ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ И МЕДИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРОВОЛОЧНОЙ АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Проведены исследования закономерностей организации структуры и свойств крупногабаритных деталей на основе меди и нержавеющей стали в процессе печати методом проволочной аддитивной электронно-лучевой технологии. Была отработана на плоских тестовых образцах методика 3D-печати, которая обеспечивала получение бездефектных экспериментальных образцов с невысокой степенью взаимного перемешивания компонентов в переходной зоне. Печать проводили на экспериментальном оборудовании в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН последовательным формированием на подложке из нержавеющей стали с использованием наклонно-поворотного охлаждаемого стола стального цилиндра. Далее с предварительным прогревом стали на нее наносили медь на всю высоту цилиндра. Между нанесением филаментов на основе стали и меди механической обработки стального цилиндра не проводили. По данным структурных исследований в образцах происходит формирование достаточно плотного контакта меди и стали, что свидетельствует о полном заполнении медью всех неровностей, находившихся на стальном цилиндре после печати. В стальных участках биметаллических элементов сохраняется дендритное строение, в медных – структура является зеренной. Ориентация зерен или дендритов в компонентах образца связана с локальными особенностями процесса печати и направлением отвода тепла. Это связанные с геометрией зоны печати при формировании биметаллических образцов, приводящие к качественным различиям в структуре, изменяющейся от мелкозернистой равноосной до крупнозернистой столбчатой. Механические свойства медного и стального фрагментов в исследованных образцах находится на достаточно высоком уровне, прочностные показатели градиентной зоны имеют промежуточные значения.

1. Ван Я., Коновалов С.В., Чэн С., Панченко И.А., Коток М.М. Исследование влияния термической обработки на сплавы системы Сu – Аl, полученные проволочно-дуговым аддитивным способом. Вестник Сибирского государственного индустриального универ-ситета. 2023;1(43):89–97.

2. http://doi.org/10.57070/2304-4497-2023-1(43)-89-97

3. DebRoy T., Wei H.L., Zuback J.S. Mukherjee, T., Elmer J.W., Milewski J.O., Beese A.M., Wilson-Heid A., De A., Zhang W. Additive manufacturing of metallic components ‒ Pro-cess, structure and properties. Progress in Ma-terials Science. 2018;92:112–224.

4. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.10.001

5. Zhang X., Pan T., Flood A., Chen Y., Zhang Y., Liou F. Investigation of Copper/Stainless Steel Multi-Metallic Materials Fabricated by Laser Metal Deposition. Materials Science & Engineering A. 2021;811:141071.

6. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.10.001

7. Tan C., Zhou K., Ma W., Min L. Interfacial characteristic and mechanical performance of maraging steel-copper functional bimetal pro-duced by selective laser melting based hybrid manufacture. Materials and Design. 2018;155:77–85. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2018.05.064

8. Kolubaev E.A., Rubtsov V.E., Chumaevsky A.V., Astafurova E.G. Micro-, Meso- and Macro-structural Design of Bulk Metallic and Polymetallic Materials by Wire-Feed Electron-Beam Additive Manufacturing. Physical Me-somechanic. 2022;25(6):479–491.

9. http://dx.doi.org/10.1134/S1029959922060017

10. Гэн Я., Панченко И.А., КоноваловС.В., Иванов Ю.Ф., Чен С. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру аддитив-ного сплава Al – Mg. Вестник Сибирского государственного индустриального универ-ситета. 2023;2(44):13–19.

11. http://doi.org/10.57070/2304-4497-2023-2(44)-13-19

12. Astafurova E.A., Astafurov S.V., Reunova K.A., Melnikov E.V., Moskvina V.A., Panchenko M.Yu., Maier G.G., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. Struc-ture Formation in Vanadium-Alloyed Chro-mium-Manganese Steel with a High Concen-tration of Interstitial Atoms C + N = 1.9 wt % during Electron-Beam Additive Manufactur-ing. Physical Mesomechanic. 2022;25(1):1–11. http://dx.doi.org/10.1134/S1029959922010015

13. Su Y., Chen B., Tan C., Song X., Feng J. In-fluence of composition gradient variation on the microstructure and mechanical properties of 316L/Inconel718 functionally graded mate-rial fabricated by laser additive manufacturing. Journal of Materials Processing Technology. 2020;283:116702. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116702

14. Niendorf T., Leuders S., Riemer A., Brenne F., Tröster T., Albert Richard H., Schwarze D. Functionally Graded Alloys Obtained by Addi-tive Manufacturing. Advanced engineering materials. 2014;16:857–861.

15. https://doi.org/10.1002/adem.201300579

16. Sun Z., Chueh Y.-H., Li L. Multiphase mesoscopic simulation of multiple and func-tionally gradient materials laser powder bed fusion additive manufacturing processes. Ad-ditive Manufacturing. 2020;35:101448.

17. http://dx.doi.org/10.1016/j.addma.2020.101448

18. Ghanavati R., Naffakh-Moosavy H. Additive manufacturing of functionally graded metallic materials: A review of experimental and nu-merical studies. Journal of Materials Research and Technology. 2021;13:1628–1664.

19. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.05.022

20. Muller P., Hascoet J.-Y., Mognol P. Toolpaths for additive manufacturing of functionally graded materials (FGM) parts. Rapid Prototyp-ing Journal. 2014;20(6):511–522.

21. https://doi.org/10.1108/RPJ-01-2013-0011

22. Utyaganova V., Filippov A., Tarasov S., Shamarin N., Gurianov D., Vorontsov A., Chumaevskii A., Fortuna S., Savchenko N., Rubtsov V., Kolubaev E. Characterization of AA7075/AA5356 gradient transition zone in an electron beam wire-feed additive manufac-tured sample. Materials Characterization. 2021;172:110867. EDN: NRLOVJ;

23. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110867

24. Shen C., Hua X., Reid M., Liss K.-D., Mou G., Pan Z., Huang Y., Li H. Thermal Induced Phase Evolution of Fe–Fe3Ni Functionally Graded Material Fabricated Using the Wire-Arc Additive Manufacturing Process: An in-Situ Neutron Diffraction Study. Journal of Al-loys and Compounds. 2020;826(5):154097.

25. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154097

26. Mohan Kumar S., Rajesh Kannan A., Pravin Kumar N., Pramod R., Siva Shanmugam N., Vishnu A.S., Channabasavanna S.G. Micro-structural Features and Mechanical Integrity of Wire Arc Additive Manufactured SS321/Inconel 625 Functionally Gradient Ma-terial. Journal of Materials Engineering and Performance. 2021;30:5692–5703.

27. https://doi.org/10.1007/s11665-021-05617-3

28. Chandrasekaran S., Hari S., Amirthalingam M. Wire Arc Additive Manufacturing of Func-tionally Graded Material for Marine Risers. Materials Science and Engineering A. 2020;792:139530. http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2020.139530

29. Osipovich K.S., Astafurova E.G., Chumaevskii A.V., Kalashnikov K.N., Astafurov S.V., Maier G.G., Melnikov E.V., Moskvina V.A., Panchenko M.Yu., Tarasov S.Yu., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. Gradi-ent transition zone structure in “steel – cop-per” sample produced by double wire-feed electron beam additive manufacturing. Jour-nal of Materials Science. 2020;55:9258–9272. https://doi.org/10.1007/s10853-020-04549-y

30. Osipovich K.S., Chumaevskii A.V., Eliseev A.A., Kalashnikov K.N., Kolubaev E.A., Rubtsov V.E., Astafurova E.G. Peculiarities of Struc-ture Formation in Copper/Steel Bimetal Fabri-cated by Electron-Beam Additive Technology. Russian Physics Journal. 2019;62(8):1486–1494. EDN: QKMXZL;

31. https://doi.org/10.1007/s11182-019-01867-w

32. Shu X., Chen G., Liu J., Zhang B., Feng J. Microstructure evolution of copper/steel gra-dient deposition prepared using electron beam freeform fabrication. Materials Letters. 2018;213:374–377. http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2017.11.016

33. Chen G., Shu X., Liu J., Zhang B., Feng J. Crystallographic texture and mechanical prop-erties by electron beam freeform fabrication of copper/steel gradient composite materials. Vacuum. 2020;171:109009.

34. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.109009