CC BY
2211. Yu N., Zhang P., Wu X. et al. Rapid prototyping of 4043 Al-alloy parts by cold metal transfer. Science and Technology of Welding and Joining. 2018.
ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ Cu-СОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ
Медведев А.Е.
Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия
medvedevandreyrf@gmail. com
Уже классическими считаются работы по селективному лазерному спеканию, в которых используются материалы на основе Al с добавками Si. Кремний улучшает текучесть материала, уменьшая тем самым пористость конечного изделия [1-3]. Непривлекательными сторонами таких сплавов являются склонность образовывать крупные интерметаллидные соединения на основе кремния, которые делают изделия более хрупкими, а также высокая способность поглощать тепло. Магний действует двояко - с одной стороны, увеличение количества магния в сплаве увеличивает пористость за счет того, что магний легко окисляется во время плавки. С другой стороны, прочность сплава растет с увеличением количества магния, что связано с твердорастворным эффектом [4-10]. Добавка меди значительно повышает прочность изделий [11], в тоже время усиливая их склонность к горячему растрескиванию. Кроме того, медь привносит вместе с собой проблемы литья и термообработки Al-Cu сплавов, такие, как склонность к коррозии и чувствительность к температуре термообработки. Эти негативные эффекты могут быть частично компенсированы за счет добавок Si, Ni, Fe, Mn или Ce [12].
В данной работе представлен сплав Al-5.4Cu-3Si-Mn-Mg. Образцы сплава получены по двум разным режимам спекания, отличающимся мощностью лазера и шириной зон перекрытия.
Согласно данным оптической микроскопии, микроструктура образца характеризуется заметной пористостью. На срезе образца присутствуют поры разных размеров - мелкие (8.5 ± 0.5 мкм), средние (33 ± 4 мкм) и крупные (до 400 мкм). Крупных пор насчитывается несколько на срез, в продольном срезе они имеют форму дуги - по всей видимости, это усадочные раковины, принявшие форму пула. В поперечном сечении также присутствуют поры мелкие (<10 мкм) и средние поры (38 ± 3 мкм). Мелкие поры, в свою очередь, вероятнее всего являются результатом полировки на суспензии - она обеспечивает слабое химическое травление. Согласно публикации [13], эти поры могут быть кавернами, оставшимися после вытравливания частиц Al2CuMg или аналогичных. Микротвердость исследуемых образцов сплава Al-5.4Cu-3Si-Mn-Mg практически одинакова и составляет в среднем 120 HV, что сравнимо с микротвердостью сплава Al-3Ce-7Cu [14] и на 20 HV ниже, чем в сплаве Al-Si-11-Cu-Mn [13], также содержащими медь в качестве легирующей добавки и полученными спеканием.
В целом, микроструктура сплавов характеризуется значительной пористостью литейного происхождения. Вероятно, что подобная микроструктура является следствием добавки Cu в сплав. Кроме того, структура образцов представляет собой чередование столбчатых и равноосных кристаллитов, образовавшихся в процессе литья, то есть, является весьма неоднородной. В работе [10] предлагался подход, способный привести к гомогенизации микроструктуры образца за счет повторного плавления спекшегося материала, для чего необходимо повторное сканирование или многократное сканирование.
1. Li W., Li S., Liu J., Zhang A., Zhou Y., Wei Q., Yan C., Shi Y. Effect of heat treatment on AlSi10Mg alloy fabricated by selective laser melting. Microstructure evolution, mechanical properties and fracture mechanism. Materials Science and Engineering. 2016. 663. 116-125.
2. Li X.P., Wang X.J., Saunders M., Suvorova A., Zhang L.C., Liu Y.J., Fang M.H., Huang Z.H., Sercombe T.B. A selective laser melting and solution heat treatment refined Al-12Si alloy with a controllable ultrafine eutectic microstructure and 25% tensile ductility. Acta Materialia. 2015. 95. 74-82.
3. Prashanth K.G., Scudino S., Klauss H.J., Surreddi K.B., Löber L., Wang Z., Chaubey A.K., Kühn U., Eckert J. Microstructure and mechanical properties of Al-12Si produced by selective laser melting: Effect of heat treatment. Materials Science and Engineering. 2014. 590. 153-160.
4. Kimura T., Nakamoto T., Ozaki T., Sugita K., Mizuno M., Araki H. Microstructural formation and characterization mechanisms of selective laser melted Al-Si-Mg alloys with increasing magnesium content. Materials Science and Engineering. 2019. 754. 786-798.
5. Spierings A.B., Dawson K., Kern K., Palm F., Wegener K. SLM-processed Sc- and Zr- modified Al-Mg alloy: Mechanical properties and microstructural effects of heat treatment. Materials Science and Engineering. 2017. 701. 264-273.
6. Olakanmi E.O. Selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of pure Al, Al-Mg, and Al-Si powders: Effect of processing conditions and powder properties. Journal of Materials Processing Technology. 2013. 213. 8. 1387-1405.
7. Spierings A.B., Dawson K., Heeling T., Uggowitzer P.J., Schäublin R., Palm F., Wegener K. Microstructural features of Sc- and Zr-modified Al-Mg alloys processed by selective laser melting. Materials & Design. 2017. 115. 52-63.
8. Schmidtke K., Palm F., Hawkins A., Emmelmann C. Process and Mechanical Properties: Applicability of a Scandium modified Al-alloy for Laser Additive Manufacturing. Physics Procedia. 2011. 12. 369-374.
9. Galy C., Guen E. L., Lacoste E., Arvieu C. Main defects observed in aluminum alloy parts produced by SLM: From causes to consequences. Additive Manufacturing. 2018. 22. 165-175.
10. Griffiths S., Rossell M.D., Croteau J., Vo N.Q., Dunand D.C., Leinenbach C. Effect of laser rescanning on the grain microstructure of a selective laser melted Al-Mg-Zr alloy. Materials Characterization. 2018. 143. 34-42.
11. Zolotorevskiy V.S., Pozdniakov A.V. Determining the hot cracking index of Al-Si-Cu-Mg casting alloys calculated using the effective solidification range. Int. J. Cast Metals Res. 2014. 27(4). 193- 198.
12. Zolotorevskiy V.S., Pozdniakov A.V., Churyumov A.Yu. Search for promising compositions for developing new multiphase casting alloys based on Al-Cu-Mg matrix using thermodynamic calculations and mathematic simulation. Phys. Metals Metallogr. 2012. 113(11). 1052-1060.
13. Pozdniakov A.V., Churyumov A.Yu., Loginova I.S., Daubarayte D.K., Ryabov D.K., Korolev V.A. Microstructure and properties of novel AISH 1CuMn alloy manufactured by selective laser melting. Materials Letters 225. 2018. 33-36.
14. Manca D.R., Churyumov A.Y., Pozdniakov A.V., Prosviryakov A.S., Ryabov D.K., Krokhin A.Yu., Korolev V.A., Daubarayte D. K. Microstructure and Properties of Novel Heat Resistant Al-Ce-Cu Alloy for Additive Manufacturing. Metals and Materials International. 2019. 25. 633-640.
ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОГО НАКЛЕПА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЙ, ВЫРАЩИВАЕМЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ
Мельников Д.М., Мельникова М.А., Шиганов И.Н.
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (НИУ), Москва, Россия
[email protected], [email protected]
Аддитивное производство методом селективного лазерного плавления (СЛП) - это передовой производственный процесс, в котором получают ЗО-деталь из САПР-модели путем сплавления лазерным излучением слоев металлического порошка [1]. При изготовлении детали методом СЛП наблюдается такое негативное явление, как накопление в материале растягивающих остаточных напряжений [2,3]. Большие растягивающие остаточные напряжения ведут к снижению усталостной выносливости, искажениям формы, увеличению риска коррозионного растрескивания под нагрузкой [4]. Для снижения остаточных напряжений прибегают к способам термической или механической постобработки [5], но такие подходы либо существенно увеличивают трудоёмкость изготовления детали, либо приводят к искажению формы изделия ввиду релаксации остаточных напряжений [2].
Эффективным решением снижения остаточных напряжений при СЛП процессе может быть использование послойной лазерной ударной обработки (ЛУО) или лазерного наклёпа. Через каждые несколько слоёв (от 5 до 10) вся верхняя плоскость выращиваемого изделия подвергается ЛУО. Затем накладывается следующая группа слоёв и так - в течение всего процесса формирования детали (рисунок 1).
-ЛУО -ЛУО
11 х СЛП -11 х СЛП - L
Подложка
Рисунок 1 - Схема внедрения ЛУО в СЛП
Такой подход позволит контролировать состояние остаточных напряжений не только в приповерхностном слое детали, но по всему объёму получаемого изделия. Таким образом, во-первых, станет возможным перевод растягивающих остаточных напряжений, накопленных в материале в процессе СЛП, в сжимающие. Во-вторых, сжимающие остаточные напряжения распространятся на большую глубину, чем при поверхностной ЛУО [6]. В-третьих, появится возможность формировать области со сжимающими остаточными напряжениями в одной или нескольких критических для изделия зонах, снижая тем самым шансы на разрушение или скорый износ изделия в этих зонах.
Целью данной работы являлась определение теоретических и практических условий совмещения технологий ЛУО и СЛП. Были решены задачи выбора технологических покрытий для ЛУО, использование которых имело бы практическую значимость при внедрении в процесс СЛП. Также определялись условия облучения, необходимые для обеспечения достаточной глубины распространения остаточных сжимающих напряжений.
