ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОРОШКА ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ВЖ-159 (ХН58МБЮ) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК621.792.3 : 621.77.04

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОРОШКА ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ВЖ-159 (ХН58МБЮ)

© 2023 Р.Р. Кяримов, В.Г. Смелов, В.П. Алексеев

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,

г. Самара, Россия

Статья поступила в редакцию 16.06.2023

В данной работе представлены результаты определения оптимальных параметров селективного лазерного сплавления (СЛС) металлического порошка жаропрочного сплава ВЖ-159 (ХН58МБЮ). Опытным путем и с применением математических методов планирования и анализа экспериментов по определению влияния технологических параметров сплавления на предел прочности материала, установлены рациональные режимы СЛС, а именно, мощность лазерного излучения, шаг сканирования, скорость сканирования. Мощность лазерного излучения P (X1) и скорость сканирования v (X2) были выбраны в качестве основных варьируемых параметров полнофакорно-го плана эксперимента, а предел прочности стВ, МПа (У), был представлен в качестве зависимой переменной от выбранных факторов. Были определены механические свойства образцов, изготовленные СЛС, зависящие также от объемной плотности энергии, равной отношением лазерной мощности к произведению скорости, шага сканирования и толщины слоя. При проведении эксперимента удалось получить приемлемый показатель качества - механические свойства, для определенного диапазона технологических параметров СЛС. Проведено исследование микроструктуры материала сплавленных образцов жаропрочного сплава ВЖ-159 (ХН58МБЮ), проведены химический и гранулометрический анализ исходного порошка.

Ключевые слова: Селективное лазерное сплавление, аддитивное производство, план эксперимента, ВЖ-159, химический состав, предел прочности DOI: 10.37313/1990-5378-2023-25-4-36-46 EDN: PHAWDH

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства по теме: «Организация высокотехнологичного производства индустриальных ГТД с интеллектуальной системой конструкторско-технологической подготовки для повышения функциональных характеристик» (Соглашение о предоставлении гранта № 075-11-2021-042 от 24.06.2021 г.)

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день аддитивное производство (АП) стало широко использоваться для авиационной промышленности. Это направление признано приоритетным в области развития материалов и технологий во всем мире [1,2]. Технологии аддитивного производства создают трехмерные физические объекты из цифровой информации с помощью специальной техники нанесения металла на предыдущий слой [3-7]. АП определяется как «процесс соединения материалов для изготовления деталей из данных 3D-модели, обычно слой за слоем, в отличие от методологий субтрактив-

Кяримов Рустам Равильевич, аспирант. E-mail: rustam9395@mail.ru

Смелов Виталий Геннадиевич, кандидат технических наук, доцент, директор ИДЭУ. E-mail: pdla_smelov@mail.ru

Алексеев Вячеслав Петрович, старший преподаватель. E-mail: alexeev_v.p@mail.ru

ного производства и формообразующего производства» по стандартам ASTM и ISO [6]. Технология АП металлопорошковых композиций содержит несколько параметров обработки (переменных), что затрудняет их соотношение с желаемыми свойствами и характеристиками качества при их оптимизации. Каждый процесс аддитивного производства имеет свой собственный набор технологических параметров, которые в сочетании со свойствами материала и условиями окружающей среды влияют на качество изготовленных деталей. Способность АП изготавливать конструкции произвольной формы делает его очень подходящим для аэрокосмической промышленности. Среди различных аддитивных технологий селективное лазерное сплавление (СЛС) обеспечивает высочайшую точность при формировании деталей желаемой формы. Основные параметры, которые обычно варьируются, включают толщину слоя (t), скорость сканирования (v), мощность лазера (P) и шаг штри-

ховки (h) [8]. Корреляции между параметрами обработки СЛС и различными свойствами изготовленных деталей, такими как поведение при растяжении [9], качество поверхности [10], механические характеристики [11] и усталостные свойства [12], были предметом различных исследований. В литературе можно найти многочисленные исследования по применению методов планирования экспериментов (например, полнофакторный полуфакторный план, центральный составной план и т.д.) и дисперсионного анализа для определения параметров и комбинаций параметров, которые влияют на типы свойств ответственных деталей. Полный факторный метод состоит из равного количества повторов для всех возможных комбинаций уровней (значений) каждого из параметров обработки. Преимущество этого метода в том, что он обеспечивает точную реакцию на эффекты параметров и все комбинации их взаимодействий [13]. Целью проведенных исследований явилось определение оптимальных режимов селективного лазерного сплавления для получения образцов из металлического порошка жаропрочного сплава ВЖ-159 (ХН58МБЮ), и исследование механических и определение прочностных свойств образцов полученных СЛС.

1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ

Для определения оптимальных режимов СЛС материала ВЖ-159 (ХН58МБЮ) проведен химический анализ металлопорошковой композиции на растровом электронном микроскопе TESCAN VEGA LMH с катодом LaB6 (РЭМ) и системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа (Oxford Instruments Advanced AZtec Energy). Изготовление образцов производилось на аддитивной установке SLM 280HL производства компании SLM Solutions. Исследование механических свойств образцов производились на установке ИР 5113-100-11. Металлографические исследования проводились на оптическом металлографическом микроскопе Метам ЛВ-32 со встроенной телевизионной камерой. Подготовка шлифов осуществлялась абразивным методом в 3 перехода с использование шлифовально-полировального станка Metkon GRIPO 1V.

Для формирования плана эксперимента был использован полный факторный эксперимент [14], позволяющий получить математическую модель исследуемого объекта в виде уравнения множественной регрессии:

Y = b0 + I bx + Ц Ь

(1)

i=0

i=1 k=i+l

Ь, Ьк, Ькк - коэффициенты уравнения множественной регрессии;

х, хк - значения факторов эксперимента. Оценка точности эксперимента при каждом сочетании факторов проводится с выполнением нескольких экспериментов, в результате получая несколько значений У. исследуемого параметра, для которых находится среднее значение:

IY

Y =

i=i

K

(2)

где К- количество повторных экспериментов.

В случае если дисперсия выходного параметра У. однородна в каждой точке факторного пространства, то опыт считается воспроизводимым. Для этого в каждой серии параллельных опытов вычисляется оценка дисперсии:

I fe - Y1

S2 -

SYi =

K -1

(3)

Проверка однородности рядов построчных дисперсий проводится при помощи расчета величины критерия Кохрена, по следующей формуле:

S2

G = Ymi

IS2

i=1

(4)

Полученное значение критерия Кохрена сравнивают со значением О - критерия взятого из таблицы критических значений в зависимости от уровня значимости а, числа степеней свободы [ = К-1 и числа опытов N. Если Орасч < Ота6л гипотеза об однородности дисперсий принимается, в противном случае - отвергается, и тогда эксперимент необходимо повторить, изменив условия его проведения (набор факторов, интервал их варьирования, точность измерительных приборов и др.). Дисперсия всего опыта определяется по формуле [14]:

N

ISY

S2 = J N

(5)

Чтобы связать значения факторов в кодированном масштабе с их значениями в натуральном масштабе проводиться кодирование значений факторов. Для этого находятся координаты центра плана по следующей формуле:

Xо _ + х ■

2

(6)

Интервалы варьирования вычисляют по следующей формуле:

где bn - свободный член;

АХ =

Xi max + Xii 2

(7)

Оценки коэффициентов уравнения регрессии рассчитываются по методу наименьших квадратов. Используя предварительное проделанное кодирование переменных, расчет коэффициентов регрессии превращается в простую арифметическую задачу ( N - число опытов):

1 N

0 N jl 0 j

1 N

b = — £ XJ,;

1 \T 1 j

N

j=i

b = — £ XJ,;

2 ЛТ A^l 1 ]

N

j=i

b = Tr £ X1XkYJ;

N

(8)

(9)

(10)

(11)

j=i

Далее определяется расчетное значение отклика с помощью полученного уравнения регрессии (1) и вычисленных коэффициентов. Все значения X. в данном уравнении представлены в кодовом масштабе, поэтому их необходимо использовать с учетом знаков из матрицы планирования. В случае равномерного дублирования опытов, для проверки гипотезы об адекватности математической модели рассчитывается дисперсия неадекватности:

Е (( - ъ )2

/ \ V г расч г эксп /

S =■

неад

Л

(12)

где f2 - число степеней свободы определяется по формуле:

12 = N - Ь, (13)

где Ь - число значимых коэффициентов исследуемого уравнения регрессии, включая Ъд

Гипотезу об адекватности модели (1) проверяют по Р - критерию Фишера:

V2

неад (14)

77 расч _

Г11 f ='

St

Y:

+ Ь

^Xj - Х?Л

AX

+ Ь

bo + bj

f v vo\i v vo Л A1 - A1 A2 - A2

1 J

f y A2 - A2

AX„

+

(15)

12

AX

i л

AX„

2. МАТЕРИАЛЫ И ПЛАН ЭКСПЕРИМЕНТА

Всего было исследовано 27 плоских образцов размерами 2 мм х 15 мм х 70 мм, изготовленных методом селективного лазерного сплавления (СЛС), на установке Selective Laser Melting System 280 HL (SLM Solutions GmbH, Любек, Германия) из порошка ВЖ-159 (ХН58МБЮ) на 9 режимах (по три образца на каждый режим) (рис. 1).

11Л1

и

в SLM

где - число опытов.

В зависимости от уровня значимости а выбирают табличное значение Р - критерия. Гипотеза об адекватности не отвергается при заданном значении уровня значимости, если выполняется условие: Расч < Ртабл [14].

Декодировав уравнение регрессии, выводится следующее соотношение:

Рис. 1. Образцы из жаропрочного сплава ВЖ-159 (ХН58МБЮ) (а) и установка селективного лазерного плавления SLM 280 НЬ (б)

Химический состав порошка приведен в табл. 1. Использовался план 32 в полно-факторном эксперименте (два фактора варьировались на трех уровнях) Два параметра в ходе эксперимента изменялись: скорость сканирования (у) и мощность лазера (Р) на трех уровнях изменения, а толщина слоя ф и шаг сканирования (И) лазера на одном уровне. Эти технологические параметры являлись ключевыми параметрами, влияющими на качественные характеристики. Значения технологических режимов СЛС приведены в табл. 2.

Мощность лазерного излучения Р (Х}) и скорость сканирования V (Х2) были выбраны в качестве варьируемых параметров. Изготовление образцов осуществлялось при толщине слоя 0,05 мм. Предел прочности стВ, МПа (У), представлен в качестве зависимой переменной. В табл. 4 представлена в кодовом и натуральном масштабах матрица полнофакторного эксперимента, а также результаты определения предела прочности образцов во всех, трижды повторенных 9

Таблица 1. Химический состав хромо-никелевого сплава ВЖ-159 (ХН58МБЮ)

в процентном соотношении %

N1 Сг А1 Мо Мп Бе Р Б С № N О

59,68 26,7 1,52 7,2 0,75 0,22 0,76 0,004 0,004 0,056 2,9 0,19 0,013

Таблица 2. Технологические режимы СЛС

№ образца Мощность Р, Вт Скорость сканирования V, мм/с Шаг сканирования к, мм Толщина слоя t, мм Плотность энергии Е, Дж/мм3

1-1

1-2 600 69,4

1-3

2-1

2-2 250 700 59,5

2-3

3-1

3-2 800 52,08

3-3

4-1

4-2 600 83,3

4-3

5-1

5-2 300 700 0,12 0,05 71,4

5-3

6-1

6-2 800 62,5

6-2

7-1

7-2 600 97,2

7-3

8-1

8-2 350 700 83,3

8-3

9-1

9-2 800 72,92

9-3

опытах. Для каждой серии параллельных опытов в табл. 5 представлены результаты оценки дисперсии.

При помощи расчета величины критерия Кохрена, была проведена проверка однородности рядов построчных дисперсий, по формуле (4) №асч = 0,350. Сравнение полученного значения Кохрена проводилось со значением О - критерия взятом из таблицы [14], поскольку ОРасч < Ота6л, гипотеза однородности дисперсии не отвергается. Дисперсия всего опыта была определена по формуле (5) Б2 = 741,99.

Коэффициенты уравнения регрессии рассчитаны по формулам 8,9,10,11:

Ь0 = (1198,1+1181,4+ 1194,8+1178,4+1147,7+ + 1156,6+1134,4+1096,4+1056,8) / 9 = 1149,4. (16)

-1198,1 -1194,8 +1134,4 +1056,8 _ Ъ1 =--------= 22,42; (17)

-1198,1 +1194,8 -1134,4 +1056,8 ___

Ъ2 =-'-^-'--= 8,98; (18)

. 1198,1 -1194,8 -1134,4 +1056,8 (19) »12 =---= 8,24. (19)

Таблица 3. Матрица планирования и результаты эксперимента

№ опыта Кодовый масштаб Натуральный масштаб Параллельные опыты <У> о-в, МПа

Р, Вт V, мм/с У1 У2 Уз

1 -1 -1 250 600 1186,6 1213,1 1194,5 1198,1

2 -1 0 250 700 1184,6 1105,2 1254,3 1181,4

3 -1 1 250 800 1193,5 1193,5 1197,4 1194,8

4 0 -1 300 600 1191,5 1166,9 1176,8 1178,4

5 0 0 300 700 1143,5 1156,2 1143,5 1147,7

6 0 1 300 800 1152,3 1152,3 1165,1 1156,6

7 1 -1 350 600 1144,4 1118,9 1139,5 1134,3

8 1 0 350 700 1100,3 1103,3 1085,6 1096,4

9 1 1 350 800 1040,5 1051,3 1078,7 1056,8

Таблица 4. Оценка дисперсии для каждой серии параллельных опытов

№ опыта Б2у1 Б2У2 Б2уз Ъ&г,

1 66,125 112,5 6,48 185,105

2 5,12 2903,22 2657,205 5565,545

3 0,845 0,845 3,38 5,07

4 85,805 66,125 1,28 153,21

5 8,82 36,125 8,82 53,765

6 9,245 9,245 36,125 54,615

7 51,005 118,58 13,52 183,105

8 7,605 23,805 58,32 89,73

9 132,845 15,125 239,805 387,775

1 367,415 3285,57 3024,935 6677,92

Подставляя значения коэффициентов в уравнение 15 получено уравнение регрессии:

Ов = 1149,4 + 22,24!

4-Х?

АХ;

+ 8,98

—

АХ,

+ 8,24

X. — X" АХ!

О V

Х2 — Х2

АХ,

(20)

Далее при помощи полученного уравнения регрессии были рассчитаны значения отклика. По формуле (21) были определены коэффициенты вариации, отношение стандартного отклонения ст к среднему р:

ст ц

(21)

Экспериментальные и расчетные значение коэффициентов вариации сч предела прочности стВ представлены в табл. 5. Наименьшее отклонение значений предела прочности выявлено у режима № 4, наибольшее у режима №9.

Дисперсия неадекватности рассчитывалась по формуле (12): 52неад = 3052,5. Значение критерия Фишера рассчитывалось по формуле (14): Расч = 0,24. Табличное значение ¥ - критерия Рабл = 0,307. Поскольку Расч < Рабл, гипотеза об адекватности модели не отвергается.

Таблица 5. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных

+

№ опыта ов эксп. ов расч. Дов Дов2 Су отклонение в %

1 1198,1 1126,2 71,9 5164,82 0,062 6,2

2 1181,4 1144,2 37,2 1384,67 0,032 3,2

3 1194,8 1127,7 67,1 4502,41 0,058 5,8

4 1178,4 1171,1 7,3 53,6149 0,0062 0,6

5 1147,7 1189,03 41,3 1708,44 0,035 3,5

6 1156,6 1189,03 32,4 1051,92 0,028 2,8

7 1134,3 1154,6 20,3 411,639 0,018 1,8

8 1096,4 1189,03 92,6 8580,93 0,081 8,1

9 1056,8 1189,03 132,2 17485,7 0,12 11,8

3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МИКРОАНАЛИЗ СТРУКТУРЫ

Механические свойства изготовленных образцов определялись в поперечном направлении относительно роста при селективном лазерном сплавлении. Испытания проводились при 200С на установке ИР 5113-100-11 в соответствии с ГОСТ 11701-84 на стандартных образцах длинной 48 мм, шириной рабочей части 3 мм и толщиной 2 мм, с незначительно заполированной поверхностью образцов. Результаты испытаний, а также вид и размеры дефектов, обнаруженных в материале образцов, приведены в табл. 6. Внешний вид образца представлен на рис. 2.

В изломах образцов всех вариантов присутствовали мелкие дефекты типа пор, в образцах режимов № 6-9 зафиксированы и небольшие непроплавы (рис. 3). Максимальный стабильный уровень свойств получен на образцах № 1. С увеличением мощности лазерного излучения при СЛС наблюдалось снижение прочностных характеристик. Существенного влияния скорости сканирования при СЛС на предел прочности образцов не выявлено.

Существенный разброс значений предела текучести в пределах одного режима СЛС был замечен на образцах, изготовленных по режимам № 2, 3, 4, 6, 7, например, на образцах режима № 2 - от 651,2 МПа до 1088,5 МПа. Наименьший уровень относительного удлинения зафиксирован на образцах режима № 2 (5ср ~ 13,9%), максимальный уровень был замечен на образцах режима № 7 (5ср ~ 19,8%), на образцах остальных режимов относительное удлинение составило 5 ~ 16...17%.

ср

Микроанализ структуры образцов проводился на инвертированном микроскопе Ахю УеЛ.А1 на шлифах, изготовленных вдоль направления роста при СЛС по всей ширине образцов на расстоянии примерно 10. 15 мм от торца. Травление шлифов осуществлялось электролитическим способом при комнатной температуре в течение 7.10 секунд в электролите. При микроанализе выявлена разная морфология трековой структуры материала образцов. У образцов режимов № 1.4 структура материала была однородной, представляла собой «рыбью чешую», в материале образцов режима № 5 на локальных участках обнаружены удлиненные

Рис. 2. Внешний вид образца изготовленного СЛС

где

Рис. 3. Изломы образцов после испытаний: а - образец № 1-2; б - образец № 2-1; в - образец № 2-2; г - образец № 2-3; д - образец № 3-1; е - образец № 4-1

Таблица 6. Результаты механических испытаний образцов изготовленных СЛС

ре> об] № кима/ эазца ов, МПа ов, МПа среднее о0;2, МПа о0;2, МПа среднее среднее Вид и размер дефектов в материале образцов, мкм

1 1-1 1186,6 1198,1 965,9 1041,1 18,6 16,7 Поры диаметром до 30 мкм, единичные до50 мкм

1-2 1213,1 1083,6 15,6

1-3 1194,5 1073,8 16,0

2 2-1 1184,6 1181,4 983,6 907,8 13,4 13,9 Поры диаметром до 36 мкм, единичные до 64 мкм

2-2 1105,2 651,2 13,2

2-3 1254,3 1088,5 15,2

3 3-1 1193,5 1194,8 1010,1 782,3 16,8 16,1 Единичные поры диаметром до 24 мкм

3-2 1193,5 640,4 16,1

3-3 1197,4 696,3 15,3

4 4-1 1191,5 1178,4 690,4 769,2 16,5 19,5 Поры диаметром до 40 мкм, единичные до50 мкм

4-2 1166,9 991,5 20,5

4-3 1176,8 625,7 21,4

5 5-1 1143,5 1147,7 642,3 645,6 15,3 15,6 Поры диаметром до 30 мкм, единичные до56 мкм. Трещины от боковых непроплавов длиной до50 мкм

5-2 1156,2 669,8 17,1

5-3 1143,5 624,7 14,5

6 6-1 1152,3 1156,6 990,5 744,7 15,9 17,8 Поры диаметром до 46 мкм, единичные до75 мкм. Единичные непроплавы размером до 152x327 мкм

6-2 1152,3 627,6 19,9

6-3 1165,1 615,9 17,6

7 7-1 1144,4 1134,3 890,4 718,2 19,3 19,8 Поры диаметром до 25 мкм, строчка непроплавов длиной~1075 мкм, непроплавы размером до 52x362 мкм и микронепроплавы длиной до 46 мкм

7-2 1118,9 628,6 19,5

7-3 1139,5 635,5 20,5

8 8-1 1100,3 1096,4 617,8 603,4 17,5 17,3 Поры диаметром до 20 мкм, непроплав у боковой поверхности размером 70x80 мкм, микронепроплавы длиной до 48 мкм

8-2 1103,3 588,4 16,4

8-3 1085,6 604,1 18,0

9 9-1 1040,5 1056,8 605,1 589,7 11,5 14,1 Поры диаметром до 10 мкм, непроплавы размером до 45x50 мкм, 30x40 мкм и микронепроплавы длиной до 80 мкм

9-2 1051,3 585,5 15,0

9-3 1078,7 578,6 15,9

Мин. 1040,5 1134,3 578,6 589,7 11,5 13,9 -

Макс. 1254,3 1198,1 1088,5 1041,1 21,4 19,8 -

зерна, у образцов режимов № 6 и 7 в материа- № 8 и 9 показала практически однородную поле замечено чередование зон с разной шириной верхность с широкими вытянутыми треками и треков. Структура материала образцов режима локальными участками более округлых узких

треков (рис. 4). В материале образцов режима № чеством дефектных гранул. В качестве харак-5 обнаружены трещины, распространявшиеся терных дефектов порошка можно выделить от боковых непроплавов длиной до 0,05 мкм, на сателлиты и незначительное количество слип-режимах № 6, 7, 8, 9 были замечены единичные шихся частиц - конгломератов, средний раз-непроплавы. мер которых составляет 60 мкм. Микроанализ

выявил разную морфологию трековой структу-4. ВЫВОДЫ ры материала образцов. Структура материала

образцов режимов № 1.4 однородна и облада-При исследовании металлического порош- ла формой «рыбья чешуя», у образцов режима ка жаропрочного сплава ВЖ-159 (ХН58МБЮ) № 5 на локальных участках обнаружены удли-установлено, что материал обладает правиль- ненные зерна, на образцах режимов № 6 и 7 ной сферической формой с небольшим коли- замечено чередование зон с разной шириной

- Л

Н

■ш,

Ш

■ Mfa/v söSKw»*

йМ

ТР ъШяШ л

......

■ te

1 ¿f рй

.vS» '--iisi

•'•¿'••'if V- ,

ж \ 1 1

Ш Ж*

№

v ' -г с -' ' •1 *• Ü

Ш

\ К,» й tfi \L к

II .^М*

I» ill ■ --л*

Ми

1 " ч ' '■'•у' *»

■ /Ч ' Ми Г1

»1 ; 1. *iU'iT г

I IStb ¡в И Ж fulai

? V:-! •

VW..

V/.* .fa*

,f\r ' ■ tl

Л '£»

■ .;/л

/ .

!■".'' Г - ■ ;■ 1 ' га if/ • с, v

i'Jfti'V if :• >l 's, . ■

»..' •••• ii'Jr--' fur 'Ч^Л/л-Ж

Рис. 4. Микроструктура и дефекты, обнаруженные в материале образцов: а - образец № 1-2, увеличение Х 100; б - образец № 3-3, увеличение Х 500; в - образец № 5-3, увеличение Х 200; г - образец № 6-1, увеличение Х 200; д - образец № 6-2, увеличение Х 200; е - образец № 8-2, увеличение Х 500;

ж - образец № 8-3, увеличение Х 200

треков. Образцы режимов сплавления № 8 и 9 обладали практически однородной структурой материала с широкими вытянутыми треками, в локальных участках присутствовали более округлые узкие треки.

Максимальный и стабильный уровень механических свойств получен на образцах режима № 1. С увеличением мощности лазерного излучения при СЛС наблюдалось снижение прочностных характеристик. Существенного влияния скорости сканирования при СЛС на предел прочности образцов не выявлено. В материале образцов всех вариантов присутствовали единичные поры диаметром до 0,070 мм.

Примененный метод полного факторного эксперимента по определению технологических параметров СЛС для материала ВЖ-159

(ХН58МБЮ) позволил подобрать оптимальные режимы сплавления. Экспериментальные и расчетные значение коэффициентов вариации предела прочности су, выявили наименьшее отклонение у режима № 4, наибольшее у режима № 9. Приемлемые параметры СЛС можно считать следующие значения: мощность лазера Р = 300 Вт, скорость сканирования V = 600 мм/с шаг сканирования И = 0,12 мм, при объемной плотности энергии сплавления Е = 83,3 Дж/мм3. Однако оптимальными значениями СЛС являются: мощность лазера Р = 250 Вт, шаг сканирования И = 0,12 мм, скорость сканирования V = 600 мм/с, при объемной плотности энергии сплавления Е = 69,44 Дж/мм3, которые согласно данным табл. 6 обеспечивают наилучшие механические свойства и качественную микроструктуру образцов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каблов, Е.Н. Авиационное материаловедение в XXI веке. Перспективы и задачи / Е.Н. Каблов // Авиационные материалы. Избранные труды ВИАМ 1932-2002. М.: МИСИС-ВИАМ, 2002. - C. 23-47.

2. Каблов, Е.Н. Тенденции и ориентиры инновационного развития России / Е.Н. Каблов. - М.: ВИАМ, 2015. - 557 с.

3. J.C. Najmon, S. Raeisi, A. Tovar, 2 - Review of additive manufacturing technologies and applications in the aerospace industry. In Additive Manufacturing for the Aerospace Industry, F. Froes, R. Boyer, Eds., Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2019, pp. 7-31. Available online: https://www.sciencedirect. com/science/article/pii/B9780128140628000029 (accessed on 10 September 2022).

4. J. Vora, H. Parmar, R. Chaudhari, S. Khanna, M. Doshi, V. Patel, Experimental investigations on mechanical properties of multi-layered structure fabricated by GMAW-based WAAM of SS316L. J. Mater. Res. Technol. 2022, 20, 2748-2757. Available online: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2238785422013072 (accessed on 10 September 2022).

5. Z. Chen, Understanding of the Modeling Method in Additive Manufacturing. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2020, 711, 012017.

6. International Organization for Standardization. Additive manufacturing - General principles -Terminology. ISO/ASTM 52900. 2018. Available online: https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso-astm:52900:dis:ed-2:v1: en (accessed on 10 September 2022).

7. Wang, D.; Liu, L.; Deng, G.; Deng, C.; Bai, Y.; Yang,

Y.; Wu, W.; Chen, J.; Liu, Y.; Wang, Y.; et al. Recent progress on additive manufacturing of multimaterial structures with laser powder bed fusion. Virtual Phys. Prototyp. 2022, 17, 329-365.

8. Yap, C.Y.; Chua, C.K.; Dong, Z.L.; Liu, Z.H.; Zhang, D.Q.; Loh, L.E.; Sing, S.L. Review of selective laser melting: Materials and applications. Appl. Phys. Rev. 2015, 2, 041101.

9. Qiu, C.; Al Kindi, M.; Aladawi, A.S.; Al Hatmi, I. A Comprehensive Study on Microstructure and Tensile Behavior of a Selectively Laser Melted Stainless Steel. Sci. Rep. 2018, 8, 1-16.

10. Charles, A.; Elkaseer, A.; Thijs, L.; Hagenmeyer, V.; Scholz, S.G. Effect of Process Parameters on the Generated Surface Roughness of Down-Facing Surfaces in Selective Laser Melting. Appl. Sci. 2019, 9, 1256.

11. Perevoshchikova, N.; Rigaud, J.; Sha, Y.; Heilmaier, M.; Finnin, B.; Labelle, E.;Wu, X. Optimisation of Selective Laser Melting Parameters for the Ni-Based Superalloy IN-738 LC Using Doehlert's Design. Rapid Prototyp. J. 2017, 23, 881-892.

12. Zhou, Y.; Abbara, E.; Jiang, D.; Azizi, A.; Poliks, M.D.; Ning, F. High-cycle fatigue properties of curved-surface AlSi10Mg parts fabricated by powder bed fusion additive manufacturing. Rapid Prototyp. J. 2022, 28, 7.

13. Giri, N.C.; Das, M.N. Design and Analysis of Experiments; Wiley: New Delhi, India, 1986.

14. Агаповичев, А.В. Применение современных математических методов планирования и анализа экспериментов при решении задач оптимизации режимов СЛС: методические указания / А.В. Агаповичев, В.Г. Смелов, А.В. Сотов. - Самара: Самарский университет, 2016. - 26 с.

STUDY OF THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF SAMPLES PRODUCED BY THE METHOD OF SELECTIVE LASER MELTING FROM METALLIC POWDER OF HEAT-RESISTANT ALLOY VZh-159 (KhN58MBYu)

© 2023 R.R. Kyarimov, V.G. Smelov, V.P. Alekseev

Samara National Research University, Samara, Russia

This paper presents the results of determining the optimal parameters of selective laser melting (SLM) of the metal powder of the high-temperature alloy VZh-159 (KhN58MBYu). Empirically and using mathematical methods for planning and analyzing experiments to determine the effect of technological parameters of fusion on the tensile strength of the material, rational SLM modes have been established, namely, laser emission power, hatching, scanning speed. The laser power P (X1) and scanning speed v (X2) were chosen as the main variable parameters of the full-factor experimental design, and the tensile strength ctb, MPa (Y), was presented as a dependent variable on the selected factors. The mechanical properties of the samples produced by the SLM were determined, which also depended on the volumetric energy density, which is equal to the ratio of the laser power to the product of the scanning speed, hatching, and layer thickness. During the experiment, it was possible to obtain an acceptable quality indicator - mechanical properties, for a certain range of technological parameters of SLM. A study of the microstructure of the material of produced samples of the VZh-159 (KhN58MBYu) heat-resistant alloy was carried out, and chemical and granulometric analysis of the initial powder was carried out. Key words: Selective laser melting, additive manufacturing, experimental design techniques, VZh-159, chemical composition, tensile strength. DOI: 10.37313/1990-5378-2023-25-4-36-46 EDN: PHAWDH

REFERENCES

1. Kablov, E.N. Aviacionnoe materialovedenie v XXI veke. Perspektivy i zadachi / E.N. Kablov // Aviacionnye materialy. Izbrannye trudy VIAM 19322002. M.: MISIS-VIAM, 2002. - C. 23-47

2. Kablov, E.N. Tendencii i orientiry innovacionnogo razvitiya Rossii / E.N. Kablov. - M.: VIAM, 2015. - 557 s.

3. J.C. Najmon, S. Raeisi, A. Tovar, 2 - Review of additive manufacturing technologies and applications in the aerospace industry. In Additive Manufacturing for the Aerospace Industry, F. Froes, R. Boyer, Eds., Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2019, pp. 7-31. Available online: https://www.sciencedirect. com/science/article/pii/B9780128140628000029 (accessed on 10 September 2022)

4. J. Vora, H. Parmar, R. Chaudhari, S. Khanna, M. Doshi, V. Patel, Experimental investigations on mechanical properties of multi-layered structure fabricated by GMAW-based WAAM of SS316L. J. Mater. Res. Technol. 2022, 20, 2748-2757. Available online: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S2238785422013072 (accessed on 10 September 2022)

5. Z. Chen, Understanding of the Modeling Method in Additive Manufacturing. I OP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2020, 711, 012017

6. International Organization for Standardization. Additive manufacturing - General principles -Terminology. ISO/ASTM 52900. 2018. Available online: https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso-astm:52900:dis:ed-2:v1: en (accessed on 10 September 2022)

7. Wang, D.; Liu, L.; Deng, G.; Deng, C.; Bai, Y.; Yang, Y.; Wu, W.; Chen, J.; Liu, Y.; Wang, Y.; et al. Recent

progress on additive manufacturing of multimaterial structures with laser powder bed fusion. Virtual Phys. Prototyp. 2022, 17, 329-365.

8. Yap, C.Y.; Chua, C.K.; Dong, Z.L.; Liu, Z.H.; Zhang, D.Q.; Loh, L.E.; Sing, S.L. Review of selective laser melting: Materials and applications. Appl. Phys. Rev. 2015, 2, 041101.

9. Qiu, C.; Al Kindi, M.; Aladawi, A.S.; Al Hatmi, I. A Comprehensive Study on Microstructure and Tensile Behavior of a Selectively Laser Melted Stainless Steel. Sci. Rep. 2018, 8, 1-16.

10. Charles, A.; Elkaseer, A.; Thijs, L.; Hagenmeyer, V.; Scholz, S.G. Effect of Process Parameters on the Generated Surface Roughness of Down-Facing Surfaces in Selective Laser Melting. Appl. Sci. 2019, 9, 1256.

11. Perevoshchikova, N.; Rigaud, J.; Sha, Y.; Heilmaier, M.; Finnin, B.; Labelle, E.; Wu, X. Optimisation of Selective Laser Melting Parameters for the Ni-Based Superalloy IN-738 LC Using Doehlert's Design. Rapid Prototyp. J. 2017, 23, 881-892.

12. Zhou, Y.; Abbara, E.; Jiang, D.; Azizi, A.; Poliks, M.D.; Ning, F. High-cycle fatigue properties of curved-surface AlSi10Mg parts fabricated by powder bed fusion additive manufacturing. Rapid Prototyp. J. 2022, 28, 7.

13. Giri, N.C.; Das, M.N. Design and Analysis of Experiments; Wiley: New Delhi, India, 1986.

14. Agapovichev, A.V. Primenenie sovremennyh matematicheskih metodov planirovaniya i analiza eksperimentov pri reshenii zadach optimizacii rezhimov SLS: metodicheskie ukazaniya / A.V. Agapovichev, V.G. Smelov, A.V. Sotov. - Samara: Samarskij universitet, 2016. - 26 s.

Rustam Kyarimov, Postgraduate Student. E-mail: rustam9395@mail.ru

Vitaly Smelov, Ph.D., Associate Professor, Director of Institute of Engine and Power Plant Engineering. E-mail: pdla_smelov@mail.ru Vyacheslav Alekseev, Senior Lecturer. E-mail: alexeev_v.p@mail.ru