Influence of Electron Beam Additive Manufacturing Process Parameters on Structure and Properties of Austenitic Stainless Steel 321

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. In modern industrial and scientific-technical sphere the problem of details formation from various metals and alloys by additive methods is one of the most critical and demanding timely decision. This is primarily due to the need to produce large, complex shaped parts with high productivity and as little waste as possible. One of the most applicable methods for the formation of products by additive method is electron beam wire-feed technology. With use of wire filament and an electron beam for melting in a printing zone it is possible to obtain details with high productivity and acceptable indicators of final structure and mechanical properties. However, interrelation of received structure and mechanical properties depending on parameters of electron beam additive manufacturing process nowadays insufficiently presented in the literature.  In this regard, the purpose of this work is to analyze the influence of additive electron-beam production process parameters on the formation of products from SS 321. Results and discussion. Electron beam current, linear printing speed, and wire feeding ratio are used as variable parameters, and the ultimate tensile strength is taken as the optimization parameter. Optimal parameters of the electron beam current (40 mA), printing speed (180 mm/min) and wire feeding ratio (1.3) at constant accelerating voltage (30 kV) are established. These parameters allow forming the product without defects and without melting the previously formed layers with the ultimate tensile strength of 583 MPa. It is shown that the use of the highest values of printing speed (320 mm/min) and wire feeding ratio (1.3) at varying the electron beam current does not allow to perform the sample formation process. It is established that at the parameters of the electron beam additive manufacturing process, which provide the complete formation of the product, the structures obtained in materials achieve ultimate tensile strength within 558-595 MPa.

About the authors

A. P. Zykova

Email: zykovaap@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, zykovaap@mail.ru

S. Yu. Nikonov

Email: SergRFF@ngs.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, SergRFF@ngs.ru

V. R. Utyaganova

Email: filaret_2012@mail.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, filaret_2012@mail.ru

E. A. Kolubaev

Email: eak@ispms.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eak@ispms.ru

References

  1. 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 // Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 92. – P. 112–224. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001.
  2. 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.
  3. Progress in additive manufacturing on new materials: a review / N. Li, S. Huang, G. Zhang, R. Qin, W. Liu, H. Xiong, G. Shi, J. Blackburn // Journal of Materials Science & Technology. – 2019. – Vol. 35 (2). – P. 242–269. – doi: 10.1016/j.jmst.2018.09.002.
  4. Microstructure and surface analysis of friction stir processed Ti-6Al-4V plates manufactured by electron beam melting / F. Rubino, F. Scherillo, S. Franchitti, A. Squillace, A. Astarita, P. Carlone // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 37. – P. 392–401. – doi: 10.1016/j.jmapro.2018.12.015.
  5. Basak A., Das S. Epitaxy and microstructure evolution in metal additive manufacturing // Annual Review of Materials Research. – 2016. – Vol. 46. – P. 125–149. – doi: 10.1146/annurev-matsci-070115-031728.
  6. The Features of structure formation in chromium-nickel steel manufactured by a wire-feed electron beam additive process / A.V. Kolubaev, S.Y. Tarasov, A.V. Filippov, Y.A. Denisova, E.A. Kolubaev, A.I. Potekaev // Russian Physics Journal. – 2018. – Vol. 61 (8). – P. 1491–1498. – doi: 10.1007/s11182-018-1561-9.
  7. 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 (9–12). – P. 2353–2363. – doi: 10.1007/s00170-018-2643-0.
  8. Additive manufacturing of metals: a brief review of the characteristic microstructures and properties of steels, Ti-6Al-4V and high-entropy alloys / S. Gorsse, C. Hutchinson, M. Gouné, R. Banerjee // Science and Technology of Advanced Materials. – 2017. – Vol. 18 (1). – P. 1–27. – doi: 10.1080/14686996.2017.1361305.
  9. Design of novel materials for additive manufacturing – Isotropic microstructure and high defect tolerance / J. Günther, F. Brenne, M. Droste, M. Wendler, O. Volkova, H. Biermann, T. Niendorf // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8. – P. 1–14. – doi: 10.1038/s41598-018-19376-0.
  10. Friction stir welding of additively manufactured Ti-6Al-4V: microstructure and mechanical properties / A.K. Singh, B. Kumar, K. Jha, A. Astarita, A. Squillace, S. Franchitti, A. Arora // Journal of Materials Processing Technology. – 2020. – Vol. 277. – P. 116433. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2019.116433.
  11. Regularities of composite materials formation using additive electron-beam technology, friction stir welding and friction stir processing / T.A. Kalashnikova, A.V. Gusarova, A.V. Chumaevskii, E.O. Knyazhev, M.A. Shvedov, P.A. Vasilyev // Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science. – 2019. – Vol. 21, N 4. – P. 94–112. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.4-94-112.
  12. Peculiarities of structure formation in copper/steel bimetal fabricated by electron-beam additive technology / K.S. Osipovich, A.V. Chumaevskii, A.A. Eliseev, K.N. Kalashnikov, E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, E.G. Astafurova // Russian Physics Journal. – 2019. – Vol. 62 (8). – P. 1486–1494. – doi: 10.1007/s11182-019-01867-w.
  13. Wang Z., Palmer T.A., Beese A.M. Effect of processing parameters on microstructure and tensile properties of austenitic stainless steel 304L made by directed energy deposition additive manufacturing // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 110. – P. 226–35. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.03.019.
  14. Characterization of wire arc additively manufactured titanium aluminide functionally graded material: microstructure, mechanical properties and oxidation behavior / J. Wang, Z. Pan, Y. Ma, Y. Lu, C. Shen, D. Cuiuri, H. Li // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 734. – P. 110–119. – doi: 10.1016/j.msea.2018.07.097.
  15. The effect of wire feed geometry on electron beam freeform 3D printing of complex-shaped samples from Ti-6Al-4V alloy / K.N. Kalashnikov, V.E. Rubtsov, N.L. Savchenko, T.A. Kalashnikova, K.S. Osipovich, A.A. Eliseev, A.V. Chumaevskii // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 105 (7–8). – P. 3147–3156. – doi: 10.1007/s00170-019-04589-y.
  16. Friction welding of electron beam melted Ti-6Al-4V / P.T. Qin, R. Damodaram, T. Maity, W.W. Zhang, C. Yang, Z. Wang, K.G. Prashanth // Materials Science and Engineering A. – 2019. – Vol. 761. – P. 138045. – doi: 10.1016/j.msea.2019.138045.
  17. Electron beam additive manufacturing with wire – Analysis of the process / M.St. Weglowski, S. Blacha, J. Pilarczyk, J. Dutkiewicz, L. Rogal // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 1960, iss. 1. – P. 140015. – doi: 10.1063/1.5035007.
  18. Wanjara P., Brochu M., Jahazi M. Electron beam freeforming of stainless steel using solid wire feed // Materials and Design. – 2007. – Vol. 28. – P. 2278–2286. – doi: 10.1016/j.matdes.2006.08.008.
  19. A three dimensional transient model for heat transfer and fluid flow of weld pool during electron beam freeform fabrication of Ti-6-Al-4-V alloy / Q. Tang, Sh. Pang, B. Chen, H. Suo, J. Zhou // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2014. – Vol. 78. – P. 203–215. – doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.06.048.
  20. Taminger K.M.B., Hafley R.A. Characterization of 2219 aluminum produced by electron beam freeform fabrication // Proceedings at the 13th Solid Freeform Fabrication Symposium, 5–7 August 2002. – Austin, TX, United States, 2002. – P. 1–8.

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».