V. Ensuring hole shape accuracy in fi nish machining using boring...... 89 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Patil N., Agarwal S., Kulkarni A.P., Saraf A., Rane M., Dama Y.B. Experimental investigation of graphene oxide-based nano cutting fl uid in drilling of aluminum matrix composite reinforced with SiC particles under nano-MQL conditions............................................................................................................................................................................. 103 Gimadeev M.R., Stelmakov V.A., Nikitenko A.V., Uliskov M.V. Prediction of surface roughness in milling with a ball end tool using an artifi cial neural network................................................................................................................. 126 Osipovich K.O., Sidorov E.A., Chumaevskii A.V., Nikonov S.N., Kolubaev E.A. Manufacturing conditions of bimetallic samples based on iron and copper alloys by wire-feed electron beam additive manufacturing......................... 142 Babaev A.S., Savchenko N.L., Kozlov V.N., Semenov A.R., Grigoriev M.V. Performance of Y-TZP-Al2O3 composite ceramics in dry high-speed turning of thermally hardened steel 0.4 C-Cr (AISI 5135)...................................................... 159 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Mamadaliev R.A. Morphological changes of deformed structural steel surface in corrosive environment......................................................................................................................................................... 174 Chernichenko R.S., Panov D.O., Naumov S.V., Kudryavtsev E.A., Salishchev G.A., Pertsev A.S. Eff ect of heterogeneous structure on mechanical behavior of austenitic stainless steel subjected to novel thermomechanical processing............................................................................................................................................................................. 189 Panov D.O., Chernichenko R.S., Naumov S.V., Kudryavtsev E.A., Salishchev G.A., Pertsev A.S. Eff ect of cold radial forging on structure, texture and mechanical properties of lightweight austenitic steel................................................ 206 Deshpande A., Kulkarni A.P., Anerao P., Deshpande L., Somatkar A. Integrated numerical and experimental investigation of tribological performance of PTFE based composite material.................................................................... 219 Vorontsov A.V., Panfi lov A.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.V., Knyazhev E.O. Eff ect of impact processing on the structure and properties of nickel alloy ZhS6U produced by casting and electron beam additive manufacturing........ 238 Misochenko A.A. Martensitic transformations in TiNi-based alloys during rolling with pulsed current........................... 255 EDITORIALMATERIALS 270 FOUNDERS MATERIALS 279 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 2 2025 142 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Условия изготовления биметаллических образцов на основе железных и медных сплавов методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства Ксения Осипович a, *, Евгений Сидоров b, Андрей Чумаевский c, Сергей Никонов d, Евгений Колубаев e Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, Томск, 634055, Россия a https://orcid.org/0000-0001-9534-775X, osipovich_k@ispms.ru; b https://orcid.org/0009-0009-2665-7514, eas@ispms.ru; c https://orcid.org/0000-0002-1983-4385, tch7av@gmail.com; d https://orcid.org/0000-0002-5588-4718, SergRFF@ispms.ru; e https://orcid.org/0000-0001-7288-3656, eak@ispms.tsc.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2025 Том 27 № 2 с. 142–158 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2025-27.2-142-158 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Современные методы аддитивного производства, такие как проволочная электронно-лучевая 3D-печать (ЭЛАП), представляют собой один из наиболее перспективных подходов к созданию ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 620.18; 620.11; 621.791.9 История статьи: Поступила: 09 апреля 2025 Рецензирование: 17 апреля 2025 Принята к печати: 21 апреля 2025 Доступно онлайн: 15 июня 2025 Ключевые слова: Аддитивное производство П роволочная электронно-лучевая аддитивная технология Резкий интерфейс Плавный интерфейс Гетерогенная структ ура Тепловложения Макроструктура Финансирование Результаты получены в рамках проекта Российского Научного Фонда № 24-72-00118. АННОТАЦИЯ Введение. Проволочное электронно-лучевое аддитивное производство (ЭЛАП) – перспективная технология производства, позволяющая варьировать дизайном интерфейса в композиционных материалах, что затруднительно при использовании традиционных методов. Возможность управления локальными металлургическими процессами в ванне расплава является ключевым преимуществом технологии ЭЛАП. Было изучено влияние переменных параметров ЭЛАП (тип подачи проволок, характеристики развертки, значения погонной энергии) на возможность создания различного дизайна в биметаллических образцах на основе медных и железных сплавов. Установление взаимосвязи между структурообразованием и параметрами 3D-печати имеет большое значение для развития ЭЛАП. Цель работы. Установление влияния на качество получаемых изделий основных характеристик процесса ЭЛАП (силы тока, скорости подачи, тепловложения, стратегии печати и свойства материала) для формирования качественных биметаллических образцов с резким и плавным интерфейсом, гетерогенной структурой на основе медных и железных сплавов. Методы исследования. Особое внимание уделяется экспериментальным исследованиям, позволяющим оптимизировать процесс печати. Методом проволочного ЭЛАП получены биметаллические образцы с резким и плавным интерфейсом, гетерогенной структурой на основе медного и железного сплавов. В работе проанализированы значения тепловложения в зависимости от наносимого слоя; значения скорости подачи проволоки в зависимости от используемого материала; типы стратегии печати в зависимости от соотношения разнородных материалов в биметаллических образцах. Для визуализации качества выращенных биметаллических образцов с различным дизайном применяли цифровую камеру Pentax K-3 с фокусным расстоянием объектива 100 мм. Результаты и обсуждение. Основываясь на факторах взаимодействия электронного пучка с материалом, в данной работе систематически описаны возможности получения изделий на основе резкого и плавного интерфейса или гетерогенных материалов. Кроме того, были кратко описаны некоторые методы управления процессом для контроля дефектов с точки зрения факторов, влияющих на динамику ванны расплава, включая контроль термических условий процесса во время 3D-печати. Для формирования резкого интерфейса задается фиксированное значение тепловложения для каждого из рассматриваемых материалов: при нанесении слоев меди M1 оно составляет 0,09 кДж/мм, что в 2,5 раза меньше, чем значение тепловложения при нанесении слоев медного сплава БрАМц9-2; при нанесении слоев из железных сплавов 12Х18Н9Т тепловложение составляет 0,17 кДж/мм, что в 1,5 раза меньше, чем его значение при нанесении слоев железного сплава 09Г2С. Для формирования плавного интерфейса значения тепловложения не являлись фиксированными в зависимости от слоя, как и скорость подачи проволок в ванну расплава. При формировании гетерогенной структуры в биметаллическом образце применялось изменение стратегии печати в зависимости от процентного соотношения объема подаваемых проволок разнородных сплавов. Благодаря точному контролю процесса ЭЛАП были получены бездефектные биметаллические образцы на основе медных и железных сплавов. Для цитирования: Условия изготовления биметаллических образцов на основе железных и медных сплавов методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства / К.С. Осипович, Е.А. Сидоров, А.В. Чумаевский, С.Н. Никонов, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2025. – Т. 27, № 2. – С. 142–158. – DOI: 10.17212/1994-63092025-27.2-142-158. ______ *Адрес для переписки Осипович Ксения Сергеевна, к.ф.-м.н. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Академический проспект, 2/4, 634055, Томск, Россия Тел.: +7 999 499-57-53, e-mail: osipovich_k@ispms.ru сложных металлических конструкций с уникальными механическими и функциональными свойствами. На данный момент количество публикаций по изготовлению биметаллических образцов электронно-лучевым способом растет, что подтверждает актуальность исследований. Этот метод активно применяется в аэрокосмической, автомобильной и медицинской отраслях, где требуется высокая точность, прочность и надежность изделий [1]. В отличие от тради-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 2 2025 143 EQUIPMENT. INSTRUMENTS ционных способов литья и фрезерования метод ЭЛАП позволяет печатать изделия из разнородных материалов с минимальными потерями материала и без необходимости использования форм и штампов [2]. Биметаллический образец изготавливается из двух материалов с различными свойствами, что позволяет получать изделие с характеристиками свойств, отличными от характеристик свойств отдельных материалов. При этом биметаллы не должны иметь дефектов в интерфейсе между разнородными материалами. При возникновении дефектов образцы утрачивают требуемые параметры механических или эксплуатационных свойств. Наиболее распространенным дизайном интерфейса биметаллических образцов является резкий переход от одного материала к другому – например, биметаллы с резким интерфейсом на основе системы «сталь – медь», изготовленные посредством лазерного спекания [3, 4]. Однако анализ литературы показал, что создание плавного интерфейса между разнородными материалами при использовании метода лазерного спекания затруднено. Поэтому ЭЛАП обеспечивает беспрецедентную свободу микроструктурного дизайна во время изготовления. Одним из фундаментальных аспектов, влияющих на эффективность ЭЛАП, является взаимодействие электронного луча с металлической проволокой [5]. Теория рассеяния электронов играет важную роль в определении глубины проникновения луча, формы и размера ванны расплава, а также в управлении тепловыми потоками, которые влияют на кристаллизацию материала [6]. Недостаточное внимание к этим факторам может привести к снижению механической прочности, ухудшению геометрической точности и увеличению количества дефектов в готовых изделиях [7]. Понимание этих процессов позволяет прогнозировать формирование микроструктуры, минимизировать дефекты, такие как пористость, трещины и неоднородность структуры, а также оптимизировать параметры печати для достижения наилучших результатов [8]. В основе процесса лежит катодный узел, наращивающий величину энергии для преодоления потенциального барьера за счет высокой температуры и разности потенциалов анода и катода [9]. Помимо катодного узла работают пушки, отвечающие за формирование и фокусировку направленных электронных пучков, которые ускоряются под действием электрического поля и фокусируются магнитным полем, таким образом формируется направленный электронный пучок [10]. Сфокусированный электронный луч, испускаемый катодом, под воздействием высоких температур преобразует выделяемую тепловую энергию, тем самым формируя локальный нагрев и осуществляя плавление материала. Путем одновременной работы податчика проволоки и электронного луча по заданной траектории послойно наращивается материал, который образует трехмерную структуру после затвердевания. В зависимости от величины энергии, испускаемой лучом, интенсивность рассеивания будет больше при меньшем значении энергии. Однако при большем значении энергии возникает вероятность расширения зоны термического влияния, что приводит к избыточному проплавлению подаваемой проволоки на подложку или уже нанесенные слои. Размер развертки в электронно-лучевой 3D-печати напрямую связан с диаметром электронного луча и его взаимодействием с материалом. Увеличение энергии электронов приводит к большей глубине проникновения, но также расширяет область рассеяния, что может снизить точность геометрии изготавливаемого изделия [1]. Для минимизации этого эффекта необходимо оптимизировать параметры луча, такие как энергия, фокусировка и плотность тока. Например, исследования показывают, что использование электронного луча с низкой энергией позволяет достичь более высокой точности геометрии изготавливаемого изделия, но ограничивает толщину наносимого слоя [2]. При высокой энергии электронного луча и низкой скорости сканирования энергия будет концентрироваться в поверхностных слоях, что может привести к локальному перегреву, и наоборот. При оптимальных параметрах энергия равномерно распределяется по объему, обеспечивая стабильное плавление и формирование качественной макро- и микроструктуры. Недостаточная передача энергии, обусловленная рассеянием электронов, может вызвать неполное расплавление материала, это способствует образованию пористости в структуре изделия. Кроме того, недостаточная энергия может препятствовать достижению температуры плавления, что негативно сказыва-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 27 № 2 2025 144 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ ется на прочности межслойных связей и повышенной шероховатости поверхности. Неравномерное охлаждение, связанное с неоднородным распределением энергии, также способствует формированию локальных зон напряжения, которые могут вызывать образование микротрещин. Перечисленные эффекты подчеркивают важность контроля параметров электронного луча и учета процессов рассеяния для минимизации дефектов и повышения качества печатаемых изделий [11]. В настоящей статье рассматривается влияние на качество получаемых изделий основных характеристик процесса ЭЛАП (силы тока, скорости подачи, тепловложения, стратегии печати и свойства материала), которые входят в теорию рассеяния электронов. Особое внимание уделяется экспериментальным исследованиям, позволяющим оптимизировать процесс печати. Целью работы являлось установление влияния на качество получаемых изделий основных характеристик процесса ЭЛАП (силы тока, скорости подачи, тепловложения, стратегии печати и свойства материала) для формирования качественных биметаллических образцов с резким и плавным интерфейсом, гетерогенной структурой на основе медных и железных сплавов. Для достижения данной цели в процессе исследования решались следующие задачи: – установление интервалов значений тепловложения при нанесении слоев на основе железных и медных сплавов для формирования резкого интерфейса, которые зависят от значений напряжения и тока, необходимого для формирования ванны расплава; – определение соотношения скоростей подаваемых проволок в ванну расплава для формирования плавного интерфейса; – изучение влияния типа стратегии печати в зависимости от процентного соотношения объема разнородных сплавов при одновременной подаче проволок в ванну расплава. Методика исследований Биметаллические образцы с различным дизайном интерфейса и гетерогенной структурой были получены на лабораторной экспериментальной установке для аддитивного электроннолучевого производства металлических изделий в ИФПМ СО РАН (рис. 1). В качестве разнородных материалов были выбраны железные и медные сплавы. При этом использовали проволоки диаметром 1,0 мм из нержавеющей стали 12Х18H10T и конструкционной низколегированной стали 09Г2С, а также проволоки диаметром 1,2 мм из технически чистой меди марки М1 и безоловянной бронзы БрАМц9-2 (табл. 1). Выбор данных сплавов основывался на их широком практическом применении (кораблестроение, авиастроение, машиностроение и др.). Многокомпонентные образцы печатаются с помощью электронного луча, генерируемого электронной пушкой, через магнитную фокусирующую систему, которая формирует развертку на поверхности в области печати, образуя ванну расплава. Проволока подается из податчика. В результате на подложке формируется образец, состоящий из послойно нанесенного материала. Рис. 1. Изображение вакуумной камеры лабораторной экспериментальной установки для аддитивного электронно-лучевого производства металлических изделий Fig. 1. Vacuum chamber of the laboratory experimental installation for electron beam additive manufacturing
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 27 No. 2 2025 145 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав исходных материалов проволок железных и медных сплавов Chemical composition of wire feedstock: iron and copper alloys Материал Химический состав, вес. % Fe Cu Cr Ni Mn Al Si C Другие Подложка 304 Ост. До 0,3 17…19 9…11 До 2 – До 0,8 До 0,08 До 1,1 Проволока 12Х18Н9Т Ост. До 0,3 17…19 9…11 До 2 – До 0,8 До 0,12 До 0,6 M1 До 0,005 Ост. – До 0,002 – – – – До 0,02 09Г2С Ост. До 0,3 До 0,3 До 0,3 1,3…1,7 – 0,5…0,8 До 0,12 До 0,28 БрАМц9-2 До 0,5 Ост. – – 1,5…2,5 8…10 До 0,1 – До 1,65 Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Технологические параметры процесса ЭЛАП EBAM process parameters Материал Интерфейс Форма развертки Размер развертки, мм Напряжение U, кВ Частота сканирования, Гц Ток, мА Скорость подачи проволоки υ, мм/мин 12Х18Н9Т-M1 Резкий / Плавный / Композит Эллипс 5 30 1000 90…45 250…440 12Х18Н9Т-БрАМц9-2 80…42 250…440 09Г2С-БрАМц9-2 85…45 250…400 Благодаря варьированию параметров при ЭЛАП этот метод потенциально подходит для получения материалов с контролируемой структурой и улучшенными механическими или эксплуатационными характеристиками. Параметры печати (размер развертки, напряжение, частота сканирования, ток и скорость подачи проволоки), используемые для изготовления вертикальной стенки, представлены в табл. 2. Для визуализации качества выращенных биметаллических образцов с различным дизайном использовали цифровую камеру Pentax K-3 с фокусным расстоянием объектива 100 мм. Результаты и их обсуждение Всестороннее понимание формирования определенной структуры и ее дизайна в процессе аддитивного производства открывает широкие возможности для получения биметаллов с желаемыми свойствами в конкретной части детали, что дает возможность изготовить более эффективное инженерное изделие [12, 13]. На рис. 2 схематично показаны некоторые возможные на данный момент комбинации для многоматериальных изделий в аддитивном производстве. В зависимости от назначения изделия и требований к нему может применяться различная геометрия нанесения материалов и дизайн интерфейса. Как уже говорилось выше, самый простой и распространенный дизайн интерфейса – резкий (рис. 2, a). Возможно получить и плавный интерфейс от одного материала к другому (рис. 2, б). Могут быть также получены гетерогенные структуры при помощи одновременной подачи разнородных несмешивающихся материалов, использования порошковой проволоки или добавления металлического порошка в матричный материал (рис. 2, в). В частности, это могут
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1