Формування критеріїв оцінки придатности застосування присадних матеріялів з ніклевих стопів у адитивних технологіях 3$D$-натоплення

О. В. Яровицин$^{1}$, М. О. Черв’яков$^{1}$, І. Р. Волосатов$^{1}$, Г. Д. Хрущов$^{1}$, В. А. Пєстов$^{1}$, О. О. Наконечний$^{1}$, Л. В. Черв’якова$^{1}$, С. О. Воронін$^{1}$, С. Л. Чигилейчик$^{2}$, С. Є. Кондратюк$^{3}$, Н. П. Желєзняк$^{3}$, С. А. Каменєва$^{4}$, В. Т. Зубкова$^{4}$

$^{1}$Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, вул. Казимира Малевича, 11, 03150 Київ, Україна
$^{2}$АТ «МОТОР СІЧ», просп. Моторобудівників, 15, 69068 Запоріжжя, Україна
$^{3}$Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 34/1, 03142 Київ, Україна
$^{4}$ДП «УкрНДІспецсталь», вул. Патріотична, 74-А, 69005 Запоріжжя, Україна

Отримано: 30.09.2023; остаточний варіант - 15.11.2023. Завантажити: PDF

Під час вибору присадних матеріялів для адитивних технологій 3$D$-натоплення важливу роль набуває уточнення деформаційної здатности багатошарового натопленого металу у структурному стані «as built», яку, в свою чергу, пропонується співвідносити з експериментальними даними забезпечення/незабезпечення технологічної міцности відповідних виробів. Запропоновано методику тестування присадного матеріялу ніклевого стопу для планованого застосування у технологіях 3$D$-натоплення, що ґрунтується на проведенні для одержаного багатошарового натопленого металу оціночних механічних випробувань на повздовжній статичний розтяг (20, 1000, 1100°С), статичне та ударне загинання (20°С). Зазначену методику верифіковано шляхом тестування 14 видів присадного матеріялу у формі дроту та порошку. Відповідний натоплений метал ніклевих стопів Hastelloy C22, Inconel 625, ЭП648, ЧС40, Inconel 718, Inconel 939, Rene 80, Inconel 738LC, ЖС6К, ЖС6У, ЖС32 був одержаний багатошаровим дуговим натопленням заготовок «вертикальна стінка». Виявлено два чинники технологічного впливу на деформаційну здатність натопленого металу ніклевих стопів у структурному стані «as built»: хемічний склад стопу за вмістом основних леґувальних елементів Аl, Ti, Nb, Ta, W, здатних за певної їхньої кількости утворювати ${\gamma}'$-фазу для дисперсного зміцнення; середньоваговий вміст домішок Оксиґену та Нітроґену. За одержаними експериментальними даними критичної руйнівної деформації $\varepsilon$ , максимального кута загинання до утворення тріщини $\beta$ та показника ударної в’язкости $KCU$ запропоновано натоплений метал ніклевих стопів поділяти на три групи, що на сучасному етапі розвитку технологій променевого та дугового 3$D$-натоплення співвідносяться з можливістю забезпечення його технологічної міцности.

Ключові слова: адитивні технології 3D-натоплення, технологічна міцність, жаротривкі та жароміцні ніклеві стопи, структурний стан «as built», механічні випробування, деформаційна здатність натопленого металу, середньоваговий вміст домішок Оксиґену та Нітроґену.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/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


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  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