Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия:

Д. В. Масайло, ведущий научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: dmasaylo@gmail.com
С. Д. Игошин, инженер-исследователь, эл. почта: igoshin_sd@spbstu.ru
А. А. Попович, директор института, докт. техн. наук, эл. почта: popovicha@mail.ru

Исследованы современные тенденции развития передовой технологии аддитивного производства — лазерная наплавка или прямое лазерное выращивание (ПЛВ). Эта технология изготовления металлических деталей менее распространена, чем селективное лазерное плавление (СЛП), из-за низкой точности. Однако ПЛВ имеет большие перспективы при изготовлении крупных деталей из функциональных сплавов благодаря большой зоне построения и скорости выращивания. В работе представлен обзор трендов развития технологии ПЛВ в мире за счет различных модификаций. Обсуждается перспективность применения и экономическая эффективность аддитивной технологии ПЛВ, которая заключается в объединении двух технологических процессов: синтеза сплава из элементных порошков и выращивания заготовки детали на примере сплава с эффектом памяти формы (ЭПФ) системы Ni – Ti. Экономическая оценка стоимости исходных компонентов показывает среднюю себестоимость сырья для этого сплава в 200 долл/кг при стоимости предварительно легированного сплава нитинола с ЭПФ от 250 долл/кг. В практической части работы представлен эксперимент синтеза эквиатомного сплава из механической порошковой смеси 55Ni – 45Ti в защитной камере тонкостенного и многослойного образца. Показано, что наличие защитной камеры для этого сплава значительно влияет на химический состав и распределение элементов внутри трека, но не является обязательным условием для формо образования изделия. В выращенной тонкостенной втулке был зафиксирован избыток элемента титана в готовом сплаве относительно исходной смеси на 7,2 % (мас.), а многослойный образец в виде цилиндра, наоборот, очень точно соответствовал исходному составу до 0,01 % по Ni и Ti. Представленный результат эксперимента показал возможность использования аддитивной технологии ПЛВ для синтеза сплава, требующего высокой точности химического состава, с одновременным формообразованием полуфабриката детали.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-30002).

1. Демидов И. В., Вайсберг Л. А., Иванов К. С. Механика сыпучих сред при вибрационном воздействии: методы описания и математического моделирования // Обогащение руд. 2015. № 4. С. 21–31.
2. Vaisberg L. Vibrational Technology Research Highlights of the Mekhanobr Scientific School and their practical implementation // Vibroengineering PROCEDIA. 2019. Vol. 25. P. 76–82.
3. Demidov I. V., Vaisberg L. A., Blekhman I. I. Vibrational dynamics of paramagnetic particles and processes of separation of granular materials // International Journal of Engineering Science. 2018. Vol. 141. P. 141–156.
4. Завалов Ю. Н., Дубров А. В., Родин П. С., Антонов А. Н. и др. Влияние технологических параметров на производительность при изготовлении металлических деталей методом прямого лазерного выращивания // V Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее». — М., 2019. С. 121–130.
5. Gorunov A. I., Nyukhlaev O. A., Gilmutdinov A. Kh. Investigation of microstructure and properties of low-carbon steel during ultrasonic-assisted laser welding and cladding // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2018. Vol. 99, Iss. 9-12. P. 2467–2479..
6. da Cunha T. V., Bohórquez C. E. N. Ultrasound in arc welding: A review // Ultrasonics. 2015. Vol. 56. P. 201–209.
7. Лью Ю., Хуан Ю., Сяо Ч. Влияние ультразвуковых колебаний расплава при литье на микроструктуру и коррозионные свойства Al – Zn – Mg – Cu-сплава // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118, № 11. С. 1164–1174.
8. Данилов П. А. и др. Анализ влияния внешних физических воздействий на процессы литья легких сплавов // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2018. Т. 55. С. 84–98.
9. Косников Г. А., Эльдарханов А. С., Сербин В. В., Калмыков А. В. Влияние ультразвука на дендритную структуру сплава АК7 при его подготовке к тиксолитью // Цветные металлы. 2016. № 3. С. 73–79. DOI: 10.17580/tsm.2016.03.12.
10. Cui Y., Xu C., Han Q. Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations // Adv. Eng. Mater. 2007. Vol. 9, No. 3. P. 161–163.
11. Ning F. et al. Ultrasonic Vibration-Assisted Laser Engineered Net Shaping of Inconel 718 Parts: A Feasibility Study // Procedia Manuf. 2017. Vol. 10. P. 771–778.
12. Todaro C. J. et al. Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound // Nat. Commun. 2020. Vol. 11, No. 1. P. 142.
13. Zhou J. et al. Microstructure and mechanical properties of Cr12MoV by ultrasonic vibration-assisted laser surface melting // Mater. Sci. Technol. 2017. Vol. 33, No. 10. P. 1200–1207.
14. Li S. et al. Melt-pool motion, temperature variation and dendritic morphology of Inconel 718 during pulsed- and continuous-wave laser additive manufacturing: A comparative study // Mater. Des. 2017. Vol. 119. P. 351–360.
15. Shim D.-S., Baek G.-Y., Lee E.-M. Effect of substrate preheating by induction heater on direct energy deposition of AISI M4 powder // Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 682. P. 550–562.
16. Александрова А. А. и др. Прямое лазерное выращивание композиционного материала Инконель 625/TiC: влияние структурного состояния исходного порошка // Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120, № 5. С. 498– 504.
17. Li W. et al. Directed energy depositing a new Fe-Cr-Ni alloy with gradually changing composition with elemental powder mixes and particle size’ effect in fabrication process // J. Mater. Process. Technol. Elsevier. 2018. Vol. 255. P. 96–104.
18. Zhang H., Pan Y., He Y. Z. Synthesis and characterization of FeCoNiCrCu high-entropy alloy coating by laser cladding // Mater. Des. Elsevier. 2011. Vol. 32, No. 4. P. 1910–1915.
19. Wu M. H. Fabrication of Nitinol Materials and Components // Mater. Sci. Forum. 2002. Vol. 394-395. P. 285–292.
20. Игошин С. и др. In-situ синтез сплава Ni – Ti методом лазерной наплавки // Труды 29-й Международной конференции по металлургии и материалам. 2020. С. 549–554.