Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Особенности градиентного материала на основе нержавеющей хромоникелевой стали и сплава Х20Н80, изготовленного методом электронно-лучевой 3D-печати

https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-3-57-66

Полный текст:

Аннотация

Основная проблема аддитивно изготовленных хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей, затрудняющая их использование и отличающая их от литых однофазных аналогов, – формирование двухфазной γ-аустенит/δ-феррит дендритной микроструктуры. Причинами формирования двухфазной структуры являются неравновесные условия кристаллизации, сложная термическая история и обеднение расплава по аустенитообразующим элементам (никелю и марганцу). Поэтому дополнительное легирование никелем при аддитивном производстве сталей может стабилизировать аустенитную структуру в заготовке. В работе с использованием электронно-лучевого аддитивного производства с одновременной подачей двух проволок из аустенитной нержавеющей стали Fe-18,2Cr-9,5Ni-1,1Mn-0,7Ti-0,5Si-0,08C масс. % (АНС 08Х18Н10Т) и сплава 77,7Ni-19,6Cr-1,8Si-0,5Fe-0,4Zr масс. % (нихром, Х20Н80) были получены две градиентные заготовки с использованием различных стратегий подачи проволоки (первая стратегия – 4 слоя АНС/1 слой Х20Н80; вторая стратегия – 1 слой АНС/1 слой из смеси 80 % АНС + 20 % сплава Х20Н80). Установлено, что добавление нихрома в процессе электронно-лучевого аддитивного производства АНС 08Х18Н10Т подавляет образование в ней δ-феррита и способствует стабилизации аустенитной фазы за счет легирования никелем. Добавление нихрома через последовательно нанесенные 4 слоя АНС приводит к неоднородности структуры и химического состава в заготовке, низкой пластичности и преждевременному разрушению образцов при испытаниях на одноосное растяжение. Последовательное чередование слоев из АНС и из смеси проволок АНС + сплав Х20Н80 способствует равномерному перемешиванию компонент двух проволок и формированию более однородной структуры в градиентной заготовке, что приводит к увеличению пластичности образцов без преждевременного разрушения при механических испытаниях.

Об авторах

Валентина Александровна Москвина
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)
Россия

младший научный сотрудник, аспирант



Евгений Васильевич Мельников
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия)
Россия

младший научный сотрудник



Елена Андреевна Загибалова
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск (Россия); Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск (Россия
Россия

инженер, студент



Список литературы

1. Vayre B., Vignat F., Villeneuve F. Metallic additive manufacturing: state-of-the-art review and prospects // Mechanics and Industry. 2012. Vol. 13. № 2. P. 89–96. DOI: 10.1051/meca/2012003.

2. Frazier W.E. Metal Additive Manufacturing: A Review // Journal of Materials Engineering and Performance. 2014. Vol. 23. № 6. P. 1917–1928. DOI: 10.1007/s11665-014-0958-z.

3. Li N., Huang S., Zhang G., Qin R., Liu W., Xiong H., Shi G., Blackburn J. Progress in Additive Manufacturing on New Materials // Journal of Materials Science and Technology. 2019. Vol. 35. № 2. P. 242–269. DOI: 10.1016/j.jmst.2018.09.002.

4. Utela B., Storti D., Anderson R., Ganter M. A review of process development steps for new material systems in three dimensional printing (3DP) // Journal of Manufacturing Processes. 2008. Vol. 10. № 2. P. 96–104. DOI: 10.1016/j.jmapro.2009.03.002.

5. Bajaj P., Hariharan A., Kini A., Kürnsteiner P., Raabe D., Jägle E.A. Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties // Materials Science and Engineering: A. 2020. Vol. 772. Article number 138633. DOI: 10.1016/j.msea.2019.138633.

6. Herzog D., Seyda V., Wycisk E., Emmelmann C. Additive manufacturing of metals // Acta Materialia. 2016. Vol. 117. P. 371–392. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.07.019.

7. Gorsse S., Hutchinson C., Goune M., Banerjee R. Additive manufacturing of metals: a brief review of the characteristic microstructures and properties of steels, Ti-6Al-4V and high-entropy alloys // Science and Technology of Advanced Materials. 2017. Vol. 18. № 1. P. 584–610. DOI: 10.1080/14686996.2017.1361305.

8. Chen N., Ma G., Zhu W., Godfrey A., Shen Z., Wu G., Huang X. Enhancement of an additive-manufactured austenitic stainless steel by post-manufacture heat-treatment // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 759. P. 65–69. DOI: 10.1016/j.msea.2019.04.111.

9. Astafurova E.G., Panchenko M.Yu., Moskvina V.A., Maier G.G., Astafurov S.V., Melnikov E.V., Fortuna A.S., Reunova K.A., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. Microstructure and grain growth inhomogeneity in austenitic steel produced by wire-feed electron beam melting: The effect of post-building solid-solution treatment // Journal of Materials Science. 2020. Vol. 55. № 22. P. 9211–9224. DOI: 10.1007/s10853-020-04424-w.

10. Chen X., Li J., Cheng X., Wang H., Huang Zh. Effect of heat treatment on microstructure, mechanical and corrosion properties of austenitic stainless steel 316L using arc additive manufacturing // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 715. P. 307–314. DOI: 10.1016/j.msea.2017.10.002.

11. Cristobal M., San-Martin D., Capdevila C., Jiménez J.A., Milenkovic S. Rapid fabrication and characterization of AISI 304 stainless steels modified with Cu additions by additive alloy melting (ADAM) // Journal of Materials Research and Technology. 2018. Vol. 7. № 4. P. 450–460. DOI: 10.1016/j.jmrt.2017.12.001.

12. Panchenko M.Yu., Astafurova E.G., Moskvina V.A., Maier G.G., Astafurov S.V., Melnikov E.V., Reunova K.A., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. The effect of niobium on microstructure and mechanical properties of austenitic CrNi steel produced by wire-feed electron beam additive manufacturing // Nanoscience and Technology. 2020. Vol. 11. № 2. P. 109–118. DOI: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2020033953.

13. Yadollahi A., Shamsaei N., Thompson S.M., Seely D.W. Effects of process time interval and heat treatment on the mechanical and microstructural properties of direct laser deposited 316L stainless steel // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 644. P. 171–183. DOI: 10.1016/j.msea.2015.07.056.

14. Wang Z., Palmer T.A., Beese A.M. Effect of processing parameters on microstructure and tensile properties of austenitic stainless steel 304L made by directed energy deposition additive manufacturing // Acta Materialia. 2016. Vol. 110. P. 226–235. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.03.019.

15. Melnikov E.V., Astafurova E.G., Astafurov S.V., Maier G.G., Moskvina V.A., Panchenko M.Yu., Fortuna S.V., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. Anisotropy of the tensile properties in austenitic stainless steel obtained by wire-feed electron beam additive growth // Letters on Materials. 2019. Vol. 9. № 4. P. 460−464. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-4-460-464.

16. Suuatala N., Takalo T., Moisio T. The relationship between solidification and microstructure in austenitic and austenitic-ferritic stainless steel welds // Metallurgical Transactions A. 1979. Vol. 10. № 4. P. 512–514. DOI: 10.1007/BF02697081.

17. Elmer J.W., Allen S.M., Eagar T.W. Microstructural development during solidification of stainless steel alloys // Metallurgical Transactions A. 1989. Vol. 20. № 10. P. 2117–2131. DOI: 10.1007/BF02650298.

18. Moskvina V.A., Melnikov E.V., Panchenko M.Yu., Maier G.G., Reunova K.A., Astafurov S.V., Kolubaev E.A., Astafurova E.G. Stabilization of austenitic structure in transition zone of “austenitic stainless steel/NiCr alloy” joint fabricated by wire-feed electron beam melting // Materials Letters. 2020. Vol. 277. Article number 128321. DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128321.

19. Zhang H., Zhang C.H., Wang Q., Wu C.L., Zhang S., Chen J., Abdullah A.O. Effect of Ni content on stainless steel fabricated by laser melting deposition // Optics and Laser Technology. 2018. Vol. 101. P. 363–371. DOI: 10.1016/j.optlastec.2017.11.032.

20. Li W., Chen X., Yan L., Zhang J., Zhang X., Liou F. Additive manufacturing of a new Fe-Cr-Ni alloy with gradually changing compositions with elemental powder mixes and thermodynamic calculation // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. Vol. 95. № 1-4. P. 1013–1023. DOI: 10.1007/s00170-017-1302-1.

21. Eliseeva O.V., Kirk T., Samimi P., Malak R., Arróyave R., Elwany A., Karaman I. Functionally Graded Materials through robotics-inspired path planning // Materials and Design. 2019. Vol. 182. Article number 107975. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107975.

22. Hinojos A., Mireles J., Reichardt A., Frigola P., Hosemann P., Murr L.E., Wicker R.B. Joining of Inconel 718 and 316 stainless steel using electron beam melting additive manufacturing technology // Materials and Design. 2016. Vol. 94. P. 17–27. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.01.041.

23. Киреева И.В. Механизмы деформации и разрушения монокристаллов высокоазотистых аустенитных нержавеющих сталей : дис. … канд. физ.-мат. наук. Томск, 1994. 277 с.

24. Odnobokova M., Belyakov A., Enikeev N., Molodov D. A., Kaibyshev R. Annealing behavior of a 304L stainless steel processed by large strain cold and warm rolling // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 689. P. 370–383. DOI: 10.1016/j.msea.2017.02.073.

25. Астафурова Е.Г., Мельников Е.В., Астафуров С.В., Раточка И.В., Мишин И.П., Майер Г.Г., Москвина В.А., Захаров Г.Н., Смирнов А.И., Батаев В.А. Закономерности водородного охрупчивания аустенитных нержавеющих сталей с ультрамелкозернистой структурой разной морфологии // Физическая мезомеханика. 2018. Т. 21. № 2. С. 103–117.


Для цитирования:


Москвина В.А., Мельников Е.В., Загибалова Е.А. Особенности градиентного материала на основе нержавеющей хромоникелевой стали и сплава Х20Н80, изготовленного методом электронно-лучевой 3D-печати. Frontier Materials & Technologies. 2021;(3):57-66. https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-3-57-66

For citation:


Moskvina V.A., Melnikov E.V., Zagibalova E.A. Characteristics of a gradient material based on Ni-Cr stainless steel and H20N80 alloy produced by electron-beam 3D-printing. Frontier Materials & Technologies. 2021;(3):57-66. (In Russ.) https://doi.org/10.18323/2073-5073-2021-3-57-66

Просмотров: 101


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2782-4039 (Print)