CC BY
0
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Гончаров, А.Л. Исследование структуры и распределения твердости металла при двухпроволочном электроннолучевом аддитивном формообразовании из сталей 08Г2С и 12Х18Н10Т / А.Л. Гончаров, А.В. Нехорошев, Х.М. Козырев, И.С. Чулков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение. Материаловедение. - 2024. - Т. 26, № 1. - С. 30-41. DOI: 10.15593/2224-9877/2024.1.04
Please cite this article in English as (Perm Polytech Style):
Goncharov A.L., Nekhoroshev A.V., Kozyrev Kh.M., Chulkov I.S. Investigation of the structure and uniformity of properties in two-wire electron beam additive surfacing of 08G2S and 12H18N10T steels. Bulletin of PNRPU. Mechanical engineering, materials science. 2023, vol. 26, no. 1, pp. 30-41. DOI: 10.15593/2224-9877/2024.1.04
ВЕСТНИК ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение
Т. 26, № 1, 2024 Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science
http://vestnik.pstu.ru/mm/about/inf/
Научная статья
DOI: 10.15593/2224-9877/2024.1.04 УДК 621.791.722, 004.67
А.Л. Гончаров, А.В. Нехорошев, Х.М. Козырев, И.С. Чулков
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛА ПРИ ДВУХПРОВОЛОЧНОМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОМ АДДИТИВНОМ ФОРМООБРАЗОВАНИИ ИЗ СТАЛЕЙ 08Г2С И 12Х18Н10Т
Проведено исследование стабильности формирования изделий из сплавов 08Г2С и 12Х18Н10Т, синтезированных методом двух-проволочного электронно-лучевого аддитивного формообразования в вакууме. Актуальность работы вызвана быстрым развитием данного вида производственных технологий и возможностью получения материала требуемого состава непосредственно в месте наплавки за счет применения нескольких проволок различного химического состава. Однако данный метод синтеза требует тщательной проработки технологических и энергетических параметров процесса. Рассмотрены параметры процесса наплавки, такие как режимы электронно-лучевой наплавки, режимы подачи наплавляемых проволок и позиционирование подающих мундштуков. Также произведена оценка степени влияния описанных параметров на стабильность формообразования. Разработан экспериментальный стенд для осуществления процесса синтеза, методика наплавки экспериментальных валиков и методика изготовления образцов для исследования микроструктуры. Произведен ряд экспериментальных наплавок, описаны микроструктуры полученных образцов и определены степени влияния различных параметров процесса на стабильность формирования. Установлено, что для устойчивого формирования первого валика необходимо точно подбирать соотношение скорости подачи проволоки к скорости наплавки. При наплавке последующих слоев необходимо уменьшать мощность электронного луча для предотвращения чрезмерного перегрева металла. Установлен оптимальный угол наклона подающих мундштуков относительно подложки, который составляет 45°, также для стабильного формирования последующих валиков необходимо четко регулировать подъем мундштуков между слоями. Определено, что при наплавке данным способом происходит равномерное перемешивание подаваемых материалов в зоне действия электронного луча и стабильное формообразование наплавляемого изделия, также количественная оценка содержания легирующих элементов в верхнем слое заготовки свидетельствует о полном перемешивании двух проволок.
Ключевые слова: аддитивные технологии, аддитивное формообразование, электронный луч, электронно-лучевая сварка, вакуумная наплавка, многопроволочная наплавка, электронно-лучевое аддитивное формообразование, спектрометрия, металлографический анализ, исследование микроструктуры.
A.L. Goncharov, A.V. Nekhoroshev, Kh.M. Kozyrev, I.S. Chulkov
National Research University «MPEI», Moscow, Russian Federation
INVESTIGATION OF THE STRUCTURE AND UNIFORMITY OF PROPERTIES IN TWO-WIRE ELECTRON BEAM ADDITIVE SURFACING OF 08G2S AND 12H18N10T STEELS
The article investigates the stability of the formation of products made of two alloys synthesized by the method of two-wire electron beam additive surfacing in vacuum. The relevance of the work is caused by the rapid development of this type of production technologies and the possibility of obtaining a material of the required composition directly at the surfacing site due to the use of several wires of different chemical composition. However, this synthesis method requires careful study of the technological and energy parameters of the process. Various parameters of the surfacing process are considered, such as modes of electron beam surfacing, feeding modes of deposited wires and positioning of feeding mouthpieces. The degree of influence of the described parameters on the stability of shaping is also evaluated. An experimental stand for the synthesis process, a method for surfacing experimental rollers and a method for manufacturing samples for microstructure research are described. A number of experimental surfacing was performed, the microstructures of the obtained samples were described and the degrees of influence of various process parameters on the stability of formation were determined. It is established that for the stable formation of the first roller, it is necessary to clearly select the ratio of the wire feed rate to the surfacing speed. When surfacing subsequent layers, it is necessary to reduce the power of the electron beam to prevent excessive overheating of the metal. The optimal angle of inclination of the feeding mouthpieces relative to the substrate has been established, which is 45 also, for the stable formation of subsequent rollers, it is necessary to clearly regulate the lifting of the mouthpieces between the layers. It is determined that this method of alloy synthesis is capable of evenly mixing the supplied materials in the area of the electron beam and to carry out stable shaping of the deposited product, also, a quantitative assessment of the content of alloying elements in the upper layer of the workpiece indicates complete mixing of the two wires.
Keywords: additive technologies, additive shaping, electron beam, electron beam welding, vacuum surfacing, multi-wire surfacing, electron beam additive shaping, spectrometry, metallographic analysis, microstructure research.
Введение
В последнее время происходит интенсивное изучение новых материалов и сплавов со сложными химическими составами, которые находят широкое применение для производства комплектующих современных деталей энергетического оборудования, в космическом и авиационном машиностроении [18]. Несмотря на ряд преимуществ, высокая стоимость и энергоемкость традиционного синтеза данных сплавов является сдерживающим фактором для крупномасштабного применения в промышленности. Именно поэтому вопрос поиска альтернативных методов получения деталей из данных сплавов в современной промышленности стоит очень остро.
Исследователями всего мира было выявлено, что электронно-лучевое аддитивное производство сможет решить проблему доступности подобных сплавов [9-11]. Среди основных способов аддитивного формообразования с применением электронного луча можно выделить два направления: послойное плавление в ванне порошка [12-14] и прямое послойное плавление. В последнем случае в качестве сырьевого материала используется проволока, а сам способ отличается высокой производительностью, которая примерно в 5-10 раз выше, чем при использовании порошка [15; 16].
Проволочная наплавка в сравнении с традиционными методами позволяет снизить расход дорогостоящих материалов и увеличить коэффициент использования материала. Это достигается за счет синтезирования заготовки, максимально приближенный по габаритам к необходимой детали. Стоит отметить, что увеличение коэффициента использования материала
актуально для современных сплавов со сложной системой легирования ввиду высокой энергоемкости и сложность механической обработки [17; 18].
Другим достоинством проволочной аддитивной технологии является возможность получить материал с полным отсутствием пористости [19-21]. Говоря о точности регулирования химического состава при однопроволочной наплавке, присутствует возможность испарения того или иного элемента из сплава. Одним из вариантов решения данной проблемы сможет послужить метод многопроволочной электронно-лучевой наплавки, который позволит контролировать точный объем того или иного подаваемого материала в жидкую ванну расплава [22].
При синтезе изделия с помощью электроннолучевой двухпроволочной наплавки существует проблема, заключающаяся в сложности контроля пространственного расположения двух проволок для одновременного расплавления электронным лучом вместе и образования одной общей ванны расплава. В работе [22] авторами рассматривается вопрос контроля переноса расплавленных капель наплавляемых материалов для формирования равномерного наплавленного слоя. Из опыта авторов следует, что переход от «мостового» переноса капель материалов в ванну расплава к капельному приводит к нестабильному перемешиванию наплавляемых материалов и неравномерному формированию наплавляемого слоя. В работе [23] авторами описывается проблема наплавки последующих валиков, которая заключается в необходимости контроля мощности электронного пучка для предотвращения перегрева наплавленной стенки. Также известно о необходимости контроля других
различных технологических параметров электронно-лучевой наплавки для осуществления стабильного формирования детали, таких как соотношение скорости наплавки к току электронного луча позиционирование мундштуков относительно подложки, угол наклона подающих мундштуков и т.д. [24; 25].
Целью данной работы является определение степени влияния технологических параметров электронно-лучевой двухпроволочной наплавки на структуру, свойства и однородность формирования конечного изделия.
Методика исследования, оборудование и материалы
Экспериментальный стенд (рис. 1) был сконструирован на базе электронно-лучевого комплекса ЭЛА-15 с вакуумной камерой объемом 1 м3 и неподвижной электронно-лучевой пушкой мощностью 15 кВт. В качестве подающих механизмов использовались механизмы подачи проволоки с электродвигателем коллекторного типа мощностью 120 Вт, оборудованные двумя подающими роликами для исключения возможного проскальзывания сырьевой проволоки и точного регулирования химического состава наплавляемой детали. Также были спроектированы подающие мундштуки с возможностью изменения угла наклона и позиционирования относительно электронно-лучевой пушки. Поскольку электроннолучевая пушка в данной конструкции являлась неподвижной, управление направлением наплавки осуществлялось при помощи координатного стола с тремя осями передвижения.
Методика исследования и материалы. В качестве наплавляемых материалов применялась стальная проволока марки 08Г2С и коррозионно-стойкая проволока марки 12Х18Н10Т с характеристиками, представленными в табл. 1. Наплавка производилась на коррозионно-стойкую подложку из стали марки 12Х18Н10Т. Перед наплавкой все проволоки подвергались очистке от технологических загрязнений для минимизации подмеса неметаллических включений в наплавляемую деталь.
Таблица 1
Характеристики наплавляемых материалов
Марка 08Г2С 12Х18Н10Т
Номинальный 1 1
диаметр, мм
Стандарт ГОСТ 2246-70 ГОСТ 18143-72
Содержание С - до 0,11 С - до 0,12
легирующих Мп - 1,8-2,1 Сг - 17-19
элементов, % - 0,7-1 N1 - 9-11
И - 0,8-1
Рис. 1. Экспериментальный стенд для двухпроволочной электронно-лучевой наплавки
Для получения исследуемых образцов был произведен ряд наплавок с варьированием угла наклона мундштуков, скорости подачи проволок, скорости наплавки и тока электронного луча. Также для лучшего перемешивания расплавленных металлов между собой применялась развертка электронного луча в форме кольца и линии с частотой 15 и 25 Гц.
Первая наплавка производилась по схеме, изображенной на рис. 2, а. Сварочные проволоки подавались в головную и хвостовую часть сварочной ванны расплава, где производилось их перемешивание. Угол наклона мундштуков относительно подложки был выставлен под 60°. Скорость подачи проволок - 10 мм/с, скорость наплавки -100 мм/мин, ток электронного луча - 20 мА. При помощи развертки лучу была придана форма кольца диаметром 8 мм с частотой колебания 25 Гц.
Вторая наплавка производилась с уменьшением угла наклона мундштуков относительно подложки до 45°, также мундштук, направленный в начало сварочной ванны, был приподнят на 1,52 мм относительно другого (рис. 2, б). Была произведена корректировка режимов наплавки: скорость подачи проволоки - 8 мм/с, скорость наплавки -125 мм/мин, ток электронного луча - 15 мА. Форма развертки - кольцо диаметром 5 мм с частотой колебания 15 Гц.
Третья наплавка производилась по схеме, изображённой на рис. 2, в. Режимы остались прежними со второй наплавке. Форма развертки - линия длиной 5 мм и частотой колебания 30 Гц. В данном эксперименте была произведена апробация наплавки последующих слоев друг на друга для формирования стенки из валиков смешанных металлов.
Для проведения металлографического и спектрального анализа, полученные образцы нарезали на отрезном станке и запрессовали в металлографическом прессе БиеЫег ЗтрИМй 1000. После запрессовки полученные заготовки подвергали шлифовке
на наждачной бумаге разной степени зернистости от Р80 до Р1000 и полировке. Для получения микрошлифа полированные образцы подвергали травлению реактивом Beraha II. Для получения высокоточного изображения и анализа получившейся структуры использовали оптический микроскоп Zeiss Observer Z1m. Съемку изображения проводили при увеличении Х50 с применением панорамного соединения нескольких кадров. Для проведения спектрального анализа применяли лазерный атомно-эмиссионный спектрометр LAES matrix spectrometer.
Результаты исследования
Экспериментальная наплавка № 1. Первую наплавку производили по траектории в форме прямоугольника. Установлено, что ток луча в 20 мА избыточен, вследствие чего происходит сильное оплавление подложки. Также это вызывало разбрызгивание некоторых капель наплавляемого материала (рис. 3, а). В результате значительного подмешивания металла подложки в наплавляемый валик его структура представляет собой мартенсит и аустенит (рис. 3, б, в, д).
г д е
Рис. 3. Металлографическое исследование наплавки № 1
а б в
Рис. 4. Металлографическое исследование наплавки № 1 в обратном направлении
Под действием сварочного термического цикла в ЗТВ отмечается измельчение аустенитного зерна. 5-феррит, находящийся в зоне ЗТВ, образует подобие сетки по границам зерен (рис. 3, д), в то время как в основном металле 5-феррит имеет большие размеры и ориентирован вдоль направления прокатки (рис. 3, д). Подобные изменения наблюдаются во всех образцах, вследствие чего в дальнейшем они рассматриваться не будут.
При подаче нержавеющей стали в конец сварочной ванны линия сплавления четко выражена (рис. 3, б). В наплавленных слоях формируется яче-исто-дендритная структура. Площадь проплавления подложки составила 10,2 мм2, общая площадь валика - 16,23 мм2. Степень проплавления подожки -62,8 %. Исходя из диаграммы Шеффлера, в наплавленном металле должна формироваться и формируется аустенитно-мартенситная структура, что соотносится с полученными результатами. В нижней части наплавленного металла отмечается большее количество первичного аустенита (рис. 3, д, е). При движении к верхней части валика количество первичного аустенита уменьшается, и непосредственно в вершине аустенит преимущественно представлен непревращеным остаточным аустенитом (рис. 4, а), что связано с уменьшением степени влияния металла подложки. Также отмечается формирование слоя аустенита в средней части валика (рис. 4, б). Образование описываемой аустенитной прослойки может быть связано с термическим циклом и особенностями перемешивания расплавленного металла.
Несмотря на некоторое отличие в структуре нижнего и верхнего слоев, твердость этих слоев отличается незначительно. Так, нижнему слою соответствуют значения порядка 160 ИУ5, в то время как верхнему 165 ИУ5. Средняя твердость наплавленного слоя составляет 163 ИУ5.
При подаче нержавеющей проволоки в начало сварочной ванны (см. рис. 3, в) площадь проплавления подложки составляет 15,47 мм2, а общая площадь валика - 20,97 мм2. Степень проплавления подожки порядка - 73,7 %. По диаграмме Шеффлера структура также представляет аустенит и мартенсит.
Причем, в отличие от предыдущего валика, в структуре отмечается большее количество аустенита.
Перемешивание металла в валике неравномерное. В левой части валика отмечено большее количество аустенита (см. рис. 3, в), а в правой части отмечается большое количество закалочных структур (см. рис. 4, в). Однако твёрдость в этом образце также оказывается достаточно равномерной и в среднем составляет 163 ИУ5. Дефектов типа пор и трещин не наблюдается, за исключением подреза ввиду наплавки с избыточным током.
Экспериментальная наплавка № 2. Проанализировав результаты наплавки № 1 и скорректировав режим, выполнили наплавку № 2. В последующей наплавке были проанализированы результаты из предыдущей и соответственно с этим произведена корректировка режимов. Мундштуки были установлены под 45°, однако мундштук с нержавеющей проволокой был приподнят на 3-5 мм (см. рис. 2, б), в результате чего при движении вперед нержавеющая проволока подавалась в конец сварочной ванны, а при движении в обратном направлении прямоугольника - в начало сварочной ванны.
Во время подачи нержавеющей проволоки в конец сварочной ванны (рис. 5, в) площадь проплавления подложки составила порядка 3,7 мм2, общая площадь валика 8,98 мм2. Степень проплавления подожки - 41,2 %. По диаграмме Шеффлера должна наблюдаться мартенситная структура. Структура валика - ячеисто-дендритная (рис. 5, г). Мартенсит в нижней части валика, около линии сплавления, отличается повышенной травимо-стью, что может быть объяснено отпуском закалочных структур под действием сварочного цикла, а также отличием химического состав ввиду большего подмешивания металла подложки.
Перемешивание - без видимых различий в структуре, что подтверждается равномерным распределением твердости по сечению валика. Среднее значение твердости составляет 366 ИУ5, что выше, чем в предыдущих образцах. Таким образом, при уменьшении проплавления подложки отмечается большее количество закалочных структур.
В наплавленном металле отмечалось наличие остаточного аустенита, а также первичного аусте-нита в нижней части валика (рис. 5, д). Наличие первичного аустенита связано с большей долей участия материала подложки, а также с ликвацией никеля к границам кристаллитов, что приводит к стабилизации аустенита.
При движении в обратном направлении наплавки, когда нержавеющая проволока подавалась в начало сварочной ванны (рис. 6, а), площадь проплавления подложки составила порядка 3,14 мм2, общая площадь валика 7,2 мм2. Степень проплавления подожки порядка 43,6 %. Как и прежде, по диаграмме Шеффлера предполагается образование мартенситной структуры.
Перемешивание - без видимых различий в структуре. Основной структурой являются
закалочные структуры. При этом по строению и количеству остаточного аустенита структура схожа как в нижней части шва (рис. 6, б), так и в середине (рис. 6, в) и в вершине (рис. 6, г). Однако, несмотря на общую однородность структуры, в нижней части отмечена локальная аустенитная зона (рис. 6, а, б). Образование данной зоны, по-видимому, связано с условиями переноса и кристаллизации в нижней части формируемого валика. Ввиду протекания мартенситного превращения отмечается наличие остаточного аустенита (рис. 6, г).
Твердость в средних и верхних слоях однородна и составляет примерно 334 ИУ5. В нижнем слое в области локальной аустенитной зоны, несмотря на сходство структуры, твердость составляет 255 ИУ5. Меньшее значение твердости связано с большей долей участия металла подложки.
«.•г»"' v. -.4 1 1 .>■•. t lij»■• far4' TW ¡¡ШШ^.... ,
•¡J em sA-
'J'1*'—"V
Область з стабильного формирования*
E 9
* ---------
is*
? v»' '„
* -J* Wt ~ ' _
б
Рис. 5. Металлографическое исследование наплавки № 2
--
а б в
Рис. 6. Металлографическое исследование наплавки № 2 в обратном направлении
а
г
в г д
в г д
Рис. 7. Металлографическое исследование многослойной наплавки № 2
При наплавлении вторых валиков (рис. 7, а) площадь проплавления подложки составила порядка 4,5 мм2. Перемешивание в первом валике неоднородно. На линии сплавления первого и второго валика отмечается образование аустенитной зоны, а также зоны повышенной травимости возле нее (рис. 7, б). По всей видимости, зона повышенной травимости соответствует металлу, состав которого ближе к проволоке 08Г2С. Первый валик характеризуется присутствием первичного аустенита (рис. 7, в) и различием в травимости в верхней и нижней части. Различия в травимости, а также наличие различных зон в первом валике свидетельствуют о неоднородности химического состава, связанного с процессами перемешивания расплавленного металла.
В середине второго валика отмечалось большое количество остаточного аустенита (рис. 7, г). В то же время в верхней части количество остаточного аустенита уменьшается (рис. 7, д). Также можно отметить меньшую травимость данного образца. При больших увеличениях во втором валике можно отметить светлые и более темные зоны. Отмечается, что темные зоны имеют пластинчатое строение. Можно предположить, что в условиях термического цикла наплавки произошло образование мартенсита и квазиэвтектоидных смесей. Твердость второго валика стабильна и составляет 331 ИУ5. Твердость же нижнего слоя меньше и находится на уровне 220 ИУ5.
Экспериментальная наплавка № 3. В последующем эксперименте проводилась корректировка скорости подачи проволоки. Также был изменен тип развертки луча на прямую, с частотами 10 и 30 Гц. Первую группу валиков наплавляли друг на друга с частотой развертки 10 Гц и током фокусировки 740 мА. Первоначальный валик наплавлялся на высотке мундштуков от подложки в 2,5 мм. Опытным путем было установлено, что данная высота оптимальная для данного расположения мундштуков. Высота первого валика при данном режиме составляла порядка 0,5-0,6 мм, для наплавки последующих стол опускался на эту же высоту. Во второй группе наплавки увеличили частоту развертки до 30 Гц и изменили фокус луча до 730 мА.
После травления продольного шлифа четко выявляется наличие четырех зон разной травимо-сти. По всей видимости, нижняя зона относится к первому валику (рис. 8, б). Две следующие - ко второму валику, и наиболее широкая - к верхнему (третьему) валику. Структура во всех валиках представлена закалочными структурами и аустенитом. При этом, как и в предыдущих образцах, в первом валике отмечается большее количество первичного аустенита. Говоря о темном слое (верхнем) во втором валике (рис. 8, б), можно предположить, что повышенная травимость связана с образованием структур распада мартенсита, обладающих большей травимостью, под действием термического цикла при наплавке третьего валика.
б в Рис. 8. Металлографическое исследование наплавки № 3
Результаты спектрометрии
Таблица 2
Место анализа Al, % Cr, % Mn, % Ni, % Si, % Ti, % V, %
Третий валик 0,058 9,542 0,329 3,900 0,229 0,074 0,023
Второй валик 0,047 10,131 0,287 5,946 0,397 0,071 0,012
Первый валик 0,042 13,374 0,566 6,917 0,110 0,087 0,026
Подложка 0,054 19,332 0,785 8,085 0,012 0,097 0,039
При рассмотрении того же образца в поперечном направлении (рис. 8, в) можно отметить формирование участка с меньшей травимостью в вершине. По всей видимости, вследствие нарушения подачи перлитной проволоки, участок преимущественно был сформирован аустенитной проволокой. Твердость в данной области составляет 189 HV5, в то время как средняя твердость оставшихся участков стабильна и составляет 329 HV5. На втором образце также отмечается различная травимость (рис. 8, г). При этом верхний валик имеет наименьшую трави-мость, однако, в отличие от предыдущего образца, структура представлена закалочными структурами. Наличие закалочных структур подтверждается твердостью. В данном образце твердость равномерно распределена по всему поперечному сечению и составляет 358 HV5.
На образце, изображенном на рис. 8, б, было произведено измерение химического состава в четырех местах: в подложке, в первом, втором и третьем валике. Данные представлены в табл. 2. В каждом новом валике содержание легирующих элементов изменяется. Содержание легирующих
элементов изменяется от валика к валику. Стоит уточнить, что для оценки перемешивания использовались такие легирующие элементы, как хром и никель, которые содержатся лишь в одной марке. Наибольшее содержание хрома и никеля отмечается в первом валике, что подтверждается наличием в микроструктуре первичного аустенита. В верхнем же шве содержание хрома и никеля снижается практически в два раза. Это соотносится с тем, что проволоки подаются с одинаковыми скоростями. Также, исходя из уменьшения содержания элементов в два раза, можно говорить об исключении участия подложки в формировании верхнего валика.
Обсуждение результатов
Во время первичной наплавки было установлено, что ток луча 20 мА слишком велик и вызывает разбрызгивание наплавляемого материала (см. рис. 3, а). Данный эксперимент показал, что позиционирование мундштуков с углом более 45° нежелательно, поскольку для оплавления проволок и попадания их в ванну расплава потребуется вылет проволок из мундштуков на расстояние
а
г
порядка 5 мм, что затруднит попадание луча в обе проволоки из-за ее изгиба. При увеличении амплитуды развертки возможно оплавление мундштуков.
В результате второй наплавки выявлено, что подобное расположение мундштуков привело к тому, что при наплавке на утопленный в ванну расплава мундштук образовывались наплывы металла с второго, как видно из рис. 5, а. Однако при движении в обратном направлении наблюдалась область стабильного формирования валика и полного перемешивания наплавляемых материалов. Наплавление вторых валиков происходило волнообразно (см. рис. 5, б). Связано это с тем, что изменялась высота мундштуков относительно подложки, чтобы предотвратить попадание мундштука в первый валик. Выбранная высота была слишком большой, что повлекло за собой неравномерный перенос капель расплавленных металлов в сварочную ванну. Благодаря этому опыту стал известен еще один немаловажный параметр наплавки, такой как высота мундштуков до подложки или предыдущего валика.
При многослойной наплавке было принято решение расфокусировать пучок, что повлекло за собой образование большого количества мелких капель металла на подающем мундштуке, что в конечном счете привело к обрыву данного нароста в ванну расплава при последующих наплавках валиков (см. рис. 8, а). Однако при сфокусированном пучке первые два послойных валика наплавлялись равномерно, и металлы проволок перемешивались стабильно; при наплавке последующих стенка наращивалась волнообразно. Из этого опыта следует, что для выравнивания последующих валиков необходимо уменьшать ток луча для предотвращения чрезмерного перегрева металла, поскольку второй и последующие слои наплавляются на подогретый предыдущими проходами металл, в связи с чем снижается скорость теплоотвода от жидкой ванны через нижние слои и подложку. Чрезмерное тепловло-жение приводит в первую очередь к увеличению температуры жидкой ванны и, как следствие, к снижению поверхностного натяжения и растеканию жидкого металла с увеличением ширины наплавляемого слоя. Также для стабильного формирования последующих валиков необходимо четко регулировать подъем мундштуков между слоями, поскольку стабильность процесса наплавки слоев снижается при переходе от непрерывного режима переноса металла проволоки в жидкую ванну к капельному режиму. Необходимо произвести серию наплавок с теми же режимами, но с более высокой скоростью сварки, поскольку, как было видно из процесса, расплавляемому металлу нет места на стенках валиков, в результате чего образуются наплывы.
На подобранных режимах перемешивание стабильно, что подтверждается структурой слоев и распределением твердости. Однако в нижних слоях может наблюдаться химическая неоднородность, обусловленная гидродинамическими процессами переноса и значительным влиянием материала подложки. отмечается образование зон, близких по составу как к аустенитной, так и к перлитной проволоке.
Заключение
Разработана методика проведения двухпрово-лочной электронно-лучевой аддитивной наплавки методом in situ. Экспериментально подтверждено, что данный способ синтеза сплавов способен перемешивать подаваемые материалы в зоне действия электронного луча и осуществлять равномерное формообразование наплавляемого изделия.
Определено, что оптимальный угол наклона подающих мундштуков относительно подложки составляет не более 45°. Для устойчивого формирования первого валика необходимо точно подбирать соотношение скорости подачи проволоки к скорости наплавки. При наплавке последующих слоев необходимо уменьшать мощность электронного луча.
При коррекции режима структура наплавленного металла соответствует закалочным структурам. В некоторых случаях отмечается образование эвтектоидных смесей под действием термического цикла наплавки. Начиная с третьего слоя, по результатам химического анализа можно говорить о формировании металла наплавки только за счет материалов двух проволок без подмешивания материала подложки. Количественная оценка содержания легирующих элементов в верхнем слое свидетельствует о равном участии обеих проволок в наплавке.
Библиографический список
1. Microstructure and properties of Ti-6Al-4V articles 3D-printed with co-axial electron beam and wire technology / D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, D. Savvakin, O. Dekht-yar, O. Stasiuk, P. Markovsky // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2021. - Vol. 30. - P. 1-16. DOI: 10.1007/s11665-021-05770-9
2. Kovalchuk, D. Microstructure and properties of 3D Ti-6Al-4V articles produced with advanced co-axial electron beam & wire additive manufacturing technology / D. Kovalchuk, O. Ivasishin, D. Savvakin // MATEC Web Conf. - 2020. - Vol. 321. - P. 03014. DOI: 10.1051/matecconf/202032103014
3. Study on the NiTi shape memory alloys in-situ synthesized by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing / Ze Pu, Dong Du, Kaiming Wang, Guan Liu, Dongqi Zhang, Haoyu Zhang, Rui Xi, Xiebin Wang, Baohua Chang // Additive Manufacturing. - 2022. - Vol. 56. - P. 102886. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102886
4. Технологические возможности комбинированных и аддитивных процессов в формообразовании
проточных поверхностей гидрооборудования / А.В. Ку-зовкин, А.П. Суворов, Г.А. Сухочев, А.О. Родионов // Насосы. Турбины. Системы. - 2014. - № 1(10). -С. 53-59. - EDN SCRXRH.
5. Формообразование стальных заготовок методом аддитивной наплавки сварочной проволокой / А. А. Куликов, Ю.В. Небышинец, А.В. Сидорова, А.Е. Баланов-ский // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сборник статей XIV Международной научно-технической конференции, Иркутск, 21-26 сентября 2020 года. - Иркутск: Иркутский национальный исследовательский технический университет, 2020. - С. 78-98. - EDN QYQPRF.
6. Применение прямого лазерного сплавления металлических порошков из жаропрочных сплавов в двига-телестроении / А.В. Балякин, Д. Л. Скуратов, А.И. Хаймо-вич, М.А. Олейник // Вестник Московского авиационного института. - 2021. - Т. 28, № 3. - С. 202-217. DOI: 10.34759/vst-2021-2-202-217. - EDN WYLNSB.
7. Тилинин М.В. Аддитивные технологии в отечественном авиастроении: текущие позиции и направления развития / М.В. Тилинин, Б.М. Прибытков // Молодой ученый. - 2019. - № 47(285). - С. 133-138. - EDN OBMQQZ.
8. Zhang, Li. Preparation method for metallographic specimen of iron-carbon and silicon-aluminium alloy / Zhang Li, Wu Chaohua // Journal of Physics: Conference Series. -2022. - Vol. 2338. - P. 012047. DOI: 10.1088/17426596/2338/1/012047
9. Перевертов, В.П. Технологические возможности концентрированных потоков энергии для формообразования деталей машиностроения / В. П. Перевертов, И.К. Андрончев, М.В. Иванкова // Надежность и качество сложных систем. - 2020. - № 1(29). - С. 76-83. - DOI 10.21685/2307-4205-2020-1-9. - EDN WZFDLA.
10. Microstructure evolution and shape memory function mechanism of NiTi alloy by electron beam 4D printing / Guoqing Chen, Yaorui Ma, Xinyan Teng, Junpeng Liu, Bing-gang Zhang, Jian Cao, Yongxian Huang // Applied Materials Today. - 2023. - Vol. 31. - P. 101749. DOI: 10.1016/j.apmt.2023.101749.
11. Ormanova, M. Synthesis and characterization of Ti-Ta-shape memory surface alloys formed by the electron-beam additive technique / M. Ormanova, D. Dechev, N. Ivanov, G. Mihai, M. Gospodinov, S. Valkov, M. Enachescu // Coatings. -2022. - Vol. 12. - P. 678. DOI: 10.3390/coatings12050678.
12. Митрянин, А. В. Построение образцов из титана аддитивными технологиями порошкового сплавления / А.В. Митрянин // Актуальные проблемы ракетно-космической техники (VII Козловские чтения): материалы VII Всероссийской научно-технической конференции, Самара, 31 августа 2021 года. - Самара: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Самарский федеральный исследовательский центр Российской академии наук, 2021. - С. 343-355. - EDN WQZKUK.
13. Какорин, Д. Д. Способы послойного синтеза металлических изделий / Д. Д. Какорин, А.Ю. Лаврентьев // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Технические науки. - 2021. - № 3(11). - С. 2433. DOI: 10.46573/2658-5030-2021-24-33. - EDN JQOPFA.
14. Амосов, А.П. Применение процессов свс для получения in situ алюмоматричных композиционных
материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана. Обзор / А.П. Амосов,
A.Р. Луц, Е.И. Латухин, А.А. Ермошкин // Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya. - 2016. - Vol. 1. - P. 39-49. DOI: 10.17073/0021-3438-2016-1-39-49
15. Dutkiewicz, J. Microstructure, mechanical properties, and martensitic transformation in NiTi shape memory alloy fabricated using electron beam additive manufacturing technique / J. Dutkiewicz, L. Rogal, D. Kalita, J. Kawalko, M. Weglowski, K. Kwiecinski, P. Sliwinski, H. Danielewski,
B. Antoszewski, E. Cesari // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2021. - Vol. 31. DOI: 10.1007/s11665-021-06241-x
16. Осколков, А.А. Передовые технологии аддитивного производства металлических изделий / А.А. Осколков, Е.В. Матвеев, И.И. Безукладников, Д.Н. Трушников, Е.Л. Кротова // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. - 2018. - Т. 20, № 3. DOI: 10.15593/22249877/2018.3.11
17. Hassan, Mohd Roshdi. Review of the machining difficulties of nickel-titanium based shape memory alloys / Hassan Mohd Roshdi, Mehrpouya Mehrshad, Dawood Sarmad // Applied Mechanics and Materials. - 2014. - Vol. 564. - P. 533-537. DOI: 10.4028/www. scientific .net/AMM.564.533.
18. Mehrpouya, Mehrshad. Modeling of machining process of nickel-titanium based shape memory alloy. - Munich: GRIN, 2013.
19. Многослойная электронно-лучевая наплавка проволочным материалом / С.В. Варушкин, Д.Н. Трушников, Е.С. Саломатова [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2019. -Т. 21, № 4. - С. 89-94. - DOI: 10.15593/22249877/2019.4.11. - EDN MLCMUC.
20. Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала / Г.Л. Пермяков, Р.П. Давлятшин,
B.Я. Беленький [и др.] // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2022. - Т. 24, № 3. -
C. 6-21. DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-6-21. - EDN TELBPY.
21. Li, Zixiang. Effect of twin-wire feeding methods on the in-situ synthesis of electron beam fabricated Ti-Al-Nb in-termetallics / Li Zixiang, Chang B., Cui Yinan, Haoyu Zhang, Liang Zhiyue, Liu Changmeng, Wang Li, du Dong, Shuhe Chang // Materials & Design. - 2022. - Vol. 215. - P. 110509. DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110509
22. Pu Ze. Control of droplet transfer during in-situ synthesis of NiTi alloys by dual-wire electron beam additive manufacturing / Pu Ze, Chang B. // Journal of Physics: Conference Series. - 2022. - Vol. 2369. - P. 012011. DOI: 10.1088/1742-6596/2369/1/012011
23. Гуденко, А.В. Формообразование изделий сложной геометрии методом электронно-лучевой наплавки / А.В. Гуденко, А.П. Слива // Электронно-лучевая сварка и смежные технологии: сборник материалов и докладов Второй международной конференции, Москва, 14-17 ноября 2017 года. - М.: Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2017. - С. 266-281. - EDN YWCOOT.
24. Гуденко, А.В. Повышение стабильности электронно-лучевого аддитивного формообразования тонко-
стенных изделий из титановых сплавов / А.В. Гуденко, А.П. Слива, Д.В. Шишкин, Г.С. Рагозин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2022. - Т. 24. - № 3. - С. 80-91. - DOI: 10.15593/2224-9877/2022.3.10. - EDN ALDPSD.
25. Gudenko, A.V. Influence of the beam oscillation parameters on the porosity of electron beam freeform fabricated titanium alloy SPT-2 / A.V. Gudenko, A.P. Sliva, D.V. Shish-kin // Journal of Physics: Conference Series : 10, St. Petersburg, 20-22 сентября 2021 года. - St. Petersburg, 2021. -P. 012005. DOI: 10.1088/1742-6596/2077/1/012005
References
1. Kovalchuk D., Melnyk V., Melnyk I., Savvakin D., Dekhtyar O., Stasiuk O., Markovsky P. Micro structure and Properties of Ti-6Al-4V Articles 3D-Printed with Co-axial Electron Beam and Wire Technology. Journal of Materials Engineering and Рег^гтапееб 2021, no. 30, pp. 1-16. 10.1007/s11665-021-05770-9.
2. Kovalchuk D. Microstructure and Properties of 3D Ti-6Al-4V Articles Produced with Advanced Co-axial Electron Beam. Wire Additive Manufacturing Technology. MATEC Web Conf, 2020, 321, 03014. DOI: 10.1051/matec-conf/202032103014.
3. Ze Pu, Dong Du, Kaiming Wang, Guan Liu, Dongqi Zhang, Haoyu Zhang, Rui Xi, Xiebin Wang, Baohua Chang. Study on the NiTi shape memory alloys in-situ synthesized by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing. Additive Manufacturing, 2022, vol. 56, 102886, iss. 2214-8604. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102886.
4. Kuzovkin A.V., Suvorov A.P., Sukhochev G.A., Rodionov A.O. Tekhnologicheskie vozmozhnosti kom-binirovannykh i additivnykh protsessov v formoobrazovanii protochnykh poverkhnostei gidrooborudovaniia [Technological possibilities of combined and additive processes in forming of flow-through surfaces of hydraulic equipment]. Nasosy. Turbiny. Sistemy, 2014, no. 1(10), pp. 53-59.
5. Kulikov A.A., Nebyshinets Iu.V., Sidorova A.V., Balanovskii A.E. Formoobrazovanie stal'nykh zagotovok metodom additivnoi naplavki svarochnoi provolokoi [Forming of steel workpieces by additive welding wire cladding method]. Aviamashinostroenie i transport Sibiri: Sbornik statei XIV Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, Irkutsk, 21-26 sentiabria 2020 goda. Irkutsk: Irkutskii natsional'nyi is-sledovatel'skii tekhnicheskii universitet, 2020, pp. 78-98.
6. Baliakin A.V., Skuratov D.L., Khaimovich A.I., Ole-inik M.A. Primenenie priamogo lazernogo splavleniia metallich-eskikh poroshkov iz zharoprochnykh splavov v dvigatelestroenii [Application of direct laser fusion of metal powders from heat-resistant alloys in engine construction]. 2021, vol. 28, no. 3, pp. 202-217. DOI 10.34759/vst-2021-2-202-217. - EDN WYLNSB.
7. Tilinin M.V., Pribytkov B.M. Additivnye techno-logii v otechestvennom aviastroenii: tekushchie pozitsii i napravleniia razvitiia [Additive Technologies in Domestic Aircraft Manufacturing: Current Positions and Development Directions]. Molodoi uchenyi, 2019, no. 47(285, pp. 133-138.
8. Zhang Li, Wu Chaohua. Preparation Method for Metallographic Specimen of Iron-Carbon and Silicon-aluminium Alloy. Journal of Physics: Conference Series, 2022, iss. 2338. 012047. 10.1088/1742-6596/2338/1/012047.
9. Perevertov V.P., Andronchev I.K., Ivankova M.V. Tekhnologicheskie vozmozhnosti kontsentrirovannykh potokov energii dlia formoobrazovaniia detalei mashi-nostroeniia [Technological possibilities of concentrated energy flows for forming machine-building parts]. Nadezhnost' i kachestvo slozhnykh system, 2020, no. 1(29), pp. 76-83. -DOI 10.21685/2307-4205-2020-1-9.
10. Guoqing Chen, Yaorui Ma, Xinyan Teng, Junpeng Liu, Binggang Zhang, Jian Cao, Yongxian Huang, Microstructure evolution and shape memory function mechanism of NiTi alloy by electron beam 4D printing. Applied Materials Today, 2023, vol. 31, 101749, ISSN 2352-9407. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.101749.
11. Ormanova M., Dechev D., Ivanov N., Mihai G., Gospodinov M., Valkov S., Enachescu M. Synthesis and Characterization of Ti-Ta-Shape Memory Surface Alloys Formed by the Electron-Beam Additive Technique. Coatings, 2022, iss. 12. 678. 10.3390/coatings12050678.
12. Mitrianin A.V. Postroenie obraztsov iz titana addi-tivnymi tekhnologiiami poroshkovogo splavleniia [Construction of titanium samples by additive powder alloying techniques]. Aktual'nye problemy raketno-kosmicheskoi tekhniki (VII Kozlovskie chteniia): materialy VII Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, Samara, 31 avgusta 2021 goda. Samara: Federal'noe gosudarstvennoe biu-dzhetnoe uchrezhdenie nauki Samarskii federal'nyi issle-dovatel'skii tsentr Rossiiskoi akademii nauk, 2021, pp. 343-355.
13. Kakorin D.D., Lavrent'ev A.Iu. Sposoby posloinogo sinteza metallicheskikh izdelii [Methods of layer-by-layer synthesis of metal products]. Vestnik Tverskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Tekhnicheskie nauki, 2021, no. 3(11), pp. 24-33. DOI 10.46573/2658-50302021-24-33. - EDN JQOPFA.
14. Amosov A.P., Luts A.R., Latukhin E.I., Ermosh-kin A.A. Primenenie protsessov svs dlia polucheniia in situ aliumomatrichnykh kompozitsionnykh materialov, diskretno armirovannykh nanorazmernymi chastitsami karbida titana. Obzor [Application of Svc processes to obtain in situ alumina matrix composites discretely reinforced with nanoscale titanium carbide particles. Review]. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya, 2016, no. (1), pp. 39-49. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-1-39-49.
15. Dutkiewicz J., Rogal L., Kalita Da., Kawalko J., Weglowski M., Kwiecinski K., Sliwinski P., Danielewski H., Antoszewski B., Cesari E. Microstructure, Mechanical Properties, and Martensitic Transformation in NiTi Shape Memory Alloy Fabricated Using Electron Beam Additive Manufacturing Technique. Journal of Materials Engineering and Performance, 2021, no. 31. 10.1007/s11665-021 -06241 -x.
16. Oskolkov A.A., Matveev E.V., Bezukladnikov I.I., Trushnikov D.N., Krotova E.L. Peredovye tekhnologii addi-tivnogo proizvodstva metallicheskikh izdelii [Advanced technologies for additive manufacturing of me-tallic products]. Vestnik PNIPU. Mashinostroenie, materialovedenie, 2018, DOI: 10.15593/2224-9877/2018.3.11.
17. Hassan M.R., Mehrpouya M., Dawood S. Review of the Machining Difficulties of Nickel-Titanium Based Shape Memory Alloys. Applied Mechanics and Materials, 2014, iss. 564, pp. 533-537. 10.4028/www.scientific.net/ AMM.564.533.
18. Mehrpouya M. Modeling of machining process of nickel-titanium based shape memory alloy, 2013.
19. Varushkin S.V., Trushnikov D.N., Salomatova E.S. et al. Mnogosloinaia elektronno-luchevaia naplavka provo-lochnym materialom [Multilayer electron beam cladding with wire material]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issle-dovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashi-nostroenie, materialovedenie, 2019, vol. 21, no. 4, pp. 89-94. DOI 10.15593/2224-9877/2019.4.11.
20. Permiakov G.L., Davliatshin R.P., Belen'kii V.Ia et al. Chislennyi analiz protsessa elektronno-luchevoi additivnoi naplavki s vertikal'noi podachei provolochnogo materiala [Numerical analysis of electron-beam additive surfacing process with vertical wire feeding]. Obrabotka metallov (tekhnologiia, oborudovanie, instrumenty), 2022, vol. 24, no. 3, pp. 6-21. DOI 10.17212/1994-6309-2022-24.3-6-21.
21. Li Z., Chang B., Cui Y., Haoyu Zh., Liang Zh., Liu Ch. et al. Effect of twin-wire feeding methods on the in-situ synthesis of electron beam fabricated Ti-Al-Nb intermetallics. Materials and Design, 2015, iss. 215. 110509. 10.1016/j.matdes.2022.110509.
22. Pu Z., Chang B. Control of droplet transfer during in-situ synthesis of NiTi alloys by dual-wire electron beam additive manufacturing. Journal of Physics: Conference Series, 2022, no. 2369. 012011. 10.1088/1742-6596/2369/1/012011.
23. Gudenko A.V., Sliva A.P. Formoobrazovanie izdelii slozhnoi geometrii metodom elektronno-luchevoi naplavki [Shaping of complex geometry products by electron-beam cladding method]. Elektronno-luchevaia svarka i smezhnye tekhnologii: Sbornik materialov i dokladov Vtoroi mezhdunarodnoi konferentsii, Moskva, 14-17 noiabria 2017 goda. Moskva: Natsional'nyi issledovatel'skii universitet "MEI", 2017, pp. 266-281.
24. Gudenko A.V., Sliva A.P., Shishkin D.V., Ragozin G.S. Povyshenie stabil'nosti elektronno-luchevogo additivnogo formoobrazovaniia tonkostennykh izdelii iz titanovykh splavov [Increasing stability of electron-beam additive molding of thin-walled products from titanium alloys]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universi-teta. Mashinostroenie, materialovedenie, 2022, vol. 24, no. 3, pp. 80-91. DOI 10.15593/2224-9877/2022.3.10.
25. Gudenko A.V., Sliva A.P., Shishkin D.V. Influence of the beam oscillation parameters on the porosity of electron beam freeform fabricated titanium alloy SPT-2. Journal of Physics: Conference Series, 2021, pp. 012005. DOI 10.1088/1742-6596/2077/1/012005.
Поступила: 19.12.2023
Одобрена: 12.01.2024
Принята к публикации: 15.02.2024
Об авторах
Гончаров Алексей Леонидович (Москва, Российская Федерация) - кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Технологии металлов» (Российская Федерация, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, e-mail: GoncharovAL@mpei.ru).
Нехорошев Александр Владимирович (Москва, Российская Федерация) - инженер кафедры «Технологии металлов» (Российская Федерация, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, e-mail: NekhorochevAV@mpei.ru).
Козырев Харитон Максимович (Москва, Российская Федерация) - техник кафедры «Технологии металлов» (Российская Федерация, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, e-mail: KozyrevKM@mpei.ru).
Чулков Иван Сергеевич (Москва, Российская Федерация) - ассистент кафедры «Технологии металлов» (Российская Федерация, 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, e-mail: ChulkovIS@mpei.ru).
About the authors
Alexey L. Goncharov (Moscow, Russian Federation) -Ph.D. in Technical Sciences, Head of the Technical Department "Material technologies" (14, Krasnokazarmennaya str., Moscow, 111250, Russian Federation, e-mail: Goncha-rovAL@mpei.ru).
Alexander V. Nekhoroshev (Moscow, Russian Federation) - engineer of the Technical Department "Material technologies" (14, Krasnokazarmennaya str., Moscow, 111250, Russian Federation, e-mail: NekhoroshevAV@mpei.ru).
Khariton M. Kozyrev (Moscow, Russian Federation) -technician of the Technical Department "Material technologies" (14, Krasnokazarmennaya str., Moscow, 111250, Russian Federation, e-mail: KozyrevKM@mpei.ru).
Ivan S. Chulkov (Moscow, Russian Federation) - assistant of the Technical Department "Material technologies" (14, Krasnokazarmennaya str., Moscow, 111250, Russian Federation, e-mail: ChulkovIS@mpei.ru).
Финансирование. Работа выполнена в рамках проекта «Специализированная наплавочная головка для электронно-лучевого аддитивного формообразования» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2022-2024 гг.».
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов равноценен.
