Formation of Criteria for Evaluating the Suitability of the Use of Filler Materials Made of Nickel Alloys in Additive Technologies of 3$D$ Surfacing

O. V. Yarovytsyn$^{1}$, M. O. Cherv’yakov$^{1}$, I. R. Volosatov$^{1}$, H. D. Khrushchov$^{1}$, V. A. Pyestov$^{1}$, O. O. Nakonechnyy$^{1}$, L. V. Cherv’yakova$^{1}$, S. O. Voronin$^{1}$, S. L. Chyhyleychyk$^{2}$, S. Ye. Kondratyuk$^{3}$, N. P. Zhelyeznyak$^{3}$, S. A. Kamenyeva$^{4}$, V. T. Zubkova$^{4}$

$^{1}$Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, ул. Казимира Малевича, 11, 03150 Киев, Украина
$^{2}$АО «Мотор Сич», просп. Моторостроителей, 15, 69068 Запорожье, Украина
$^{3}$Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 34/1, 03142 Киев, Украина
$^{4}$State Enterprise Ukrainian Special Steels Institute, 74-A Patriotychna Str, UA-69005 Zaporizhzhya, Ukraine

Получена: 30.09.2023; окончательный вариант - 15.11.2023. Скачать: PDF

During selection of filler materials for 3$D$ deposition additive technologies, it is important to clarify the deformation capacity of multilayer-deposited metal in its ‘as-built’ structural state, which in its turn is suggested to be correlated with experimental data on ensuring or not ensuring the technological strength of corresponding products. A testing method of nickel alloys planned for applied application in 3$D$ deposition technologies is proposed and based on conducting evaluation mechanical tests for multilayer-deposited metal, including longitudinal tensile tests (20, 1000, 1100°С), static and impact bending tests (20°С). This method is approved by testing on 14 types of wire- and powder-based filler material. Corresponding deposited metal of Hastelloy C22, Inconel 625, ЭП648, ЧС40, Inconel 718, Inconel 939, Rene 80, Inconel 738LC, ЖС6К, ЖС6У, ЖС32 nickel alloys is obtained by multilayer arc-welding deposition of ‘vertical wall’-type workpieces. Two technological factors affecting deformational capacity of nickel-alloy-deposited metal in ‘as-built’ structural state have been exposed: the chemical composition by criteria of Al, Ti, Nb, Ta, W main alloying-elements’ content, which, given their certain amount, are capable of forming ${\gamma}'$-phase precipitate hardening; average weight content of oxygen and nitrogen. Based on the obtained experimental data on critical deformation $\varepsilon$, maximum bend angle before cracking $\beta$ and impact strength $KCU$ values, it is proposed to divide the nickel-alloy-deposited metal into three groups, which correlate with the possibility to provide technological strength at the current level of beam and arc 3$D$ deposition technological development.

Ключевые слова: additive 3$D$ technologies, technological strength, heat-resistant and high-temperature strength nickel alloys, ‘as-built’ structural state, mechanical tests, deformational capacity of deposited metal, average weight content of oxygen and nitrogen.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v46/i02/0129.html

PACS: 06.60.Vz, 46.50.+a, 62.20.mt, 68.35.bd, 81.05.Bx, 81.20.Vj, 81.40.Np


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. I. Gibson, D. Rosen, and B. Stucker, Additive Manufacturing Technologies 3D Printing, Rapid Prototyping and Direct Digital Manufacturing (New York: Springer Science  Business Media: 2015). Crossref
  2. D. Gu, Laser Additive Manufacturing of High-Performance Materials (Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag: 2015).
  3. М. А. Зленко, М. В. Нагайцев, В. М. Довбыш, Аддитивные технологии в машиностроении (Москва: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»: 2015).
  4. H. Wang, W. Jiang, M. Valant, and R. Kovacevic, Proc. Institution of Mechanical Eng. B. J Eng. Manufacture, 217, Iss. 12: 1641 (2003). Crossref
  5. V. Korzhyk, V. Khaskin, O. Voitenko, V. Sydorets, and O. Dolianovskaia, Mater. Sci. Forum, 906: 121 (2017). Crossref
  6. С. Л. Чигилейчик, І. А. Петрик, О. В. Овчинников, С. В. Кирилаха, Авіаційно-космічна техніка та технологія, 177, № 1: 57 (2022).
  7. ISO 17641-1:2004. Destructive Tests on Welds in Metallic Materials—Hot Cracking Tests for Weldments—Arc Welding Processes. Part 1 (ISO copyright office: 2004).
  8. Г. Б. Талыпов, Сварочные деформации и напряжения (Ленинград: Машиностроение: 1973).
  9. В. И. Mахненко, Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций (Киев: Наукова думка: 1976).
  10. Y.-C. Hagedorn, J. Risse, W. Meiners, N. Pirch, K. Wissenbach, and R. Poprawe, High Value Manufacturing: Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping (Eds. P. J. Bartolo, A. C. S. de Lemos, A. M. H. Pereira, A. J. Dos Santos Mateus, C. Ramos, C. Dos Santos, D. Oliveira, E. Pinto, F. Craveiro, H. M. C. da Rocha Terreiro Galha Bartolo, H. Almeida, I. Sousa, J. Matias, L. Durao, M. Gaspar, N. M. F. Alves, P. Carreira, and T. Ferreira, T. Marques) (CRC Press: 2013), p. 291. Crossref
  11. Е. А. Лукина, К. О. Базалеева, Н. В. Петрушин, Е. В. Цветкова, Цветные металлы, № 3: 55 (2016).
  12. Н. В. Петрушин, А. Г. Евгенов, А. Г. Тренников, А. В. Заводов, Материалы ІІІ Международной конференции «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» (23 марта, 2017) (Москва: 2017), c. 271.
  13. J. S. Zuback and T. DebRoy, Materials, No. 11: 2070 (2018). Crossref
  14. J.-U. Park, S.-Y. Jun, B. H. Lee, J. H. Jang, B.-S. Lee, H.-J. Lee, J.-H. Lee, and H.-U. Hong, Additive Manufacturing, 52, No. 4: 102680 (2022) Crossref
  15. О. С. Воденнікова, М. О. Коваль, С. А. Воденніков, Металознавство та обробка металів, 28, № 2: 12 (2022). Crossref
  16. O. S. Vodennikova, M. O. Koval, and S. A. Vodennikov, Металлофиз. новейшие технол., 43, № 7: 925 (2021). Crossref
  17. К. А. Ющенко, Г. В. Звягінцева, О. В. Яровицин, М. О. Черв’яков, Г. Д. Хрущов, І. Р. Волосатов, Металофіз. новітні технол., 41, № 10: 1345 (2019).
  18. О. В. Яровицин, Металознавство та обробка металів, 26, № 2: 38 (2020). Crossref
  19. K. A. Yushchenko, O. V. Yarovitsyn, O. O. Nakonechnyi, I. R. Volosatov, O. O. Fomakin, and G. D. Khrushchov, The Paton Welding J., No. 11: 25 (2020). Crossref
  20. ГОСТ 6996-66. Сварные соединения. Методы определения механических свойств (Москва: 2006).
  21. K. A. Yushchenko, V. S. Savchenko, L. V. Chervyakova, S. David, and J. Vitek, The Paton Welding J., No. 6: 2 (2005).
  22. І. А. Петрик, Процеси відновлення зварюванням та паянням лопаток газотурбінних двигунів з важкозварюваних сплавів на нікелевій та титановій основі (Автореф. дис.  канд. техн. наук) (Київ: ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України: 2007).
  23. ISO 4491-4:2013(E). Metallic Powders—Determination of Oxygen Content Reduction Methods—Part 4. Total Oxygen by Reduction-Extraction (ISO copyright office: 2013).
  24. ASTME E1019-11. Standard Test Methods for Determination of Carbon, Sulfur, Nitrogen, and Oxygen in Steel, Iron, Nickel, and Cobalt Alloys by Various Combustion and Fusion Techniques (ASTM International: 2011).
  25. EN ISO 14175-2008. Welding Consumables—Gases and Gas Mixtures for Fusion Welding and Allied Processes (ISO copyright office: 2008).
  26. М. Ю. Каховський, А. В. Гуляєв, О. В. Яровицин, М. О. Черв’яков, Озброєння та військова техніка, 12, № 4: 61 (2016).
  27. A. V. Yarovitsyn, K. A. Yushchenko, A. A. Nakonechny, and I. A. Petrik, The Paton Welding J., No. 6: 31 (2009).
  28. K. A. Yushchenko, A. V. Yarovitsyn, N. O. Chervyakov, A. V. Zvyagintseva, I. R. Volosatov, and G. D. Khrushchov, The Paton Welding J., No. 7: 29 (2019). Crossref
  29. ISO/ASTM 52900:2015(E). Standard Terminology for Additive Manufacturing—General Principles—Terminology (ISO copyright office: 2015).
  30. Ч. Симс, Н. Столлов, В. Хагель, Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок (Москва: Металлургия: 1995).
  31. С. Т. Кишкин, Создание, исследование и применение жаропрочных сплавов (Москва: Наука: 2006).
  32. R. C. Reed, The Superalloys Fundamentals and Applications (Cambridge: Cambridge University Press: 2006).
  33. В. И. Лакомский, Плазменно-дуговой переплав (Ред. Б. Е. Патон) (Київ: Техніка: 1974).
  34. А. А. Ерохин, Плазменно-дуговая плавка металлов и сплавов. Физико-химические процессы (Москва: Наука: 1978).
  35. О. В. Яровицин, А. В. Микитчик, Металофіз. новітні технол., 43, № 4: 519 (2021). Crossref
  36. K. A. Yushchenko and A. V. Yarovitsyn, The Paton Welding J., No. 6–7: 115 (2014). Crossref
  37. В. П. Кузнецов, В. П. Лесников, И. П. Конакова, Структура и свойства жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ (Екатеринбург: Квист: 2010).
  38. Марочник сталей и сплавов (Ред. А. С. Зубченко) (Москва: Машиностроение: 2003).
  39. ISO/TR 17641-3:2005. Destructive Tests on Welds in Metallic Materials—Hot Cracking Tests for Weldments—Arc Welding Processes. — Part 3. Externally Loaded Tests (ISO copyright office: 2005).
  40. А. Г. Евгенов, С. В. Неруш, С. А. Василенко, Труды ВИАМ, № 5 (2014).
  41. С. В. Неруш, А. С. Ермолаев, А. М. Рогалев, С. А. Василенко, Труды ВИАМ, № 8 (2016).
  42. ТУ 1-92-177-91. Заготовка шихтовая мерная литейных жаропрочных сплавов вакуумной выплавки. Изменение № 5.
  43. R. Acharya, J. J. Gambone, M. A. Kaplan, G. E. Fuchs, N. G. Rudawski, and S. Das, Adv. Eng. Mater., 17, Iss. 7: 942 (2015). Crossref
  44. EOS Nickel Alloy IN939 Material Data Sheet https://www.eos.info/03_system-related-assets/material-related-contents/metal-materials-and-examples/metal-material-datasheet/nickelalloy-inconel/material_datasheet_eos_nickelalloy_in939_premium_en_web.pdf
  45. К. А. Ющенко, О. В. Яровицин, Г. Д. Хрущов, І. А. Петрик, С. Л. Чигилейчик, Космічна наука і технологія, 28, № 3: 3 (2022). Crossref
  46. J. C. Lippold, Welding Metallurgy and Weldability (John Willey and Sons: 2015). Crossref
  47. Y. T. Tang, C. Panwisawas, J. N. Ghoussoub, Y. Gong , J. W. G. Clark, A. A. N. Németh, D. G. McCartney, and R. C. Reed, Acta Mater., 202, No. 1: 417 (2021). Crossref