Закономерности структурообразования в сплавах Al-Mg и Al-Si, изготовленных методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Утяганова Вероника Рифовна

• Утяганова Вероника Рифовна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Утяганова Вероника Рифовна

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Анализ современного состояния аддитивного производства. Формирование объемных изделий методами прямого подвода энергии и металла

1.1.1 Электронно-лучевая аддитивная технология и её применение в автомобилестроении и ракетно-космической технике

1.2 Алюминиевые сплавы, используемые в аддитивных технологиях

1.2.1 Сплавы системы Al-Mg

1.2.2 Сплавы системы Al-Si

1.2.3 Сплавы системы Al-Zn-Cu-Mg

1.3 Функционально-градиентные металлические материалы и способы их получения

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Материалы исследования

2.2 Экспериментальная установка электронно-лучевого проволочного аддитивного производства

2.2.1 Образцы системы Al-Mg, полученные электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

2.2.2 Образцы системы Al-Si, полученные электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

2.2.3 Образцы функционально-градиентных материалов на основе алюминия, полученные электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

2.3 Методы исследования

2.3.1 Схемы вырезки образцов, полученных электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

2.3.2 Металлографические исследования

2.3.3 Растровая электронная микроскопия

2.3.4 Просвечивающая электронная микроскопия

2.3.5 Рентгеноструктурный анализ

2.3.6 Исследование механических свойств объемных изделий, полученных электроннолучевым проволочным аддитивным производством

2.3.7 Потенциодинамические исследования коррозионной стойкости

3 ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТОНКОСТЕННЫХ ОБРАЗОВ, НАПЕЧАТАННЫХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМ Al-Mg И Al-Si

3.1 Режимы печати, структура, свойства и фазовый состав тонкостенных изделий из алюминиевого сплава системы Al-Mg (сплав АА 5356)

3.1.1 Обоснование выбора режимов печати тонкостенных изделий из сплава AA

3.1.2 Особенности формирования структуры сплава системы Al-Mg, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.1.3 Растровая электронная микроскопия сплава системы Al-Mg, полученного электроннолучевым проволочным аддитивным производством

3.1.4 Просвечивающая микроскопия структуры сплава системы Al-Mg, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.1.5 Фазовый состав сплава системы Al-Mg, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.1.6 Механические свойства сплава системы Al-Mg, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.1.7 Исследование коррозионной стойкости сплава системы Al-Mg, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.1.8 Обобщение результатов исследования влияния режимов электронно-лучевого проволочного аддитивного производства на структуру и механические свойства тонкостенных изделий из сплава АА

3.2 Режимы печати, структура, свойства и фазовый состав тонкостенных изделий из алюминиевого сплава системы Al-Si (АА 4047 (AlSi12))

3.2.1 Микроструктура объемных изделий сплава системы Al-Si, полученного электроннолучевым проволочным аддитивным производством

3.2.2 Растровая электронная микроскопия структуры сплава системы Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.2.3 Просвечивающая микроскопия структуры сплава системы Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.2.4 Фазовый состав сплава системы Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.2.5 Механические свойства сплава системы Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

3.2.6 Исследование коррозионной стойкости сплава системы Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

Выводы по третьей главе

4 ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНО - ГРАДИЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ СЛЕДУЮЩИХ СИСТЕМ: Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫМ ПРОВОЛОЧНЫМ АДДИТИВНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

4.1 Структура, фазовый состав и свойства функционально-градиентного материала системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

4.1.1 Микроструктура ФГМ системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, полученного электроннолучевым проволочным аддитивным производством

4.1.2 Фазовый и химический состав ФГМ системы Al-Mg / Al-Si, полученного электроннолучевым проволочным аддитивным производством

4.1.3 Механические свойства ФГМ системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

4.1.4 Коррозионные испытания ФГМ системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

4.2 Структура, фазовый состав и свойства тонкостенных изделий функционально-градиентного материала системы Al-Mg / Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

4.2.1 Микроструктура ФГМ системы Al-Mg / Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

4.2.2 Фазовый и химический состав ФГМ системы Al-Mg / Al-Si, полученного электроннолучевым аддитивным производством

4.2.3 Механические свойства ФГМ системы Al-Mg / Al-Si, полученного электроннолучевым проволочным аддитивным производством

4.2.4 Коррозионные испытания ФГМ системы Al-Mg / Al-Si, полученного электроннолучевым проволочным аддитивным производством

4.3 Структура, фазовый состав и свойства функционально-градиентного материала системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

4.3.1 Микроструктура ФГМ системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, полученного электроннолучевым проволочным аддитивным производством

4.3.2 Фазовый и химический состав ФГМ системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

4.3.3 Механические свойства ФГМ системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, полученного электроннолучевым проволочным аддитивным производством

4.3.4 Коррозионные испытания ФГМ системы Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, полученного электронно-лучевым проволочным аддитивным производством

Выводы по четвертой главе

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности структурообразования в сплавах Al-Mg и Al-Si, изготовленных методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На сегодняшний день существует высокая потребность автомобилестроения и ракетно-космической отрасли в новых современных материалах с такими функциональными свойствами как устойчивость к коррозии и окислению, высокая прочность, ударная вязкость, износостойкость, и малый удельный вес. Большинство известных конструкционных материалов исчерпало свои возможности с точки зрения обеспечения постоянно возрастающих требований к механическим характеристикам, коррозионной стойкости и обрабатываемости деталей. Геометрическая сложность конструкций и механизмов современных автомобилей, ракетной техники и летательных аппаратов также накладывают существенные ограничения на возможность применения тех или иных известных конструкционных материалов и их методов получения. В связи с этим важной задачей является разработка принципиально новых материалов, которые не будут ограничены по своим функциональным свойствам из-за сложностей традиционных методов изготовления. Бурное развитие технологий трехмерной печати деталей со сложной геометрией из разнообразных конструкционных материалов способствует преодолению трудностей традиционного производства.

Алюминиевые сплавы системы Al-Mg являются конструкционными материалами, сочетающие высокую механическую прочность и приемлемую коррозионную стойкость, поэтому они широко используются в гражданском машиностроении, судостроении и авиакосмической промышленности.

Сплавы Al-Si, также называемые силуминами, широко используются для изготовления деталей со сложной геометрией, а также деталей подвергающимся высоким нагрузкам. Эти сплавы имеют широкий спектр применения в автомобильной и авиакосмической промышленности благодаря отличному сочетанию механических свойств, хорошей коррозионной стойкости и износостойкости.

Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Cu-Mg предназначены для работы высоконагруженных деталей при низких температурах, а также для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Среди них наибольшее практическое применение получили сплавы АМг5, АК12, В95 и их аналоги близкие по составу.

Основной проблемой при изготовлении изделий из алюминиевых сплавов методами аддитивного производства является получение бездефектной структуры и механической прочности сопоставимой с прочностью материала, изготовленного литьем, горячим прокатом и другими традиционными технологиями. Еще одной проблемой аддитивного производства является выгорание легкоплавких легирующих элементов с относительно низкой температурой

кипения. Данный тип дефекта является особенно опасным поскольку он не только снижает механическую прочность, но и существенно влияет на эксплуатационные характеристики материала, в частности, на его коррозионную стойкость. Для устранения данных дефектов требуется определить технологические режимы аддитивного производства, обеспечивающие печать изделий с бездефектной, однородной структурой и требуемым химическим составом.

Сочетание комплекса указанных физико-механических и химических свойств для указанных систем алюминиевых сплавов в одном изделии является перспективной задачей для современной промышленности, поскольку открывает широкие возможности по модернизации техники и её обслуживанию. Для этого разработан специальный класс материалов -функционально-градиентные материалы (ФГМ), которые являются востребованными в тех приложениях, в которых обычные сплавы имеют ограниченную работоспособность из-за значительно различающихся условий внешнего воздействия на отдельные части изделия. Ключевой особенностью ФГМ является комбинирование свойств разных сплавов в одном изделии за счет формирования градиентного состава легирующих элементов как в объеме всего изделия, так и на его локальных участках.

Функционально-градиентные материалы (ФГМ) являются востребованными в тех приложениях, в которых условия эксплуатации детали изменяются в зависимости от её местоположения, и поэтому требования к таким материалам также зависят от геометрии создаваемых внутри их объема структур для обеспечения подобного широкого функционала используется соединение разнородных материалов или формирование покрытий.

Для соединения металлических композиций из разнородных металлов используется традиционная сварочная технология, которая разделяет деталь на два функционально разных материала [1] или применяют методы с высокой плотностью подводимой энергии, такие как лазерная сварка, для предотвращения проблем образования горячих трещин [2]. Эти методы зачастую характеризуются образованием горячих трещин и усадочных раковин в объеме ФГМ из-за отсутствия растворимости разнородных металлических компонентов, несоответствий атомных структур, изменения теплового расширения и образования термодинамически стабильных хрупких интерметаллических фаз вдоль градиентной композиции [2].

Из существующих аддитивных технологий наиболее перспективной для получения высококачественных функционально-градиентных материалов является электронно-лучевая технология трехмерной печати, которая обеспечивает более легкий контроль над составом ФГМ, благодаря возможности управления параметрами процесса печати, такими как скорость подачи проволоки и тепловложение, чтобы получить желаемый градиент состава получаемого изделия.

В автомобилестроении и ракетно-космической технике широко распространены алюминиевые сплавы систем Al-Mg, Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu. Они применяются при изготовлении

корпусных деталей, несущих конструкций, деталей двигателей внутреннего сгорания и т.д. Каждой из рассматриваемых систем присущи свои достоинства, но и некоторые недостатки. Например, высокое содержание магния, цинка и меди может значительно повысить прочность материала (особенно в сочетании с рациональной термической обработкой), но существенно снижают его коррозионную стойкость. Возможным решением данной проблемы является применение современной технологии электронно-лучевой 3D-печати.

Основной проблемой при формировании изделий методами аддитивного производства является получение бездефектной структуры и механической прочности сопоставимой с материалом в состоянии поставки (после литья, горячего проката). Еще одной возможной проблемой аддитивного производства является выгорание легирующих элементов. Данный тип дефекта является особенно опасным поскольку не только снижает механическую прочность, но и существенно влияет на эксплуатационные характеристики материала и в частности на его коррозионную стойкость.

В связи с этим важной задачей является подбор оптимальных режимов трехмерной печати и рациональное сочетание разных сплавов с целью получения более высоких эксплуатационных характеристик. Также необходимо оптимизировать способ доставки разных металлов и сплавов в область плавления с целью формирования направленного градиента в структуре путем обеспечения пропорционального увеличения и уменьшения объема, подаваемого филамента. В работе представлены новые фундаментальные результаты, которые направлены на решение научных и технических задач с целью совершенствования технологии электронно-лучевого аддитивного производства изделий из алюминиевых сплавов.

Цель диссертационной работы установление закономерностей формирования структурно-фазового состояния и свойств алюминиевых сплавов систем Al-Mg, Al-Si и ФГМ систем Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, изготовленных методом проволочного ЭЛАП.

Для достижения поставленной цели, в работе поставлены следующие задачи:

1. Получить тонкостенные образцы из сплавов систем Al-Mg, Al-Si и ФГМ Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si методом проволочного ЭЛАП;

2. Установить закономерности формирования структурно-фазового состояния и механических свойств сплавов систем Al-Mg, Al-Si, изготовленных при различных режимах методом проволочного ЭЛАП;

3. Исследовать структурно-фазовое состояние и механические свойства ФГМ Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, изготовленных методом проволочного ЭЛАП;

4. Определить коррозионную стойкость сплавов систем Al-Mg, Al-Si и ФГМ Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, изготовленных методом проволочного ЭЛАП.

Научная новизна:

1. Экспериментально установлено, что экспоненциальное снижение тепловложения при печати методом проволочного ЭЛАП позволяет избежать дефектов, характерных для плавления материалов (поры, несплошности) при нанесении первого слоя на подложку и испарения магния из твердого раствора Al-Mg (сплав АА 5356).

2. Впервые установлена взаимосвязь между экспоненциальным режимом подвода тепла при печати и структурным состоянием тонкостенных образцов сплава систем Al-Mg (размер зерна, размер пор и объемная доля пор) и Al-Si (объемная доля эвтектики), изготовленных методом проволочного ЭЛАП.

3. Впервые показана возможность получения ФГМ систем Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si и Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, с высокой коррозионной стойкостью, методом проволочного ЭЛАП.

Теоретическая значимость. Результаты исследований, описанные в диссертации, представляют фундаментальный характер и вносят вклад в уже имеющиеся представления о закономерности формирования структуры алюминиевых сплавов, полученных методом проволочного ЭЛАП. Показано, что, изменяя условия изготовления образцов из алюминиевых сплавов можно управлять их структурным состоянием и механическими свойствами.

Практическая значимость. Определены параметры и режимы проволочного ЭЛАП, позволяющие получить изделия из сплавов Al-Mg, Al-Si и ФГМ на основе алюминия следующих систем: Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si. Полученные результаты используются на предприятии ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель» при производстве изделий из алюминиевых сплавов, что подтверждается актом испытаний.

Методология и методы исследования. Для исследования структуры и свойств сплавов Al-Mg, Al-Si и функционально-градиентных сплавов на основе алюминия систем: Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, полученных методом проволочного ЭЛАП применялись следующие методы: оптическая металлография, растровая электронная микроскопия, энергодисперсионный элементный микро-анализ, просвечивающая электронная микроскопия, механические испытания на растяжение, измерение микротведости, рентгеноструктурный анализ, испытания на коррозионную стойкость.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод компенсации изменения теплоотвода по высоте изделия и управления структурным состоянием и механическими свойствами сплавов систем Al-Mg, Al-Si за счет

использования экспоненциально падающего с номером наносимого слоя тепловложения, при печати методом проволочного ЭЛАП.

2. Совокупность результатов экспериментальных исследований структурного состояния и механических свойств тонкостенных образцов из функционально-градиентных материалов на основе алюминиевых сплавов систем Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si, изготовленных методом проволочного ЭЛАП, которая обеспечивает возможность контролируемого выбора микроструктуры и прочности переходных зон.

3. Экспериментальные данные коррозионной стойкости ФГМ Al-Zn-Mg-Cu / Al-Mg, Al-Mg / Al-Si, Al-Zn-Mg-Cu / Al-Si показывающие, что она определяется формированием в переходной зоне большого количества интерметаллидных частиц с низким потенциалом коррозии.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и их анализа обеспечивается использованием современных аналитических методов и сертифицированного оборудования для проведения испытаний и получения экспериментальных данных, а также их согласованностью с данными современных научных исследований в области аддитивного производства.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: Всероссийском научном семинаре с международным участием «Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий (Россия, г. Томск 2018, 2019); Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (Россия, г. Томск, 2019); IX Молодежной научной конференции «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики» (Россия, г. Томск, 2019); Международная конференция. Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии (Россия, г. Томск 2020, 2021); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Россия, г. Томск, 2020, 2021).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах, из них 1 статья в журнале, входящем в перечень рецензируемых научных журналов и изданий из списка ВАК РФ, 3 статьи в журналах, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science в изданиях первого (Q1) и второго (Q2) квартиля, 6 публикаций в сборниках материалов научных конференций, индексируемых в Scopus и Web of Science и 1 патент на изобретение.

Личный вклад автора состоит в подготовке материалов и образцов для осуществления процесса электронно-лучевого аддитивного производства, подготовке образцов и осуществлении металлографических исследований, а также проведении механических испытаний, анализе

полученных экспериментальных данных, подготовке публикаций по теме диссертации, совместной с научным руководителем постановке цели и задач диссертационной работы, формулировании научных положений и выводов.

Работы выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России по темам государственных заданий (проекты Ш.23.2.11, FWRW-2019-0034); проектов: Российского фонда фундаментальных исследований (Грант № 19-38-90072 Аспиранты); гранта Президента Российской Федерации (Грант № НШ-1174.2022.4, соглашение 075-15-20220-797).

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертационное исследование по своим целям, задачам, методам исследования, содержанию и научной новизне соответствует п. п. 1, 3 и 9 Паспорта специальности 2.6.1 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 133 наименований и 2 приложений. Всего 157 страниц, в том числе 131 рисунок и 28 таблиц.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Анализ современного состояния аддитивного производства. Формирование объемных изделий методами прямого подвода энергии и металла

Аддитивное производство - цифровая производственная технология, которая объединяет: оборудование, компьютер, числовое программное управление, и материалы в областях глобальных передовых индустрий за последние 30 лет. Этот метод позволяет производить геометрически сложные объекты, которые невозможно изготовить обычными средствами и позволяет выполнить быстрое прототипирование [3].

В настоящее время для получения изделий методами аддитивного производства используются металлические, полимерные и керамические материалы [4].

С применением аддитивных технологий можно добиться значительного сокращения количества деталей, исключив или уменьшив необходимость сборки нескольких компонентов, за счет изготовления сложной многокомпонентной детали. Кроме того, детали могут изготавливаться по заказу, что сокращает инвентарь запасных частей и сокращает время выполнения заказа на замену критически важных или устаревших компонентов. По этим причинам аддитивное производство широко признано как новая парадигма для разработки и производства высокопроизводительных компонентов для аэрокосмической, медицинской, энергетической и автомобильной промышленности [5].

Основное представление аддитивного технологического процесса можно продемонстрировать элементарной схемой, представленной на рисунке 1.1.

Модель системы автоматизированного проектирования

I

Рисунок 1.1 - Схема аддитивного технологического процесса [6]

Принцип системы металлических аддитивных технологий требует, чтобы металлическое сырье (проволока / пруток / порошок) было расплавлено и нанесено на подложку для построения слоев, которые в конечном итоге создадут желаемую (заданную) геометрию, но каждый тип технологии имеет свои особенности.

В процессе печати происходят циклические фазовые превращения (жидкость - твердое тело и твердое тело - твердое тело) из-за повторяющегося осаждения слоя и быстрого затвердевания, которое варьируется в зависимости от оборудования аддитивного производства, геометрии и параметров печати. Эти переменные сильно влияют на микроструктуру, которая может сформироваться в виде длинных столбчатых зерен, содержать поры и трещины, которые, как следствие, ухудшают механические свойства материала. Однако металлические изделия, изготовленные посредством аддитивного производства, по большей части имеют более тонкую микроструктуру, чем их аналоги, изготовленные традиционным способом, и, таким образом, могут иметь более высокий предел текучести и предел прочности [3].

В соответствии со схемой, представленной на рисунке 1.2 можно выделить 4 технологии металлических аддитивных процессов: струйное нанесение связующего, синтез на подложке, листовая ламинация и прямой подвод энергии и материала.

Классификация металлических аддитивных технологических процессов

Рисунок 1.2 - Классификация технологий аддитивного производства металлов [7, 8]

Принцип технологии струйного нанесения связующего включает в себя следующее: клейкий связующий агент выборочно наносится на тонкие слои порошкового материала. Печатающая головка передвигается над платформой нанося капли связующего агента по слою материала. После того, как нанесен первый слой, платформа опускается вниз на размер одного

слоя и насыпается новый слой порошка. Процесс повторяется до завершения изделия [9]. Из металлических материалов особой популярностью, изготовленным данным методом, приобрели нержавеющая сталь [10], алюминиевые [11] никелевые, [12] и жаропрочные сплавы [9].

Синтез на подложке - является ещё одним методом аддитивного производства, в котором поверхность предварительно нанесенного слоя порошкового материала выборочно или полностью расплавляется при воздействии лазера или электронного луча [13]. Рисунок 1.3 отображает процесс синтеза на подложке. В процессе синтеза на подложке требуется источник тепла для плавления или спекания порошка с образованием деталей.

1

2

Рисунок 1.3 - Процесс аддитивного производства изделия путем синтеза на подложке [13].

1 - лазер, 2 - выравнивающий валик, 3 - печатная платформа, 4 - скаффолд, 5 - линзы, 6 - Х-У сканирующее зеркало, 7 - пучок лазерного излучения, 8 - подложка

Одной из технологий синтеза на подложке служит - селективное лазерное спекание. В данном методе используется порошкообразный материал, спекаемый с помощью лазера. Используемый порошок разогревается до температуры, близкой к температуре плавления металла/сплава, выравнивается валиком и лучом лазера спекается желаемый контур слоя. Используется метод для изготовления изделий из никелевого сплава [14].

Селективное лазерное плавление отличается от селективного лазерного спекания тем, что этот метод быстрее, но требует инертных газов для лазера. Но ключевое отличие состоит в том, что в процессе печати изделия порошок не плавится, а спекается. В выборочном лазерном спекании сверху устанавливается лазер с набором линз, сфокусированных на порошкообразном материале. После того, как слой затвердел, платформа для сборки опускается, и рычаг с

повторным покрытием создает новый слой наверху, весь этот процесс будет повторяться до тех пор, пока не будет произведена вся деталь. Метод применяется для изготовления деталей из сплава Ti6Al4V [15], AlSi10Mg [16] 1псопе1 718, и стали 3^ [17].

Прямое лазерное спекание металла - метод аддитивных технологий, в котором источником тепла является лазер, при котором объект создается с использованием металлических порошков. Установка производит объект на подвижной платформе путем нанесения дополнительных слоев материала, каждый слой имеет одинаковую толщину. Лазер высокой мощности воздействует непосредственно на порошковый слой и расплавляет металл в соответствии с траекторией заданной системой автоматизированного проектирования. Этот процесс продолжается слой за слоем, пока объект не будет полностью изготовлен в соответствии с требуемым дизайном. В данном методе печати можно контролировать пористость каждого слоя. Ключевым недостатком является то, что детали, произведенные лазерным спеканием металла, не обладают сплошностью, и потому не достигают тех же показателей прочности, что и отлитые образцы или детали, произведенные субтрактивными методами [13, 18]. Метод используется для изготовления деталей из алюминиевого сплава [19] титанового [20] и нержавеющей стали [21].

Электронно-лучевая плавка - тип аддитивного производства источником энергии для процессов плавления которого является электронный луч, излучаемый вольфрамовой нитью и управляемой катушкой для создания трехмерного объекта из металлического порошка [13]. Данная технология запатентована компанией Агсаш с 1997 года. Главным недостатком данной технологии является шероховатость и волнистость общей структуры поверхности. В статье [22] была проведена попытка прогнозирования шероховатости поверхности данным методом титанового сплава Ti-6Al-4V. На основании проведенных исследований были предложены аналитические модели, которые показывают, что можно получить различные значения шероховатости поверхности, только изменив ориентацию или угол наклона поверхности. На сегодняшний день электронно-лучевой плавкой изготавливают детали из Ti-6Al-4V, Ть48А1, Со-Сг-Мо, 1псопе1 625 и 718 и меди [23].

Ультразвуковая консолидация использует принцип ультразвуковой сварки с послойным склеиванием тонких металлических фольг и периодической обработки (непрерывной очистке металлических фольг) для создания требуемой трехмерной формы. На этапе соединения текстурированный станок, который является сонотродом, прижимается с постоянной силой к металлической фольге, которая удерживается с помощью зажимного механизма. Сонотрод перемещается по фольге, колеблясь с постоянной частотой (приблизительно 20 кГц), направленной перпендикулярно направлению движения как показано на рисунке 1.4 Это приводит к созданию твердотельной связи между поверхностями раздела фольги и

металлической подложки. Затем процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнута желаемая высота изделия. Данная технология применима для алюминиевых сплавов [24-27] и стали [28], Al-Fe [29], Al-Ti [30], а также для композитов NiTi-Al [31, 32].

Рисунок 1.4 - Схематический обзор ультразвукового аддитивного производства. [24]. 1 - преобразователь, 2 - текстурированный сонотрод, 3 - линейная скорость, 4 - амплитуда, 5, 21 - опора, 6, 20 - металлическая подложка, 7 - бустер, 8 - металлическая фольга, 9 - нормальное давление, 10 - ультразвуковые колебания, 11 - область соединения (граница контакта), 12 - реакция от опоры и металлической подложки, 13 - сила захвата, 14 - сила, 15 - сонотрод, 16 - направление перемещения, 17 - пневматический натяжной механизм, 18 - сила натяжения, 19 - зажим, 22 -линейная направляющая

Аддитивные технологии, основанные на процессах прямого подвода энергии и металла на основе проволоки, имеют гораздо более высокие скорости осаждения и меньшие отходы материала по сравнению с процессами на основе порошка, что является целесообразным для производства крупномасштабных металлических компонентов и металлических компонентов с формой максимально приближенной к виду готового изделия. Эта технология применяется во многих отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, авиационную и энергетическую [33]. Прямой подвод энергии и металла включает в себя три технологии, отличающиеся по источнику тепла на дуговые, на лазерные и электронно-лучевые.

Дуговые технологии аддитивного производства в отличии от других, используют электрическую дугу в качестве источника тепла для послойной печати металлического материала составляющего конечную деталь как показано на рисунке 1.5. Проволочно-дуговые аддитивные технологии подразделяются на три типа: дуговые плавящимся электродом в защитном газе, дуговые с неплавящимся вольфрамовым электродом в защитном газе и плазменно-дуговые [34].

Рисунок 1.5 - Схема системы проволочно-дуговой аддитивной технологии [34]. 1 - прибор управления, 2 - компьютер, 3 - горелка, 4 - направление перемещения, 5 - источник подачи газа, 6 - аргон, 7 - проволока, , 8 - ванна расплава, 9 - изделие, 10 - подложка, 11 - рабочий стол, 12- оборудование для дуговой сварки металла в защитном

газе

Проволочно-лазерное аддитивное производство компонентов сложной формы совершается за счет управления мощностью лазера и распределения мощности (в основном размером луча), что позволяет достичь стабильного плавления как продемонстрировали [35]. Однако из-за низкой поглощающей способности лазеров во многих металлах требуется крайне высокая мощность лазера для высоких скоростей построения слоев в процессе печати. Это ведет к гораздо более высоким затратам и требует большого количества мощности [33]. Устройство проволочно-лазерного аддитивного производства обычно включает в себя лазерную систему, автоматизированный блок подачи проволоки, и различные вспомогательные устройства (например, защиту от газа, предварительный нагрев или охлаждение), которые показаны на рисунке 1.6 [36]. Лазер создает на материале ванну расплава, в которую подаются металлическая проволока и плавятся для создания изделия. Головка для лазерной обработки и механизм подачи проволоки перемещаются во время печати. Основными проблемами проволочно-лазерного аддитивного производства являются морфология и качество наплавки, включая качество поверхности, микроструктурные характеристики (размер зерна, текстура и т. д.) и механические свойства (прочность, твердость, остаточное напряжение и т. д.). Такие проблемы во многом зависят как от свойств проволоки, так и от параметров обработки, например, направления и угла подачи проволоки, скорости подачи проволоки, мощности лазера и скорости печати [37].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Утяганова Вероника Рифовна, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Robert, W. M. Principles of welding: processes, physics, chemistry, and metallurgy / W. M. Robert -

Hardcover, 1999. - 685 p.

2. Sun, Z. The application of electron beam welding for the joining of dissimilar metals: An overview /

Z. Sun, R. Karppi // Journal of Materials Processing Technology. - 1996. - Vol. 59. - P. 257-267.

3. Cooke, S. Metal additive manufacturing: Technology, metallurgy and modelling / S. Cooke, K.

Ahmadi, S. Willerth, R. Herring // Journal of Manufacturing Processes. - 2020. - Vol. 57. - P. 9781003.

4. Shi, Y. Materials for Additive Manufacturing (3D Printing Technology Series) / Y. Shi, C. Yan, Y.

Zhou, J. Wu, Y. Wang, S. Yu, Y. Chen - Paperback, 2021. - 612 p.

5. DebRoy, T. Additive manufacturing of metallic components - Process, structure and properties / T.

DebRoy, H. L. Wei, J. S. Zuback et al. // Progress in Materials Science. - 2018. - Vol. 92. - P. 112224.

6. Зленко, М. А. Аддитивные технологии в машиностроении: Пособие для инженеров / М. А.

Зленко, М. В. Нагайцев, В. М. Довбыш. - Москва: Центральный орден Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт "НАМИ", 2015. - 220 с. - EDN VYHRMD.

7. Li, J. Review of wire arc additive manufacturing for 3d metal printing / J. L. Z. Li, M. R. Alkahari,

N. A. B. Rosli et al. // International Journal of Automation Technology. - 2019. - Vol. 13. - P. 346353.

8. ГОСТ Р 57589-2017. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Термины и

определения: Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 9 августа 2017 г. N 845-ст: дата введения 200712-01. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200146487 (дата обращения: 26.05.2021). - Текст: электронный.

9. Mostafaei, A. Binder jet 3D printing-Process parameters, materials, properties, modeling, and

challenges / A. Mostafaei, A. M. Elliott, J. E. Barnes et al. // Progress in Materials Science. - 2021. - Vol. 119. - P. 100707.

10. Mao, Y. Binder jetting additive manufacturing of 316L stainless-steel green parts with high strength and low binder content: Binder preparation and process optimization / Y. Mao, J. Li, W. Li et al. // Journal of Materials Processing Technology. - 2021. - Vol. 291. - P. 117020.

11. Rodríguez-González, P. Heat treatments for improved quality binder jetted molds for casting aluminum alloys / P. Rodríguez-González, A. I. Fernández-Abia, M. A. Castro-Sastre, J. Barreiro // Additive Manufacturing. - 2020. - Vol. 36. - P. 101524.

12. Dahmen, T. Densification, microstructure, and mechanical properties of heat-treated MAR-M247 fabricated by Binder Jetting / T. Dahmen, N. G. Henriksen, K. V. Dahl et al. // Additive Manufacturing. - 2021. - Vol. 39. - P. 101912.

13. Singh, R. Powder bed fusion process in additive manufacturing: An overview / R. Singh, A. Gupta, O. Tripathi et al. // Materials Today: Proceedings. - 2019. - Vol. 26. - P. 3058-3070.

14. Raj, B.A. Studies on SU718 alloy developed using laser sintering on the additive manufacturing process / B. A. Raj, J. T. W. Jappes, M. A. Khan et al. // Optik. - 2021. - Vol. 229. - P. 166252.

15. de Oliveira Campos, F. The influence of additive manufacturing on the micromilling machinability of Ti6Al4V: A comparison of SLM and commercial workpieces / F. de Oliveira Campos, A. C. Araujo, A. L. Jardini Munhoz, S. G. Kapoor // Journal of Manufacturing Processes. - 2020. - Vol. 60. - P. 299-307.

16. Majeed, A. Surface quality improvement by parameters analysis, optimization and heat treatment of AlSi10Mg parts manufactured by SLM additive manufacturing / A. Majeed, A. Ahmed, A. Salam, M. Z. Sheikh // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. - 2019. - Vol. 2. -P. 288-295.

17. StasiC, J. The effect of NiB additive on surface morphology and microstructure of 316L stainless steel single tracks and layers obtained by SLM / J. Stasic, D. Bozic // Surface and Coatings Technology. - 2016. - Vol. 307. - P. 407-417.

18. Anand, M. Issues in fabrication of 3D components through DMLS Technique: A review / M. Anand, A. K. Das // Optics and Laser Technology. - 2021. - Vol. 139. - P. 106914.

19. Rafieazad, M. On microstructure and early stage corrosion performance of heat treated direct metal laser sintered AlSi10Mg / M. Rafieazad, M. Mohammadi, A. M. Nasiri // Additive Manufacturing. - 2019. - Vol. 28. - P. 107-119.

20. Masoomi, M. Laser powder bed fusion of Ti-6Al-4V parts: Thermal modeling and mechanical implications / M. Masoomi, S. M. Thompson, N. Shamsaei // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2017. - Vol. 118-119. - P. 73-90.

21. Gu, D. Processing conditions and microstructural features of porous 316L stainless steel components by DMLS / D. Gu, Y. Shen // Applied Surface Science. - 2008. - Vol. 255. - P. 1880-1887.

22. Galati, M. Surface roughness prediction model for Electron Beam Melting (EBM) processing Ti6Al4V / M. Galati, G. Rizza, S. Defanti, L. Denti // Precision Engineering. - 2021. - Vol. 69. - P. 19-28.

23. Hashmi, S. Comprehensive materials processing. / Hashmi S. - Elsevier, 2014. - 5152 p.

24. Bournias-Varotsis, A. Ultrasonic Additive Manufacturing as a form-then-bond process for embedding electronic circuitry into a metal matrix / A. Bournias-Varotsis, R. J. Friel, R. A. Harris, D. S. Engstr0m // Journal of Manufacturing Processes. - 2018. - Vol. 32. - P. 664-675.

25. Friel, R. J. Ultrasonic additive manufacturing A hybrid production process for novel functional products / R. J. Friel, R. A. Harris // Procedia CIRP. - 2013. - Vol. 6. - P. 35-40.

26. Janaki Ram, G. D. Effect of process parameters on bond formation during ultrasonic consolidation of aluminum alloy 3003 / G. D. Janaki Ram, Y. Yang, B. E. Stucker // Journal of Manufacturing Systems. - 2006. - Vol. 25. - P. 221-238.

27. Shimizu, S. Mechanism of weld formation during very-high-power ultrasonic additive manufacturing of Al alloy 6061 / S. Shimizu, H. T. Fujii, Y. S. Sato et al. // Acta Materialia. - 2014.

- Vol. 74. - P. 234-243.

28. Levy, A. Ultrasonic additive manufacturing of steel: Method, post-processing treatments and properties / A. Levy, A. Miriyev, N. Sridharan et al. // Journal of Materials Processing Technology.

- 2018. - Vol. 256. - P. 183-189.

29. Sridharan, N. Microstructure and mechanical property characterisation of aluminium-steel joints fabricated using ultrasonic additive manufacturing / N. Sridharan, P. Wolcott, M. Dapino, S. S. Babu // Science and Technology of Welding and Joining. - 2017. - Vol. 22. - P. 373-380.

30. Wolcott, P.J. Characterisation of Al-Ti dissimilar material joints fabricated using ultrasonic additive manufacturing / P. J. Wolcott, N. Sridharan, S. S. Babu et al. // Science and Technology of Welding and Joining. - 2016. - Vol. 21. - P. 114-123.

31. Hehr, A. Interfacial shear strength estimates of NiTi-Al matrix composites fabricated via ultrasonic additive manufacturing / A. Hehr, M. J. Dapino // Composites Part B: Engineering. - 2015. - Vol. 77. - P. 199-208.

32. Hahnlen, R. NiTi-Al interface strength in ultrasonic additive manufacturing composites / R. Hahnlen, M. J. Dapino // Composites Part B: Engineering. - 2014. - Vol. 59. - P. 101-108.

33. Wang, C. Wire based plasma arc and laser hybrid additive manufacture of Ti-6Al-4V / C. Wang, W. Suder, J. Ding, S. Williams // Journal of Materials Processing Technology. - 2021. - Vol. 293. - P. 117080.

34. Xia, C.A review on wire arc additive manufacturing: Monitoring, control and a framework of automated system / C. Xia, Z. Pan, J. Polden et al. // Journal of Manufacturing Systems. - 2020. -Vol. 57. - P. 31-45.

35. Baufeld, B. Wire based additive layer manufacturing: Comparison of microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition / B. Baufeld, E. Brandl, O. Van Der Biest // Journal of Materials Processing Technology.

- 2011. - Vol. 211. - P. 1146-1158.

36. Froend, M. Microstructure by design: An approach of grain refinement and isotropy improvement in multi-layer wire-based laser metal deposition / M. Froend, V. Ventzke, F. Dorn et al. // Materials Science and Engineering A. - 2020. - Vol. 772. - P. 138635.

37. Jafari, D. Wire and arc additive manufacturing: Opportunities and challenges to control the quality and accuracy of manufactured parts / D. Jafari, T. H. J. Vaneker, I. Gibson // Materials and Design.

- 2021. - Vol. 202. - P. 109471.

38. Droste, M. Cyclic deformation behavior of a damage tolerant CrMnNi TRIP steel produced by electron beam melting / M. Droste, J. Günther, D. Kotzem et al. // International Journal of Fatigue.

- 2018. - Vol. 114. - P. 262-271.

39. Kotzem, D. Damage tolerance evaluation of E-PBF-manufactured inconel 718 strut geometries by advanced characterization techniques / D. Kotzem, T. Arold, T. Niendorf, F. Walther // Materials. -2020. - Vol. 13. - P. 247.

40. Kotzem, D. Influence of specimen position on the build platform on the mechanical properties of as-built direct aged electron beam melted Inconel 718 alloy / D. Kotzem, T. Arold, T. Niendorf, F. Walther // Materials Science and Engineering A. - 2020. - Vol. 772. - P. 138785.

41. Awd, M. Microstructural characterization of the anisotropy and cyclic deformation behavior of selective laser melted AlSi10Mg structures / M. Awd, F. Stern, A. Kampmann et al. // Metals. -2018. - Vol. 8. - № 10.

42. Елисеев, А. А. Сравнительный анализ структуры и механических свойств аддитивных изделий, полученных электронно-лучевым методом и холодным переносом металла / А. А. Елисеев, В. Р. Утяганова, А. В. Воронцов, В. В. Иванов, В. Е. Рубцов, Е. А. Колубаев // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. - 2020. - №. 4. - С. 65-73.

43. Filippov, A. Microstructure and Corrosion Resistance of AA4047/AA7075 Transition Zone Formed Using Electron Beam Wire-Feed Additive Manufacturing / A. Filippov, V. Utyaganova, N. Shamarin et al. // Materials. - 2021. - Vol. 14. - P. 6931.

44. Utyaganova, V. Characterization of AA7075/AA5356 gradient transition zone in an electron beam wire-feed additive manufactured sample / V. Utyaganova, A. Filippov, S. Tarasov et al. // Materials Characterization. - 2021. - Vol. 172. - P. 110867.

45. Utyaganova, V. R. Controlling the porosity using exponential decay heat input regimes during electron beam wire-feed additive manufacturing of Al-Mg alloy / V. R. Utyaganova, A. V. Filippov, N. N. Shamarin et al. // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2020. -Vol. 108. - P. 2823-2838.

46. Utyaganova, V. R. Comparative Analysis of Structure and Mechanical Properties of Additive Objects Manufactured by Electron Beam Method and Cold Metal Transfer / A. A. Eliseev, V. R. Utyaganova, A. V. Vorontsov et al. // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. - 2020. - Vol. 61. -P. 517-522.

47. Utyaganova, V. R. Investigation of mechanical properties of the AA5356 walls produced by electron-beam additive process / V. R. Utyaganova, N. N. Shamarin // AIP Conference Proceedings.

- 2020. - Vol. 2310. - P. 020344.

48. Utyaganova, V. R. Investigation of corrosion properties of electron beam additive manufactured AA5356 / V. R. Utyaganova, N. N. Shamarin // AIP Conference Proceedings. - 2020. - Vol. 2310.

- P.020343.

49. Vorontsov, A. V. Properties of product from aluminum-magnesium alloy obtained by electron-beam additive manufacturing / A. V. Vorontsov, V. R. Utyaganova, K. S. Osipovich // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2167. - P. 020389.

50. Vorontsov, A. V. Electron-beam additive manufacturing of product from Al-Mg alloy: Macrostructure and x-ray analysis / A. V. Vorontsov, V. R. Utyaganova, N. N. Shamarin // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2167. - P. 020390.

51. Shamarin, N. N. Investigation of inhomogeneity of mechanical properties of Al-Mg alloy printed by electron-beam method / N. N. Shamarin, V. R. Utyaganova, V. A. Beloborodov // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2167. - P. 020323.

52. Utyaganova, V. R. Electrochemical impedance study of corrosion properties of AA 5356 3D-printed by electron beam melting / V. R. Utyaganova, N. N. Shamarin, A. A. Eliseev // AIP Conference Proceedings. - 2019. - Vol. 2167. - P. 020379.

53. Патент 2721109 Российская Федерация, МПК B23K15/00, B23K26/342, B23K9/04, C23C4/12, B82B3/00, C22C21/00 Способ аддитивного производства изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов с функционально-градиентной структурой / Хорошко Е.С., Рубцов В.Е., Колубаев Е.А., Савченко Н.Л., Фортуна С.В., Осипович К.С., Бакшаев В.А., Калашникова Т.А., Калашников К.Н., Утяганова В.Р, Иванов А.Н. Заявка № 2019134629 29.10.2019.

54. Guschlbauer, R. Process development of 99.95% pure copper processed via selective electron beam melting and its mechanical and physical properties / R. Guschlbauer, S. Momeni, F. Osmanlic, C. Körner // Materials Characterization. - 2018. - Vol. 143. - P. 163-170.

55. Wolf, T. Selective electron beam melting of an aluminum bronze: Microstructure and mechanical properties / T. Wolf, Z. Fu, C. Körner // Materials Letters. - 2019. - Vol. 238. - P. 241-244.

56. Savchenko, N. Features of the Structural-Phase State of the Alloy Ti-6Al-4V in the Formation of Products using Wire-Feed Electron Beam Additive Manufacturing / N. Savchenko, A. Vorontsov, V. Utyaganova et al. // Metal Working and Material Science. - 2018. - Vol. 20. - P. 60-71.

57. Utyaganova, V. R. Modification of structural-phase state of titanium alloy Ti-6Al-4V, obtained by electron-beam additive method / V. R. Utyaganova, E. Al. // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Fizika. - 2019. - P. 143-150.

58. Савченко, Н. Л. Особенности структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V при формировании изделий с использованием электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии / Н. Л. Савченко, А. В. Воронцов, В. Р. Утяганова, А. А. Елисеев, В. Е. Рубцов, Е. А. Колубаев // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. - 2018. - Т. 20. - №. 4. - С. 60-71.

59. Утяганова, В. Р. Модификация структурно-фазового состояния титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного электронно-лучевым аддитивным методом / В. Р. Утяганова, А. В. Воронцов, А.

A. Елисеев, К. С. Осипович, К. Н. Калашников, Н. Л. Савченко, В. Е. Рубцов, Е. А. Колубаев // Известия высших учебных заведений. - 2019. - Т. 62. - №. 8. - С. 143-150.

60. Taminger, K. M. Electron Beam Freeform Fabrication for Cost Effective Near-Net Shape Manufacturing / K. M. Taminger, R. A. Hafley // Nato Unclassified. - 2004. - P. 19.

61. Negi, S. Review on electron beam based additive manufacturing / S. Negi, A. A. Nambolan, S. Kapil et al. // Rapid Prototyping Journal. - 2020. - Vol. 26. - P. 485-498.

62. Stawovy, M. T. Comparison of LCAC and PM Mo deposited using Sciaky EBAMTM / M. T. Stawovy // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. - 2018. - Vol. 73. - P. 162-167.

63. Sciaky: сайт. - URL: https://www.sciaky.com/news/press-releases/204-ebam-helps-automotive-manufacturer (дата обращения: 26.05.2021). - Текст: электронный.

64. Brackett D. Topology Optimization for Additive Manufacturing / D. Brackett, I. A. Ashcroft. - 2011.

65. Zegard, T. Bridging topology optimization and additive manufacturing / T. Zegard, G. H. Paulino // Structural and Multidisciplinary Optimization. - 2016. - Vol. 53. - P. 175-192

66. Yang, S. A new part consolidation method to embrace the design freedom of additive manufacturing / S. Yang, Y. Tang, Y. F. Zhao // Journal of Manufacturing Processes. - 2015. - Vol. 20. - P. 444449.

67. Hafley, R. A. Electron Beam Freeform Fabrication in the Space Environment / R. A. Hafley, K. M.

B. Taminger, R. K. Bird // 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. - 2007. - P. 1-9.

68. Mackenzie, D.S. Handbook of Aluminum

69. Polmear, I.J. Light alloys: metallurgy of the light metals, 3rd edition ed.

70. Polmear, I., StJohn, D., Nie, J.F., Qian, M. Light Alloys : Metallurgy of the Light Metals; 2017

71. Lathabai S. The effect of scandium on the microstructure, mechanical properties and weldability of a cast Al-Mg alloy / S. Lathabai, P. G. Lloyd // Acta Materialia. - 2002. - Vol. 50. - P. 4275-4292.

72. Pun, S.C. Nanocrystalline Al-Mg with extreme strength due to grain boundary doping / S. C. Pun, W. Wang, A. Khalajhedayati et al. // Materials Science and Engineering A. - 2017. - Vol. 696. - P. 400-406.

73. Devaraj, A. Grain boundary segregation and intermetallic precipitation in coarsening resistant nanocrystalline aluminum alloys / A. Devaraj, W. Wang, R. Vemuri et al. // Acta Materialia. - 2019.

- Vol. 165. - P. 698-708.

74. Köhler, M. Wire and arc additive manufacturing of aluminum components / M. Köhler, S. Fiebig, J. Hensel, K. Dilger // Metals. - 2019. - Vol. 9. - P. 1-9.

75. Yu, P. Microstructural development of electron beam processed Al-3Ti-1Sc alloy under different electron beam scanning speeds / P. Yu, M. Yan, D. Tomus et al. // Materials Characterization. -2018. - Vol. 143. - P. 43-49.

76. Sun, S. Microstructure and mechanical properties of Al-Fe-V-Si aluminum alloy produced by electron beam melting / S. Sun, L. Zheng, H. Peng, H. Zhang // Materials Science and Engineering A. - 2016. - Vol. 659. - P. 207-214.

77. Mahale, T. Advances In electron beam melting of aluminum alloys / T. Mahale, D. Cormier, O. Harrysson, K. Ervin // 18th Solid Freeform Fabrication Symposium, SFF 2007. - 2007. - P. 312323.

78. V. S. Zolotorevsky, N. A. Belov and M. V. Glazoff, "Casting Aluminum Alloys," Elsevier Ltd., Amsterdam, 2007

79. Apelian, D. Enabling Tools for Improved Performance Aluminum Cast Alloys : 2009.

80. Ye, H. An overview of the development of Al-Si-alloy based material for engine applications / H. Ye // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2003. - Vol. 12. - P. 288-297.

81. Ma, P. Effect of Si content on the microstructure and properties of Al-Si alloys fabricated using hot extrusion / P. Ma, Y. Jia, K. G. Prashanth et al. // Journal of Materials Research. - 2017. - Vol. 32.

- P. 2210-2217.

82. Abboud, J. Developing of nano sized fibrous eutectic silicon in hypereutectic Al-Si alloy by laser remelting / J. Abboud, J. Mazumder // Scientific Reports. - 2020. - Vol. 10. - P. 1-18.

83. McDonald, S. D. Eutectic nucleation in Al-Si alloys / S. D. McDonald, K. Nogita, A. K. Dahle // Acta Materialia. - 2004. - Vol. 52. - P. 4273-4280.

84. MOHAMMADREZA ZAMANI. Al-Si Cast Alloys - Microstructure and Mechanical Properties at Ambient and Elevated Temperature Al-Si Cast Alloys - Microstructure and Mechanical Properties at Ambient and Elevated Temperature / MOHAMMADREZA ZAMANI. - 2015.

85. Иванов В. Н. Словарь-справочник по литейному производству. — М.: Машиностроение, 1990. — 384 с: ил. ISBN 5-217-00241-7, 1990

86. Makhlouf, M. M. The aluminum-silicon eutectic reaction: Mechanisms and crystallography / M. M. Makhlouf, H. V. Guthy // Journal of Light Metals. - 2001. - Vol. 1. - P. 199-218.

87. Shankar, S. Nucleation mechanism of the eutectic phases in aluminum-silicon hypoeutectic alloys / S. Shankar, Y. W. Riddle, M. M. Makhlouf // Acta Materialia. - 2004. - Vol. 52. - P. 4447-4460.

88. Yang, Y. Improved corrosion behavior of ultrafine-grained eutectic Al-12Si alloy produced by selective laser melting / Y. Yang, Y. Chen, J. Zhang et al. // Materials and Design. - 2018. - Vol. 146. - P. 239-248.

89. Kazantseva, L.A. Formation of Three-Component Phases in Silumins Using a Modifying Mixture Based on Refractory Metals / L. A. Kazantseva, A. P. Zykova, M. P. Kalashnikov, I. A. Kurzina // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2018. - Vol. 82. - P. 1165-1171.

90. Логинов, Ю.Н.; Сулицин, А.В.; Брусницын, С.В. Производство литых заготовок из деформируемых алюминиевых и медных сплавов; ISBN 9785321018835.

91. Kores, S. Formation of ALFeSi phase in ALSi12 alloy with Ce addition / S. Kores, M. Voncina, B. Kosec, J. Medved // Metalurgija. - 2012. - Vol. 51. - № 2.

92. Farshidianfar, M. H. Effect of real-time cooling rate on microstructure in Laser Additive Manufacturing / M. H. Farshidianfar, A. Khajepour, A. P. Gerlich // Journal of Materials Processing Technology. - 2016. - Vol. 231. - P. 468-478.

93. Thampy, V. Subsurface Cooling Rates and Microstructural Response during Laser Based Metal Additive Manufacturing / V. Thampy, A. Y. Fong, N. P. Calta et al. // Scientific Reports. - 2020. -Vol. 10. - P. 1-9.

94. Chou, R. Additive Manufacturing of Al-12Si Alloy Via Pulsed Selective Laser Melting / R. Chou, J. Milligan, M. Paliwal, M. Brochu // Jom. - 2015. - Vol. 67. - P. 590-596.

95. Olakanmi, E. O. Densification mechanism and microstructural evolution in selective laser sintering of Al-12Si powders / E. O. Olakanmi, R. F. Cochrane, K. W. Dalgarno // Journal of Materials Processing Technology. - 2011. - Vol. 211. - P. 113-121.

96. Siddique, S. Microstructural and Mechanical Properties of Selective Laser Melted Al 4047 / S. Siddique, E. Wycisk, G. Frieling et al. // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Vols. 752-753.

- P. 485-490.

97. Gokuldoss Prashanth, K. Tensile Properties of Al-12Si Fabricated via Selective Laser Melting (SLM) at Different Temperatures / K. Gokuldoss Prashanth, S. Scudino, J. Eckert // Technologies.

- 2016. - Vol. 4. - P. 38.

98. Huang, W. Laser wire-feed metal additive manufacturing of the Al alloy / W. Huang, S. Chen, J. Xiao et al. // Optics and Laser Technology. - 2021. - Vol. 134. - P. 106627.

99. Silva, A. Da. Vertical laser metal wire deposition of Al-Si alloys / A. Da Silva, S. Wang, J. Volpp, A. F. H. Kaplan // Procedia CIRP. - 2020. - Vol. 94. - P. 341-345.

100. Шуркин Павел Константинович диссертация Влияние эвтектикообразующих элементов (Ca, Ni, Ce, Fe) на структуру, технологичность и механические свойства алюминиевых сплавов, содержащих цинк и магний 2020

101. Shrivastava, V. Synergistic effect of heat treatment and reinforcement content on the microstructure and corrosion behavior of Al-7075 alloy based nanocomposites / V. Shrivastava, P. Singh, G. K. Gupta et al. // Journal of Alloys and Compounds. - 2021. - Vol. 857. - P. 157590.

102. Klein, T. Wire-arc additive manufacturing of a novel high-performance Al-Zn-Mg-Cu alloy: Processing, characterization and feasibility demonstration / T. Klein, M. Schnall, B. Gomes et al. // Additive Manufacturing. - 2021. - Vol. 37. - № September 2020. - P. 101663.

103. Filippov, A. V. Characterization of gradient CuAl-B4C composites additively manufactured using a combination of wire-feed and powder-bed electron beam deposition methods / A. V. Filippov, E. S. Khoroshko, N. N. Shamarin et al. // Journal of Alloys and Compounds. - 2021. - Vol. 859. - P. 157824.

104. Muller, P. Modeling and control of a direct laser powder deposition process for Functionally Graded Materials (FGM) parts manufacturing / P. Muller, P. Mognol, J. Y. Hascoet // Journal of Materials Processing Technology. - 2013. - Vol. 213. - P. 685-692.

105. Yakovlev, A. Laser-assisted direct manufacturing of functionally graded 3D objects / A. Yakovlev, E. Trunova, D. Grevey et al. // Surface and Coatings Technology. - 2005. - Vol. 190. - P. 15-24.

106. Osipovich, K.S. Gradient transition zone structure in "steel-copper" sample produced by double wire-feed electron beam additive manufacturing / K. S. Osipovich, E. G. Astafurova, A. V. Chumaevskii et al. // Journal of Materials Science. - 2020. - Vol. 55. - P. 9258-9272.

107. Bobbio, L.D. Characterization of a functionally graded material of Ti-6Al-4V to 304L stainless steel with an intermediate V section / L. D. Bobbio, B. Bocklund, R. Otis et al. // Journal of Alloys and Compounds. - 2018. - Vol. 742. - P. 1031-1036.

108. Carroll, B.E. Functionally graded material of 304L stainless steel and inconel 625 fabricated by directed energy deposition: Characterization and thermodynamic modeling / B. E. Carroll, R. A. Otis, J. P. Borgonia et al. // Acta Materialia. - 2016. - Vol. 108. - P. 46-54.

109. Su, Y. Influence of composition gradient variation on the microstructure and mechanical properties of 316 L/Inconel718 functionally graded material fabricated by laser additive manufacturing / Y. Su, B. Chen, C. Tan et al. // Journal of Materials Processing Technology. - 2020. - Vol. 283.

110. Liu, Y. Nonequilibrium thermodynamic calculation and experimental investigation of an additively manufactured functionally graded material / Y. Liu, Y. Wang, X. Wu, J. Shi // Journal of Alloys and Compounds. - 2020. - Vol. 838. - P. 155322.

111. Popovich, V.A. Functionally graded Inconel 718 processed by additive manufacturing: Crystallographic texture, anisotropy of microstructure and mechanical properties / V. A. Popovich, E. V. Borisov, A. A. Popovich et al. // Materials and Design. - 2017. - Vol. 114. - P. 441-449.

112. Liang, Y. J. Microstructure and mechanical behavior of commercial purity Ti/Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V structurally graded material fabricated by laser additive manufacturing / Y. J. Liang, D. Liu, H. M. Wang // Scripta Materialia. - 2014. - Vol. 74. - P. 80-83.

113. Lin, X. Microstructure and phase evolution in laser rapid forming of a functionally graded Ti-Rene88DT alloy / X. Lin, T. M. Yue, H. O. Yang, W. D. Huang // Acta Materialia. - 2006. - Vol. 54. - P. 1901-1915.

114. Shah, K. Parametric study of development of Inconel-steel functionally graded materials by laser direct metal deposition / K. Shah, I. ul Haq, A. Khan et al. // Materials and Design. - 2014. - Vol. 54. - P. 531-538.

115. Nie, J. High-throughput characterization of microstructure and corrosion behavior of additively manufactured SS316L-SS431 graded material / J. Nie, L. Wei, D. ling Li et al. // Additive Manufacturing. - 2020. - Vol. 35. - P. 101295.

116. Li, J.C. Microstructure, tensile and wear properties of a novel graded Al matrix composite prepared by direct energy deposition / J. C. Li, X. Lin, N. Kang et al. // Journal of Alloys and Compounds. -2020. - Vol. 826.

117. Shen, C. Fabrication of Fe-FeAl Functionally Graded Material Using the Wire-Arc Additive Manufacturing Process / C. Shen, Z. Pan, D. Cuiuri et al. // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. - 2016. - Vol. 47. - P. 763-772.

118. Hadadzadeh, A. Microstructural investigation and mechanical behavior of a two-material component fabricated through selective laser melting of AlSi10Mg on an Al-Cu-Ni-Fe-Mg cast alloy substrate / A. Hadadzadeh, B. S. Amirkhiz, S. Shakerin et al. // Additive Manufacturing. - 2020. -Vol. 31. - P. 100937.

119. Voort G. Vander, Color metallography Vol. 9 ASM handbook / G. Vander Voort // Metallography and Microstructures. - 2004. - Vol. 9. - P. 493-512.

120. Мондольфо, Л. Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Л. Ф. Мондольфо ; пер. под ред. Ф. И Квасова, Г. Б. Строганова, И. Н. Фридляндера. - М. : Металлургия, 1979. - 640 с.

121. Huang, C. Liquation mechanisms in multicomponent aluminum alloys during welding / C. Huang, S. Kou // Welding Journal (Miami, Fla). - 2002. - Vol. 81.

122. Мальцев, В. М. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. - Рипол Классик, 2013.

123. Gharbi, O. Microstructure and corrosion evolution of additively manufactured aluminium alloy AA7075 as a function of ageing / O. Gharbi, S. Kairy, P. Lima et al. // npj Materials Degradation. -2019. - Vol. 3.

124. Karaaslan, A. Effect of aging temperature and of retrogression treatment time on the microstructure and mechanical properties of alloy AA 7075 / A. Karaaslan, I. Kaya, H. Atapek // Metal Science and Heat Treatment. - 2007. - Vol. 49. - P. 443-447.

125. Moazam, M. A. The effects of combined cyclic close die forging and aging process on microstructure and mechanical properties of AA7075 / M. A. Moazam, M. Honarpisheh // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. - 2020. - Vol. 234. - P. 1242-1251.

126. Kou, S. A criterion for cracking during solidification / S. Kou // Acta Materialia. - 2015. - Vol. 88.

- P. 366-374.

127. Binesh, B. Phase evolution and mechanical behavior of the semi-solid SIMA processed 7075 aluminum alloy / B. Binesh, M. Aghaie-Khafri // Metals. - 2016. - Vol. 6.

128. Birbilis, N. Electrochemical characteristics of intermetallic phases in aluminum alloys : An experimental survey and discussion / N. Birbilis, R. Buchheit // Journal of The Electrochemical Society - J Electrochem Soc. - 2005. - Vol. 152.

129. Gharbi, O. Microstructure and corrosion evolution of additively manufactured aluminium alloy AA7075 as a function of ageing / O. Gharbi, S. Kairy, P. Lima et al. // npj Materials Degradation. -2019. - Vol. 3.

130. Eckermann, F. The influence of MgSi particle reactivity and dissolution processes on corrosion in Al-Mg-Si alloys / F. Eckermann, T. Suter, P. J. Uggowitzer et al. // Electrochimica Acta. - 2008. -Vol. 54. - P. 844-855.

131. Gharbi, O. Microstructure and corrosion evolution of additively manufactured aluminium alloy AA7075 as a function of ageing / O. Gharbi, S. Kairy, P. Lima et al. // npj Materials Degradation. -2019. - Vol. 3.

132. Mbuya, T. O. Influence of iron on castability and properties of aluminium silicon alloys: Literature review / T. O. Mbuya, B. O. Odera, S. P. Ng'ang'a // International Journal of Cast Metals Research.

- 2003. - Vol. 16. - P. 451-465.

133. Cabrini, M. Effect of heat treatment on corrosion resistance of DMLS AlSi10Mg alloy / M. Cabrini, S. Lorenzi, T. Pastore et al. // Electrochimica Acta. - 2016. - Vol. 206. - P. 346-355.

Приложение А. Патент 2721109 Российская Федерация, МПК В23К15/00, В23К26/342, В23К9/04, С23С4/12, В82В3/00, С22С21/00 Способ аддитивного производства изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов с функционально-градиентной структурой / Хорошко Е.С., Рубцов В.Е., Колубаев Е.А., Савченко Н.Л., Фортуна С.В., Осипович К.С., Бакшаев В.А., Калашникова Т.А., Калашников К.Н., Утяганова В.Р, Иванов А.Н., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) Заявка № 2019134629 29.10.2019

Приложение Б. Акт испытаний технологии электронно-лучевого аддитивного производства для изготовления изделий из алюминиевых сплавов системы А1-М^ транспортного и авиакосмического назначения

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

RU

он

2 721 109|13> С1

(51) МПК В23К 15/00 (2006.01) В23К 26/342 (2014.01) В23К 9/04 (2006.011 С23С4/12 (2006.01) В82В 3/00 ( 2006.01) С22С21/00 (2006.01) ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

<12> ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(52) СП К

В23К 15/00 (2020.01): В23К 26/342 (2020.01); В23К 9/04 12020.01): С23С 4/12 (2020.01); С22С 21/00 (2020.01 ); ВН2В 3/00 (2020.01)

О

О) о

см см

3

а:

(21 )(22) Заявка: 2019134629. 29.10.2019

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

29.10.2019

Даш рашчрацин:

15.05.2020

Приоритеты):

(22) Дача подачи заявки: 29.10.2019

(45) Опубликовало: 15.05.2020 Бюл. К» 14

Адрес для переписки:

634055, Томская обл., г. Томск, пр кт Академический, 2/4. ИФПМ СО РАН. Корольковой Г.В

(72) Авгор(ы):

Колубаев Евгеггай Александрович (RU), Рубцов Валерий Евгеньевич (RU). Фортуна Сергей Валерьевич (RU), Калашников Кирилл Николаевич (RU), Калашникова Татьяш Александровна (RU), Хорошко Екатерина Сергеевна (RU), Савченко Николай Леонидович (RU), Иванов Алексей Николаевич (RU), Утяганова Вероника (RU), Осипович Ксения Сергеевна (RU), Бакшаев Владимир Александрович (RU)

(7 3) П а тентообл а да те ль( и):

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедепия Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) (RU)

(56) Список докумешов. нитрона иных в omeie о поиске: US 9101979 В2. 11.08.2015. CN 102350566 А, 15.02 2012. CN 108372355 А, 07085018 CN 106624323 А, 1005 2017 DE 4134134 А1.22.04.1993. RU 2017U4423 А. 25.10.2018. Джон X. Мартин и др. "3D печать инженерных сплавов". Nature vol 549. р.365 369, 2109.2017.

(54) СПОСОБ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ФУНКЦИОНАЛЬНО ГРАДИЕНТНОЙ СТРУКТУРОЙ

157) Рсфсрак

Изобретя ше относится к способу аддитивного производства изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов с функционально-1 радист пой структурой. По меньшей мере часть изделия и31 вдавливаю 1 ну 1см подачи но меньшей мере двух проволок в ванну расплава, их плавления высокоэнсргегическим воздейшвисм электронного пучка с изменением скорости подачи но меньшей мере одной из проволок.

73 С

ГО -J

го

о <о

о

Используют по меньшей мере одну сплошную проволоку, выполненную из высокопрочного алюминиевого сплава, и одну порошковую проволоку, cocí оящую из оболочки, выно. шенной из материала по меньшей мере одной сплошной проволоки, и наполни icjix в виде наноразмерных частиц, согласованных но парамефу кристаллической решетки с высокопрочным алюминиевым сплавом. Подачу сплошных

АКТ ИСПЫТАНИЙ

Комиссия в составе:

члены комиссии:

председатель:

директор

заместитель директора главный инженер главный конструктор

Бакшаев В.А. Федотов Ю.Н. Индубаев В.И. Ивашкин И.Н.

составили акт о том, что в ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель» проведены исследовательские испытания технологии электронно-лучевого аддитивного производства для изготовления изделий из алюминиевых сплавов системы Al-Mg транспортного и авиакосмического назначения (разработчики: Колубаев Е.А., Рубцов В.Е., Утяганова В.Р., Шамарин H.H.). В рамках работ разработана новая методика выбора технологических режимов электрон но-лучевой трехмерной печати, обеспечивающая изготовление качественных изделий с высокими прочностными свойствами.

Выбранные, на основе разработанной методики, технологические режимы позволили сократить выгорание основного легирующего элемента (магния) в Зд-напечатанных изделиях, на 25% по сравнению с ранее применявшейся на предприятии технологией. Новая технология и подобранные технологические режимы позволили снизить трудоемкость изготовления изделий из алюминиевых сплавов системы Al-Mg

на 20%.

Члены комиссии:

Председатель комиссии: