Study of the properties of silicon bronze-based alloys printed using electron beam additive manufacturing technology

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Additive technologies make it possible to curb material expenses by reducing allowances for the final dimensional machining of workpieces. For such expensive materials as copper and copper alloys, this method is considerably attractive from a perspective of increasing resource efficiency in production. The operational properties of the C65500 alloy manufactured using additive technologies have not been fully studied and require additional research. The aim of the work is to study the structural and phase state, mechanical and operational properties of C65500 bronze specimens printed using electron beam additive manufacturing technology. In the work, specimens made of C65500 wire with different heat input values are studied, some of which were subjected to thermal treatment and mechanical processing, as well as specimens, manufactured using multi-wire technology. The work uses such research methods as the study of corrosion resistance of bronze specimens using a potentiostat, confocal laser scanning microscopy, friction tests and X-ray phase analysis. Results and discussion. Processing of specimens by plastic deformation (compression) and subsequent annealing leads to the most serious structural changes. Based on X-ray phase analysis, it is found that higher silicon content is observed in the case of the addition of silumins to bronze. The study of mechanical properties shows that the specimens, printed using multi-wire technology, have the highest strength properties. During tribological testing, fluctuations in the value of the friction coefficient are revealed, due to the scheme of the experiment and the combined adhesive-oxidative mechanism of specimens’; wear. The addition of 10 wt.% aluminum filament to bronze in the additive manufacturing process is an effective means for increasing the resistance of the material to electrochemical corrosion and increasing its wear resistance.

About the authors

A. V. Filippov

Email: avf@ispms.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, avf@ispms.ru

E. S. Khoroshko

Email: eskhoroshko@gmail.com
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eskhoroshko@gmail.com

N. N. Shamarin

Email: shnn@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, shnn@ispms.ru

E. A. Kolubaev

Email: eak@ispms.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eak@ispms.ru

S. Yu. Tarasov

Email: tsy@ispms.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tsy@ispms.ru

References

  1. Schütze M., Feser R., Bender R. Corrosion resistance of copper and copper alloys. – Wiley, 2011. – 752 p.
  2. Horn T.J., Gamzina D. Additive manufacturing of copper and copper alloys // Additive Manufacturing Processes. – ASM International, 2020. – P. 388–418. – doi: 10.31399/asm.hb.v24.a0006579.
  3. Adler L., Fu Z., Koerner C. Electron beam based additive manufacturing of Fe3Al based iron aluminides – processing window, microstructure and properties // Materials Science and Engineering A. – 2020. – Vol. 785. – P. 139369. – doi: 10.1016/j.msea.2020.139369.
  4. Evaluation of electron beam powder bed fusion additive manufacturing of high purity copper for overhang structures using in-situ real time backscatter electron monitoring / C. Ledford, C. Rock, M. Tung, H. Wang, J. Schroth, T. Horn // Procedia Manufacturing. – 2020. – Vol. 48. – P. 828–838. – doi: 10.1016/j.promfg.2020.05.120.
  5. Obtaining of bimetallic product from nickel superalloy and heat-resistant bronze by wire-feed electron beam additive manufacturing / A.V. Chumaevskii, E.A. Kolubaev, K.S. Osipovich, D.A. GurIanov, V.E. Rubtsov, S.Y. Nikonov, A.E. Boltrushevich // Russian Physics Journal. – 2022. – Vol. 65. – P. 1231–1238. – doi: 10.1007/s11182-022-02756-5.
  6. A novel approach for powder bed-based additive manufacturing of compositionally graded composites / Z. Fu, J. Ye, M. Franke, C. Körner // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 56. – P. 102916. – doi: 10.1016/j.addma.2022.102916.
  7. Characterization of gradient CuAl–B4C composites additively manufactured using a combination of wire-feed and powder-bed electron beam deposition methods / A.V. Filippov, E.S. Khoroshko, N.N. Shamarin, N.L. Savchenko, E.N. Moskvichev, V.R. Utyaganova, E.A. Kolubaev, A.Y. Smolin, S.Y. Tarasov // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 859. – P. 157824. – doi: 10.1016/j.jallcom.2020.157824.
  8. Aluminum Bronze/Udimet 500 composites prepared by electron-beam additive double-wire-feed manufacturing / A. Zykova, A. Chumaevskii, A. Panfilov, A. Vorontsov, A. Nikolaeva, K. Osipovich, A. Gusarova, V. Chebodaeva, S. Nikonov, D. Gurianov, A. Filippov, A. Dobrovolsky, E. Kolubaev, S. Tarasov // Materials (Basel). – 2022. – Vol. 15. – P. 6270. – doi: 10.3390/ma15186270.
  9. Small scale testing of IN718 single crystals manufactured by EB-PBF / M.R. Gotterbarm, M. Seifi, D. Melzer, J. Dzugan, A.A. Salem, Z.H. Liu, C. Körner // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 36. – P. 101449. – doi: 10.1016/j.addma.2020.101449.
  10. Electron-optical in-situ crack monitoring during electron beam powder bed fusion of the Ni-base superalloy CMSX-4 / J. Bäreis, N. Semjatov, J. Renner, J. Ye, F. Zongwen, C. Körner // Progress in Additive Manufacturing. – 2022. – doi: 10.1007/s40964-022-00357-9.
  11. Features of the macro-, micro-, and fine structure of the nickel superalloy product material formed by the method of electron beam additive manufacturing / S. Fortuna, D. Gurianov, S. Nikonov, K. Ivanov, Y. Mironov, A. Vorontsov // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 8882. – doi: 10.3390/ma15248882.
  12. Assessment of structure and properties homogeneity after repairing of a nickel-based superalloy product by the electron beam additive technology / D. Gurianov, S. Fortuna, S. Nikonov, T. Kalashnikova, A. Chumaevskii, V. Utyaganova, E. Kolubaev, V. Rubtsov // Crystals. – 2022. – Vol. 12. – P. 1400. – doi: 10.3390/cryst12101400.
  13. Microstructure and properties of TiAl processed via an electron beam powder bed fusion capsule technology / J. Bieske, M. Franke, M. Schloffer, C. Körner // Intermetallics. – 2020. – Vol. 126. – P. 106929. – doi: 10.1016/j.intermet.2020.106929.
  14. In-situ aluminum control for titanium aluminide via electron beam powder bed fusion to realize a dual microstructure / J. Knörlein, M.M. Franke, M. Schloffer, C. Körner // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 59. – P. 103132. – doi: 10.1016/j.addma.2022.103132.
  15. Impact of the power-dependent beam diameter during electron beam additive manufacturing: a case study with γ-TiAl / M. Reith, C. Breuning, M. Franke, C. Körner // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12. – P. 11300. – doi: 10.3390/app122111300.
  16. Electron beam-based additive manufacturing of Fe93.5Si6.5 (Wt.%) soft magnetic material with controllable magnetic performance / J. Yang, Z. Fu, J. Ye, D. Kübrich, C. Körner // Scripta Materialia. – 2022. – Vol. 210. – P. 114460. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2021.114460.
  17. Characterization of AA7075/AA5356 gradient transition zone in an electron beam wire-feed additive manufactured sample / V. Utyaganova, A. Filippov, S. Tarasov, N. Shamarin, D. Gurianov, A. Vorontsov, A. Chumaevskii, S. Fortuna, N. Savchenko, V. Rubtsov, E. Kolubaev // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 172. – P. 110867. – doi: 10.1016/j.matchar.2020.110867.
  18. Controlling the porosity using exponential decay heat input regimes during electron beam wire-feed additive manufacturing of Al-Mg alloy / V.R. Utyaganova, A.V. Filippov, N.N. Shamarin, A.V. Vorontsov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, D.A. Gurianov, A.V. Chumaevskii, V.E. Rubtsov, S.Yu. Tarasov // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2020. – Vol. 108. – P. 2823–2838. – doi: 10.1007/s00170-020-05539-9.
  19. Processing, microstructure, and mechanical behavior of AZ31 magnesium alloy fabricated by electron beam additive manufacturing / X. Zhang, H. Shi, X. Wang, S. Zhang, P. Luan, X. Hu, C. Xu // Journal of Alloys and Compounds. – 2023. – Vol. 938. – P. 168567. – doi: 10.1016/j.jallcom.2022.168567.
  20. Wolf T., Fu Z., Körner C. Selective electron beam melting of an aluminum bronze: microstructure and mechanical properties // Materials Letters. – 2019. – Vol. 238. – P. 241–244. – doi: 10.1016/j.matlet.2018.12.015.
  21. Formation of microstructure and mechanical characteristics in electron beam additive manufacturing of aluminum bronze with an in-situ adjustment of the heat input / A.P. Zykova, A.O. Panfilov, A.V. Chumaevskii, A.V. Vorontsov, S.Yu. Nikonov, E.N. Moskvichev, D.A. Gurianov, N.L. Savchenko, S.Yu. Tarasov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2022. – Vol. 65, iss. 5. – P. 811–817. – doi: 10.1007/s11182-022-02701-6.
  22. The effect of heat input, annealing, and deformation treatment on structure and mechanical properties of electron beam additive manufactured (EBAM) silicon bronze / A. Filippov, N. Shamarin, E. Moskvichev, N. Savchenko, E. Kolubaev, E. Khoroshko, S. Tarasov // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 3209. – doi: 10.3390/ma15093209.
  23. Structure and mechanical properties of Cu–Al–Si–Mn system-based copper alloy obtained by additive manufacturing / E.S. Khoroshko, A.V. Filippov, N.N. Shamarin, E.N. Moskvichev, V.R. Utyaganova, S.Yu. Tarasov, N.L. Savchenko, E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, D.V. Lychagin // Russian Physics Journal. – 2021. – Vol. 64. – P. 333–339. – doi: 10.1007/s11182-021-02333-2.
  24. Casting of copper and copper alloys casting // ASM Handbook. Vol. 15. – ASM International, 2008. – P. 1026–1048.
  25. Dynamic and post-dynamic recrystallization under hot, cold and severe plastic deformation conditions / T. Sakai, A. Belyakov, R. Kaibyshev, H. Miura, J.J. Jonas // Progress in Materials Science. – 2014. – Vol. 60. – P. 130–207. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2013.09.002.
  26. Ponweiser N., Richter K.W. New investigation of phase equilibria in the system Al–Cu–Si // Journal of Alloys and Compounds. – 2012. – Vol. 512. – P. 252–263. – doi: 10.1016/j.jallcom.2011.09.076.
  27. Iqbal J., Ahmed F., Hasan F. Development of microstructure in silicon-aluminum-bronze // Pakistan Journal of Engineering and Applied Sciences. – 2008. – Vol. 3. – P. 47–53.
  28. Miettinen J. Thermodynamic description of the Cu–Al–Si system in the copper-rich corner // Calphad. – 2007. – Vol. 31. – P. 449–456. – doi: 10.1016/j.calphad.2007.05.001.
  29. Hisatsune C. Constitution diagram of the copper–silicon–aluminium system // Memoirs of the College of Engineering, Kyoto Imperial University. – 1935. – Vol. 9. – P. 18–47.
  30. Wilson F.H. The copper-rich corner of the copper-aluminum-silicon diagram // Metals Technology. – 1948. – Vol. 15. – P. 1–12.
  31. Calorimetric measurements and assessment of the binary Cu–Si and ternary Al–Cu–Si phase diagrams / B. Hallstedt, J. Gröbner, M. Hampl, R. Schmid-Fetzer // Calphad. – 2016. – Vol. 53. – P. 25–38.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a 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».