CC BY
52
УДК 620.22; 620.172.242; 620.173.22
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЯЧЕИСТЫХ ОБРАЗЦОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ АДДИТИВНЫМ
СПОСОБОМ
В. А. Акушевич, А.И. Зыков, И.Г. Толмачева, А.И. Царенков, И. А. Белоброва
В РФЯЦ-ВНИИТФ ведутся работы по созданию и исследованию свойств периодических ячеистых структур для заполнения внутреннего объема деталей. Приведены результаты исследования образцов ячеистой структуры гироид, изготовленных из сплава ХН58МБЮ. Образцы получены методом селективного лазерного спекания. Определены механические характеристики при статическом растяжении и сжатии в нормальных условиях, а также коэффициент линейного теплового расширения в диапазоне температур от 25 до 900 °С.
Ключевые слова: аддитивные технологии, физико-механические свойства, металлическая ячеистая структура.
При изготовлении традиционной механической обработкой получение подобных структур внутри детали практически невозможно, а изготовление литьем или трудоемко и нерационально при изготовлении количества деталей начиная с мелкой партии (литье по выплавляемым моделям), или дорого и крайне трудоемко (изготовление собственной формы под каждую деталь). Аддитивное производство при этом позволяет изготавливать трехмерные периодические ячеистые структуры без значительных текущих затрат, при этом позволяют получить:
- стабильную структуру и свойства;
- возможность изготовления деталей в условиях малого объема заказов материала.
Интерес к созданию периодических ячеистых структур объясняется преимуществами, которых можно достичь при заполнении ими внутреннего объема деталей:
- снижение массы деталей без изменения их внешней конфигурации;
- снижение теплопроводности;
- получение задержки ударной волны в материале, который держит температуру, перегрузку, старение.
Для достижения этих целей удобно использовать трижды периодические минимальные поверхности без взаимного пересечения, поскольку имеют строгое математическое описание, с помощью которого можно варьировать параметры периодичности, а, следовательно, свойства получаемых материалов.
Минимальные поверхности - это поверхности, у которых средняя кривизна равна нулю во всех точках [1]. Трижды периодические минимальные поверхности с заданной, бесконечной структурой интересны как альтернатива пористым средам, получаемые традиционным способом.
Поверхность Гироид (далее G) впервые получена математиком НАСА Аланом Шоном в 1970 г. [2]. G является связанной поверхностью к поверхностям Шварца D и P. Это значит, что поверхности могут быть выражены через параметрическое уравнение трансформации Бонне [3]
*
г (6) = г1 cos(6) + г2 sin(0) где r*, r1, r2 - точки поверхностей; 0 - параметр.
Координаты точек поверхностей P, D и G можно выразить через параметризацию Эннепера - Вейерштрасса [2]:
x = Re ei0f (1 - x)2F(x)dx, y = Re ei0f i(1 + T)2F(x)dx, z = Reei0 f 2tF(T)dT,
-1
где i2 =-1;t = t1 + it2;F(t) = (1 - 14t4 + t8) 2; 0 - угол Бонне для D-0°, P-
90°, G- 38.014774°.
Формула для приближенного вычисления поверхности G: sin(2px) cos(2py) + sin(2py) cos(2pz) + sin(2pz) cos(2px) = t, где t e (-1,413;1,413) [4].
При t = 0 образуется гироид. При t ^ 0 образуются относительно смещенные поверхности.
Гироид разграничивает объем на две равные части, не сообщающиеся между собой, при этом содержит сквозные спиральные каналы в пяти направлениях: (100), (010), (001), (111), (-111). Образец со структурой ги-роид представлен на рис. 1.
Рис. 1. Образец со структурой гироид
Целью работы являлось исследование свойств образцов ячеистой структуры гироид с периодом решетки 3,25 мм и толщиной стенки 0,3 мм, изготовленных из сплава ХН58МБЮ.
Исследование заключалось в определении:
- механических характеристик при статическом растяжении и сжатии при комнатной температуре;
- коэффициента линейного теплового расширения (КЛТР) в диапазоне температур от 25 до 900 °С.
Для проведения исследований методом селективного лазерного сплавления были изготовлены следующие образцы:
- цилиндрические образцы с сечением рабочей части ~ (6,5*6,5) мм и длиной рабочей части ~ 45 мм для определения механических характеристик при растяжении (рис. 2, а);
- бруски основанием ~ (16 * 16) мм и длиной ~13 мм для определения механических характеристик при сжатии (рис. 2, б);
- бруски основанием ~ (6,5 * 6,5) мм и длиной ~ 10 мм для определения теплового расширения (рис. 2, в).
а б
в
Рис. 2. Внешний вид образцов перед проведением испытаний
Испытания образцов на растяжение и сжатие проводили на универсальной испытательной машине, используя методики ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 25.503-97. Скорость нагружения при испытаниях на растяжение составляла 5 мм/мин, на сжатие - 2 мм/мин.
Образцы на сжатие были испытаны в двух направлениях: по направлению печати образца и перпендикулярно направлению.
Исследование теплового расширения образцов проводили на термомеханическим анализаторе в воздушной среде в интервале температур от 25 до 900 °С при скорости нагрева 10 °С/мин и нагрузке 0,1 Н (10 г).
426
В результате исследований механических свойств образцов сплава ХН58МБЮ были определены следующие характеристики: ов - предел прочности, МПа; со,2 - предел текучести условный, МПа; Е - модуль упругости при растяжении, МПа; 5 - относительное удлинение после разрыва, %;
осТ - предел текучести при сжатии, МПа; Ес - модуль упругости при сжатии, МПа.
В табл. 1 и 2 приведены значения механических характеристик при растяжении и сжатии образцов сплава ХН58МБЮ, а также параметры статистической обработки результатов: среднее арифметическое значение X, среднее квадратическое отклонение отклонений отдельных значений Л' и коэффициент вариации отдельных значений V, % [6].
Таблица 1
Механические характеристики при растяжении_
Номер образца Ов, МПа оо,2, МПа Е, МПа 5, МПа
1 153 97,2 13400 7,2
2 150 112 7150 4,4
3 159 104 13300 7,2
4 142 93,5 7640 8,0
5 158 93,8 9790 8,4
6 159 106 11900 14
7 166 111 19500 9,6
8 153 98,9 20500 12
9 152 103 20700 10
X 155 102 13800 9,0
Б 6,8 6,8 5300 2,8
У,% 4,4 6,7 39 32
Таблица 2
Механические характеристики при сжатии_
Образцы испытаны по направлению печати Образцы испытаны перпендикулярно направлению печати
Номер образца <5°Т, МПа Ее, МПа Номер образца <5СТ ,МПа Ес, МПа
1 266 3980 1 219 8100
2 236 3850 2 238 6920
3 216 3430 3 244 6990
4 254 3810 4 231 6760
5 257 3870 5 219 6470
X 246 3790 X 230 7050
Б 19,9 210 Б 11,2 620
8,1 5,5 У,% 4,9 8,8
На рис. 3 и 4 приведены диаграммы деформирования образцов. На рис. 5 и 6 приведены фотографии образцов сплава ХН58МБЮ после проведения механических испытаний.
180 160 140
£ 120 5
В
I
ч
—
/
// /
III
и
я/ 1
о.о
1.5
3.0
4.5
10.5
Деформация. %
Рис. 3. Диаграммы растяжения образцов сплава ХН58МБЮ
Рис. 4. Диаграммы сжатия образцов
Рис. 5. Внешний вид образцов сплава ХН58МБЮ после механических
испытаний на растяжение
а б
Рис. 6. Внешний вид образцов сплава ХН58МБЮ после механических испытаний на сжатие: а - образец испытан по направлению печати; б - образец испытан перпендикулярно направлению печати
428
Анализируя полученные значения механических характеристик образцов сплава ХН58МБЮ ячеистой структуры пористостью П ~ 62 %, изготовленных методом селективного лазерного сплавления, можно отметить следующее:
- предел прочности <гв исследованных образцов составляет 155 МПа, что на порядок ниже этой характеристики для холоднокатаных листов (1100 МПа [7]);
- наблюдается анизотропия свойств: образцы, испытанные на сжатие перпендикулярно направлению печати, обладают большей упругостью. Среднее значение модуля упругости при сжатии Ес для указанных образцов почти в два раза выше, чем у образцов, испытанных вдоль направления.
Отмеченные отличия, в первую очередь, связаны с ячеистой структурой образцов, а не с механическими свойствами самого материала.
Предел прочности при растяжении с поправкой на пористость, рассчитанный по формуле = ^^, составил <7% ~ 399 МПа. Для образцов, испытанных на сжатие вдоль и перпендикулярно направлению печати, прочностные характеристики, рассчитанные с поправкой, составили ~ 655 и ~ 612 МПа соответственно.
В результате термомеханического анализа были получены ТМА-кривые образцов сплава ХН58МБЮ, приведенные на рис. 7.
......... .......... .......... .......... .......... '• *■'■'■ ч ........ '. *■■■'■ ■• '■
•_»_а_в_•_s_•_я_»
Рис. 7. ТМЛ-криеые образцов сплава ХН58МБЮ
В табл. 3 приведены значения КЛТР образцов, рассчитанные в исследуемом интервале температур.
Таким образом, среднее значение КЛТР образцов сплава ХН58МБЮ ячеистой структуры, изготовленных методом селективного лазерного сплавления, в интервале температур от 25 до 900 °С составило 14,9><10"6 \ГС. Полученное значение КЛТР находится практически на одном уровне со значением для листового проката (16 х ю-61/°С [8]).
429
Таблица 3
Значения KJIi TP образцов
Номер образца ахЮ6,1/°С
1 15,0
2 15Д
3 14,6
X 14,9
Выводы
В результате проведенных исследований образцов сплава ХН58МБЮ ячеистой структуры, изготовленных с использованием аддитивных технологий, установлено следующее.
1. Механические свойства образцов зависят от направления приложения силы по отношению к направлению 3D-печати. Так, под воздействием сжимающей нагрузки, приложенной перпендикулярно направлению печати, материал проявляет большую упругость.
2. Предел прочности <тв исследованных образцов составляет 155 МПа, что на порядок ниже этой характеристики для холоднокатаных листов. Предел прочности с поправкой на пористость в 2 - 3 раза ниже, чем у проката.
3. Значение коэффициента линейного теплового расширения образцов составляет 14,9 х 10"61/°С и находится практически на одном уровне со значением для листового проката
Дальнейшие исследования будут направлены на обоснование применения ячеистой структуры типа гироид в качестве амортизирующего слоя, который будет принимать ударную нагрузку.
Список литературы
1. Лорд Э.Э., Маккей A.JL, Ранганатан С. Новая геометрия для новых материалов. М.: Физматлит, 2010. 264 с.
2. Schoen А. Н. 1970 Infinite periodic surfaces without selfintersections. NASA TN D-5541. Springfield, VA: Federal Scientific and Technical Information.
3. Interface Focus. 2. 658-668 doi:10.1098/rsfs.2012.0023 Published online 30 May 2012.
4. Scherer M.R.J. Gyroid and Gyroid-Like Surfaces // Double-Gyroid-Structured Functional Materials. Springer Theses (Recognizing Outstanding Ph.D. Research). Springer, Heidelberg, 2013.
5. ГОСТ 5632-2014. Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. М.: Стандартин-форм, 2015. 35 с.
6. Степнов М.Н., Шаврин A.B. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: справочник. 2-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 2005. 400 с.
7. Влияние высокотемпературного азотирования на структуру и свойства свариваемых жаропрочных никелевых сплавов / О.Ю. Козлова, С.В. Овсепян, А.С. Помельникова, М.В. Ахмедзянов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2016 №6. С. 33 - 42.
8. Моисеев С.А., Латышев В.Б. Жаропрочные свариваемые сплавы для высокотемпературных узлов современных и перспективных ГТД. М.: ФГУП «ВИАМ».
Акушевич Вадим Анатольевич, инженер-конструктор 2-й кат., frei74iagmail.com, Россия, Снежинск, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Заба-бахина»,
Зыков Алексей Игоревич, заместитель начальника отделения - начальник лаборатории, frei74lagmail.com, Россия, Снежинск, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина»,
Толмачева Ирина Гаврииловна, старший научный сотрудник, frei74lagmail.com, Россия, Снежинск, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Заба-бахина»,
Царенков Андрей Иванович, научный сотрудник, frei741 agmail.com, Россия, Снежинск, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина»,
Белоброва Ирина Андреевна, младший научный сотрудник, frei74iagmail.com, Россия, Снежинск, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина»
INVESTIGATION OF STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF CELLULAR EXAMPLES MADE WITH ADDITIVE PROCESS
V.A. Akushevich, A.I. Zykov, I.G. Tolmacheva, A.I. Tsarenkov, I.A. Belobrova
Researches from RFNC-VNIITF are performing activities on production and investigation ofproperties ofperiodic cellular structures for filling workpiece inner volume. We present research results on examples of gyroid cellular structure made of alloy KhN58MBYu. The examples are obtained by selective laser sintering. We determined mechanical behavior at standard static tension and compression and a coefficient of thermal linear expansion in temperature range from 25 to 900 °С.
Key words: additive manufacturing, physical-mechanical properties, metal cellular
lattice.
Akushevich Vadim Anatolevich, design-engineer, frei 741 agmail. com, Russia, Snezhinsk, RFNC-VNIITF,
Zykov Alexey Igorevich, deputy head of division - laboratory chief, frei74lagmail.com, Russia, Snezhinsk, RFNC-VNIITF,
Tolmacheva Irina Gavriilovna, senior research scientist, _ frei 741@,gmail. com, Russia, Snezhinsk, RFNC-VNIITF,
Tsarenkov Andrey Ivanovich, research scientist, frei 74iagmail. com, Russia, Snezhinsk, RFNC-VNIITF,
Belobrova Irina Andreevna, junior research scientist, frei 74iagmail. com, Russia, Snezhinsk, RFNC-VNIITF
