CC BY
95
УДК 621.373.826
СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО СПЕКАНИЯ
© Л. А. Галимова12, В. В. Атрощенко2, В. В. Смирнов2, А. А. Чуракова23, Д. В. Гундеров2"3*, Г. И. Заманова4
1ОАО Инновационный научно-технологический центр «Искра» Россия, Республика Башкортостан, 450008 г. Уфа, ул. Пушкина, 81.
2Уфимский государственный авиационный технический университет Россия, Республика Башкортостан, 450000 г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.
3Институт физики молекул и кристаллов УНЦ РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр-т Октября, 71.
4Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. З. Валиди, 32.
*Email: [email protected]
Проведены исследования структуры и механических свойств образцов нержавеющей стали международной марки Stainless Steel РН1, полученные методом селективного лазерного спекания в лаборатории быстрого прототипирования в Уфимском государственном авиационном техническом университете (УГАТУ). Исследования показали, что образцы имеют высокое качество. Видимые несплошности, поры, трещины в структуре не наблюдаются. SLS образцы, полученные в УГАТУ, обладают более высокими механическими свойствами, чем образцы, полученные из близкой стали SLS в АБ «Универсал», Москва, и образцы - свидетели из традиционной горячекатаной стали 14Х17Н2.
Ключевые слова: быстрое прототипирование; лазерное спекание; микроструктура; механические свойства.
1. Введение
Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering - SLS) - это процесс послойного воспроизведения модели из порошкового материала при помощи 3D - модели [1, 2]. Технология селективного лазерного спекания является перспективной технологией, которая может сократить время и средства на изготовление и ремонт деталей сложной формы. Возможно не только изготовление, но и восстановление изношенных поверхностей. В процессе избирательного лазерного спекания (Selective Laser Sintering - SLS) в качестве строительного материала используются порошковые материалы [1, 2]. Порошок подается из питающего контейнера и с помощью специального ролика тонким слоем распределяется по поверхности платформы. Лазерный луч, скользя по поверхности порошка, обводит контур первого слоя будущей модели, а затем сканирует все пространство внутри него. В результате теплового воздействия лазерного излучения частицы порошка оплавляются или полностью расплавляются (в зависимости от конкретной модификации процесса и применяемого материала), а после ухода лазерного луча - затвердевают, образуя спеченную или сплавленную структуру.
Таким образом, при SLS в процессе генерации модели строительный материал претерпевает два фазовых превращения из твердого состояния в жидкое, и снова в твердое. Процесс генерации модели продолжается слой за слоем.
Технология SLS применима для печати изделий из металла, и позволяет получить прототипы с высокими механическими свойствами, низкими напряжениями и деформациями. К преимуществам метода можно отнести: снижение затрат времени и средств на технологическую подготовку производства, возможность одновременного изготовления нескольких деталей [2,3].
В настоящее время в УГАТУ началось изготовление опытных образцов методом селективного лазерного спекания. Соответственно необходимо определить механические свойства и исследовать структуру полученных SLS образцов, и сравнить их с аналогичными образцами, полученными методом SLS другими организациями, а так же с образцами аналогичных материалов, полученных по традиционной технологии.
2. Материалы и методики исследования
Для проведения исследований использовались образцы из нержавеющей стали международной марки Stainless Steel PH1, полученные из металлического порошка методом селективного лазерного спекания на установке EOSINT [4] в лаборатории быстрого прототипирования УГАТУ - «образец SLS УГАТУ». Для сравнения механических свойств и структуры использовались образцы из аналогичной нержавеющей стали Stainless Steel GP1, полученные из металлического порошка методом селективного лазерного спекания на установке EOSINT в инженерном центре АБ «Универсал» [5], г. Москва
(«образец SLS Москва»). Режимы, на которых производилось спекание образцов, заданы фирмой -изготовителем. Для сравнения структуры и механических свойств сталей после селективного лазерного спекания и после традиционной обработки была выбрана обычная нержавеющая сталь 14Х17Н2 (ЭИ-268) [6] («образец-свидетель»), химический состав которой близок к химическому составу нержавеющей стали Stainless Steel GP1 и Stainless Steel PH1. Химические составы нержавеющих сталей 14Х17Н2, Stainless Steel PHI, Stainless Steel GP1 представлены табл. 1.
Таблица 1
Химический состав нержавеющих сталей 14Х17Н2, Stainless Steel PH1, Stainless Steel GP1
Материал 14Х17Н2 Stainless Steel GP1 Stainless Steel PH1
Fe, % основа основа основа
Ni, % 1.5-2.5 3-5 3.5-5.5
Mo, % - Max 0.5 Max 0.5
Cr, % 16-18 15 -17.5 14-15.5
C, % 0.11-0.17 Max 0.07 Max 0.07
Mn, % Max 0.8 Max1 Max1
Si, % Max 0.8 Max1 Max1
Cu, % Max 0.3 3-5 2.5-4.5
Nb, % - 0.15-0.45 0.15-0.45
S, % Max
0.025
P, % Max 0.03 - -
Ti, % Max 0.2 - -
Изготовление (вырезка) образцов для механических испытаний производилось на электроэрозионном станке АРТА-120. Эскиз образца и фотография внешнего вида представлены на рис. 1 и 2, толщина образца составляет 0.25-0.3 мм, шероховатость образца 0.63 Ra. Фото образцов для проведения структурных исследований представлены на рис. 2, толщина образца 0.3-0.4 мм, шероховатость
образца 0.63 Ra.
Для проведения структурных исследований образцы заливались сплавом Вуда в оправку (рис. 5), после чего были подвергнуты шлифованию и полировке на алмазной пасте с постепенным уменьшением размера абразивных частиц.
В процессе подготовки образцы для механических испытаний зажимаются в тиски, шлифуются и полируются торцевые поверхности и рабочая часть, любые дефекты, трещины, забоины, являющиеся концентраторами напряжений, не допускаются. После подготовки торцевых поверхностей и рабочей части, шлифуются и полируются основные поверхности образца.
Шлифование образцов производилось на шли-фовально-полировальном станке РТ-232, производства компании «Metasinex», предназначенном для подготовки образцов металлов для проведения испытаний по определению поверхностной твердости.
Полирование образцов производилось с помощью алмазных паст АСМ 5/3, 3/2, 1/0 НОМГ ГОСТ 25593-83, предназначенных для полирования, доводки, тонкого полирования различных материалов (сплавы черных и цветных металлов, цветных металлов, неметаллических материалов). АСМ зернистость 5/3, 3/2, 1/0 - марка и зернистость шлифовального порошка из синтетических монокристаллических алмазов.
Образцы из материалов Stainless Steel GP1 и Stainless Steel PH1 были подвергнуты травлению с помощью травителя Марбле (4 г CuSO4, 20 мл HCl, 20 мл H2O) для выявления микроструктуры в течение 5-10 секунд. Количественный и качественный анализ исходной структуры сплавов проводили на металлографическом микроскопе «Olympus Gx51». Оптический инвертированный микроскоп Olympus Gx51 дополнительно оснащен прецизионным сканирующим автоматизированным столом PS 11,
Рис. 1. Эскиз и фотография использованного образца для механических испытаний.
Рис. 2. Образец а) для структурных исследований и б) образец для структурных исследований,
залитый сплавом Вуда в оправку.
цифровой микроскопной видеокамерой SIMAGIS 2P-2C и системой автоматизированного анализа изображений «SIAMS Photolab» (SIMAGIS Research). Анализ структурных элементов оценивали с помощью программного пакета «GrainSize» по методу случайных секущих. Средний размер зерна (d) определяли в соответствии с ГОСТ 21.073.3-75.
Механические испытания на растяжение проводили на разрывной машине конструкции НИИ ФПМ УГАТУ, оснащенной измерительно-силовым устройством, имеющим верхний предел 200 кг при точности регистрации 5% (методика описана в [9]). Нагружение образца задавалось шаговым двигателем, который позволяет поддерживать скорость перемещения траверсы с точностью 3%. Процесс испытания контролируется компьютерной программой с одновременным выводом на дисплей показаний величины перемещения и величины усилия на образце. Испытания проводились при комнатной температуре на плоских образцах с рабочей базой 1x0.25x3.5 мм, со скоростью растяжения 1х10-3 с-1. Геометрию образцов измеряли микрометром «ELECTRONIC DIGITAL CALIPER» с точностью 0.01 мм.
Методика определения ст зависит от типа диаграммы растяжения. В случае если на кривой растяжения не наблюдается площадки стм, то проводят касательную прямую М, совпадающую с линейным участком ОА диаграммы растяжения. Точка отрыва касательной М от участка ОА определяет искомую нагрузку Рт. Напряжение физического предела текучести определяют по формуле (1) [7]:
СТт = Рт/So, (1)
Временное сопротивление разрыву (предел
прочности) - напряжение соответствующее наибольшей нагрузке предшествующей раз-
рушению образца, обозначается ств и вычисляют по формуле (2) [7]:
СТв= Pmax / So, (2)
Основными характеристиками пластичности при испытаниях на растяжение являются относительное удлинение 5 и относительное сужение у. Относительное удлинение - отношение приращения расчетной длины образца (4 - /0) после разрушения к начальной расчетной длине /0, выраженное в процентах, определяется по формуле (3) [8]:
5 = (/к - /0)100/ /0 (3)
3. Результаты и обсуждение
Результаты структурных исследований «образцов SLS Москва» представлены на рис. 3, полученных методом селективного лазерного спекания после полировки представлены на рис. 3а. Как видно из рис. 3 а, после полировки на поверхности не наблюдается видимых несплошностей, пор, трещин, что говорит о хорошем качестве образца.
После комбинированного травления выявлена микроструктура, которая представлена структурными элементами (частицами) размером порядка 200-400 мкм, между которыми выделяются более мелкие элементы структуры, в приповерхностном слое наблюдаются некоторая структура, по-видимому, сформировавшаяся при спекании частиц (рис. 3б,в).
Результаты структурных исследований «образцов SLS УГАТУ», полученных методом селективного лазерного спекания после полирования представлены на рис. 4. После полировки (рис. 4а) на поверхности не наблюдается видимых несплошностей, пор, трещин, что говорит о хорошем качестве образца.
Рис. 3. Результаты структурных исследований «образцов SLS Москва» а) полированный образец, увеличение 50*, б) «образец SLS «Москва» после травления, увеличение 100* (продольное сечение), в) «образец SLS Москва», после травления
увеличение 100* (поперечное сечение).
В результате комбинированного травления выявлена микроструктура, которая представлена структурными элементами (частицами) размером порядка 200-400 мкм, между которыми выделяются более мелкие элементы структуры (рис. 4б,в). Полученная структура сформировалась в результате сплавления и быстрого охлаждения частиц после ухода лазерного луча.
Результаты исследований микроструктуры «образцов-свидетелей 14Х17Н2» представлены на рис. 5а,б. В микроструктуре «образцов-свидетелей» в продольном сечении наблюдаются вытянутые зерна (светлые) размером в поперечном сечении 7.2 мкм и продольном около 40 мкм. Данная несколько вытянутая микроструктура характерна для образцов после горячей прокатки.
В результате проведения исследований были получены данные о механических свойствах материалов (табл. 2).
Сравнивая механические свойства полученных образцов можно отметить, что «образцы SLS УГАТУ», обладают примерно таким же уровнем прочности, как и «образцы SLS Москва», и более
Таблица 2
Результаты механических испытаний на растяжение образцов из стали Stainless Steel PH1 и Stainless Steel GP1
Предел Предел Относительное
Материал прочности, об, МПа текучести, От, МПа удлинение (деформация), 5, %
SLS УГАТУ 1125 903 13
SLS Москва 1171 544 16
Образцы-свидетели 1028 910 17.5
14Х17Н2
высоким значением предела текучести (в 1.5 раза). Отметим, что предел текучести является важнейшей характеристикой для изделий из конструкционных материалов. Пластичность «образцов 8Ь8 УГАТУ» составляет 13%, что несколько ниже, чем пластичность «образцов 8Ь8 Москва». Но это объясняется большим пределом текучести образцов SLS УГАТУ, поскольку, чем больше предел текучести, тем меньше стадия равномерной деформа-
Рис. 4. Результаты структурных исследований «образцов SLS УГАТУ» а) полированный образец, увеличение 100х, б) «образец SLS УГАТУ» после травления, увеличение 100х (продольное сечение), в) «образец SLS УГАТУ» после травления, увеличение 100х (поперечное сечение).
Рис. 5. Результаты исследований микроструктуры «образцов-свидетелей 14Х17Н2» а) образец-свидетель 14Х17Н2 после травления, продольное сечение, увеличение 100х, б) образец-свидетель 14Х17Н2 после травления,
поперечное сечение, увеличение 100 х.
ции при растяжении. Пониженный предел текучести и повышенная пластичность «образцов SLS Москва» объясняется видимо тем, что образец после SLS был подвергнут термообработке на аусте-нитное состояние. «Образцы-свидетели» горячекатаной стали 14Х17Н2 демонстрируют даже меньшее значение прочности, чем образцы SLS УГАТУ, и примерно такое же значение предела текучести. Таким образом, образцы, полученные на кафедре «Машины и технология литейного производства» УГАТУ, обладают высокими механическими свойствами, превышающими свойства «образцов SLS Москва» и свойства «образцов _ свидетелей».
Выводы
1) Образцы из нержавеющей стали международной марки Stainless Steel РН1, полученные из металлического порошка методом селективного лазерного спекания в УГАТУ, имеют высокое качество: в структуре не наблюдаются видимые несплошности, поры, трещины.
2) «Образцы SLS УГАТУ» обладают более высокими значениями предела текучести (в 1.5 раза), чем «образцы SLS Москва».
3) Образцы - свидетели из традиционной горячекатаной стали 14Х17Н2 демонстрируют меньшее значение прочности, чем «образцы SLS УГА-ТУ».
4) «Образцы SLS УГАТУ» обладают высокими механическими свойствами, превышающие
свойства «образцов SLS Москва» и свойства «образцов-свидетелей».
ЛИТЕРАТУРА
1. Смирнов О. И. Имитационное моделирование технологий послойного синтеза в машиностроении // Электронный журнал «Труды МАИ». 2014. №37. С.1-25.
2. Довбыш В. М., Забеднов П. В., Зленко М. А. Аддитивные технологии и изделия из металла. М: НАМИ . 2013 г. 57с.
3. Товожнянский Л. Л., Грабченко А. И. Интегрированные технологии ускоренного прототипирования и изготовления. Монография. / Под редакцией д-ра техн.наук Л. Л.Товожнянского, д-ра техн.наук А. И.Грабченко.Харьков: ОАО «Модель Вселенной». 2005. 224с.
4. Системы лазерного спекания для производства инструментальной оснастки, функциональных прототипов и готовых изделий из металла EOSINT M-270. URL: http://demos.zp.ua/catalogs/eos/EOSINT_M270.pdf
5. АБ Универсал - инженерная фирма. Оборудование - EOS StainlessSteel PH1. URL: http://www.eosab.ru/?eid=102&more (дата обращения 30.05.2014)
6. Марочник сталей и сплавов. Характеристика материала 14X17H2. URL: http://metallicheckiyportal .ru/marki_metallov/stn/ 14X17H2 (дата обращения 30.05.2014)
7. Золоторевский В. С. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. 2-е изд. М.: Металлургия. 1983. 352 с.
8. Золоторевский В. С. Механические свойства металлов. Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: МИСИС . 1998. 400 с.
9. Гундеров Д. В., Чуракова А. А., Лукьянов А. В., Прокофьев Е. А., Хасанова Д. А., Заманова Г. И. Тонкая микроструктура аморфных сплавов Ti-Ni-Cu подвергнутых кручению под высоким давлением // Вестник БГУ. 2015. Т. 20. №2. С.403-407.
Поступила в редакцию 15.05.2016 г.
ISSN 1998-4812
BeciHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2016. T. 21. №2
263
STRUCTURE AND PROPERTIES OF STAINLESS STEEL SPECIMENS RECEIVED BY METHOD OF SELECTIVE SINTERING
© L. A. Galimova12, V. V. Atrochenko2, V. V. Smirnov2, A. A. Churakova2"3, D. V. Gunderov23*, G. I. Zamanova4
'JSCISTC "ISKRA" 81 Pushkin St., 450008 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
2Ufa State Aviation Technical University 12 Karl Marx St., Ufa 450000, Republic of Bashkortostan, Russia.
3Institute of Molecule and Crystal Physics, RAS 151 Oktyabrya Ave., Ufa 450075, Republic of Bashkortostan, Russia.
4Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.
*Email: [email protected]
Selective laser sintering (SLS) is a process of layering reproducing of the model from the powder material with the help of 3D-modelling. The technology of selective laser sintering is a promising technology that can reduce the time and expense of manufacture and repair of detail with complex shapes. SLS is applicable for printing of metal products and allows one to get prototypes with high mechanical properties, low stresses and strains. The advantages of the method include: reducing the time and cost to the technological preparation of production, the possibility of simultaneous production of multiple parts. In the article the results of the study of the structure and mechanical properties of the specimens produced by SLS are given. Stainless Steel PH1 obtained by selective laser sintering rapid prototyping laboratory in Ufa State Aviation Technical University ("samples SLS USATU"). Studies have shown that the samples are of high quality. Visible discontinuities, cracks, pores in the structure are not observed. SLS samples obtained by USATU possess higher mechanical properties than the samples obtained from the close SLS steel by AB "Universal", Moscow ("samples SLS Moscow") and samples of traditional hot rolled steel 14H17N2. "Samples SLS USATU" have higher values of yield strength (1.5 times) than "samples SLS Moscow". Samples of traditional steel 14H17N2 demonstrate lower tensile strength and yield strength than the "Samples SLS USATU". "Samples SLS USATU" have high mechanical properties, exceeding the properties of "samples SLS Moscow" and the properties of "samples steel 14H17N2".
Keywords: rapid prototyping, laser sintering, microstructure, mechanical properties.
Published in Russian. Do not hesitate to contact us at [email protected] if you need translation of the article.
REFERENCES
1. Smirnov O. I. Elektronnyi zhurnal «Trudy MAI». 2014. No. 37. Pp. 1-25.
2. Dovbysh V. M., Zabednov P. V., Zlenko M. A. Additivnye tekhnologii i izdeliya iz metalla [Additive technologies and metal products]. M: NAMI . 2013 g.
3. Tovozhnyanskii L. L., Grabchenko A. I. Integrirovannye tekhnologii uskorennogo prototipirovaniya i izgotovleniya. Monografiya [Integrated technologies of accelerated prototyping and production. Monograph]. / Pod redaktsiei d-ra tekhn.nauk L. L.Tovozhnyanskogo, d-ra tekhn.nauk A. I.Grabchenko.Khar'kov: OAO «Model' Vselennoi». 2005.
4. Sistemy lazernogo spekaniya dlya proizvodstva instrumental'noi osnastki, funktsional'nykh prototipov i gotovykh izdelii iz metalla EOSINT M-270. URL: http://demos.zp.ua/catalogs/eos/EOSINT_M270.pdf
5. AB Universal - inzhenernaya firma. Oborudovanie - EOS StainlessSteel PH1. URL: http://www.eosab.ru/?eid=102&more (data obrashcheniya 30.05.2014)
6. Marochnik stalei i splavov. Kharakteristika materiala 14X17H2. URL: http://metallicheckiyportal.ru/marki_metallov/stn/14X17H2 (data obrashcheniya 30.05.2014)
7. Zolotorevskii V. S. Mekhanicheskie svoistva metallov: Uchebnik dlya vuzov [Mechanical properties of metals: Textbook for universities]. 2 ed. Moscow: Metallurgiya. 1983.
8. Zolotorevskii V. S. Mekhanicheskie svoistva metallov. Uchebnik dlya vuzov [Mechanical properties of metals: Textbook for universities]. 3 ed., pererab. i dop. Moscow: MISIS . 1998.
9. Gunderov D. V., Churakova A. A., Luk'yanov A. V., Prokofev E. A., Khasanova D. A., Zamanova G. I. Vestnik BGU. 2015. Vol. 20. No. 2. Pp. 403-407.
Received 15.05.2016.
