Study of the Structure and Mechanical Properties of Aluminum Bronze Printed by Electron Beam Additive Manufacturing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The development of additive manufacturing technologies expands the possibilities of manufacturing (printing) products using a variety of materials. The printing process is carried out by local high-energy heating of the filament and substrate, due to which a molten bath is formed. Under such conditions, the formation of the structure of the material occurs under conditions of rapid crystallization and repeated cyclic heating. An important problem in printing bulk products from most structural alloys is the formation of a dendritic structure. The shape and size of dendrites, as well as the formation of secondary phases associated with it, can affect the strength and performance of products. The purpose of the work is to study the structure and mechanical properties of aluminum bronze obtained by the method of electron beam additive production. In this work, the features of the formation of the structure of aluminum bronze depending on the area of the sample are studied. Mechanical tests are carried out under static tension and compression of samples cut in longitudinal and cross sections relative to the direction of printing. The methods of investigation are mechanical tests for compression and tension, optical metallography, scanning electron microscopy. Results and discussion. Based on the analysis of metallographic images, four characteristic types of microstructures are formed at different heights from the substrate in the printed material. The first type is small dendritic grains with intermetallic particles. The second is small dendritic grains. The third is large columnar dendritic grains. Fourth are wide dendritic grains with small inclusions of the secondary phase. The formation of these types of microstructures is due, firstly, to the use of a steel substrate, and secondly, to a change in heat removal conditions as the height of the sample increases during printing. Based on the tests, a significant anisotropy of the mechanical properties was revealed, which is due to the directed nature of the growth of columnar dendritic grains, as well as a change in grain size along the height of the printed material. The obtained results expand the fundamental ideas about the processes of structure formation of alloys in the conditions of electron-beam additive production and can be used in developing technologies for printing products made of copper alloys.

About the authors

E. S. Khoroshko

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

A. V. Filippov

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

S. Yu. Tarasov

Email: tsy@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, tsy@ispms.ru

N. N. Shamarin

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

E. N. Moskvichev

Email: em_tsu@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, em_tsu@mail.ru

D. V. Lychagin

Email: dvl-tomsk@mail.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, National Research Tomsk State University, 36 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, dvl-tomsk@mail.ru

References

  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.

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».