Исследование структуры и механических свойств алюминиевой бронзы, напечатанной методом электронно-лучевого аддитивного производства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Развитие технологий аддитивного производства расширяет возможности изготовления (печати) изделий из разнообразных материалов. Процесс печати осуществляется путем локального высокоэнергетического нагрева филамента и подложки, за счет чего формируется ванна расплава. В таких условиях формование структуры материала происходит в условиях быстрой кристаллизации и повторного циклического нагрева. Важной проблемой печати объемных изделий из большинства конструкционных сплавов является формирование дендритной структуры. Форма и размеры дендритов, а также связанное с ними образование вторичных фаз могут оказывать влияние на прочность и эксплуатационные свойства изделий. Цель работы: исследование структуры и механических свойств алюминиевой бронзы, полученной методом электронно-лучевого аддитивного производства. В работе исследованы особенности формирования структуры алюминиевой бронзы в зависимости от участка образца. Проведены механические испытания при статическом растяжении и сжатии образцов, вырезанных в продольном и поперечном сечении относительно направления печати. Методами исследования являются механические испытания на сжатие и растяжение, оптическая металлография, растровая электронная микроскопия. Результаты и обсуждение. На основе анализа металлографических изображений были выделены четыре характерных типа микроструктур, формирующихся на разной высоте от подложки в напечатанном материале. Первый тип – небольшие дендритные зерна с интерметаллидными частицами; второй – небольшие дендритные зерна; третий – крупные столбчатые дендритные зерна; четвертый – широкие дендритные зерна с мелкими включениями вторичной фазы. Формирование этих типов микроструктур обусловлено, во-первых, использованием стальной подложки, во-вторых, изменением условий теплоотвода по мере увеличения высоты образца в процессе печати. На основе проведенных испытаний выявлена значительная анизотропия механических свойств, которая обусловлена направленным характером роста столбчатых дендритных зерен, а также изменением размеров зерна по высоте напечатанного материала. Полученные результаты расширяют фундаментальные представления о процессах структурообразования сплавов в условиях электронно-лучевого аддитивного производства и могут быть использованы при разработке технологий печати изделий из медных сплавов.

Об авторах

Е. С. Хорошко

Email: eskhoroshko@gmail.com
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, eskhoroshko@gmail.com

А. В. Филиппов

Email: avf@ispms.ru
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, avf@ispms.ru

С. Ю. Тарасов

Email: tsy@ispms.ru
доктор техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, tsy@ispms.ru

Н. Н. Шамарин

Email: shnn@ispms.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, shnn@ispms.ru

Е. А. Колубаев

Email: eak@ispms.ru
доктор техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, eak@ispms.ru

Е. Н. Москвичев

Email: em_tsu@mail.ru
канд. физ.-мат. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, em_tsu@mail.ru

Д. В. Лычагин

Email: dvl-tomsk@mail.ru
доктор физ.-мат. наук, профессор, Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, г. Томск, 634050, Россия, dvl-tomsk@mail.ru

Список литературы

  1. Gohar G.A., Manzoor T., Shah A.N. Investigation of thermal and mechanical properties of Cu-Al alloys with silver addition prepared by powder metallurgy // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 735. – P. 802–812. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.11.176.
  2. Phase equilibria in the Cu-rich portion of the Cu–Al binary system / X. Liu, I. Ohnuma, R. Kainuma, K. Ishida // Journal of Alloys and Compounds. – 1998. – Vol. 264. – P. 201–208. doi: 10.1016/S0925-8388(97)00235-1.
  3. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties / T. DebRoy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O. Milewski, A.M. Beese, A. Wilson-Heid, A. De, W. Zhang // Progress in Materials Science. – 2018. – Vol. 92. – P. 112–224. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001.
  4. Laser-Additive repair of cast Ni–Al–Bronze components / X. Cao, P. Wanjara, J. Gholipour, Y. Wang // TMS 2019 148th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. – Cham: Springer, 2018. – P. 205–216. – doi: 10.1007/978-3-030-05861-6_19.
  5. Underwater laser cladding in full wet surroundings for fabrication of nickel aluminum bronze coatings / X. Feng, X. Cui, G. Jin, W. Zheng, Z. Cai, X. Wen, B. Lu, J. Liu // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 333. – P. 104–114. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.10.056.
  6. Thermal stability and corrosion resistance in a novel nickle aluminum bronze coating by laser cladding / X.P. Tao, S. Zhang, C.L. Wu, C.H. Zhang, J.B. Zhang, Y. Liu // Materials Research Express. – 2018. – Vol. 5, N 11. – P. 116527. – doi: 10.1088/2053-1591/aade7c.
  7. Hyatt C.V., Magee K.H., Betancourt T. The effect of heat input on the microstructure and properties of nickel aluminum bronze laser clad with a consumable of composition Cu-9.0Al-4.6Ni-3.9Fe-1.2Mn // Metallurgical and Materials Transactions A: Physics of Metals and Materials Science. – 1998. – Vol. 29. – P. 1677–1690. doi: 10.1007/s11661-998-0090-5.
  8. Effect of the protective materials and water on the repairing quality of nickel aluminum bronze during underwater wet laser repairing / X. Feng, X. Cui, W. Zheng, B. Lu, M. Dong, X. Wen, Y. Zhao, G. Jin // Optics and Laser Technology. – 2019. – Vol. 114. – P. 140–145. doi: 10.1016/j.optlastec.2019.01.034.
  9. Effect of Fe and Ni contents on microstructure and wear resistance of aluminum bronze coatings on 316 stainless steel by laser cladding / X.P. Tao, S. Zhang, C.H. Zhang, C.L. Wu, J. Chen, A.O. Abdullah // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 342. – P. 76–84. doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.032.
  10. Fabrication of copper-rich Cu-Al alloy using the wire-arc additive manufacturing process / B. Dong, Z. Pan, C. Shen, Y. Ma, H. Li // Metallurgical and Material Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. – 2017. – Vol. 48. – P. 3143–3151. doi: 10.1007/s11663-017-1071-0.
  11. In-situ wire-feed additive manufacturing of Cu-Al alloy by addition of silicon / Y. Wang, X. Chen, S. Konovalov, C. Su, A.N. Siddiquee, N. Gangil // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 487. – P. 1366–1375. – doi: 10.1016/j.apsusc.2019.05.068.
  12. Microstructural evolution and mechanical behavior of nickel aluminum bronze Cu-9Al-4Fe-4Ni-1Mn fabricated through wire-arc additive manufacturing / C. Dharmendra, A. Hadadzadeh, B.S. Amirkhiz, G.D. Janaki Ram, M. Mohammadi // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 30. – P. 100872. – doi: 10.1016/j.addma.2019.100872.
  13. The influence of post-production heat treatment on the multi-directional properties of nickel-aluminum bronze alloy fabricated using wire-arc additive manufacturing process / C. Shen, Z. Pan, D. Ding, L. Yuan, N. Nie, Y. Wang, D. Luo, D. Cuiuri, S. van Duin, H. Li // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 23. – P. 411–421. – doi: 10.1016/j.addma.2018.08.008.
  14. The morphology, crystallography, and chemistry of phases in wire-arc additively manufactured nickel aluminum bronze / C. Dharmendra, A. Hadadzadeh, B.S. Amirkhiz, M. Mohammadi, // TMS 2019 148th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. – Cham: Springer, 2019. – P. 443–453. – doi: 10.1007/978-3-030-05861-6_41.
  15. Fabricating superior NiAl bronze components through wire arc additive manufacturing / D. Ding, Z. Pan, S. van Duin, H. Li, C. Shen // Materials (Basel). – 2016. – Vol. 9, N 8. – doi: 10.3390/ma9080652.
  16. Wolf T., Fu Z., Körner C. Selective electron beam melting of an aluminum bronze: microstructure and mechanical properties // Materials Letters. – 2019. – Vol. 238. – P. 241–244. – doi: 10.1016/j.matlet.2018.12.015.
  17. Microstructural evolution and chemical corrosion of electron beam wire-feed additively manufactured AISI 304 stainless steel / S.Y. Tarasov, A.V. Filippov, N.N. Shamarin, S.V. Fortuna, G.G. Maier, E.A. Kolubaev // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 803. – P. 364–370. – doi: 10.1016/j.jallcom.2019.06.246.
  18. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S.Y. Tarasov, A.V. Filippov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, S.G. Psakhie // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 99, iss. 9-12. – P. 2353–2363. – doi: 10.1007/s00170-018-2643-0.
  19. 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, K.N. Kalashnikov, S.V. Astafurov, G.G. Maier, E.V. Melnikov, V.A. Moskvina, M.Yu. Panchenko, S.Yu. Tarasov, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev // Journal of Materials Science. – 2020. – 25 March. – doi: 10.1007/s10853-020-04549-y.
  20. Multilevel model for the description of plastic and superplastic deformation of polycrystalline materials / P.V. Trusov, E.R. Sharifullina, A.I. Shveykin // Physical Mesomechanics. – 2019. – Vol. 22. – P. 402–419. – doi: 10.1134/S1029959919050072.
  21. Фридман Я.Б., Гордеева Т.А., Зайцев А.М. Строение и анализ изломов металлов. – М.: МАШГИЗ, 1960. – 128 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».