eng
Выпуск #7/2021
А. Д. Еремеев, Д. В. Волосевич
Исследование формирования структуры наплавочных валиков при лазерном выращивании из порошка сплава AlSi10Mg
Исследование формирования структуры наплавочных валиков при лазерном выращивании из порошка сплава AlSi10Mg
Просмотры: 1628
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.7.558.566
В статье описана методика изготовки технических образцов AlSi10Mg методом лазерной наплавки. Изучено влияние структуры и дефектов на механическую прочность данного сплава при производительности процесса в 1 кг / ч и 1,5 кг / ч. Приведены механические испытания для выращенных образцов. С уменьшением мощности лазерного излучения наблюдалось уменьшение дендритных ячеек структуры с 204 мкм до 46 мкм. На образце с увеличенными ячейками структуры и наличием дефектов наблюдалось существенное понижение механической прочности поперечных образцов.
В статье описана методика изготовки технических образцов AlSi10Mg методом лазерной наплавки. Изучено влияние структуры и дефектов на механическую прочность данного сплава при производительности процесса в 1 кг / ч и 1,5 кг / ч. Приведены механические испытания для выращенных образцов. С уменьшением мощности лазерного излучения наблюдалось уменьшение дендритных ячеек структуры с 204 мкм до 46 мкм. На образце с увеличенными ячейками структуры и наличием дефектов наблюдалось существенное понижение механической прочности поперечных образцов.
Теги: additive manufacturing aluminum alloys laser cladding macrostructure аддитивное производство алюминиевые сплавы лазерная наплавка макроструктура
Исследование формирования структуры наплавочных валиков при лазерном выращивании из порошка сплава AlSi10Mg
А. Д. Еремеев, Д. В. Волосевич
Санкт-Петербургский морской технический университет, Санкт-Петербург, Россия
В статье описана методика изготовки технических образцов AlSi10Mg методом лазерной наплавки. Изучено влияние структуры и дефектов на механическую прочность данного сплава при производительности процесса в 1 кг / ч и 1,5 кг / ч. Приведены механические испытания для выращенных образцов. С уменьшением мощности лазерного излучения наблюдалось уменьшение дендритных ячеек структуры с 204 мкм до 46 мкм. На образце с увеличенными ячейками структуры и наличием дефектов наблюдалось существенное понижение механической прочности поперечных образцов.
Ключевые слова: аддитивное производство, лазерная наплавка, алюминиевые сплавы, макроструктура
Статья получена: 07.09.2021
Статья принята: 21.09.2021
Введение
Для аддитивного производства используют разные материалы, начиная от пластика [1] и композитных материалов [2] и заканчивая широким спектром различных металлических сплавов на основе железа, никеля, титана, в том числе и алюминия. На сегодняшний день алюминиевые сплавы имеют важное значение для аддитивного производства инновационных деталей в различных областях: аэрокосмическая техника [3–4], военная техника [5], несущие элементы автомобильных корпусов [6] и другие. Их высокая значимость связана с особенностями физико-химических свойств алюминиевых сплавов: высокая теплопроводность, малая плотность, пластичность, коррозионная стойкость. В то же время чистый алюминий имеет малую механическую прочность 80–100 МПа. Поэтому в производстве широко применяются сплавы алюминия, легированные медью, магнием, кремнием и т. д. для повышения прочностных свойств.
Одним из широко применяемых материалов в аддитивном производстве является алюминиевый сплав AlSi10Mg. Наиболее распространенным способом наплавки этого материала является селективное лазерное спекание [7–9]. Одним из основных препятствий для широкого распространения этой технологии является ее сравнительно низкая производительность до 0,1 кг / ч, так как время создания небольшой модели может варьироваться от нескольких часов до нескольких дней. Метод прямого лазерного выращивания может существенно повысить производительность процесса наплавки за счет возможности большего переправления материала в единицу времени (от 1 кг / ч и более).
Но с увеличением производительности велика вероятность появления внутренних дефектов в виде пор, несплавлений и межкристаллических трещин. Основной задачей стал поиск баланса между производительностью лазерной наплавки алюминиевого порошка AlSi10Mg и увеличением механических свойств за счет получения оптимальной структуры и уменьшения количества дефектов.
Методика эксперимента
Образцы из алюминиевого сплава AlSi10Mg были сделаны на технологическом комплексе прямого лазерного выращивания (рис. 1.1), состоящий из волоконного лазера ЛС‑3 (IPG Photonics, USA) мощностью до 3 кВт с лазерной головкой D‑30L (IPG Photonics, USA), оснащенной четырехструнным соплом. Позиционирование и процесс наплавки производились с помощью шестиосевого промышленного робота M‑20iB / 25 (Fanuc, Япония).
Наплавка образцов происходила в герметичной камере в атмосфере защитного газа – аргона. В качестве наплавочного материала был выбран порошок марки AlSi10Mg, фракции 63–125 мкм. Состав порошка и его гистограмма представлены в табл. 1.1 и рис. 1.2.
Гранулометрический состав порошка составлял 60–200 мкм, частицы порошка имели сферическую форму с удовлетворительным качеством поверхности, а химический состав соответствовал ГОСТ 1583-93.
В эксперименте были проведены две серии образцов с различным варьированием параметров режима (табл. 1.2).
Серии экспериментов отличались по производительности режимов: 1 кг / ч и 1,5 кг / ч, а также разными значениями мощности лазерного излучения. Наплавка производилась в один проход, с разворотом последующего слоя на 180 градусов. Образцы выращивались последовательно: вначале первый валик для всех образов, потом второй валик для всех образцов и т. д. Смещение по высоте между слоями 0,8 и 0,6 мм. Пауза между соседними валиками 15 с. Размер стандартного образца представлен на рис. 1.3.
Образцы, полученные в ходе исследования, изучались в поперечном сечении с помощью металлографического микроскопа Leica DMi8 (Leica Microsystems, Германия), предназначенного для контроля качества металлов. В качестве реактива для травления был выбран следующий: 50 мл H2O, 1 мл HF, 2 мл HNO3. Время травления составило 20 с.
Механические испытания проводились на универсальной испытательной машине Zwick Roell Z100 (Zwick Roell, Ульм, Германия) по два образца для каждого направления.
Обсуждение результатов
Металлографические исследования
На рис. 2.1 и 2.2 представлены результаты металлографического исследования.
Результат анализа шлифов показал, что в образцах первой серии присутствуют поры в количестве менее 1% от площади сечения шлифов. В образцах второй серии, кроме пор, площадь которых составляет до 5% от площади сечения, присутствуют несплавления и межкристаллические трещины.
После анализа дефектов для образцов первой серии и образца № 2.2 второй серии получены изображения макроструктуры (рис. 2.3).
Макроструктура
На рис. 2.3 представлены оптические микрофотографии поперечных сечений наплавочных образцов первой серии и образца № 2.2 из второй серии. Образцы демонстрируют структуру, типичную для доэвтектических сплавов системы Al-Si, содержащую, как видно из рис. 2.4, первичный α-Al и эвтектику Al-Si.
Структура образца имеет периодический характер: на границе наплавочного валика образуются дендриты, которые затем сменяются мелкоячеистой структурой. Дендритные структуры ориентированы к центру валиков, причем размер дендритных областей уменьшается с увеличением мощности лазерного излучения и составляет 145, 82 и 46 мкм для образцов первой серии при мощностях 1 600, 1 800 и 2 000 Вт и 228, 184 и 140 мкм для второй серии соответственно. Преимущественно мелкая ячеистая структура имеет равноосный характер с размером ячеек 1,79 мкм, 1,83 и 1,85 мкм при мощностях 1 600, 1 800, 2 000 Вт и 5,34 мкм, 5,16 и 5,2 мкм для второй серии.
Такое увеличение ячеек может быть связано с тем, что при увеличении пятна и скорости процесса падает плотность энергии, следовательно, уменьшается температурный градиент. В верхней части наплавочных слоев, где скорость теплоотвода выше, наблюдаются ячейки, близкие к равноосному формированию. Размер дендритных ячеек в структуре, например для литейных алюминиевых сплавов, играет существенную роль в конечных свойствах изделия: алюминиевые сплавы, у которых мелкодисперсная структура, показывают более высокие показатели по механическим и технологическим свойствам по сравнению с более грубодисперсной структурой таких же материалов. Кроме этого, наличие большого количества пор и несплавлений существенно влияют на механические свойства.
Механические испытания
На рис. 2.5 представлен пример образцов, выращенных для механических испытаний. Результаты механических испытаний для образца № 2.2 приведены в табл. 2.1 и рис. 2.6.
Из результатов видно, что если в продольном направлении величина прочности примерно аналогична литейным материалам, то на разрыв образца поперек показатели существенно меньше. Причинами таких значений прочности являются наличие большого количества пор, несплавлений, наличие межкристаллических трещин, а также увеличенные дендритные ячейки структур.
Выводы
По результатам исследования были сделаны следующие выводы:
Проведены эксперименты по наплавке технических образцов из порошка AlSi10Mg. Выяснено, что на более производительном режиме в 1 кг / час наблюдается межкристаллические трещины и несплавления, а также поры до 5% от площади сечения образца.
Получены результаты по влиянию мощности лазерного излучения на формирование структуры в процессе наплавки алюминиевого порошка AlSi10Mg. Установлены зависимости размеров дендритных ячеек и их формы от мощности лазерного излучения.
Проведен анализ влияния структур, полученных в процессе лазерной наплавки алюминиевых порошков на механические свойства. Выяснено, что уменьшение ячеек дендритной структуры положительно влияет на механические свойства. Обнаруженные дефекты на одном из образцов существенно понизили его механические свойства по сравнению со свойствами литейных заготовок.
Благодарность
Исследование проводилось в рамках конкурса на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемых молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре. Грант № 19-38-90267 «Исследование формирования структуры наплавочных валиков при лазерном выращивании из порошка сплава AlSi10Mg» выполнялся при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
REFERENCES
Lammens N., Kersemans M., Ives De Baere, W. Van Paepegem. On the visco-elasto-plastic response of additively manufactured polyamide‑12 (PA‑12) through selective laser sintering. Polymer Testing. February 2017; 57: 149–155.
D. Gu, H. Wang, F. Chang, D. Dai, P. Yuan, Y.-C. Hagedorn. Selective laser melting additive manufacturing of TiC / AlSi10Mg bulk-form nanocomposites with tailored microstructures and properties. Procedia of the 8th international conference on photonic technologies LANE. 2014;56:108–116.
Luis Henrique Santos, Weslei Patrick Teodo’sio Sousa, Sara Silva Ferreira de Dafe’, Pedro Ame’rico Magalhaes Junior. Microstructural characterization and mechanical behavior analysis of 7075-T6 aluminum subjected to simulated lightning strikes. Chinese Journal of Aeronautics. 6 September 2020.
Tessaleno Devezas. Trends in aviation: rebound effect and the struggle composites x aluminum. Technological Forecasting & Social Change. 2020;160: 120241.
Christian C. Rotha, Teresa Frasb, Dirk Mohr. Dynamic perforation of lightweight armor: Temperature-dependent plasticity and fracture of aluminum 7020-T6. Mechanics of Materials. 2020;149: 103537.
Pranav Dev Srivyas, Charoo M. S. Application of Hybrid Aluminum Matrix Composite in Automotive Industry. Materials Today: Proceedings. 2019;18: 3189–3200.
Brandl E., Heckenberger U., Holzinger V., Buchbinder D. Additive manufactured AlSi10Mg samples using selective laser melting (SLM): microstructure, high cycle fatigue, and fracture behavior. Materials and Design. 2012;34:159–169.
Read N., Wang W., Essa K., Attallah M. A. Selective laser melting of AlSi10Mg alloy: process optimisation and mechanical properties development. Materials and Design. 2015;65:417–424.
Aboulkhair N. T., Everitt N. M., Ashcroft I., Tuck C. Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting. Additive Manufacturing. 2014;1: 77–86.
АВТОРЫ
Еремеев Алексей Дмитриевич, e-mail: Eremeev.ad@mail.ru; исследователь, инженер СПБГМТУ; www.smtu.ru ; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: аддитивные технологии, материаловедение.
ORCID: 0000-0003-1987-769X
Волосевич Дарья Владимировна, e-mail: dasha.volosevich@mail.ru ; инженер СПБГМТУ, www.smtu.ru; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: аддитивные технологии, материаловедение.
ORCID: 0000-0002-2288-2935
ВКЛАД АВТОРОВ
Еремеев А.Д.: концепция эксперимента и его проведение, анализ результатов; Волосевич Д.В.: металлографические исследования, исследование макроструктуры, механические испытания.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Оба автора участвовали в написании рукописи согласно вкладу каждого из них в общий эксперимент и анализ его результатов. Авторы гарантируют оригинальность результатов и заявляют об отсутствии конфликта интересов.
А. Д. Еремеев, Д. В. Волосевич
Санкт-Петербургский морской технический университет, Санкт-Петербург, Россия
В статье описана методика изготовки технических образцов AlSi10Mg методом лазерной наплавки. Изучено влияние структуры и дефектов на механическую прочность данного сплава при производительности процесса в 1 кг / ч и 1,5 кг / ч. Приведены механические испытания для выращенных образцов. С уменьшением мощности лазерного излучения наблюдалось уменьшение дендритных ячеек структуры с 204 мкм до 46 мкм. На образце с увеличенными ячейками структуры и наличием дефектов наблюдалось существенное понижение механической прочности поперечных образцов.
Ключевые слова: аддитивное производство, лазерная наплавка, алюминиевые сплавы, макроструктура
Статья получена: 07.09.2021
Статья принята: 21.09.2021
Введение
Для аддитивного производства используют разные материалы, начиная от пластика [1] и композитных материалов [2] и заканчивая широким спектром различных металлических сплавов на основе железа, никеля, титана, в том числе и алюминия. На сегодняшний день алюминиевые сплавы имеют важное значение для аддитивного производства инновационных деталей в различных областях: аэрокосмическая техника [3–4], военная техника [5], несущие элементы автомобильных корпусов [6] и другие. Их высокая значимость связана с особенностями физико-химических свойств алюминиевых сплавов: высокая теплопроводность, малая плотность, пластичность, коррозионная стойкость. В то же время чистый алюминий имеет малую механическую прочность 80–100 МПа. Поэтому в производстве широко применяются сплавы алюминия, легированные медью, магнием, кремнием и т. д. для повышения прочностных свойств.
Одним из широко применяемых материалов в аддитивном производстве является алюминиевый сплав AlSi10Mg. Наиболее распространенным способом наплавки этого материала является селективное лазерное спекание [7–9]. Одним из основных препятствий для широкого распространения этой технологии является ее сравнительно низкая производительность до 0,1 кг / ч, так как время создания небольшой модели может варьироваться от нескольких часов до нескольких дней. Метод прямого лазерного выращивания может существенно повысить производительность процесса наплавки за счет возможности большего переправления материала в единицу времени (от 1 кг / ч и более).
Но с увеличением производительности велика вероятность появления внутренних дефектов в виде пор, несплавлений и межкристаллических трещин. Основной задачей стал поиск баланса между производительностью лазерной наплавки алюминиевого порошка AlSi10Mg и увеличением механических свойств за счет получения оптимальной структуры и уменьшения количества дефектов.
Методика эксперимента
Образцы из алюминиевого сплава AlSi10Mg были сделаны на технологическом комплексе прямого лазерного выращивания (рис. 1.1), состоящий из волоконного лазера ЛС‑3 (IPG Photonics, USA) мощностью до 3 кВт с лазерной головкой D‑30L (IPG Photonics, USA), оснащенной четырехструнным соплом. Позиционирование и процесс наплавки производились с помощью шестиосевого промышленного робота M‑20iB / 25 (Fanuc, Япония).
Наплавка образцов происходила в герметичной камере в атмосфере защитного газа – аргона. В качестве наплавочного материала был выбран порошок марки AlSi10Mg, фракции 63–125 мкм. Состав порошка и его гистограмма представлены в табл. 1.1 и рис. 1.2.
Гранулометрический состав порошка составлял 60–200 мкм, частицы порошка имели сферическую форму с удовлетворительным качеством поверхности, а химический состав соответствовал ГОСТ 1583-93.
В эксперименте были проведены две серии образцов с различным варьированием параметров режима (табл. 1.2).
Серии экспериментов отличались по производительности режимов: 1 кг / ч и 1,5 кг / ч, а также разными значениями мощности лазерного излучения. Наплавка производилась в один проход, с разворотом последующего слоя на 180 градусов. Образцы выращивались последовательно: вначале первый валик для всех образов, потом второй валик для всех образцов и т. д. Смещение по высоте между слоями 0,8 и 0,6 мм. Пауза между соседними валиками 15 с. Размер стандартного образца представлен на рис. 1.3.
Образцы, полученные в ходе исследования, изучались в поперечном сечении с помощью металлографического микроскопа Leica DMi8 (Leica Microsystems, Германия), предназначенного для контроля качества металлов. В качестве реактива для травления был выбран следующий: 50 мл H2O, 1 мл HF, 2 мл HNO3. Время травления составило 20 с.
Механические испытания проводились на универсальной испытательной машине Zwick Roell Z100 (Zwick Roell, Ульм, Германия) по два образца для каждого направления.
Обсуждение результатов
Металлографические исследования
На рис. 2.1 и 2.2 представлены результаты металлографического исследования.
Результат анализа шлифов показал, что в образцах первой серии присутствуют поры в количестве менее 1% от площади сечения шлифов. В образцах второй серии, кроме пор, площадь которых составляет до 5% от площади сечения, присутствуют несплавления и межкристаллические трещины.
После анализа дефектов для образцов первой серии и образца № 2.2 второй серии получены изображения макроструктуры (рис. 2.3).
Макроструктура
На рис. 2.3 представлены оптические микрофотографии поперечных сечений наплавочных образцов первой серии и образца № 2.2 из второй серии. Образцы демонстрируют структуру, типичную для доэвтектических сплавов системы Al-Si, содержащую, как видно из рис. 2.4, первичный α-Al и эвтектику Al-Si.
Структура образца имеет периодический характер: на границе наплавочного валика образуются дендриты, которые затем сменяются мелкоячеистой структурой. Дендритные структуры ориентированы к центру валиков, причем размер дендритных областей уменьшается с увеличением мощности лазерного излучения и составляет 145, 82 и 46 мкм для образцов первой серии при мощностях 1 600, 1 800 и 2 000 Вт и 228, 184 и 140 мкм для второй серии соответственно. Преимущественно мелкая ячеистая структура имеет равноосный характер с размером ячеек 1,79 мкм, 1,83 и 1,85 мкм при мощностях 1 600, 1 800, 2 000 Вт и 5,34 мкм, 5,16 и 5,2 мкм для второй серии.
Такое увеличение ячеек может быть связано с тем, что при увеличении пятна и скорости процесса падает плотность энергии, следовательно, уменьшается температурный градиент. В верхней части наплавочных слоев, где скорость теплоотвода выше, наблюдаются ячейки, близкие к равноосному формированию. Размер дендритных ячеек в структуре, например для литейных алюминиевых сплавов, играет существенную роль в конечных свойствах изделия: алюминиевые сплавы, у которых мелкодисперсная структура, показывают более высокие показатели по механическим и технологическим свойствам по сравнению с более грубодисперсной структурой таких же материалов. Кроме этого, наличие большого количества пор и несплавлений существенно влияют на механические свойства.
Механические испытания
На рис. 2.5 представлен пример образцов, выращенных для механических испытаний. Результаты механических испытаний для образца № 2.2 приведены в табл. 2.1 и рис. 2.6.
Из результатов видно, что если в продольном направлении величина прочности примерно аналогична литейным материалам, то на разрыв образца поперек показатели существенно меньше. Причинами таких значений прочности являются наличие большого количества пор, несплавлений, наличие межкристаллических трещин, а также увеличенные дендритные ячейки структур.
Выводы
По результатам исследования были сделаны следующие выводы:
Проведены эксперименты по наплавке технических образцов из порошка AlSi10Mg. Выяснено, что на более производительном режиме в 1 кг / час наблюдается межкристаллические трещины и несплавления, а также поры до 5% от площади сечения образца.
Получены результаты по влиянию мощности лазерного излучения на формирование структуры в процессе наплавки алюминиевого порошка AlSi10Mg. Установлены зависимости размеров дендритных ячеек и их формы от мощности лазерного излучения.
Проведен анализ влияния структур, полученных в процессе лазерной наплавки алюминиевых порошков на механические свойства. Выяснено, что уменьшение ячеек дендритной структуры положительно влияет на механические свойства. Обнаруженные дефекты на одном из образцов существенно понизили его механические свойства по сравнению со свойствами литейных заготовок.
Благодарность
Исследование проводилось в рамках конкурса на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемых молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре. Грант № 19-38-90267 «Исследование формирования структуры наплавочных валиков при лазерном выращивании из порошка сплава AlSi10Mg» выполнялся при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
REFERENCES
Lammens N., Kersemans M., Ives De Baere, W. Van Paepegem. On the visco-elasto-plastic response of additively manufactured polyamide‑12 (PA‑12) through selective laser sintering. Polymer Testing. February 2017; 57: 149–155.
D. Gu, H. Wang, F. Chang, D. Dai, P. Yuan, Y.-C. Hagedorn. Selective laser melting additive manufacturing of TiC / AlSi10Mg bulk-form nanocomposites with tailored microstructures and properties. Procedia of the 8th international conference on photonic technologies LANE. 2014;56:108–116.
Luis Henrique Santos, Weslei Patrick Teodo’sio Sousa, Sara Silva Ferreira de Dafe’, Pedro Ame’rico Magalhaes Junior. Microstructural characterization and mechanical behavior analysis of 7075-T6 aluminum subjected to simulated lightning strikes. Chinese Journal of Aeronautics. 6 September 2020.
Tessaleno Devezas. Trends in aviation: rebound effect and the struggle composites x aluminum. Technological Forecasting & Social Change. 2020;160: 120241.
Christian C. Rotha, Teresa Frasb, Dirk Mohr. Dynamic perforation of lightweight armor: Temperature-dependent plasticity and fracture of aluminum 7020-T6. Mechanics of Materials. 2020;149: 103537.
Pranav Dev Srivyas, Charoo M. S. Application of Hybrid Aluminum Matrix Composite in Automotive Industry. Materials Today: Proceedings. 2019;18: 3189–3200.
Brandl E., Heckenberger U., Holzinger V., Buchbinder D. Additive manufactured AlSi10Mg samples using selective laser melting (SLM): microstructure, high cycle fatigue, and fracture behavior. Materials and Design. 2012;34:159–169.
Read N., Wang W., Essa K., Attallah M. A. Selective laser melting of AlSi10Mg alloy: process optimisation and mechanical properties development. Materials and Design. 2015;65:417–424.
Aboulkhair N. T., Everitt N. M., Ashcroft I., Tuck C. Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting. Additive Manufacturing. 2014;1: 77–86.
АВТОРЫ
Еремеев Алексей Дмитриевич, e-mail: Eremeev.ad@mail.ru; исследователь, инженер СПБГМТУ; www.smtu.ru ; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: аддитивные технологии, материаловедение.
ORCID: 0000-0003-1987-769X
Волосевич Дарья Владимировна, e-mail: dasha.volosevich@mail.ru ; инженер СПБГМТУ, www.smtu.ru; Санкт-Петербург, Россия. Область интересов: аддитивные технологии, материаловедение.
ORCID: 0000-0002-2288-2935
ВКЛАД АВТОРОВ
Еремеев А.Д.: концепция эксперимента и его проведение, анализ результатов; Волосевич Д.В.: металлографические исследования, исследование макроструктуры, механические испытания.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Оба автора участвовали в написании рукописи согласно вкладу каждого из них в общий эксперимент и анализ его результатов. Авторы гарантируют оригинальность результатов и заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Отзывы читателей
