Исследование структуры и механических свойств алюминиевой бронзы, напечатанной методом электронно-лучевого аддитивного производства
- Авторы: Хорошко Е.С.1, Филиппов А.В.1, Тарасов С.Ю.1, Шамарин Н.Н.1, Колубаев Е.А.1, Москвичев Е.Н.1, Лычагин Д.В.1
-
Учреждения:
- Выпуск: Том 22, № 2 (2020)
- Страницы: 118-129
- Раздел: МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
- URL: https://journal-vniispk.ru/1994-6309/article/view/301989
- DOI: https://doi.org/10.17212/1994-6309-2020-22.2-118-129
- ID: 301989
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.
Ключевые слова
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Фридман Я.Б., Гордеева Т.А., Зайцев А.М. Строение и анализ изломов металлов. – М.: МАШГИЗ, 1960. – 128 с.
Дополнительные файлы
