Сравнительный анализ структуры и механических свойств аддитивных изделий, полученных электронно-лучевым методом и холодным переносом металла

В настоящий момент наиболее перспективными направлениями развития техники являются прототипирование и производство изделий с применением аддитивных технологий. В противовес более точным порошковым методам особый интерес вызывают более быстрые проволочные технологии, которые позволяют производить изделия без пор. В настоящей работе проводится сравнительный анализ влияния двух проволочных технологий – электронно-лучевого аддитивного производства и холодного переноса металла – на структуру и механические свойства алюминиевого сплава АМг5. При оптимальных параметрах печати мощности электронного луча и дуги были близкими по величине, но за счет импульсного характера дуги процесс холодного переноса металла более экономичен. Кроме того, дуговой метод осуществляется в атмосфере аргона, что ускоряет охлаждение наносимого слоя. В целом из-за меньшего тепловложения и ускоренного охлаждения зеренная структура материала измельчается, что приводит к повышению прочности и микротвердости. Изза постоянного удаления от подложки и увеличения массы изделия тепловые условия нанесения последующего слоя меняются, что контролируется снижением мощности пучка/дуги, однако каждый слой имеет свою тепловую историю, что влияет на структуру и свойства материала. В частности, чем больше тепла воспринимает слой от предыдущих слоев, тем он менее прочный. При пересечении некоторой высоты (около 30 мм) охлаждение интенсифицируется за счет большой массы изделия, и прочность снова увеличивается. Это наиболее характерно для процесса холодного переноса металла. Однако данные колебания довольно небольшие, механические свойства по высоте обладают высокой стабильностью в обеих технологиях. Также в процессе холодного переноса металла обнаружено меньшее выгорание легирующего магния. В целом на данный момент метод холодного переноса металла более экономичен и позволяет получать более качественные изделия.

1. Olakanmi E.O., Cochrane R.F., Dalgarno K.W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties. Prog. Mater. Sci. 2015. Vol. 74. P. 401—477.

2. Körner C. Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting. A review. Int. Mater. Rev. 2016. Vol. 61. P. 361—377.

3. Herzog D., Seyda V., Wycisk E., Emmelmann C. Additive manufacturing of metals. Acta Mater. 2016. Vol. 117. P. 371—392.

4. Gu D.D., Meiners W., Wissenbach K., Poprawe R. Laser additive manufacturing of metallic components: Materials, processes and mechanisms Int. Mater. Rev. 2012. Vol. 57. P. 133—164.

5. King W.E., Anderson A.T., Ferencz R.M., Hodge N.E., Kamath C., Khairallah S.A., Rubenchik A.M. Laser powder bed fusion additive manufacturing of metals; physics, computational, and materials challenges. Appl. Phys. Rev. 2015. Vol. 2. No. 041304.

6. Lewandowski J.J., Seifi M. Metal Additive Manufacturing: A Review of mechanical properties. Annu. Rev. Mater. Res. 2016. Vol. 46. P. 151—186.

7. Collins P.C., Brice D.A., Samimi P., Ghamarian I., Fraser H.L. Microstructural control of additively manufactured metallic materials. Annu. Rev. Mater. Res. 2016. Vol. 46. P. 63—91.

8. Bourell D.L. Perspectives on additive manufacturing. Annu. Rev. Mater. Res. 2016. Vol. 46. P. 1—18.

9. Sames W.J., List F.A., Pannala S., Dehoff R.R., Babu S.S. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing. Int. Mater. Rev. 2016. Vol. 61. P. 315—360.

10. Shen C., Pan Z., Ding D., Yuan L., Nie N., Wang Y., Luo D., Cuiuri D., van Duin S., Li H. The influence of post-production heat treatment on the multi-directional properties of nickel-aluminum bronze alloy fabricated using wire-arc additive manufacturing process. Addit. Manuf. 2018. Vol. 23. P. 411—421.

11. Gushchina M.O., Klimova-Korsmik O.G., Vildanov A.M., Shalnova S.A., Tataru A.S., Norman E.A. Influence of the protective atmosphere on the structure and properties parts from titanium alloy Ti—6Al—4V produced by direct laser deposition. IOP Conf. Ser.: J. Phys. 2018. Vol. 1109. No. 012060.

12. King W.E., Barth H.D., Castillo V.M., Gallegos G.F., Gibbs J.W., Hahn D.E., Kamath C., Rubenchik A.M. Observation of keyhole-mode laser melting in laser powder-bed fusion additive manufacturing. J. Mater. Process Technol. 2014. Vol. 214. P. 2915—2925.

13. Feng X., Zhang Z., Cui X., Jin G., Zheng W., Liu H. Additive manufactured closed-cell aluminum alloy foams via laser melting deposition process. Mater. Lett. 2018. Vol. 233. P. 126—129.

14. Ayarkwa K.F., Williams S.W., Ding J. Assessing the effect of TIG alternating current time cycle on aluminium wire + arc additive manufacture. Addit. Manuf. 2017. Vol. 18. P. 186—193.

15. Qi Z., Qi B., Cong B., Sun H., Zhao G., Ding J. Microstructure and mechanical properties of wire + arc additively manufactured 2024 aluminum alloy components: As-deposited and post heat-treated. J. Manuf. Process. 2019. Vol. 40. P. 27—36.

16. Ryan E.M., Sabin T.J., Watts J.F., Whiting M.J. The influence of build parameters and wire batch on porosity of wire and arc additive manufactured aluminium alloy 2319. J. Mater. Process Technol. 2018. Vol. 262. P. 577—584.

17. Uddin S.Z., Murr L.E., Terrazas C.A., Morton P., Roberson D.A., Wicker R.B. Processing and characterization of crack-free aluminum 6061 using high-temperature heating in laser powder bed fusion additive manufacturing. Addit. Manuf. 2018. Vol. 22. P. 405—415.

18. Hallmann S., Wolny T., Emmelmann C. Post-processing of additively manufactured cutting edges by laser ablation. Procedia CIRP. 2018. Vol. 74. P. 276—279.

19. Kalashnikov K.N., Rubtsov V.E., Savchenko N.L., Kalashnikova T.A., Osipovich K.S., Eliseev A.A., Chumaevskii A.V. The effect of wire feed geometry on electron beam freeform 3D printing of complex-shaped samples from Ti— 6Al—4V alloy. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019. Vol. 105. Р. 3147—3156. DOI: 10.1007/s00170-019-04589-y.

20. Filippov A.V., Fortuna S.V., Gurianov D.A., Kalashnikov K.N. On the problem of formation of articles with specified properties by the method of electron beam freeform fabrication. IOP Conf. Ser.: J. Phys. 2018. Vol. 1115. No. 042044.

21. Cong B., Ding J., Williams S. Effect of arc mode in cold metal transfer process on porosity of additively manufactured Al—6.3%Cu alloy. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2015. Vol. 76. P. 1593—1606.

22. Eliseev A.A., Kalashnikova T.A., Fortuna S.V. Structure of AA5056 after friction drilling. AIP Conf. Proc. 2017. Vol. 1909. No. 020039.