Особенности структуры и механические свойства стали ПР-03Н18К9М5ТЮ, полученной методом селективного лазерного сплавления в сочетании с постобработкой

Методом селективного лазерного сплавления (СЛС) в среде азота был получен материал из стали марки ПР-03Н18К9М5ТЮ (аналог ЧС4). Изучено влияние горячего изостатического прессования (ГИП) и термообработки (ТО) – закалки (З) и старения (С) – на структуру и физико-механические свойства (σ_в, σ_0,2, δ, ψ) СЛС-материала. Для анализа влияния постобработки (ГИП + ТО) на прочностные характеристики проведены испытания на разрыв. Проанализировано изменение остаточной пористости в результате различных режимов постобработки. Установлено повышение прочностных и пластических характеристик материала с наименьшей концентрацией структурных дефектов и минимальной остаточной пористостью. Исследованы микроструктура и изменения, происходящие в материале под влиянием различных технологических режимов термообработки. Мелкозернистая однородная структура, полученная при сочетании СЛС с ГИП и ТО, обеспечивает оптимальные показатели прочностных и пластических свойств материала. Прирост механических свойств обусловлен дисперсным упрочнением в результате выделения избыточной фазы Ni₃Ti. Фрактографический анализ образцов показал, что в результате постобработки разрушение материала происходит по вязко-ямочному механизму путем среза и отрыва с образованием изломов смешанного типа. Изломы образцов, с наилучшими показателями механических свойств, характеризуются однородной поверхностью вязкого внутрезеренного разрушения с выраженными признаками пластической деформации Методом измерительного индентирования определены твердость (Н), модуль упругости (Е) и степень упругого восстановления. Значения твердости и модуля упругости возрастают от Н = 4,6 ГПа и Е = 194 ГПа для образца в состоянии ГИП до Н = 8,5 ГПа, Е = 256 ГПа для образца после ГИП + З + С.

1. Ullah R., Akmal J.S. Anisotropy of additively manufactured 18Ni300 maraging steel: threads and surface characteristics. Procedia CIRP. 2020;93:68—78. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.04.059

2. Kucerova L., Zetkova I., Jenicek S., Burdova K. Hybrid parts produced by deposition of 18Ni300 maraging steel via selective laser melting on forged and heat treated advanced high strength steel. Additive Manufacturing. 2020;32:100—111. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101108

3. Yuchao Bai, Cuiling Zhao, Jiayi Zhang, Hao Wang. Abnormal thermal expansion behaviour and phase transition of laser powder bed fusion maraging steel with different thermal histories during continuous heating. Additive Manufacturing. 2022;53:102712. https://doi.org/10.1016/j.jsis.2019.01.003

4. Dinghui Liu, Jie Su, Ao Wang, Zhuoyue Yang, Jiaoxi Yang, Zhen Wang, Yali Ding, Geng Liu. Tailoring the microstructure and mechanical properties of FeCrNiCoMo maraging stainless steel after laser melting deposition. Materials Science and Engineering: A. 2022;840:142931. https://doi.org/10.1016/j.jsis.2019.01.003

5. Vishwakarma J., Chattopadhyay K., Santhi Srinivas N.C. Effect of build orientation on microstructure and tensile behaviour of selectively laser melted M300 maraging steel. Materials Science and Engineering: A. 2020;798:140130. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140130

6. Souza A.F., Al-Rubaie K.S., Marques S., Zluhan B., Santos E.C. Effect of laser speed, layer thickness, and part position on the mechanical properties of maraging 300 parts manufactured by selective laser melting. Materials Science and Engineering: A. 2019;767:138425. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138425

7. Каясова А.О., Левашов Е.А. Особенности влияния горячего изостатического прессования и термообработки на структуру и свойства мартенситно-стареющей стали, полученной методом селективного лазерного сплавления. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022;16(4):84—92. http://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-84-92

8. Kaplanscky Yu.Yu., Levashov E.A., Korotitskiy A.V., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Mazalov A.B. Influence of aging and HIP treatment on the structure and properties of NiAl-based turbine blades manufactured by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing. 2020;31:100999. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100999

9. Sentyurina Zh.A., Baskov F.A., Loginov P.A., Kaplanskii Yu.Yu. Mishukov A.V. Logachev I.A., Bychkova M.Ya., Levashov E.A. Logacheva A.I. The effect of hot isostatic pressing and heat treatment on the microstructure and properties of EP741NP nickel alloy manufactured by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing. 2021.37: 101629. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101629

10. Kaplanskii Yu.Yu., Sentyurina Zh.A., Loginov P.A., Levashov E.A., Korotitskiy A.V., Travyanov A.Ya., Petrovskii P.V. Microstructure and mechanical properties of the (Fe, Ni)Al-based alloy produced by SLM and HIP of spherical composite powder. Materials Science and Engineering: A. 2019;743:567—580. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.11.104

11. Baskov F.A., Sentyurina Zh.A., Kaplanskii Yu.Yu., Logachev I.A., Semerich A.S., Levashov E.A. The influence of post heat treatments on the evolution of microstructure and mechanical properties of EP741NP nickel alloy produced by laser powder bed fusion. Materials Science and Engineering: A. 2021;817:141340. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141340

12. Conde F.F., Escobar J.D., Oliveira J.P., Jardini A.L., Bose Filho W.W., Avila J.A. Austenite reversion kinetics and stability during tempering of an additively manufactured maraging 300 steel. Additive Manufacturing. 2019;29:100804. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100804

13. Xu T.Z., Zhang S., Du Y., Wu C.L., Zhang C.H., Sun X.Y., Chen H.T., Chen J. Development and characterization of a novel maraging steel fabricated by laser additive manufacturing. Materials Science and Engineering: A. 2024;891:145975. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145975

14. Mouritz A.P. 11 — Steels for aircraft structures. In: Introduction to aerospace material. Woodhead Publishing, 2012. P. 232—250. https://doi.org/https://doi.org/10.1533/9780857095152.232

15. Kürnsteiner P., Wilms M.B., Weisheit A., Barriobero-Vila P., Jägle E.A., Raabe D. Massive nanoprecipitation in an Fe—19Ni—xAl maraging steel triggered by the intrinsic heat treatment during laser metal deposition. Acta Materialia. 2017;129:52—60. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.02.069

16. Tan C., Zhou K., Ma W., Zhang P., Liu M., Kuang T. Microstructural evolution, nanoprecipitation behavior and mechanical properties of selective laser melted high-performance grade 300 maraging steel. Materials & Design. 2017;134:23—34. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.08.026

17. Karolczuk Aleksander, Kurek Andrzej, Böhm Michał, Derda Szymon, Prażmowski Mariusz, Kluger Krzysztof, Żak Krzysztof, Pejkowski Łukasz, Seyda Jan. Heterogeneous effect of aging temperature on the fatigue life of additively manufactured thin-walled 18Ni300 maraging steeltubular specimen. Materials & Design. 2024;237:112561. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112561

18. Jonghyun Jeong, Gun Woo No, Hyo Ju Bae, Sang Kyu Yoo, In-Chul Choi, Hyoung Seop Kim, Jae Bok Seol, Jung Gi Kim. Mechanical properties of lamellar-structured 18Ni300 maraging steel manufactured via directed energy deposition. Materials Science and Engineering: A. 2024;892:146031. https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.146031

19. Sha W., Guo Z., Wilson E.A. Modeling the evolution of microstructure during the processing of maraging steels, JOM. 2004; 56:62—66. https://doi.org/10.1007/s11837-004-0037-2

20. Moshka O., Pinkas M., Brosh E., Ezersky V., Meshi L. Addressing the issue of precipitates in maraging steels — unambiguous answer. Materials Science and Engineering: A. 2015;638:232—239 https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.04.067

21. Zhonghui Cheng, Shengzhi Sun, Xi Du, Qing Tang, Jinguang Shi, Xiaofeng Liu, Qiu Jianrong. Microstructural evolution of a FeCo15Cr14Ni4Mo3 maraging steel with high ductility prepared by selective laser melting. Materials Today Communications. 2022;31:103243. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103243

22. Lulu Guo, Lina Zhang, Joel Andersson, Olanrewaju Ojo. Additive manufacturing of 18 % nickel maraging steels: Defect, structure and mechanical properties: A review. Journal of Materials Science & Technology. 2022;120: 227—252. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.10.056

23. Yuchao Bai, Di Wang, Yongqiang Yang, Hao Wang. Effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of maraging steel by selective laser melting. Materials Science and Engineering: A. 2019;760: 105—117. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.05.115

24. Vishwakarma Jaydeep, Chattopadhyay K., Santhi Srinivas N.C. Effect of build orientation on microstructure and tensile behaviour of selectively laser melted M300 maraging steel. Materials Science and Engineering: A. 2020;798:140130. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140130

25. Habassi Faiçal, Houria Manel, Barka Noureddine, Jahazi Mohammad. Influence of post-treatment on microstructure and mechanical properties of additively manufactured C300 maraging steel. Materials Characterization. 2023;202:112980. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2023.112980