CC BY
40
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 621.791.92.669.245
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ ПОРОШКА СТАЛИ 3161 НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ
И.С. Логинова1, аспирант (e-mail: i-popkova@list.ru), Д.П. Быковский2, аспирант, S.B. Adisa1, А.Н. Солонин1, канд. техн. наук, В.Д. Миронов2, канд. физ.-мат. наук, В.Н. Петровский2, канд. физ.-мат. наук, В.В. Чеверикин1, канд. техн. наук
Для лазерной наплавки экспериментальных образцов (прямое лазерное нанесение материала - аддитивный метод лазерной обработки, позволяющий послойно изготавливать металлические детали по заданной компьютерной модели в одном технологическом цикле) использовали порошок стали марки 316L. Предложены две стратегии послойного формирования изделий из данного порошка. Методом сканирующей микроскопии исследована микроструктура полученных образцов. Исследованы процессы диффузии легирующих элементов из металла образца в металл подложки. Проведены механические испытания полученных образцов.
Установлено, что в структуре образцов формируется дисперсная структура со средним размером дендритных ячеек аустенита 1,0-1,5 мкм. Установлено, что при использовании стратегии 1 предел прочности образца составляет 531 МПа при относительном удлинении 7,5 %, при использовании стратегии 2 прочность образца равна 381 МПа при относительном удлинении 0,5 %.
Ключевые слова: аддитивные технологии; лазерная наплавка; нержавеющая сталь; микроструктура; механические свойства.
Investigation of the Effect of Laser 316L Steel Powder Deposition Process Parameters on a Structure and Mechanical Properties of Specimens. I.S. Loginova, D.P. Bykovsky, S.B. Adisa, A.N. Solonin, V.D. Mironov, V.N. Petrovsky, V.V. Cheverikin.
Experimental specimens were produced via a laser 316L steel powder deposition technique (direct laser metal deposition is an additive laser melting technique which allows layer-by-layer production of metallic components in one technological cycle in accordance with a targeted computational model). Two strateges for layer-by-layer formation of a component in this powder were proposed. Microstructures of the specimens were examined via the scanning microscopy technique. Diffusion of alloying elements from specimen metal in substrate metal was investigated. Mechanical tests of the specimens were carried out.
It was found that a dispersed structure with an average size of dendritic austenite cells of 1,0-1,5 |im was formed in a specimen structure. In the case of strategy 1, ultimate tensile strength and elongation of a specimen were 531 MPa and 7,5 % respectively, while in the case of strategy 2 strength and elongation were 381 MPa and 0,5 %.
Key words: additive technologies; laser deposition; stainless steel; microstructure; mechanical properties.
1 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва.
2 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва.
-Ф-
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Введение
В последние десятилетия аддитивные технологии активно развиваются: произошел переход от простого прототипирования до изготовления сложнопрофильных изделий из металлических порошков различных сплавов [1-5]. Аддитивные технологии основаны на принципе «выращивания» изделий сложной формы добавлением и сплавлением порошков слой за слоем по компьютерной модели. Существует несколько видов аддитивных технологий, которые различаются между собой способом подачи порошка в зону воздействия лазерного или электронного луча [6-8]. Одним из таких видов является технология прямого лазерного нанесения или наплавления порошкового материала (Direct Laser Deposition). Принцип технологии заключается в подаче металлического порошка через сопло, которое совмещено с наплавочной головкой - местом выхода лазерного луча. Плавление частиц порошка начинается при его вылете из сопла и продолжается на подложке. После кристаллизации порций расплава на подложке формируются наплавочные дорожки [9-13]. С помощью этой технологии возможно изготавливать изделия различного назначения, также проводить ремонт и восстановление изношенных частей и поверхностей различных деталей.
Многие параметры DLD-технологии можно контролировать и варьировать в процессе наплавки. К ним относятся: мощность лазерного излучения, толщина наплавляемых слоев, расстояние между наплавочными дорожками. Эти параметры влияют на формирование капли расплава и степень ее локального разогрева/охлаждения в процессе DLD и, как следствие, на наличие пор, размер зерна и морфологию структуры.
На качество конечных изделий также оказывают влияние размер самого изделия и стратегия сканирования лазерного луча. Размеры изделий часто ограничиваются размерами рабочей камеры DLD-машины. Стратегия сканирования влияет на равномерность толщины по всему сечению изделия [14, 15].
Цель настоящей работы - исследование влияния мощности лазерного излучения и стратегии перемещения лазерного луча на структуру и свойства экспериментальных образцов заданных размеров и формы.
Методика экспериментов
Для проведения лазерной наплавки экспериментальных образцов использовали порошок стали 316L с размером частиц 20-53 мкм и химическим составом (% мас.) 17,0 Cr, 12 Ni, 2,5 Mo, 1,5 Mn, 0,8 Si, < 0,03 C, остальное Fe. В качестве подложки использовали плиту толщиной 3 мм из углеродистой стали Ст3.
Наплавку образцов проводили на промышленной установке HUFFMAN HC-205, оборудованной Nd:YAG волоконным лазером мощностью 3 кВт с длиной волны X = 1069 нм. В зону воздействия лазерного луча порошок транспортировался потоком инертного газа.
В работе были получены экспериментальные образцы (рис. 1) с размерами, приведенными в табл. 1. В процессе формирова-
Образец 1
Образец 2
Рис. 1. Вид экспериментальных образцов
Геометрия образцов Таблица 1
Номер Ширина рабочей части, мм (дове- Ширина головки, мм Общая длина Высота
образца рительный интервал по высоте) верхняя нижняя образца, мм образца, мм
1 2 3,7 ± 0,6 4,2 ± 1,0 7,6 ± 0,6 8,2 ± 0,4 7,6 ± 0,6 8,0 ± 0,2 67,9 ± 0,7 68,3 ± 0,2 6,7 8,5
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2016
• -ф— ф —$
6
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Параметры наплавки Таблица 2
Номер образца Мощность, Вт Скорость, см/мин Расход порошка, г/с Высота сопла, мм Смещение сопла вверх, мм Нанесение слоев
1 2 400 300 127 127 0,018 0,018 3 3 0,2 0,2 Стратегия 1 Стратегия 2
ния образцов были использованы параметры, указанные в табл. 2.
Стратегия 1. Экспериментальный образец 1 был изготовлен с использованием этой стратегии. Первым этапом было создание контура образца (указано цифрой 1 на рис. 1, 2), который затем заполнялся последовательным нанесением дорожек в продольном (рис. 2) направлении. После создания контура 1 образец перемещался так, что сопло располагалось над точкой А. Последовательным нанесением дорожек шириной 1,5 мм с шагом 0,5 мм заполнялась верхняя левая часть 2 образца, затем верхняя правая - 3, затем создавалась шейка 4 образца, нижняя левая часть 5 и нижняя правая - 6. Однако в ходе эксперимента была отмечена нерегулярность высоты после нанесения 6 слоев. Следовательно, данный режим не подходит для получения образцов больших размеров из-за
А 1 у В
—2-4-~ ~ -3—
6
Б с
Рис. 2. Схема нанесения валиков в продольном направлении
Рис. 3. Боковая поверхность образца 1
Рис. 4. Схема нанесения валиков в поперечном направлении
имеющейся нестабильности толщины. Причем данная нестабильность возрастала с увеличением числа новых слоев. Также наблюдалась заметная граница между слоями. Это означает, что боковая поверхность образца нуждается в дополнительной механической обработке.
Чтобы граница между слоями была менее заметная, увеличили скорость сканирования до 127 см/мин, высоту сопла над образцом уменьшили до 3 мм. Данные изменения провели для уменьшения ширины валика. С увеличением скорости снизилось тепловое воздействие. Готовый образец 1 имел более гладкие боковые стенки (рис. 3).
Стратегия 2. Экспериментальный образец 2 был изготовлен с использованием этой стратегии. Первым этапом, как и в стратегии 1, было создание контура 1. Далее лазер перемещался от точки А до О и т.д. (рис. 4). Отличие этой стратегии от первой заключалось в том, что нанесение дорожек происходило в поперечном направлении непрерывно и без разделения на отдельные участки. Для улучшения стабильности высоты образца необходима была постоянная толщина каждого слоя. Для чего после нанесения каждого слоя происходило повторное плавление. Это уменьшило шероховатость поверхности, улучшило стабильность толщины слоя. Однако такая стратегия приводила к увеличению нагрева образца, поэтому мощность лазерного излучения была уменьшена до 300 Вт.
Из двух экспериментальных образцов были вырезаны по три плоских образца для проведения испытаний на одноосное растяжение и микроструктурных исследований.
Структуру образцов исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии. Для проведения микрорентгенос-
-Ф-
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
пектрального анализа (МРСА) вырезали образцы высотой не более 10 мм, шириной не более 20 мм. Поверхность образцов шлифовали и полировали с применением суспензии на установке Struers. После полировки проводили травление поверхности раствором: 1,5 мл HCl + 1 г FeClß + 100 мл спирта.
Структуру сплавов изучали на световом микроскопе Neophot-30, оснащенном цифровой приставкой Olympus и электронном сканирующем микроскопе TESCAN VEGA LMH с катодом Laßg и системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа Oxford
Таблица 3 Геометрия образцов
Номер образца Длина рабочей части, мм Ширина рабочей части, мм Ширина головки, мм Общая длина образца, мм
1 2 10,0 10,0 4,2 ± 1,0 3,7 ± 0,6 8,2 ± 0,4 7,6 ± 0,6 68,3 ± 0,2 67,9 ± 0,7
Instruments Advanced. Использовали режим отраженных электронов (BSE).
МРСА осуществляли на электронном сканирующем микроскопе TESCAN VEGA LMH с приставкой для проведения анализа Oxford Instruments Advanced AZtecEnergy (включая INCA Energy 350) X-max 50.
Твердость по Виккерсу измеряли на автоматизированном универсальном твердомере DIGI-TESTOR 930 с алмазным индентором в форме четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136° [16].
Испытания на одноосное растяжение [17] проводили на машине Zwick Z250 со скоростью 4 мм/мин. Механические свойства образцов оценивали по значениям временного сопротивления ав, и относительного удлинения 8. В табл. 3 приведены размеры, а на рис. 5 вид вырезанных образцов до испытаний на одноосное растяжение.
Результаты и обсуждение
Исследование микроструктуры. С помощью сканирующего микроскопа были получены фотографии структуры образца в месте его стыка с подложкой ( рис. 6). Хорошо видно, что по всей высоте наплавленного образца отсутствует пористость. Место стыка образца с подложкой представляет собой неровную волнистую линию, образование которой связано с особенностью технологии. При боль-
Образец 2
Рис. 5. Вид вырезанных образцов до испытания на одноосное растяжение
Рис. б. Микроструктура образца 1 (поперечное сечение)
"t
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
а б
Рис. 7. Микроструктура образца 2 при разных увеличениях
ших увеличениях (рис. 7, а) на фотографиях микроструктуры после травления, полученных с помощью светового микроскопа, хорошо видны наплавочные слои.
При большем увеличении (рис. 7, б) различается дендритное строение аустенита с размером ячеек 1,0-1,5 мкм. Стоит отметить наличие крупных трещин, идущих в первых слоях от места стыка образца с подложкой вглубь образца, причиной образования которых является высокая скорость охлаждения капли расплава и, как следствие, возникновение термических напряжений.
Методом МРСА был проведен анализ распределения легирующих элементов по высоте образца (рис. 8, табл. 4).
Анализ показал, что элементный состав подложки представлен железом и марганцем (спектр 1), что соответствует химическому составу стали Ст3 [18]. В первом наплавочном слое образца 2 (спектр 2) присутствуют все легирующие элементы, характерные для стали 316Ц однако процентное содержание хрома, никеля и молибдена занижено. Область спектра 3 удалена от подложки больше, чем область спектра 2, и показывает наличие тех же элементов (Сг, N и Мо) в большем количестве, однако их процентное содержание по-прежнему не соответствует марке стали образца. Область спектра 4 находится во втором наплавочном слое. Из табл. 4 видно, что все легирующие элементы присутствуют в этом слое и их количество соответствует их содержанию в стали 316Ь.
Результаты анализа свидетельствуют о том, что на границе между подложкой и образцом
250 мкм
Рис. 8. Поперечный шлиф образца 1 с областями определения элементного состава наплавки и подложки
Таблица 4
Элементный состав подложки и наплавленного образца 1
Номер Содержание легирующих элементов, % мас.
спектра
Сг Мп Ре 1\П Мо
1 _ 0,8 99,2 — _
2 9,9 1,1 80,7 6,8 1,4
3 13,9 1,5 72,4 9,9 2,3
4 16,7 1,4 67,5 11,6 2,7
ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2016
О -$— ф —$
9
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Образец 1 Образец 2
Рис. 9. Образцы после испытания на одноосное растяжение
находится переходная область. Элементный состав этой области представляет собой среднее по элементному составу подложки и самого образца. Это говорит о том, что во время наплавки первых слоев порошка легированной стали 3161 на подложку из углеродистой стали Ст3 произошла диффузия элементов Сг, Мп, Ы1, Мо из материала образца в материал основу. За счет диффузии легирующих элементов наблюдается плавный переход от подложки к образцу по их количественному содержанию.
Механические свойства. Для оценки механических свойств была проведена серия испытаний на одноосное растяжение при комнатной температуре на плоских образцах (рис. 9). Результаты испытаний приведены в табл. 5 в сравнении с механическими свойствами стали 316Ь в литом состоянии и после холодной деформационной обработки.
Образец 1 характеризуется высокими пределом текучести и пределом прочности, а также удовлетворительной пластичностью. Низкая пластичность является результатом наличия микротрещин в структуре образца. В сравнении с прочностными характеристи-
Таблица 5 Механические свойства стали 316Ь
Маркировка с02, МПа ств, МПа 5, %
Образец 1 Образец 2 3161_, литой [9] 316Ц деформированный [9] 469 ± 8 364 ± 4 262 255-310 531 ± 13 381 ± 9 552 525-623 7,5 ± 0,5 0,5 ± 0,1 55 30
ками стали в литом состоянии и после деформационной обработки можно отметить, что предел текучести экспери ментального образца 1 выше на 150-210 МПа, предел прочности находится на одном уровне. Образец 2 имеет низкие значения предела текучести, предела прочности и пластичности. Это также связано с присутствием дефектов -трещин в структуре образца. Различие механических свойств экспериментальных образцов можно объяснить с точки зрения технологии получения. Лазерную наплавку образца 1 проводили с применением продольной стратегии 1 сканирования, в результате чего образец испытывал меньший разогрев. Образец 2 наплавляли с применением поперечной стратегии 2, в следствие чего он испытывал больший разогрев.
По результатам оценки механических свойств видно, что образец 1, полученный с применением первой стратегии, имеет высокую прочность и удовлетворительную пластичность. Образец 2, полученный с применением второй стратегии, характеризуется удовлетворительной прочностью и пластичностью.
Заключение
Лазерной наплавкой порошка стали 316Ь были получены экспериментальные образцы с применением двух различных стратегий нанесения слоев. Установлено, что для уменьшения термического влияния на образец и формирования стабильных слоев во время наплавки при применении первой стратегии нанесения слоев мощность лазерного излучения должна составлять 400 Вт при скорости перемещения 127 см/мин. При второй стратегии наплавления слоев мощность лазера должна составлять 300 Вт при скорости сканирования 127 см/мин. В обоих случаях в структуре образцов наблюдается дисперсная структура со средним размером дендритных ячеек аустенита 1,0-1,5 мкм.
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Показано, что при наплавке первых слоев порошка легированной стали 316Ь на подложку из углеродистой стали Ст3 происходит диффузия элементов Сг, Мп, Ы1, Мо из материала образца в материал основу. В результате чего наблюдается плавный переход от подложки к образцу по количественному содержанию легирующих элементов. Установлено, что при использовании стратегии 1 пре-
дел прочности образца составляет 531 МПа при относительном удлинении 7,5 %, при использовании стратегии 2 прочность образца равна 381 МПа при относительном удлинении 0,5 %.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (Уникальный идентификатор ПНИЭР ЯГМЕП58214Х0004).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Di Wang, Changhui Song, Yongqiang Yang, Yuchao Bai. Investigation of crystal growthmechanism during selective laser melting and mechanical property characterization of 316L stainless steel parts // Materials and Design. 2016. V. 100. P. 291-299.
2. Wang Yudai, Tang Haibo, Fang Yanli, Wang Hua-ming. Microstructure and mechanical properties of hybrid fabricated 1Cr12Ni2WMoVNb steel by laser melting deposition // Chinese Journal of Aeronautics. 2013. V. 26 (2). P. 481-486.
3. Liu Y., Li A., Cheng X., Zhang S.Q., Wang H.M. Effects of heat treatment on microstructure and tensile properties of laser melting deposited AISI 431 martensitic stainless steel // Materials Science and Engineering. 2016. V. A666. P. 27-33.
4. Turichin G., Zemlyakov E., Klimova O., Babkin K. Hydrodynamic instability in high-speed direct laser deposition for additive manufacturing // Physics Procedia. 2016. V. 83. P. 674-683.
5. Long Ri-sheng, Sun Shao-ni, Lian Zi-sheng. The influence of scanning methods on the cracking failure of thin-wall metal parts fabricated by laser direct deposition shaping // Engineering Failure Analysis. 2016. V. 59. P. 269-278.
6. Klimova-KorsmikO., Turichin G., Zemlyakov E., Babkin K., Petrovsky P., Travyanov A. Techno -logy of high-speed direct laser deposition from Ni-based superalloys // Physics Procedia. 2016. V. 83. P. 716-722.
7. Thompson S.M., Bianc L., Shamsaei N. An overview of direct laser deposition for additive manufacturing; Part I: Transport phenomena, modeling and diagnostics // Additive Manufacturing. 2015. V. 8. P. 36-62.
8. Shamsaei N., Yadollahi A., Bian L., Thompson S.M.
An overview of direct laser deposition for additive manufacturing; Part II: Mechanical behavior, process parameter optimization and control // Additive Manufacturing. 2015. V. 8. P. 12-35.
9. Yadollahi A., Shamsaei N., Thompson S.M., Seely D.W. Effects of process time interval and heat
treatment on the mechanical and microstructural properties of direct laser deposited 316L stainless steel // Materials Science and Engineering A. 2015. V. 644. P. 171-183.
10. Xinlin Wang, Dewei Deng, Meng Qi, Hongchao Zhang. Influences of deposition strategies and oblique angle on properties of AISI316L stainless steel oblique thin-walled part by direct laser fabrication // Optics &Laser Technology. 2016. V. 80. Р. 138-144.
11. Zhang B., Dembinski L., Coddet C. The study of the laser parameters and environment variables effect on mechanical properties of high compact parts elaborated by selective laser melting 316L powder // Materials Science and Engineering A. 2013. V. 584. Р. 21-31.
12. Hussam El Cheikh, Bruno Courant, Samuel Bran-chu, Xiaowei Huang, Jean-YvesHascoet, Ronald Guillen. Direct laser fabrication process with coaxial powder projection of 316L steel. Geometrical characteristics and microstructure characterization of wall structures // Optics and Lasers in Engineering.
2012. V. 50. Р. 1779-1784.
13. Doubenskaia M., Pavlov M., Grigoriev S. et al. Compensive optical monitoring of selective laser melting // JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoingi-neering. 2012. V. 7. № 3. P. 236-243.
14. Ruidi Li, Yusheng Shi, Zhigang Wang etc. Densifi-cation behavior of gas and water atomized 316L stainless steel powder during selective laser melting // Applied Surface Science. 2010. V. 256. P. 4350-4356.
15. Mingming M., Zemin W., Dengzhi W., Xiaoyan Z. Control of shape and performance for direct laser fabrication of precision large- scale metal parts with 316L Stainless Steel // Optics&Laser Technology.
2013. V. 45. Р. 209-216.
16. ГОСТ 2999-75. Металлы и сплавы. Методы измерения твердости по Виккерсу. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1987.
17. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. - М.: Издательство стандартов, 1993.
