Оценка качества и механических свойств получаемых слоев металла из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Аддитивное производство – это технология, которая позволяет печатать трехмерные (3D) компоненты слой за слоем в соответствии с цифровыми моделями. Полностью отличаясь от традиционных методов изготовления, таких как литье, ковка и механическая обработка, аддитивное производство представляет собой процесс изготовления, близкий к чистой форме, который может значительно расширить свободу проектирования и сократить время выполнения производства. Проблемы обработки материалов в Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) обусловлены достижением показателей производительности, связанных с геометрическими, физическими и материальными свойствами. Жесткие допуски и строгие требования к целостности поверхности не могут быть достигнуты путем использования автономных технологий AM. Поэтому детали WAAM обычно требуют некоторой постобработки для соответствия требованиям, связанным с отделкой поверхности, размерными допусками и механическими свойствами. Не удивительно, что интеграция AM с технологиями постобработки в одно- и многоустановочные решения по обработке, обычно называемые гибридными AM, стала очень привлекательным предложением для промышленности. Цель работы: провести оценку качества и механических свойств получаемых слоев металла из низкоуглеродистой стали методом WAAM с использованием дополнительной механической и ультразвуковой обработки. Методы исследования. Для наплавки валиков выращиваемой стенки использовался робототехнический комплекс, в состав которого входят источник питания, блок управления, проволокопадающий механизм и горелка. Для ульразвуковой обработки применяли установку «Шмель». Для металлографических исследований использовали оптический и электронный микроскоп. Для выбора оптимальной скорости подачи проволоки и вольт-амперной характеристики была выполнена наплавка на каждой регулировочной ступени скорости подачи проволоки и напряжения. Были проведены механические испытания на статистическое растяжение, анализ химического состава и металлографические исследования. Результаты и обсуждение. Газовая пористость является типичным дефектом, который возникает в процессе WAAM и должен быть устранен, поскольку он отрицательно влияет на механические свойства. Первоначально газовая пористость приводит к снижению механической прочности детали из-за повреждений от образования микротрещин. Кроме того, она часто приводит к тому, что осажденный слой имеет худшие усталостные свойства из-за пространственного распределения различных по форме и размеру структур. В наших экспериментах мы установили, что оптимальным показателем является диапазон скоростей подачи проволоки в 5…6 м/мин. Увеличение расхода защитного газа в пределах 8…14 л/мин позволяет снизить пористость в наплавленном металле практически до нуля. Механические свойства наплавленных валиков показывают, что среднее значение предела текучести после механической обработки выше, чем у образцов без обработки. Полученные данные из этих экспериментов хорошо согласуются с данными, представленными в литературе. Результаты настоящего исследования могут быть использованы в реальных технологических процессах WAAM.

Об авторах

Ю. И. Карлина

Email: jul.karlina@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6519-561X
канд. техн. наук, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Ярославское шоссе, 26, г. Москва, 129337, Россия, jul.karlina@gmail.com

В. Ю. Конюхов

Email: konyukhov_vyu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9137-9404
канд. техн. наук, профессор, Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия, konyukhov_vyu@mail.ru

Т. А. Опарина

Email: martusina2@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9062-6554
Иркутский национальный исследовательский технический университет, ул. Лермонтова, 83, г. Иркутск, 664074, Россия, martusina2@yandex.ru

Список литературы

  1. ISO/ASTM 52900. Additive manufacturing – General principles – Fundamentals and vocabulary / F42 Committee. – West Conshohocken, PA, 2021. – URL: https://www.astm.org/Standards/ISOASTM52900.htm (accessed: 2310.2024).
  2. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms / D.D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe // International Materials Reviews. – 2012. – Vol. 57 (3). – P. 133–164. – doi: 10.1179/1743280411Y.0000000014.
  3. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges / T.D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K.T. Nguyen, D. Hui // Composites, Part B: Engineering. – 2018. – Vol. 143. – P. 172–196. – doi: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012.
  4. Song Y.A., Park S. Experimental investigations into rapid prototyping of composites by novel hybrid deposition process // Journal of Materials Processing Technology. – 2006. – Vol. 171 (1). – P. 35–40. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2005.06.062.
  5. A review of the wire arc additive manufacturing of metals: properties, defects and quality improvement / B. Wu, Z. Pan, D. Ding, D. Cuiuri, H. Li, J. Xu, J. Norrish // Journal of Manufacturing Processes. – 2018. – Vol. 35. – P. 127–139. – doi: 10.1016/j.jmapro.2018.08.001.
  6. Ahn D.G. Directed energy deposition (DED) process: state of the art // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. – 2021. – Vol. 8 (2). – P. 703–742. – doi: 10.1007/s40684-020-00302-7.
  7. Armstrong M., Mehrabi H., Naveed N. An overview of modern metal additive manufacturing technology // Journal of Manufacturing Processes. – 2022. – Vol. 84. – P. 1001–1029. – doi: 10.1016/j.jmapro.2022.10.060.
  8. A review of various materials for additive manufacturing: recent trends and processing issues / M. Srivastava, S. Rathee, V. Patel, A. Kumar, P.G. Koppad // Journal of Materials Research and Technology. – 2022. – Vol. 21. – P. 2612–2641. – doi: 10.1016/j.jmrt.2022.10.015.
  9. Hybrid additive and subtractive machine tools – research and industrial developments / J.M. Flynn, A. Shokrani, S.T. Newman, V. Dhokia // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2016. – Vol. 101. – P. 79–101. – doi: 10.1016/j.ijmachtools.2015.11.007.
  10. Multi-material additive manufacturing: a systematic review of design, properties, applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials / A. Nazir, O. Gokcekaya, K.M. Billah, O. Ertugrul, J. Jiang, J. Sun, S. Hussain // Materials & Design. – 2023. – Vol. 226. – P. 111661. – doi: 10.1016/j.matdes.2023.111661.
  11. New trends in 4D printing: a critical review / S. Vatanparast, A. Boschetto, L. Bottini, P. Gaudenzi // Applied Sciences. – 2023. – Vol. 13 (13). – P. 7744. – doi: 10.3390/app13137744.
  12. Study of the effect of nanomodifiers from silicon production wastes on morphological form of gray cast iron graphites / A.E. Balanovskiy, A.I. Karlina, A.D. Kolosov, Y.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2021. – Vol. 21. – P. 64–69. – doi: 10.17580/cisisr.2021.01.11.
  13. Bead shape control in wire based plasma arc and laser hybrid additive manufacture of Ti-6Al-4V / C. Wang, W. Suder, J. Ding, S. Williams // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 68. – P. 1849–1859. – doi: 10.1016/j.jmapro.2021.07.009.
  14. A review of WAAM for steel construction – manufacturing, material and geometric properties, design, and future directions / S.I. Evans, J. Wang, J. Qin, Y. He, P. Shepherd, J. Ding // Structures. – 2022. – Vol. 44. – P. 1506–1522. – doi: 10.1016/j.istruc.2022.08.084.
  15. Kawalkar R., Dubey H.K., Lokhande S.P. Wire arc additive manufacturing: a brief review on advancements in addressing industrial challenges incurred with processing metallic alloys // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 50. – P. 1971–1978. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.09.329.
  16. Change in the properties of rail steels during operation and reutilization of rails / K. Yelemessov, D. Baskanbayeva, N.V. Martyushev, V.Y. Skeeba, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 1043. – doi: 10.3390/met13061043.
  17. Recent advances on high?entropy alloys for 3D printing / C. Han, Q. Fang, Y. Shi, S.B. Tor, C.K. Chua, K. Zhou // Advanced Materials. – 2020. – Vol. 32 (26). – P. 1903855. – doi: 10.1002/adma.201903855.
  18. Improving mechanical properties of austenitic stainless steel by the grain refinement in wire and arc additive manufacturing assisted with ultrasonic impact treatment / M. Diao, C. Guo, Q. Sun, F. Jiang, L. Li, J. Li, D. Xu, C. Liu, H. Song // Materials Science and Engineering: A. – 2022. – Vol. 857. – P. 144044. – doi: 10.1016/j.msea.2022.144044.
  19. Material-design-process selection methodology for aircraft structural components: application to additive vs subtractive manufacturing processes / C. Hodonou, M. Balazinski, M. Brochu, C. Mascle // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 103. – P. 1509–1517. – doi: 10.1007/s00170-019-03613-5.
  20. Process selection charts based on economy and environment: subtractive or additive manufacturing to produce structural components of aircraft / C. Hodonou, O. Kerbrat, M. Balazinski, M. Brochu // International Journal on Interactive Design and Manufacturing. – 2020. – Vol. 14. – P. 861–873. – doi: 10.1007/s12008-020-00663-y.
  21. Mechanical testing and microstructural analysis of wire arc additively manufactured steels / C. Huang, P. Kyvelou, R. Zhang, T.B. Britton, L. Gardner // Materials & Design. – 2022. – Vol. 216. – P. 110544. – doi: 10.1016/j.matdes.2022.110544.
  22. Study of mechanical properties of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, A.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2021. – Vol. 22. – P. 66–71. – doi: 10.17580/cisisr.2021.02.12.
  23. Investigation of mechanical and fracture properties of wire and arc additively manufactured low carbon steel components / A. Ermakova, A. Mehmanparast, S. Ganguly, N. Razavi, F. Berto // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2020. – Vol. 109. – P. 102685. – doi: 10.1016/j.tafmec.2020.102685.
  24. Study of impact strength of C-Mn-Si composition metal after wire-arc additive manufacturing (WAAM) / A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, V.V. Kondratyev, Yu.I. Karlina // CIS Iron and Steel Review. – 2022. – Vol. 24. – P. 67–73. – doi: 10.17580/cisisr.2022.02.10.
  25. Porosity reduction in metal with hybrid wire and arc additive manufacturing technology (WAAM) / A.I. Karlina, V.V. Kondratyev, A.E. Balanovskiy, N.A. Astafyeva, E.A. Yamshchikova // CIS Iron and Steel Review. – 2024. – Vol. 27. – P. 91–95. – doi: 10.17580/cisisr.2024.01.14.
  26. Mechanical and microstructural testing of wire and arc additively manufactured sheet material / P. Kyvelou, H. Slack, D.D. Mountanou, M.A. Wadee, T.B. Britton, C. Buchanan, L. Gardner // Materials & Design. – 2020. – Vol. 192. – P. 108675. – doi: 10.1016/j.matdes.2020.108675.
  27. Microstructure and mechanical properties of medium carbon steel deposits obtained via wire and arc additive manufacturing using metal-cored wire / Z. Lin, C. Goulas, W. Ya, M.J.M. Hermans // Metals. – 2019. – Vol. 9 (6). – P. 673. – doi: 10.3390/met9060673.
  28. Review: The metal additive-manufacturing technology of the ultrasonic-assisted wire-and-arc additive-manufacturing process / Y. Cao, Y. Zhang, W. Ming, W. He, J. Ma // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 398. – doi: 10.3390/met13020398.
  29. Application of ultrasonic vibrations in welding and metal processing: a status review / S. Kumar, C.S. Wu, G.K. Padhy, W. Ding // Journal of Manufacturing Processes. – 2017. – Vol. 26. – P. 295–322. – doi: 10.1016/j.jmapro.2017.02.027.
  30. Investigation of macro and micro structures of compounds of high-strength rails implemented by contact butt welding using burning-off / M.G. Shtayger, A.E. Balanovskiy, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, A.I. Karlina, Yu.I. Karlina A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012190. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012190.
  31. Surface hardening of structural steel by cathode spot of welding arc / A.E. Balanovskiy, M.G. Shtayger, A.I. Karlina, S.K. Kargapoltsev, V.E. Gozbenko, Yu.I. Karlina, A.S. Govorkov, B.O. Kuznetsov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 560 (1). – P. 012138. – doi: 10.1088/1757-899X/560/1/012138.
  32. Wire and arc additive manufactured steel: tensile and wear properties / C.V. Haden, G. Zeng, F.M. Carter III, C. Ruhl, B.A. Krick, D.G. Harlow // Additive Manufacturing. – 2017. – Vol. 16. – P. 115–123. – doi: 10.1016/j.addma.2017.05.010.
  33. Analysis of fracture toughness properties of wire + arc additive manufactured high strength low alloy structural steel components / P. Dirisu, S. Ganguly, A. Mehmanparast, F. Martina, S. Williams // Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 765. – P. 138285. – doi: 10.1016/j.msea.2019.138285.
  34. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – doi: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.
  35. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – doi: 10.3390/app12010005.
  36. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – doi: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.
  37. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194 (2). – P. 022037. – doi: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.
  38. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Yu. Skeeba, P.Yu. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – doi: 10.1088/1755-1315/87/8/082061.
  39. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – C. 62–83. – doi: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.
  40. Исследование процесса автоматического управления сменой полярности тока в условиях гибридной технологии электрохимической обработки коррозионностойких сталей / М.А. Борисов, Д.В. Лобанов, А.С. Янюшкин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 1. – С. 6–15. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-6-15.
  41. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – doi: 10.1007/s11015-022-01271-9.
  42. Plasma-arc surface modification of metals in a liquid medium / A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, V.V. Kondrat'ev, V. Van Huy, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012013. – doi: 10.1088/1757-899X/411/1/012013.
  43. Capability enhancement of production of activating fluxes for arc welding using ultradispersed products of silicon waste processing / N.N. Ivanchik, A.E. Balanovsky, M.G. Shtayger, I.A. Sysoev, A.I. Karlina // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 411 (1). – P. 012035. – doi: 10.1088/1757-899X/411/1/012035.
  44. Karlina A.I., Karlina Y.I., Gladkikh V.A. Studying the microstructure, phase composition, and wear resistance of alloyed layers after laser surface melting of low-carbon steel 20 // Metallurgist. – 2024. – Vol. 68. – P. 757–766. – doi: 10.1007/s11015-024-01782-7.
  45. Study of wear of an alloyed layer with chromium carbide particles after plasma melting / A.I. Karlina, Y.I. Karlina, V.V. Kondratiev, R.V. Kononenko, A.D. Breki // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 1696. – doi: 10.3390/cryst13121696.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».