Properties of cold-deformed powder materials 12Cr18Ni10Ti AND AlSi10Mg obtained by selective laser melting

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Селективное лазерное сплавление (SLM) – одна из наиболее широко распространенных технологий порошковой металлургии (ПМ), в основе которой лежит сплавление мелкодисперсных частичек металлов под воздействием лазера [1]. SLM нашло применение в различных отраслях машино- и авиастроения, в химико-фармацевтическом производстве, горном и нефтяном деле, оборонной промышленности. Основной проблемой SLM является устранение пористости, в той или иной степени характерной для всех технологий порошковой металлургии. Решается данная задача путем оптимизации технологических параметров процесса, а также комбинирования SLM с другими видами обработки, например, с термической (ТО) или обработкой давлением (ОД).

Так, в работах [2, 3] исследовано влияние направления выращивания изделий на механические свойства, а также влияние плотности энергии на твердость порошкового алюминиевого сплава, полученного способом SLM. Механические показатели образцов, выращенных перпендикулярно платформе построения, получились на ~15% выше, относительно образцов, выращенных в параллельном направлении. Уменьшению твердости способствуют повышенные (более 60 Дж/мм³) и пониженные (ниже 30 Дж/мм³) значения плотности энергии, которая напрямую зависит от скорости сканирования и мощности лазерного излучения. Для получения высококачественных деталей из нержавеющей стали в работах [4, 5] предложен метод SLM, в котором исходными материалами выступают порошки со сферической формой частиц, которая обеспечивает лучшую «текучесть» композиции. Предварительное уплотнение каждого наносимого порошкового слоя перед сплавлением способствует повышению плотности материала. В работе [6] представлен способ SLM для формирования никелевого покрытия на титановой подложке, при котором первый слой порошкового материала наносится под углом 135° относительно изделия, последующие слои – под углом 90° относительно друг друга. В итоге на исследуемой детали образовано покрытие с микротвердостью 881.8±15 HV. Чтобы снизить уровень остаточных напряжений, проводят термическую обработку [7]. ТО осуществляется поэтапно для более равномерного снятия остаточных напряжений. Выдержка проходит в течение 120 минут при температурах 453 К, 673 К, 873 К, 1073 К, охлаждение – совместно с печью. За счет сочетания различных технологий получаются изделия с низкими пористостью и уровнем остаточных напряжений, а также высокими механическими свойствами. Для изготовления износостойких деталей из порошковых вольфрам–карбидных композиций известны методы SLM, представленные в работах [8, 9]. В них исследовано влияние толщины наносимого слоя и направления сканирования на качество материала. При уменьшении толщины наносимого слоя изделия имеют более низкую шероховатость и точную геометрию. При разнонаправленной стратегии сканирования пористость образцов получается в 6.5 раз более низкая по сравнению с образцами, изготовленными при однонаправленной стратегии. В работах [10, 11] представлены комбинированные методы SLM стальных и никелевых сплавов, включающие обработку давлением и последующую ТО. Установлено, что горячее изостатическое прессование (ГИП) приводит к повышению прочности и пластичности образцов за счет закрытия пор. Термическая обработка способствует еще большему увеличению прочности материала, но при этом несколько снижает пластические свойства.

Цель работы – экспериментально установить закономерности влияния обработки давлением на механические характеристики полученных SLM материалов, а именно на твердость и изгибную прочность.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

На основе установленных закономерностей влияния технологических параметров SLM на характеристики получаемого материала была изготовлена партия тестовых образцов. Выбор исследований пал на стальные и алюминиевые сплавы, поскольку они являются наиболее распространенным конструкционным сырьем для производства комплектующих в автомобильной, авиационной, судостроительной, оборонной и других отраслях промышленности. Актуальностью технологии SLM здесь является значительное снижение отходов и издержек при изготовлении сложнопрофильных деталей. В качестве исходных материалов для производства образцов использовался порошок нержавеющей стали ПР-12Х18Н10Т, фракционный состав 10...63 мкм, производитель АО «Полема», а также порошок алюминиевого сплава AlSi10Mg, фракционный состав 10...45 мкм, производитель АО «Русал». Химический состав сплава 12Х18Н10Т, мас.%: Fe (основа), Cr – 17.35%, Ni – 10.68%, Mn – 0.74%, Si – 0.68%, Ti – 0.66%, C – 0.099, S – 0.02%, P – 0.03%; сплава AlSi10Mg, масс.%: Al (основа), Si – 9.7%, Mg – 0.33%, Fe – 0.14%. Для исследования морфологии порошков исходных материалов, а также структуры поверхности образцов и изломов, применялась растровая электронная микроскопия (РЭМ) [12]. На Рис. 1 представлены микрофотографии исходных порошков, полученных методом газовой атомизации, на которых отчетливо видна сферическая форма частиц. SLM испытательных образцов осуществлялось на установке «SLM 280» немецкой компании «SLM Solutions». Используемые технологические параметры для 12Х18Н10Т: толщина слоя (h) 50 мкм, мощность (P) 235 Вт, скорость сканирования (V) 700 мм/с. Для AlSi10Mg: толщина слоя (h) 60 мкм, мощность (P) 370 Вт, скорость сканирования (V) 1650 мм/с. Образцы представляли собой призму размером 55х10х2.5 мм. Обработку давлением проводили на лабораторном прокатном стане по технологии продольной прокатки. Количество проходов –4, максимальное абсолютное обжатие – 1.521 мм.

 

Рис. 1. Микрофотографии порошков: а – 12Х18Н10Т; б – AlSi10Mg.

 

Механические свойства оценивались по твердости HRB при помощи стационарного твердомера ТР 5006 в соответствии с ГОСТ 9013-59. При прокатывании образцов из алюминиевого сплава AlSi10Mg после первого прохода с обжатием 0.701 мм было зафиксировано повышение твердости на 10.5% – с 76 HRB до 84 HRB. Однако по краям отмечено образование трещин. После второго прохода с обжатием 1.101 мм произошло дальнейшее раскрытие трещин, что привело к частичному разрушению образцов. Последующие проходы для материала AlSi10Mg не осуществлялись.

Оценку высотной деформации образцов из сплава 12Х18Н10Т проводили с помощью истинной (логарифмической) высотной деформации:

$\epsilon h_i=\text{ln}\left({\eta }_i\right)=\text{ln}\left(\frac{h_i}{h_0}\right)$,

где ${\eta }_i$ – коэффициент обжатия; $h_0$ – толщина образца до прохода; $h_i$ – толщина образца после прохода.

Для оценки объемной деформации вычисляли сумму высотной (${\epsilon }_{\text{h}}$), поперечной (${\epsilon }_B$) и продольной (${\epsilon }_L$) деформаций . Полученные значения приведены в Таблице 1, из которой видно уплотнение материала в процессе ОД.

 

Таблица 1. Значения деформации полученного SLM материала 12Х18Н10Т в зависимости от степени обжатия.

Деформация	№ прохода
	0	1	2	3	4
	0	–0.174	–0.514	–0.793	–0.913
	0	0.016	0.048	0.062	0.073
	0	0.131	0.409	0.728	0.819
	0	–0.028	–0.056	–0.003	–0.021

 

Также механические свойства образцов в исходном состоянии и после обработки давлением (только для материала 12Х18Н10Т, поскольку AlSi10Mg в процессе ОД был разрушен) оценивались по изгибной прочности. Для AlSi10Mg исследования осуществлялись в соответствии с ГОСТ 18228-94, для 12Х18Н10Т – по ГОСТ 14019-2003. Перемещение при этом фиксировалась при помощи индикатора часового типа. Результаты испытаний на изгиб исходных образцов приведены в Таблице 2.

 

Таблица 2. Результаты испытаний на изгиб исходных призматических образцов.

Образец	Нагрузка, кгс	Напряжение, МПа
12Х18Н10Т	851	7530
AlSi10Mg	66	518

 

Ранее авторами были проведены исследования радиального сжатия кольцевых образцов, изготовленных при аналогичных технологических параметрах [13]. Для придания нагрузки использовался испытательный гидравлический пресс ПСУ-50, для измерения нагрузки – динамометр системы Токаря ГОСТ 9500-84. Изменение формы образцов во время приложения нагрузки аналогично фиксировалось при помощи индикатора часового типа. По результатам исследований установлено, что предел прочности порошкового материала AlSi10Mg при радиальном сжатии составляет ~950 МПа. Материал 12Х18Н10Т характеризуется повышенной пластичностью – в случае радиального сжатия при нагрузке ~800 кгс наблюдается сплющивание образцов без разрушения. На Рис. 2 представлен график зависимости между напряжением и деформацией образцов из сплавов AlSi10Mg и 12Х18Н10Т при радиальном сжатии, а также образцов из сплава AlSi10Mg при изгибе. На графике наблюдается плавное изменение формы под приложением нагрузки для материала AlSi10Mg, а для 12Х18Н10Т – наличие критического напряжения, при достижении которого наблюдается увеличение динамики деформации.

 

Рис. 2. Зависимость между напряжением и деформацией материалов: 1 – 12Х18Н10Т при радиальном сжатии; 2 – AlSi10Mg при радиальном сжатии; 3 – AlSi10Mg при изгибе.

 

На Рис. 3 представлены РЭМ–изображения изломов образцов из порошкового материала AlSi10Mg. Разрушение образцов, находящихся в исходном состоянии (не подвергавшимся прокатке после SLM), произошли во время проведенияисследования на изгибную прочность, а холоднодеформированных – во время осуществления второго прохода прокатки. Как показано на Рис. 3, прокатанный образец имеет более однородную структуру по сравнению с образцом в исходном состоянии, что свидетельствует о положительном влиянии обработки давлением (в определенных пределах) на плотность материала AlSi10Mg, полученного методом SLM.

 

Рис. 3. РЭМ-изображение излома образца из материала AlSi10Mg: а – в исходном состоянии; б – после прокатки.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе высказана и подтверждена результатами экспериментов гипотеза о взаимозависимости высотной деформации и твердости холоднодеформированного материала 12Х18Н10Т, полученного SLM. Твердость образцов повышалась с каждым последующим проходом. Также анализ результатов экспериментальных исследований показал, что наиболее интенсивный рост твердости наблюдается на начальном этапе прокатки. Выявленную закономерность можно объяснить повышенными абсолютными значениями объемной деформации на начальном этапе прокатки пористого порошкового материала. График зависимости твердости от высотной деформации представлен на Рис. 4.

 

Рис. 4. Зависимость твердости порошкового материала 12Х18Н10Т от высотной деформации.

 

После прокатки наблюдается скругление торцов, проявляющее все более явно с увеличением степени обжатия образцов. Причем, в случае сплава 12Х18Н10Т, скругление более выражено по причине большей пластичности материала по сравнению с AlSi10Mg.

В процессе прокатки закономерность влияния абсолютных значений высотной деформации  на твердость порошкового материала, полученного по комбинированной технологии SLM, описываются сигмоидальной зависимостью при повышенных значениях коэффициента детерминации (r² =0.971):

$\text{HRB}=\text{a}+\text{b}/\left(1+\text{exp}(-\frac{\left|{\epsilon }_{\text{h}}\right|-\text{c}}{\text{d}}\right)$,

где $a,b,c,d$ – параметры уравнения ($a=-187.8$; $b=300.8$; $c=-0.355$; $d=0.131$). Значения параметра c характеризуют величину высотной деформации $\left|{\epsilon }_h^{\text{кр}}\right|$, завершающей начальный этап интенсивного повышения твердости.

Испытания на изгиб прокатанных образцов из материала 12Х18Н10Т показали воспринимаемую нагрузку ~703 кгс. На Рис. 5 изображен график зависимости между напряжением и деформацией образцов в исходном состоянии и после осуществления продольной прокатки. На графике видно наличие критического напряжения, после прохождения которого наблюдается снижение динамики деформации.

 

Рис. 5. Зависимость между напряжением и деформацией образцов из 12Х18Н10Т: 1 – в исходном состоянии; 2 – после продольной прокатки.

 

За счет уменьшившейся толщины прокатанный образец имеет на 17.4% более низкое сопротивление изгибной силе, по сравнению с исходными образцами. Однако стоит отметить, что при этом он обладает большей на 9.9% упругостью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Высказана и подтверждена результатами экспериментов гипотеза о взаимозависимости высотной деформации и твердости холоднодеформированного материала 12Х18Н10Т, полученного SLM. Для порошкового материала AlSi10Mg также справедлива данная гипотеза, при условии осуществления высотной деформации до момента зарождения трещин критической величины.

Установлен предел прочности порошкового материала AlSi10Mg: 950 МПа при радиальном сжатии и 518 МПа при изгибе. Зафиксированы максимальные изгибные нагрузки для сплава 12Х18Н10Т, полученного SLM: 851 кгс в исходном состоянии и 703 кгс в прокатанном, напряжения при этом 7530 МПа и 35443 МПа соответственно.

Построен график зависимости между напряжением и деформацией, из которого видна похожая динамика изгиба до и после продольной прокатки порошкового материала 12Х18Н10Т. После обработки давлением отмечено снижение сопротивления изгибной силе на 17.4% по сравнению с исходными образцами, но при этом повышение твердости на 22.3% и упругих свойств на 9.9%.

About the authors

D. А. Boshkanets

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

Author for correspondence.
Email: boshkanetsda@gmail.com
Russian Federation, Novocherkassk

S. N. Sergeenko

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

Email: sergeenko@gmail.com
Russian Federation, Novocherkassk

References

Supplementary files