Structural and mechanical properties of stainless steel formed under conditions of layer-by-layer fusion of a wire by an electron beam

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. As of today, additive technologies are among the most promising methods to manufacture various parts. They allow producing parts of complex shapes and provide their quality structure. The quality of the structure formed depends on numerous parameters: equipment type, its operation mode, materials, shielding medium, etc. Large international companies producing 3D-printers provide technological guidelines for working on it. Such guidelines include the information on the manufacturers of raw materials (printing powders), products their equipment can work with and the operation modes that should be used with such powders. These parameters should be investigated to use it on the domestic equipment developed within the framework of research programs and import substitution programs. The researchers and developers of 3D-printing equipment frequently run into a problem of using currently available raw materials for obtaining parts possessing minimal porosity, uniform structure and mechanical properties similar to that of at least cast blanks. One of the widely used materials for 3D-printing is stainless steel. It has high corrosion resistance, which reduces the requirements to the medium in which 3D printing is carried out. Manufactured stainless steel products have a good combination of strength and plastic characteristics. The aim of the study is to obtain stainless steel specimens possessing minimal number of micro- and macro-defects and uniform structure by the method of wire arc additive manufacturing using an electron-beam setup developed at Tomsk Polytechnic University. The methods to study the AISI 308LSi stainless steel 3D-printed specimens are as follows: XRD analysis, tomography, chemical analysis, metallographic analysis, microhardness testing. Results and discussion. It is established that the AISI 308LSi stainless steel specimens manufactured using the electron-beam 3D-printing setup contain no macro-defects in the bulk of the specimens. There are small microdefects represented by residual gas pores with the dimensions of no more than 5.2 μm. The microstructure of the specimens is formed close to that of coarse-grained cast austenite steels and consists of columnar grains of the γ-Fe austenite matrix and high-temperature ferrite. The interfaces between the wire layers are not pronounced; however, there are small differences in phase composition. Based on the analysis of the results obtained, it is established that the use of electron-beam 3D-printing for the manufacture of parts from AISI 308LSi steel gives a structure similar to cast austenitic steels. Macro-defects do not appear, and the number of gas pores is small.

About the authors

V. V. Fedorov

Email: fedorov@tpu.ru
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, fedorov@tpu.ru

A. V. Rygin

Email: alexandr.rygin@gmail.com
Tomsk State University of Architecture and Building, 2 Solyanaya Sq., Tomsk, 634003, Russian Federation, alexandr.rygin@gmail.com

V. A. Klimenov

Email: klimenov@tpu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, klimenov@tpu.ru

N. V. Martyushev

Email: martjushev@tpu.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, martjushev@tpu.ru

A. A. Klopotov

Email: klopotovaa@tsuab.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, 1. Tomsk State University of Architecture and Building, 2. Solyanaya Sq., Tomsk, 634003, Russian Federation; 2. National Research Tomsk State University, 36 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation; klopotovaa@tsuab.ru

I. L. Strelkova

Email: strelkova@tpu.ru
Ph.D. (Engineering), National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, strelkova@tpu.ru

S. V. Matrenin

Email: msv@tpu.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, msv@tpu.ru

A. V. Batranin

Email: batranin@tpu.ru
Ph.D. (Engineering), National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, batranin@tpu.ru

V. N. Deryusheva

Email: vderusheva@tpu.ru
D.Sc. (Engineering), National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, vderusheva@tpu.ru

References

  1. Murr L.E. Metallurgy of additive manufacturing: examples from electron beam melting // Additive Manufacturing. – 2015. – Vol. 5. – P. 40–53. – doi: 10.1016/j.addma.2014.12.002.
  2. Milevski J.O. Additive manufacturing of metals: from fundamental technology to rocket nozzles, medical implants and custom jewelry. – Cham: Springer, 2017. – 351 p. – ISBN 978-3-319-58205-4.
  3. Additive manufacturing of metallic materials: a review/ Y. Zhang, L. Wu, X. Guo, S. Kane, Y. Deng, Y.-G. Jung, J.-H. Lee, J. Zhang // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2018. – Vol. 27, iss. 1. – P. 1–13. – doi: 10.1007/s11665-017-2747-y.
  4. Metallurgy, mechanistic models and machine learning in metal printing / T. DebRoy, T. Mukherjee, H.L. Wei, J.W. Elmer, J.O. Milewski // Nature Reviews Materials. – 2020. – Vol. 6. – P. 48–68. – doi: 10.1038/s41578-020-00236-1.
  5. Edwards P., O'Conner A., Ramulu M. Electron beam additive manufacturing of titanium components: properties and performance // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2013. – Vol. 135, iss. 6. – P. 061016. – doi: 10.1115/1.4025773.
  6. Tavlovich B., Shirizly A., Katz R. EBW and LBW of additive manufactured Ti6Al4V products // Welding Journal. – 2018. – Vol. 97, iss. 6. – P. 179–190. – doi: 10.29391/2018.97.016.
  7. Analisis of the current state of additive welding technologies for manufacturing volume metallic products / S. Peleshenko, V. Korzhyk, O. Voitenko, V. Khaskin, V. Tkachuk // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2017. – Vol. 3/1, iss. 87. – P. 42–52. – doi: 10.15587/1729-4061.2017.99666.
  8. Introduction of ternary alloying element in wire arc additive manufacturing of titanium aluminide intermetallic / J. Wang, Z. Pan, L. Wei, S. He, D. Cuiuri, H. Li // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 27. – P. 236–245. – doi: 10.1016/j.addma.2019.03.014.
  9. Laser wire deposition of a large Ti-6Al-4V space component / N. Chekir, J.J. Sixsmith, R. Tollett, M. Brochu // Welding Journal. – 2019. – Vol. 28, iss. 6. – P. 172–180.
  10. Taminger K.M., Hafley R.A. Electron beam freeform Fabrication for cost effective near-net shape manufacturing // NATO/RTO AVT-139 Specialists' Meeting on Cost Effective Manufacture via Net Shape Processing. – Amsterdam, 2006. – P. 16.
  11. 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. – doi: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-60-71.
  12. Development of electron-beam equipment and technology for additive layer-wise wire cladding / V.V. Fedorov, V.A. Klimenov, A.V. Batranin, P. Ranga // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2167. – P. 020097. – doi: 10.1063/1.5131964.
  13. Microstructure and compressive behavior of Ti-6Al-4V alloy built by electron beam free-form fabrication / V.A. Klimenov, V.V. Fedorov, M.S. Slobodyan, N.S. Pushilina, I.L. Strelkova, A.A. Klopotov, A.V. Batranin // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2020. – Vol. 29, iss. 11. – P. 7710–7721. – doi: 10.1007/s11665-020-05223-9.
  14. Simar A., Godet S., Watkins T.R. Highlights of the special issue on metal additive manufacturing // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 143. – P. 1–4. – doi: 10.1016/j.matchar.2018.06.013.
  15. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S.Yu. Tarasov, A.V. Filippov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, S.G. Psakhie // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 99. – P. 2353–2363. – doi: 10.1007/s00170-018-2643-0.
  16. Microstructural evolution and chemical corrosion of electron beam wire-feed additively manufactured AISI 304 stainless steel / S.Yu. 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.
  17. Microstructural evolution and mechanical properties of maraging steel produced by wire + arc additive manufacture process / X. Xu, S. Ganguly, J. Ding, S. Guo, S. Williams, F. Martina // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 143. – P. 152–162. – doi: 10.1016/j.matchar.2017.12.002.
  18. Особенности химического состава и структурно-фазового состояния, обусловившие снижение коррозионной стойкости деталей из стали 18Cr-10Ni / М.В. Костина, В.И. Криворотов, В.С. Костина, А.Э. Кудрашов, С.О. Мурадян // Извести вузов. Черная металлургия. – 2021. – Т. 64. – С. 217–229. – doi: 10.17073/0368-0797-2021-3-217-229.
  19. Influence of defects on mechanical properties of Ti-6Al-4V components produced by selective laser melting and electron beam melting / H. Gong, K. Rafi, H. Gu, G.D. Janaki Ram, T. Starr, B. Stucker // Materials and Design. – 2015. – Vol. 86. – P. 545–554. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.07.147.
  20. Applying nondestructive testing to quality control of additive manufactured parts / N.P. Aleshin, M.V. Grigo’;rev, N.A. Shchipakov, M.A. Prilutskii, V.V. Murashov // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2016. – Vol. 52, iss. 10. – P. 600–609. – doi: 10.1134/S1061830916100028.
  21. Nanoindention study of Ti6Al4V alloy nitride by low intensity plasma jet process / F. Barberi, C. Otani, C. Lepienski, W. Urruchi, H. Maciel, G. Petraconi // Vacuum. – 2002. – Vol. 67, iss. 3. – P. 457–461. – doi: 10.1016/S0042-207X(02)00231-2.
  22. Characterization and comparison of materials produced by Electron Beam Melting (EBM) of two different Ti-6Al-4V powder fractions / J. Karlsson, A. Snis, H. Engqvist, J. Lausmaa // Journal of Materials Processing Technology. – 2013. – Vol. 213, iss. 12. – P. 2109–2118. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2013.06.010.
  23. Ladany L., Roy L. Mechanical behavior of Ti-6Al-4V manufactured by electron beam additive fabrication // ASME 2013 International Manufacturing Science and Engineering Conference. – Madison,WI, 2013. – doi: 10.1115/MSEC2013-1105.
  24. Metallurgy of a Ti-Au alloy synthesized by controlled electric resistance fusion / V. Klimenov, M. Slobodyan, Yu. Ivanov, A. Kiselev, S. Matrenin // Intermetallics. – 2020. – Vol. 127. – P. 106968. – doi: 10.1016/j.intermet.2020.106968.
  25. Lee B.J. A thermodynamic evaluation of the Fe-Cr-Ni system // Journal of the Korean Institute of Metals and Materials. – 1993. – Vol. 31, iss. 4. – P. 480–489.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a 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».