"Влияние структурных изменений в заготовках из конструкционных сталей, полученных 3D печатью электродуговой наплавкой, на хладостойкость и механические свойства" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Колчин Павел Владимирович

• Колчин Павел Владимирович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Колчин Павел Владимирович

Введение

Глава 1. Литературный обзор. Аддитивные технологии для печати металлами, материаловедение в 3Б печати, хладостойкость материалов

1.1 Обзор технологии печати электродуговой наплавкой ^ААМ)

1.2 Обзор материалов и их характеристик, полученных после 3Э печати

1.3 Пути повышения механических свойств напечатанных объектов

1.4 Хладостойкость металлов и улучшение их механических свойств при низких температурах

1.4.1 Влияние пониженных температур на разрушение металлов

1.4.2 Факторы, влияющие на хладостойкость

1.4.3 Влияние низких температур на механические свойства металлов

1.5 Известные подходы к оценке хладостойкости металлов

1.6 Выводы по главе 1, цели и задачи исследования

Глава 2. Оборудование, материалы и методы для проведения

экспериментальных исследований

2.1 Описание оборудования для проведения экспериментов

2.1.1 Установка для 3Э печати по технологии электродуговой наплавкой на станках с ЧПУ

2.1.2 Установка для определения ударной вязкости при низких температурах

2.1.3 Установка для определения предела прочности, предела текучести

и относительного удлинения при низких температурах

2.2 Применяемые материалы для 3D печати

2.3 Методика и оборудование для металлографических исследований качества структуры изделий при 3D печати

2.4 Оборудование для химического и фазового анализа образцов

2.5 Фрактографический анализ образцов

2.6 Оценка изображений изломов с помощью фрактальной размерности и нейросетевого моделирования

2.7 Выводы по главе

Глава 3. Экспериментальные исследования материалов заготовок,

полученных 3Б печатью электродуговой наплавкой на металлорежущем станке с ЧПУ

3.1 3Э печать заготовок для анализа микроструктуры и механических свойств

3.2 Исследование образцов при механических испытаниях

3.2.1 Исследование образцов при ударном изгибе

3.2.2 Исследование образцов при растяжении

3.3 Исследование термического цикла процесса 3D печати

3.4 Исследование твердости напечатанных образцов

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Анализ экспериментальных исследований

4.1 Анализ химического и фазового состава

4.2 Анализ микроструктуры

4.2.1 Анализ микроструктуры при изменении режимов 3D печати

4.2.2 Анализ микроструктуры при изменении термического цикла процесса 3D печати

4.3 Анализ фрактограмм изломов

4.3.1 Анализ фрактограмм изломов стали 09Г2С

4.3.2 Анализ фрактограмм изломов стали 07Х25Н13

4.4 Выводы по главе

Глава 5. Пути повышения хладостойкости заготовок из

конструкционных сталей, получаемых 3Б печатью

электродуговой наплавкой

5.1 Термическая обработка напечатанных заготовок

5.2 Применение управления режимами 3Э печати

5.3 Алгоритм управления траекторией 3D печати с учетом термического цикла

5.4 Изготовление детали «Рычаг подвески»

5.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Список сокращений

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время в России ведется активное освоение северных и Арктических территорий, которым ранее уделялось недостаточно внимания. Это связано с тем, что данный регион становится стратегической зоной влияния России как с точки зрения транспорта, в частности судоходства, так и наличия большого количества полезных ископаемых, таких как нефть и природный газ, а также с точки зрения обороноспособности страны. В этой связи в России реализуется программа: «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации», утвержденная постановлением Правительства от 21 апреля 2014 года № 366. Данная программа призвана стимулировать деятельность в северных регионах страны, которые остаются слабо развитыми в индустриальной сфере и требуют создания инфраструктуры, оборудования и транспортных средств, способных работать в экстремальных условиях низких температур. При разработке и эксплуатации оборудования необходимо учитывать суровые климатические условия, которые оказывают существенное негативное воздействие. Выход из строя ответственных деталей, вследствие их низкой хладостойкости, может приводить к тяжелым экономическим, экологическим последствиям и гибели людей. В этой связи возникает необходимость быстрого изготовления деталей и восстановления работы оборудования.

В настоящее время решением данной проблемы является возможность использования аддитивных технологий: селективного лазерного сплавления, лазерной наплавки порошка, электродуговой наплавки. Наиболее доступной, простой и производительной считается технология электродуговой наплавки, так как при ее реализации в качестве строительного материала используют металлическую проволоку (в том числе полученную из порошков), которую легко производить, хранить и транспортировать. Данная технология позволяет оперативно изготавливать необходимые детали и элементы деталей.

Стали для печати электродуговой наплавкой должны обеспечивать: хорошую свариваемость, хладостойкость в диапазоне от -80 °С до +20 °С и быть доступными для потребителя. Сталь 09Г2С, используемая при производстве деталей машин и металлоконструкций, активно применяется для электродугового выращивания и широко представлена на рынке, но ее эксплуатация ограничена температурой -60 °С. Для конструкций, работающих при -60 °С и ниже, используются хромоникелевые стали. Исходя из рыночного предложения, наиболее хладостойкой является сталь для сварки и наплавки 07Х25Н13,

Л

обеспечивающая высокий КСУ равный 160 Дж/см при температуре ниже -60 °С. Рациональное применение сталей 09Г2С и 07Х25Н13 позволяет обеспечить хладостойкость в интервале от -80 °С до +20 °С.

Однако, текущих результатов исследований недостаточно для применения данных марок сталей при электродуговом выращивании заготовок изделий, работающих при низких температурах. Анализ имеющихся работ показал, что имеющийся уровень разработанности темы требует более полного изучения структурных изменений в напечатанных заготовках, определение их влияния на механические свойства и хладостойкость, изучение механизмов разрушения в широком диапазоне температур, а также влияния термического цикла процесса 3Э печати на структуру металлов.

Исходя из вышеизложенного, исследование структуры металлов заготовок после 3Э печати, оценка их хладостойкости и анализ механизмов разрушения в условиях низких температур, с целью расширения возможностей 3Э печати заготовок деталей, проходящих эксплуатацию в условиях Крайнего Севера и Арктики, является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение хладостойкости и механических свойств заготовок из конструкционных сталей, полученных 3Э печатью электродуговой наплавкой, на основе оценки влияния структурных изменений при их выращивании.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Выполнить аналитический обзор по технологии печати электро дуговой наплавкой в области исследования структуры материалов, механизмов разрушения и оценки хладостойкости, а также текущего состояния решений, направленных на повышение механических свойств получаемых объектов;

• Определить химический и фазовый состав, формируемый после 3Э печати в заготовках из сталей 09Г2С и 07Х25Н13;

• Определить структуру заготовок из сталей 09Г2С, 07Х25Н13, получаемых по технологии 3Э печати электродуговой наплавкой;

• Оценить хладостойкость заготовок, напечатанных аддитивным электродуговым выращиванием;

• Выявить механизмы разрушения образцов, изготовленных с помощью 3D печати по технологии электродуговой наплавки, из сталей 09Г2С, 07Х25Н13 при нормальных условиях и в условиях низких температур;

• Установить влияние термической обработки на повышение хладостойкости и изменение структуры напечатанных заготовок;

• Разработать, провести оценку экономического эффекта и подготовить к внедрению технологию изготовления заготовок, включающую 3D печать с контролем режимов и термического цикла электродуговой наплавки и термическую обработку напечатанных заготовок.

Объект исследования: заготовки из конструкционных сталей 09Г2С и 07Х25Н13, полученные по технологии 3D печати электродуговой наплавкой.

Предмет исследования: структура, механизмы разрушения и хладостойкость выбранных материалов, влияние термической обработки на хладостойкость.

Научная новизна работы:

• Установлено, что увеличение температуры нагрева заготовки из стали 09Г2С в процессе 3D печати способствует увеличению размера зерна феррита с 10 до 60 мкм, а в стали 07Х25Н13 - приводит к росту размеров дендритов в 2 раза. Выявленная связь между погонной энергией и размером зерна феррита в стали

09Г2С для процесса 3Э печати электродуговой наплавкой соответствует закономерности установленной для околошовной зоны изделий при сварке.

• Установлено, что характер изменения механических свойств с понижением температуры, у образцов после 3D печати и из проката совпадает. После 3D печати у заготовок из стали 09Г2С параметр ударной вязкости (КСУ) ниже на 20%. Для стали 07Х25Н13 параметры ударной вязкости (КСУ), предела прочности, предела текучести и относительного удлинения ниже на 30% по сравнению с прокатом.

• Выявлено, что в интервале температур от -80 °С до +20 °С для стали 09Г2С вязкий механизм разрушения сменяется на хрупкий, установлена температура вязко-хрупкого перехода Т50 = -40 °С. Для стали 07Х25Н13 вязкий механизм разрушения наблюдается во всем исследуемом диапазоне температур, Т50 не обнаружена.

• Установлено, что термическая обработка стали 09Г2С в виде нормализации и полного отжига не изменяет Т50, при этом происходит увеличение КСУ до

Л Л

90,5 Дж/см и 87,1 Дж/см (при Т50 = -40 °С) соответственно, что больше чем для заготовок из проката в среднем в 1,5 раза. Для стали 07Х25Н13 термическая обработка в виде аустенизации образцов позволяет уменьшить анизотропию свойств до 10-15 % и увеличить ударную вязкость в среднем на 30 %.

• Разработана технология производства заготовок, включающая защищенный патентом ЯИ 2696121 С1 способ 3Э печати с контролем режимов и термического цикла электродуговой наплавки и термическую обработку полученных заготовок. Теоретическая и практическая значимость работы:

• Установлены значения и характер изменения механических свойств сталей 09Г2С и 07Х25Н13 в интервале температур от -80 °С до +20 °С, позволяющие определить границы применимости заготовок, получаемых 3Э печатью. Для стали 09Г2С определена температура Т50 = -40 °С, ниже которой применение, напечатанных заготовок из данной марки стали нежелательно.

• Полученные данные изменения ударной вязкости позволяют выбрать предпочтительный вид термической обработки с целью расширения границ применимости заготовок, полученных 3D печатью электродуговой наплавкой.

• Рекомендована к внедрению на производстве ПАО «ГАЗ» разработанная технология для изготовления детали «Рычаг».

• Работы выполнены в рамках гранта РНФ № 20-79-00135, гранта Президента РФ на тему: «Оценка хладостойкости и изучение механизмов разрушения металлов, полученных на основе 3D-печати для обеспечения безопасной эксплуатации технических объектов в условиях Арктики и Крайнего Севера» и гранта УМНИК № 15491ГУ/2020 «Разработка способа 3D печати хладостойкими материалами».

Методология и методы исследования. Применены методы анализа структуры материалов и поверхностей изломов образцов, а также механических свойств. Испытания проводились на стандартном лабораторном оборудовании, включающем маятниковый копер МК-300 и разрывную машину Tinius Olsen H100KU. Анализ химического, фазового состава, структуры и фрактографические исследования поверхностей изломов проводились с применением спектрометра ARL 3460, дифрактометра ДРОН-2, оптического микроскопа KEYENCE VHX-1000, растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6495. Основные положения, выносимые на защиту

• Результаты оценки химического, фазового состава и структуры сталей 09Г2С и 07Х25Н13, полученные после 3D печати электродуговой наплавкой, показывающие их изменение от термических циклов процесса печати и термической обработки.

• Результаты оценки механизмов разрушения образцов из сталей 09Г2С и 07Х25Н13, полученные 3D печатью электродуговой наплавкой, показывающие что их механизмы разрушения аналогичны механизмам разрушения образцов, полученных из проката.

• Характер изменения ударной вязкости и других параметров, у образцов после 3D печати из сталей 09Г2С и 07Х25Н13, который демонстрирует

пониженные значения ударной вязкости в сравнении с образцами из проката. В связи с чем требуются действия, направленные на повышение хладостойкости.

• Результаты оценки изменения структуры и хладостойкости заготовок из сталей 09Г2С и 07Х25Н13 после 3D печати электродуговой наплавкой и последующей термической обработки, обеспечивающие повышение ударной вязкости.

• Результат изготовления детали «Рычаг» по технологии, включающей формирование заготовки при помощи запатентованного способа 3Э печати электродуговой наплавкой с системой стабилизации режимов по патенту ЯИ 2696121 С1 и термическую обработку, позволяющую достичь повышения ударной вязкости.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту положения и результаты выполнены автором лично. Автор принимал прямое участие при постановке целей и задач, разработке экспериментальной установки, проведении экспериментов, обработке и обобщении результатов, внедрении результатов исследования.

Достоверность результатов и выводов, полученных в процессе исследования, подтверждается проведенными экспериментами, выполненными с применением сертифицированного оборудования для исследования механических свойств и микроструктуры, методами испытания образцов, соответствующих требованиям ГОСТ, а также тем, что полученные данные согласуются с результатами ранее выполненных работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы изложены и обсуждены на научно-технических конференциях, а именно:

1. XV Всероссийская научно-техническая конференция «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (секция: Технологии и материалы машиностроительных производств), Иркутск, ИРНИТУ, 2020 г.

2. 47-я научная конференция с международным участием «Неделя науки СПбПУ» (секция: Металлургия, машиностроение), Санкт-Петербург, СПбПУ Петра Великого, 2018 г.

3. 22-я Нижегородская сессия молодых учёных - Технические науки, Н.Новгород, 2017 г.

4. IX Национальная научно-техническая конференция в рамках Международного молодежного промышленного форума «Инженеры будущего -2019», Оренбург, 2019 г.

5. II Всероссийский форум научной молодёжи «Богатство России», Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018 г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в одной монографии в качестве соавтора; в двух статьях в журналах, включенных в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК; в одной статье в журнале, индексируемом в базе Scopus; в одной статье в другом издании; получены два патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы, списка сокращений и пяти приложений. Включает 161 страницу, содержит 85 рисунков, 29 таблиц, список литературы из 109 источников и 5 приложений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «"Влияние структурных изменений в заготовках из конструкционных сталей, полученных 3D печатью электродуговой наплавкой, на хладостойкость и механические свойства"»

Краткая характеристика работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, представлена научная новизна, указана теоретическая и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы, о структуре и об объеме диссертации.

В первой главе дан общий обзор аддитивных технологий для получения изделий из металлов, более подробно рассмотрена технология аддитивного выращивания объектов методом электродуговой наплавки. Проведен обзор материалов, используемых при формировании объекта, и обозначены предъявляемые к ним требования. Представлен обзор результатов исследований, посвященных оценке параметров структуры, механизмов разрушения и

механических свойств образцов, полученных по технологии электродугового выращивания. Представлен анализ литературы, посвященной исследованию материалов при низких температурах, в том числе материалов, предназначенных для сварки и наплавки конструкций.

Существенный вклад в развитие электродугового выращивания и исследования механических свойств материалов получаемых объектов внесли зарубежные ученые: Horgar A., Fostervoll H., Jones S.A., Wright I.W., Ayarkwa K.F., Williams S., Ding D., Pan Z., Cuiuri D. Из отечественных ученых свой вклад в развитие технологии электродугового аддитивного выращивания внесли А.А. Попович, О.В. Панченко, Ю.Г. Кабалдин, Г.А. Туричин, Д.Н. Трушников.

В области, посвященной исследованию механизмов хрупкого разрушения металлов в условиях низких температур и разработке прикладных методов их оценки, большой вклад внесли работы: В.В. Болотина, Р.В. Гольдштейна, H.H. Давиденкова, А.Ф. Иоффе, В.Е. Панина, В.И. Саррака, В.М. Финкеля, Е.М. Баско, A.B. Викулина, А.Г. Гумерова, Н.В. Новикова, В.Е. Панина, Б.И. Трефилова, P.M. Burdekin, В.Н. Чувильдеева, К. Kalna, Т. Kanazawa, W. Weibull, G.R. Irwin, A.A. Griffith, J.M. Robertson и др.

Проводимые в настоящее время исследования металлов и сварных соединений для эксплуатации в условиях низких температур показывают недостаточную степень развития и изученности в части объектов, получаемых по технологии 3D печати электродуговой наплавкой.

На основании выполненного литературного обзора поставлена цель и задачи исследования.

Во второй главе дано описание оборудования, применяемого в процессе исследования, рассмотрены материалы, применяемые для аддитивного выращивания в процессе исследования. Даны характеристики оборудования и фрактографического анализа изломов образцов при низких температурах. Представлено оборудование и методики анализа микроструктуры образцов, полученных при различных термических циклах в процессе 3D печати. Описано оборудование и математический аппарат для фиксации и обработки сигнала

акустической эмиссии для идентификации поведения конструкции в процессе эксплуатации.

В третьей главе приведено описание экспериментальных работ по всестороннему исследованию микроструктуры, механизмов разрушения и механических свойств материалов при нормальных условиях и при низких температурах, получаемых с помощью технологии 3Э печати электродуговой наплавкой на станке, а также для оценки микроструктуры в результате термических циклов, возникающих в процессе печати.

В четвертой главе выполнен анализ экспериментальных данных. Рассмотрены микроструктуры, химический и фазовый состав полученных материалов при выбранных термических циклах, возникающих в процессе 3Э печати, изучены фрактограммы изломов образцов, испытанных при нормальных и низких температурах.

Пятая глава посвящена разработке путей по улучшению микроструктуры и механических свойств металлов, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур. Исходя из проведенного анализа экспериментальных данных в главе 4, были сформулированы следующие факторы, которые влияют на качество металлов, получаемых 3Э печатью: обработка изделий после 3Э печати, режимы 3Э печати, термические циклы, возникающие в процессе 3Э печати.

В заключении диссертации даны основные выводы и результаты выполненной работы.

Приложения содержат:

1. Применяемое оборудование, программы и алгоритмы.

2. Фотографии структуры 09Г2С в центре образца, полученные при изменении погонной энергии.

3. Алгоритм построения траектории 3Э печати для поддержания выбранного термического цикла и требуемой микроструктуры.

4. Патенты, полученные в результате выполнения диссертационной работы.

5. Акт внедрения на предприятии.

Глава 1. Литературный обзор. Аддитивные технологии для печати металлами, материаловедение в 3Б печати, хладостойкость материалов

1.1 Обзор технологии 3Б печати электродуговой наплавкой (WAAM)

Технология печати электродуговой наплавкой (WAAM) [1]

предназначена для построения объектов от 100x100x100 мм, так как меньшие размеры объекта неизбежно ведут к ухудшению геометрических характеристик объекта. Схема реализации электродуговой наплавки проволоки представлена на рисунке 1.1. Процесс аддитивного выращивания выполняется в следующей последовательности: один полюс источника питания устройства подключается к подложке, а второй - к токоведущим частям, которые в свою очередь контактируют с наплавочной проволокой. Затем печатающая головка подводится к подложке и через сопло подается наплавочная проволока, при соприкосновении ее с подложкой возникает короткое замыкание, в результате чего образуется электрическая дуга. В результате этого образуется сварочная ванна на подложке и расплавляется проволока, которая капельно осаждается в образовавшуюся ванну. Таким образом, печатающая головка, перемещаясь вдоль подложки, образует единичный валик, из которого будут состоять все слои будущего объекта. Помимо подачи проволоки через сопло в сварочную ванну подается защитный газ, который защищает расплавленный металл от воздействия кислорода воздуха и стабилизирует горение дуги. Величина формируемого слоя может составлять от 0,5 до 7 мм. К преимуществам данной технологии относятся: скорость построения, которая может достигать 4000 см3/ч (одна из самых высоких скоростей для аддитивных машин), неограниченный размер зоны построения, так как не требуется закрытая камера, лучшее качество микроструктуры, так как материал для построения претерпевает полное расплавление и перемешивается с предыдущим слоем, высокая гибкость при встраивании в гибридные системы (роботизированные комплексы, металлорежущие станки), доступность и простота конструкций аддитивных машин, доступность и дешевизна материалов в виде

проволоки по сравнению с металлическим порошком. К недостаткам можно отнести ограниченность при построении сложной геометрии, низкую точность по сравнению с послойным лазерным сплавлением порошка SLM [2 - 9] и коаксиальной лазерной наплавкой порошка DMD [10 - 20], невозможность получать внутренние структуры высокой детализации, наличие внутренних напряжений в конечном объекте, не эффективный теплоотвод при формировании элементов небольших размеров, что приводит к разной микроструктуре и механическим свойствам, локальная нестабильность процесса ввиду множества внешних и внутренних факторов, риск образования пор и трещин, несплавлений в началах траекторий или при несоответствующем термическом режиме. Исследованию WAAM процесса посвящены работы ученых: Venturini G., Montevecchi F. [21], Martina F. [22], Jackson M.A. [23], Emilio Pinto-Lopera [24], Johnnieew Zhong Li [25], Oliveira, J.P. [26] Поповича И.Н. [27], Панченко О.В. [27], Щицына Ю.Д. [28], а также компании-производители оборудования: GEFERTEC GmbH (Германия) [29], Mazak Corporation (Япония) [30], Fronius International GmbH (Австрия) [31], RAMLAB (Нидерланды) [32], Welding Engineering and Laser Processing Centre Cranfield University [33] и др.

Рисунок 1.1 - Схема функционирования WAAM технологии [34]

1.2 Обзор материалов и их характеристик, полученных после 3D печати

Исследованию материалов и их характеристик, которые получаются в результате электродугового аддитивного выращивания, а также путям повышения качества микроструктуры и механических свойств посвящено множество исследований ученых из разных стран.

Коллективом под руководством Oliveira J.P., Miranda R.M. из Лиссабонского университета NOVA был сформирован обзор, дающий детальное представление о технологии электродугового аддитивного выращивания WAAM и путях повышения качества формируемых объектов по данной технологии [26]. В своей работе ученые отмечают, что для WAAM можно использовать металл, доступный в виде сварочной проволоки, чаще всего используются сплавы на основе стали, алюминия, титана и никеля. При этом сплавы на основе титана и никеля более популярны и изучены, так как именно из них изготавливается большое количество деталей для авиастроения и космоса.

Oliveira J.P., Miranda R.M. [26] рассматривают применение сталей для электродугового выращивания объектов. Чаще всего для аддитивного выращивания используют аустенитные нержавеющие стали, такие как SS 304 (08Х18Н10), SS 308LSi (04Х19Н9) и SS 316L (03Х17Н14М3).

Dai Yi-li, Yu Sheng-fu [35] провели исследование микроструктуры и механических свойств высокопрочной низколегированной стали, аналога 08Г2С.

Электродуговое выращивание образцов проводилось с использованием технологии холодного переноса металла (CMT) на режимах 130 - 140 А, 18 -20 В, со скоростью перемещения печатающей головки 7 - 8 мм/с, в среде СО2, подаваемого со скоростью 15 - 20 л/мин. В работе [35] был напечатан образец, где на протяжении всей высоты представленного образца рассмотрена микроструктура в зависимости от повторяющегося термического влияния, а также определен термический цикл для одной точки образца. Как описано в исследовании [35], материал может проходить несколько процессов. Это полный переход в аустенитное состояние при одном термическом цикле, преодолевая

точку Ас1, частичная аустенизация при двух термических циклах, или отпуск при трех термических циклах. Вид образца и градиент изменения микроструктуры представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Степень аустенитизации в различных положениях и распределение микроструктуры: (а, £, j) зона затвердевания без цикла; (Ь, ^ полная зона аустенитизации после одного термического цикла; зона частичной аустенитизации после двух термических циклов; зона отпуска после трех термических циклов; ф зона полной аустенитизации; (^ !) зона частичной

аустенитизации и (^ т) зона отпуска [35]

Так же в работе [35] разобран термический цикл для одной точки образца. График этого термического цикла представлен на рисунке 1.3. Однако здесь следует отметить, что сочетание термических циклов при печати одного объекта может быть разным и характеризоваться, например, полным остыванием части объекта с последующей укладкой слоя или температура объекта будет стабильно поддерживаться на определенном уровне. Все это может привести к анизотропии

свойств. В исследовании [35] описанные выше варианты не рассматривались, однако они оказывают существенное влияние на механические свойства объекта.

Рисунок 1.3 - Термический цикл для точки [35] А. (1) - при укладке первого слоя точка А базового слоя претерпевает полное преобразование в аустенит; (2) - при укладке второго слоя точка А базового слоя претерпевает

частичное преобразование в аустенит (преобразуется только перлит); (3) - при укладке третьего слоя точка А базового слоя испытывает термическую обработку в виде отпуска [35]

В работе [35] отмечается, что в процессе формирования последующих слоев уложенный слой может претерпевать следующие превращения: полная переплавка (сверху сформирован один слой), переход в аустенитную фазу (сверху сформировано два слоя), частичный переход в аустенитную фазу (сверху сформировано три слоя), термическая обработка, соответствующая отпуску 500 °С (сверху сформировано четыре слоя).

В результате такого воздействия образуются равноосные зерна размером 20 мкм. Преимущественно микроструктура представлена мелкоразмерным ферритом с наличием небольшого количества перлита на границах зерен.

В работе [35] также проведено исследование механических свойств образцов. Так были получены результаты для образцов растяжение, которых проводилось вдоль и поперек слоев. Результаты представлены в таблице 1.1. В сравнении с литьем, образцы показали более лучшие механические свойства по трем показателям: пределу прочности, пределу текучести, относительному удлинению.

Таблица 1.1 - Механические свойства низколегированной стали (аналог 08Г2С) [35]

Образец ов, МПа о0,2, МПа 5% КСУ (Дж/см2)

Литой 500 300 22 60

3Б печать Горизонтальный 580 420 27,5 112

Вертикальный 548 414 25,5 104

Среднее 564 417 26,5 108

В работе Г.А. Туричина и др. [17, 36] проведено исследование микроструктуры и механических свойств стали 09ХН2МД (АБ2-1), полученной при аддитивном выращивании лазерной наплавкой порошка и предназначенной для эксплуатации в условиях Арктики. Образцы для микроструктуры и на ударную вязкость были вырезаны из напечатанных стенок В х Д х Ш: 65 х 48 х 11,2 мм, стенки отличались между собой мощностью лазерного излучения, используемого при их печати. Мощность лазера имела следующие значения: 1400 Вт, 2000 Вт, 2300 Вт, соответствующие им микроструктуры материала представлены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Микроструктура стали 09ХН2МД при мощности: а) Р = 1400 Вт, Ь) Р = 2000 Вт, о) P = 2300 Вт [17]

Анализ микроструктуры показал, что при более низких скоростях охлаждения в образцах образуется гранулированный бейнит, а при более высоких скоростях охлаждения - верхний бейнит. Еще одной составляющей структуры является мартенситно-аустенитная смесь по границам ферритных пластин.

Результаты исследования ударной вязкости стали 09ХН2МД при температуре - 40 °С представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Результаты исследования на ударную вязкость [17]

№ Р, Вт Порошок Т, оС К, Дж KCV (Дж/см2)

Z/1.1 Новый 60,1 73,3

Z/1.3 1400 Использованный 24,53 29,6

Z/1.4 Новый + использованный (50/50) 28,3 34,3

Z/1.6 2300 Новый -40 69,6 86,3

Z/1.7 Использованный 43,36 53,3

Z/1.8 41,63 50,6

Z/1.10 2000 Новый + использованный (50/50) 17,56 22

Z/1.12 Новый 67,96 84,66

Фрактограммы изломов образцов на ударную вязкость [17] демонстрируют преимущественно вязкий излом. При этом при меньшей мощности лазерного излучения увеличивается количество дефектов в виде трещин и оксидных включений. Также анализ фрактограмм показал, что размер лунок на изломах зависит от размеров сферических включений в виде сульфидов и оксидов, содержащихся в образцах. И чем больше размер оксидов, тем лунки больше.

Из проведенного исследования видно, что качество материала и режимы формирования объекта влияют на хладостойкость материала, следовательно данные факторы следует учитывать не только при лазерной наплавке порошка, но и при 3D печати электродуговой наплавкой, которая не была рассмотрена в работе [17].

В работе Chen и др. [37] показано, что после аддитивного выращивания сталь SS 316L содержит фазы аустенита (у), дельта-феррита (5) и сигма (а) с различной морфологией в различных положениях из-за повторяющихся термических воздействий. После четырех слоев микроструктура начинает состоять из мелких вермикулярных 5- и а-фаз внутри у-матрицы. С увеличением высоты деталей объем а увеличился, что приводит к снижению прочностных характеристик и относительного удлинения. С целью минимизации данной фазы в исследовании рекомендуется контролировать циклическое термическое воздействие. Особенно следует уменьшать время нахождения металла в диапазоне температур от 600 до

900 °С. При этом в работе рассматриваются другие термические циклы и их влияние на хладостойкость стали.

В работах [38 - 42] выполнена оценка возможность аддитивного выращивания объектов из хром-марганцевой стали, инструментальной стали, мартенситностареющей стали, высокоуглеродистой стали и хром-никелевых аустенитных сталей. В работах отмечается влияние защитной атмосферы на микроструктуру, так является нежелательным наличие кислорода, с которым металлы образуют оксиды, снижающие механические свойства. Немаловажным фактором является теплоотвод в процессе 3Э печати. Отмечается положительный эффект от предварительного подогрева. В сформированных объектах наблюдается анизотропия механических свойств, достигающая 20 % в продольном и поперечном сечениях. При этом в работах не обоснованы рекомендации, направленные на снижение анизотропии и повышение механических свойств.

Следует отметить, что в работе [42] указывается на нейтральное или отрицательное влияние термической обработки на механические свойства хром-никелевых сталей аустенитного класса, полученных по технологии 3Э печати электродуговой наплавкой. Данный вывод противоречит результатам проводимого в работе исследования, а также другим работам с другими материалами [17, 39, 41].

Помимо сталей для электродугового выращивания могут использоваться алюминиевые сплавы. Однако существует ряд сложностей, которые сдерживают применение этих сплавов для 3Э печати, к ним относятся: оксидная пленка, обладающая более высокой температурой плавления; применение переменного тока при выращивании объектов с целью удаления оксидной пленки; появление пористости или образование дефектов в связи с тем что части оксидной пленки попадают в тело формируемого объекта; турбулентная динамика сварочной ванны, приводящая к снижению точности объектов; трещинообразование; не все сплавы поддаются термической обработке. Немалый вклад в качество конечного изделия будут вносить высокая теплопроводность алюминия, высокий

коэффициент теплового расширения, широкий диапазон затвердевания и высокая растворимость водорода.

В литературе описаны следующие алюминиевые сплавы, осажденные WAAM: Al-Mg-Si, Al-Mg-Mn [27], 5A06 [43], Al5Si [44], AA5183 [45], Al-Mg4.5Mn [46], Al-5Mg [47], Al-6Mg. [48, 49] и Al - 6.3Cu [50], 2xxx (Al-Cu) и 7xxx (Al-Zn) [51].

1.3 Пути повышения механических свойств напечатанных объектов

Согласно анализируемым источникам процесс 3D печати электродуговой наплавкой может сопровождаться рядом дефектов, которые могут существенно снизить качественные показатели будущих изделий. К таким дефектам относятся: трещины, непровары, поры, большой размер зерна, инородные включения. Поэтому в настоящее время активно развивается направление исследований, связанных с улучшением качества 3D печати, а именно: улучшение свойств металла и управление этими свойствами.

Как отмечалось выше, в процессе выращивания объекта материал подвергается различным циклам нагрева и охлаждения, что может привести к различной структуре. В результате исследований выявлено, что при процессе электродугового выращивания получаются длинные столбчатые зерна, идущие от подложки вверх, это, в свою очередь, может приводить к анизотропии механических свойств объекта. Исследования показывают, что наличие мелких равноосных зерен более предпочтительно. Это придает материалу большую пластичность, минимизирует склонность к растрескиванию, делает материал изотропным. В работах [26, 52 - 59] можно выделить следующие способы уменьшения размера зерна: индукционный подогрев сформированных слоев, реализующий локальную термическую обработку, представленный на рисунке 1.5, прокатка валиком уложенного слоя с целью его пластической деформации, представленная на рисунке 1.6.

Уменьшение размера зерна также возможно за счет использования модификаторов с целью образования большего количества центров кристаллизации [53, 59].

Рисунок 1.5 - Система индукционного подогрева [26, 55]:

torch - печатающая головка; part - заготовка; inductor - индуктор; clamp - зажим

Рисунок 1.6 - Система прокатки роликом [54]

Помимо предложенных способов подогрева известна технология управления тепловложением в зону печати, при котором участвуют два источника нагрева электрической дугой [56]. Управление подводом тепла может изменять геометрию стенки: чем больше тепла, тем шире стенка, при этом увеличивается размер зерна, также изменяется выраженность анизотропии свойств.

В работе Donoghue, J. [57, 58] на примере Ti-6A1-4V и различных сил, с которыми действует ролик на сформированный слой, можно наблюдать как

изменяется форма зерен. Анализируя карты ориентации дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) [58] при прокатке роликом с усилием 50 кН и усилием прокатки 75 кН можно увидеть, что при увеличении приложенной нагрузки зерна становятся более измельченными, что, в свою очередь, улучшает механические свойства материала.

В работе Chen Guanhua, Zhang Changsai и др. [60] проведено исследование влияния ультразвукой вибрации на микроструктуру сплава Cu-8Al-2Ni-2Fe-2Mn, используемого при аддитивном выращивании объектов электродуговой наплавкой. Согласно результатам [60], в образцах без ультразвуковой вибрации получаются большие зерна, направленно растущие вертикально от основания к вершине стенки, при этом температура предыдущего слоя не оказывает существенного влияния на размеры зерна, а межслойная зона становится менее различимой при повышении температуры предыдущего слоя. В стенках, где была применена ультразвуковая вибрация, зерно стало меньше, а ширина стенки увеличилась в виду распределения ширины сварочной ванны. В работе [60] рассмотрена микроструктура образцов на стыке двух слоев при разных температурах и ультразвуковом воздействии, которые показывают, что применение ультразвуковой вибрации при температуре слоя 100 °С позволяет уменьшить размер зерна за счет частичного разрушения столбчатой структуры дендритов.

Основные характеристики оценки механических свойств представлены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Прочность на растяжение образцов [60]

Образец ов, МПа о0,2, МПа 5, %

И2-У (слой 400 °С) 390,3 ± 3,8 190,7 ± 1,0 48,9 ± 1,8

и2-Н (слой 400 °С) 430,1 ± 6,9 191,3 ± 0,8 43,1 ± 0,8

С3-У (без вибрации) 436,5 ± 2,1 199,3 ± 0,9 42,1 ± 0,8

С3-Н (без вибрации) 454,9 ± 3,1 202,0 ± 1,3 40,5 ± 0,7

Ш-У (слой 100 °С) 516,1 ± 0,8 225,3 ± 0,9 40,9 ± 0,2

И3-Н (слой 100 °С) 517,5 ± 0,5 226,8 ± 0,5 41,2 ± 0,4

Испытания показали, что вибрация и низкая температура предыдущего слоя позволяют снизить анизотропию и повысить механические свойства образцов. Однако данное исследование не учитывает, что с увеличением размеров объекта возрастает трудоемкость применения данного подхода, в частности, чем выше зона наплавки над подложкой, тем вероятнее расплескивание жидкого металла в сварочной ванне и нарушение формы заготовки, что препятствует дальнейшему процессу 3D печати. Также все перечисленные работы не рассматривают влияния выбранных методов на повышение хладостойкости материалов.

Ряд работ посвящен аналогичным способам при воздействии на алюминиевые сплавы [61 - 63].

1.4 Хладостойкость металлов и улучшение их механических свойств

при низких температурах

1.4.1 Влияние пониженных температур на разрушение металлов

Согласно источникам [64 - 68] под металлами, обладающими хладостойкостью, понимаются металлы, способные сохранять вязкость при температурах ниже от 0 °С и до -269 °С. Обычно с понижением температуры изменяется характер разрушения металлов. При нормальных температурах большая часть металлов испытывает вязкое разрушение. Однако, с понижением температуры эти же металлы могут испытывать хрупкое разрушение в виду возрастания сопротивления сдвига.

В связи с обнаружением охрупчивания металлов при низких температурах возникло понятие «хрупкой прочности», под которым понимается способность металлов сопротивляться хрупкому разрушению. Также были сформулированы понятия «хладноломкости» как свойства хрупкого разрушения металлов при низких температурах и «хладостойкости» как свойства металлов сохранять или незначительно утрачивать свои механические свойства, препятствуя тем самым хрупкому разрушению [69].

В результате исследования металлов при низких температурах А.Ф. Иоффе был объяснен механизм вязко-хрупкого перехода и предложена схема, которая представлена на рисунке 1.7. В дальнейшем данная схема была развита и обобщена Н.Н. Давиденковым и Я.Б. Фридманом.

Согласно модели, предложенной А.Ф. Иоффе, понижение температуры оказывает несущественное влияние на сопротивление отрыву, в то же время предел текучести изменяется более существенно, что впоследствии приводит к смене механизма разрушения [69]. При этом при пересечении кривых ат и аотр можно определить температуру Ткр. В случае если температура образца меньше Ткр., разрушение будет происходить по хрупкой схеме.

Рисунок 1.7 - Модель А.Ф. Иоффе хрупкого (I) и вязкого (II)

разрушений стали [69]

Следует отметить, что на разрушение объектов при низких температурах влияет множество факторов, к которым можно отнести скорость деформации, наличие концентраторов напряжений, а в случае аддитивного выращивания сюда можно отнести несплавления по слоям, поры, внутренние напряжения.

Рисунок 1.8 - Общая структура разновидностей разрушения

Согласно анализу литературы, на данный момент можно выделить несколько видов разрушений, структура которых представлена на рисунке 1.8.

С целью верной идентификации вязкого и хрупкого разрушений необходимо выделить основные характеристики каждого, которые представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Отличительные особенности вязкого и хрупкого разрушений

Признак Виды механизмов разрушения

Вязкий Хрупкий

Визуальная форма трещины

1

Размер пластической зоны у вершины трещины Впереди трещины широкая зона пластической деформации Пластическая зона либо отсутствует, либо очень мала

Скорость трещинообразования Низкая скорость трещинообразования Высокая скорость трещинообразования

Затраты энергии на трещинообразование и дальнейшее распространение Большое количество поглощенной энергии при распространении трещины Малое количество поглощенной энергии при распространении трещины

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Колчин Павел Владимирович, 2021 год

- 206 с.

76. Вигли, Д.А. Механические свойства материалов при низких температурах [Текст] / Д.А. Вигли; Перевод с англ. В. Н. Геминова; под ред. [и с предисл.] Л.К. Гордиенко. - М.: Мир. - 1974. - 373 с.: ил.

77. Сорокина, H.A. Нержавеющие высокопрочные стали для службы при криогенных температурах [Текст] / Н.А. Сорокина. - Киев: Наукова думка. АН УкрССР. - 1977. - С. 32-38.

78. Солнцев, Ю. П. Материалы в криогенной технике [Текст]: Справочник / Ю.П. Солнцев, Г. А. Степанов. - Л.: Машиностроение: Ленингр. отд-ние. - 1982. - 312 с.

79. Береснев, Г.А. Факторы, влияющие на склонность стали к хрупкому разрушению [Текст] / Г.А. Бреснев // Сборник «Проблемы металловедения и физики металлов». - М.: Металлургия. - 1968. - № 9.

- С. 157-162.

80. Спектор, Я.Я. О причинах влияния никеля на хладноломкость железа [Текст] / Я.Я. Спектор, В.И. Саррак, Р.И. Энтин // ДАН СССР. - 1964. -т. 155. - № 5. - С. 156-157.

81. Клиненко, А.П. Холод в машиностроении [Текст]/ А.П. Клиненко, Н.В. Новиков, Б.Л. Смоленский, В.И. Могильный, В.И. Климентьев, М.А. Рохленко. - Под редакцией А.П. Клименко. - М.: Изд-во "Машиностроение". - 1969. - 248 с.

82. Малыгин, Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов / Г.А. Малыгин // УФН. 1999. - Т. 169. - № 9. - С. 979-1010.

83. Значковский, О.Я. Сопротивление разрушению хромоникелиевых сталей при криогенных температурах [Текст] / О.Я. Значковский. Н.В. Новиков // Сборник «Физико-механические и теплофизические свойства металлов». - М.: Наука. - 1976. - С. 81-88.

84. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии [Текст] / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.] - 5-е изд. стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2003. - 646 с.: ил.

85. ГОСТ 22848-77. Металлы. Методы испытания на ударный изгиб при температурах от минус 100 до минус 269 °С. - Введ. 1979-01-01. - М.: Из-во Стандартов. - 1974. - 12 с.

86. Штремель, М. А. Прочность сплавов. Ч. 2. Деформация [Текст] / М.А. Штремель. - М.: Изд. МИСИС. - 1997. - 408 c.

87. Большаков, А.М. Вероятностные методы оценки хрупкого разрушения стальных конструкций [Текст] / А. М. Большаков. - Якутск: Учреждение РАН Ин-т физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН. - 2011. - 112 с.

88. Пат. 2696121 Российская Федерация, МПК B33Y 10/00, B22F 3/00. Способ 3D печати на оборудовании с ЧПУ с интеллектуальной оптимизацией режимов / Колчин П.В., Кабалдин Ю.Г., Шатагин Д.А., Киселев А.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - № 2018125837; заявл. 13.07.2018; опубл. 31.07.2019. Бюл. № 22.

89. Пат. 165510 Российская Федерация, МПК В23К 9/173 (2006.01). Устройство для наплавки и сварки изделий проволокой / Колчин П.В., Кабалдин Ю.Г., Лаптев И.Л.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - № 2015137262/02; заявл. 02.09.2015; опубл. 20.10.2016. Бюл. № 29.

90. Солнцев, Ю.П. Материалы для низких и криогенных температур [Текст]: Энциклопедический справочник / Ю.П. Солнцев, Б.С. Ермаков, О.И. Слепцов. - Санкт-Петербург: ХИМИЗДАТ. - 2008. - 768 с.

91. РД 50-672-8. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов. - Введ. 01.07.1989.

- М.: Из-во Стандартов. - 1988. - 21 с.

92. Семашко, Н.А. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении [Текст] / Н.А. Семашко, Б.Н. Марьин [и др.]; под ред. Н.А. Семашко. - М.: Машиностроение. - 2002. - 240 с.

93. Аносов, М.С. Оценка структурной устойчивости металлических материалов и выявление механизмов их разрушения при низких температурах [Текст]: дис. канд. техн. наук: 05.16.01: защищена 20.02.19. - Нижний Новгород. - 2019. - 193 с.

94. РД 34.15.132-96. Сварка и контроль качества сварных соединений металлоконструкций зданий при сооружении промышленных объектов.

- Введ. 20.05.1996. - М.: НПО ОБТ. - 2001. - 117 с.

95. Кабалдин, Ю.Г. Технология 3D-печати методом электродуговой наплавки. Структура и механические свойства изделий при низких температурах: монография / [авт. кол.: Ю.Г. Кабалдин, П.В. Колчин, М.С. Аносов, Д.А. Шатагин и др.]. - Нижний Новгород. - 2020. - 134 с.

96. Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов (ПБ 03-585-03). Серия 03. Выпуск 25 / Колл. авт. - М.: Открытое акционерное общество «Научно-технический центр по безопасности в промышленности». - 2007. - 152 с.

97. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии "правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов для объектов использования атомной энергии" (НП-046-18). - Введ. 01.10.2003. - М.: НТЦ ЯРБ Госатомнадзора России. - 2003. - 70 с.

98. Савицкий, Е.М. Металловедение тугоплавких и редких металлов [Текст] / Е.М. Савицкий, Г.С. Бурханов. - М.: Наука. - 1973. - 143 с.

99. Кабалдин, Ю.Г. Оценка хладостойкости металлических образцов, полученных 3D-печатью электродуговой наплавкой из сварочной проволоки Св-08Г2С, на основе механических испытаний и фактографических исследований / Ю.Г. Кабалдин, Д.А. Шатагин, М.С. Аносов, П.В. Колчин, А.В. Киселев // Вестник машиностроения. - 2021.

- № 2. - С. 68-71.

100. Кабалдин, Ю.Г. Электронная модель (паспорт) металлических материалов - как основа обеспечения их надежности при эксплуатации / Ю.Г. Кабалдин, А.А. Хлыбов, Г.Н. Гаврилов, М.С. Аносов, П.В. Колчин // Вестник современных исследований. - 2019. - № 1.3 (28). - С. 78-87.

101. Полетаев, Ю.В. Однопроходная электродуговая сварка под тонким слоем шлака толстолистовых конструкций стали 09Г2С / Ю.В. Полетаев, В. Ю. Полетаев // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2018.

- Т. 18, № 1. - С. 50-58.

102. Пашков, П.О. Растяжение и разрыв металлов // - Ленинград: Судпромгиз. - 1952. - 115 с.

103. Узлов, И.Г. Влияние параметров микроструктуры колесной стали на её вязкие свойства / И.Г. Узлов, А.И. Бабченко, Ж.А. Дементьева, А.А. Кононенко, А.Л. Сафронов // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. - Дншропетровськ.: 1ЧМ НАН Украши, 2007. - Вип. 14. - С. 202-210. - Бiблiогр.: 11 назв. - рос.

104. Топоров, Г.В. Влияние величины зерна на ударно-усталостную стойкость стали 45 / Г.В. Топоров, Г.Я. Смокотин // Известия Томского политехнического института [Известия ТПИ]. - 1958. - Т. 106: Бурильные машины. - С. 153-164.

105. РТМ 26-44-82. Термическая обработка нефтехимической аппаратуры и ее элементов. - Введ. 29.09.1982. - Волгоград: Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт технологии химического и нефтяного АППАРАТОСТРОЕНИЯ. - 1982. - 25 с.

106. Кабалдин, Ю.Г. Диагностика процесса 30-печати на станке с ЧПУ с использованием подходов машинного обучения / Ю.Г. Кабалдин, Д.А. Шатагин, М.С. Аносов, П.В. Колчин, А.В. Киселев // Вестник машиностроения. - 2021. - №1. - С.55-59.

107. Kabaldin, Y.G. Digital Twin for 3D Printing on CNC Machines / Y.G. Kabaldin, P.V. Kolchin, D.A. Shatagin, M.S. Anosov, A.A. Chursin // Russian Engineering Research. - 2019. - Vol. 39. - Issue 10. - P. 848-851. -DOI: 10.3103 / S1068798X19100101.

108. Махненко, О.В. Моделирование температурных полей для различных типов трехмерных образцов при их послойном формировании на оборудовании электронно-лучевой наплавки Beam 3D Metal Printer / О.В. Махненко, А.С. Миленин, Е.А. Великоиваненко, Г.Ф. Розынка, Н.И. Пивторак, С.С. Козлитина, Л.И. Дзюбак // Сб. докл. VIII Межд. конф. «Лучевые технологии в сварке и обработке материалов» Одесса. Украина. 10-16 сентября 2017 г. Киев. - 2017.

- С. 63-68.

109. Иванченко, А.Б. Моделирование температурного состояния свариваемых деталей в условиях сварки неплавящимся электродом / А.Б. Иванченко, Жэньцзе Чжань // Ученый XXI века. - 2015. - № 5-6.

- С.6-7.

SLM - Selective Laser Melting (селективное лазерное сплавление),

аддитивный процесс сплавления металлического порошка, уложенного слоями посредством лазерного луча DMD - Direct Metal Deposition, аддитивный процесс коаксиальной

лазерной наплавки порошка LWC - Laser Wire Cladding, аддитивный процесс лазерной наплавки

проволоки

EBAM - Electron Beam Additive Manufacturing, аддитивный процесс

наплавки проволоки электронным лучом в вакууме WAAM - Wire-Arc Additive Manufacturing, аддитивный процесс электродуговой наплавки проволоки в среде защитных газов, где электродом выступает наплавочная проволока, процесс идентичен MIG сварке MIG-плазма - Metal Inert Gas, аддитивный процесс, при котором проволока плавится за счет окружающей ее газовой плазмы и наплавляется на объект

CMT - Cold Metal Transfer (Холодный перенос металла) технология

электродуговой сварки в среде защитных газов плавящимся электродом с управлением подачи проволоки и импульсным режимом

ОЦК - объёмно-центрированная кубическая (решетка)

ГПУ - гексагональная плотноупакованная (решетка)

ГЦК - гранецентрированная кубическая (решетка)

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ИНС - искусственная нейронная сеть

Таблица П1.1 Основные параметры разрывной машины Tinius Olsen H100KU

Критерий Значение

Допустимая нагрузка 100 кН

Скорость подвижного зажима 0,01-500 мм/мин

Шаг измерения перемещения 0,001 мм

Погрешность измерения движения 0,01 мм

Погрешность величины скорости подвижного зажима ± 0,05 % от максимальной скорости

Погрешность определения нагрузки ± 0,5 %

Точность расположения подвижного зажима ± 0,01 % от заданной величины

Таблица П1.2 Характеристики датчиков

Наименование Размерность ети 2оои СТ250 СТ350

Тип - Резонансный с усилителем Низкочастотный с усилителем Широкополосный с усилителем

Коэффициент электроакустического преобразования дБ отн. 1В/м/с > 85 > 90 > 75

Рабочая частота кГц 165 50 120

Полоса пропускания кГц 130-200 40-100 100-800

Напряжение В 12 12 12

Ток мА 30 30 30

Разъем - БКС БКС БКС

Таблица П 1.3 Технические характеристики микроскопа модели КЕУЕ^Е УНХ-1000:

Разрешение камеры от 1600х1200 (2 Мрх) до 4800x2600x3000 (54 Мрх)

Частота кадров в режиме видео 15 и 28 кадр/сек

Объективы (полное увеличение на мониторе) 20х, 50х, 100х, 200х, 500х и 1000х

Освещение падающее

Таблица П1.4 Технические характеристики растрового электронного микроскопа модели ШОЬ 1БМ-6495

Увеличение х300 000

Ускоряющие напряжения до 30 кэВ

Площадь детектора микроанализатора 10 мм2

Разрешение микроанализатора 133 эВ на пике 5,5 кэВ

Разрешение растрового микроскопа 3 нм

Изображение ДОуметное ВейВлет-преобразоВание Результат с 1Вумерного

ВейВлет-преобразоВания

4 5 а 3-9 <5 1 I § 1«! |! I1! щ си й- -=> <3 ,

Одномерный сигнал ДВумерный сигнал КриВые, щ тающие

структуру материала

1 ? "в £ Векторизация Вычисление фрактальной размерности

11 ||

Результат ПВумерный сигнал Значение $ аоктальной

ВейВлет-преодразоВания размерности

Рисунок П1.1- Алгоритм для расчета фрактальной размерности

по изображению [96]

Рисунок П 1.2 - Алгоритм распознавания доли хрупкой и вязкой составляющей в изломах образцов с применением ИНС [96]

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Таблица П2.1 Микроструктура стали 09Г2С в центральной части образцов при изменении погонной энергии

№ образца

Погонная энергия, Дж/мм

Изображение структуры в центральной части образца х 500

Таблица П2.1 (продолжение)

4

526,63

5

748,80

6

1069,71

Таблица П2.1 (продолжение)

7

1152,00

Рисунок П3.1 Алгоритм построения траектории печати для поддержания выбранного термического цикла и требуемой микроструктуры