blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-3-294-301blackmet-2551Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСтруктурообразование сплава Нп-30ХГСА при аддитивном электродуговом выращиванииStructure formation of Np-30KhGSA alloy in wire and arc additive manufacturingАносовМ. С.AnosovM. S.

Максим Сергеевич Аносов, к.т.н., доцент кафедры «Технология и оборудование машиностроения»

Россия, 603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Maksim S. Anosov, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Techno­logy and Equipment Engineering”

24 Minina Str., Nizhny Novgorod 603022, Russian Federation

anosov-maksim@list.ruШатагинД. А.ShataginD. A.

Дмитрий Александрович Шатагин, к.т.н., доцент кафедры «Технология и оборудование машиностроения»

Россия, 603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Dmitrii A. Shatagin, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Techno­logy and Equipment Engineering”

24 Minina Str., Nizhny Novgorod 603022, Russian Federation

dmitsanych@gmail.comЧернигинМ. А.CherniginM. A.

Михаил Алексеевич Чернигин, инженер

Россия, 603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Mikhail A. Chernigin, Engineer

24 Minina Str., Nizhny Novgorod 603022, Russian Federation

dmitsanych@gmail.comМордовинаЮ. С.MordovinaYu. S.

Юлия Сергеевна Мордовина, инженер по учебному процессу

Россия, 603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Yuliya S. Mordovina, Academic Activity Engineer

24 Minina Str., Nizhny Novgorod 603022, Russian Federation

ips4@nntu.ruАносоваЕ. С.AnosovaE. S.

Екатерина Сергеевна Аносова, ассистент

Россия, 603022, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Ekaterina S. Anosova, Assistant

24 Minina Str., Nizhny Novgorod 603022, Russian Federation

katena.zav@mail.ruНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияR.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical UniversityRussian Federation202328062023663294301Copyright © Аносов М.С., Шатагин Д.А., Чернигин М.А., Мордовина Ю.С., Аносова Е.С., 20232023Аносов М.С., Шатагин Д.А., Чернигин М.А., Мордовина Ю.С., Аносова Е.С.Anosov M.S., Shatagin D.A., Chernigin M.A., Mordovina Y.S., Anosova E.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2551

Использование 3D-печати изделий из металлических материалов является современной перспективной технологией, способствующей повышению производственной эффективности. Однако применение данной технологии сопряжено с рядом проблем, например, с повышенной микроструктурной неоднородностью и дефектностью металла. В связи с этим требуется проведение исследований, направленных на выявление таких режимов 3D-печати, которые бы обеспечили получение наиболее однородной, стабильной и бездефектной структуры. В работе изучено структурообразование стали марки 30ХГСА в процессе аддитивной электродуговой наплавки при различных режимах печати. Для оценки качества полученных заготовок применялись микроструктурный и фрактальный анализы, а также измерение микротвердости. При всех режимах наплавки выявлена значительная структурная неоднородность наплавленной заготовки, которая объясняется термическим воздействием наплавляемого слоя на уже закристаллизовавшийся металл. Тем не менее, установлен режим, который дает наиболее благоприятную микроструктуру с точки зрения ее однородности и равноосности зерен. При увеличении значений погонной энергии процесса аддитивного электродугового выращивания наблюдается увеличение производительности процесса и фиксируется уменьшение количества пор в материале. Однако при значениях погонной энергии процесса наплавки свыше 1000 Дж/мм увеличивается структурная неоднородность материала и значительно снижается его микротвердость. Исходя из проведенных исследований, в качестве режима 3D-печати электродуговой наплавкой для сплава Нп-30ХГСА может быть выбран режим с погонной энергией порядка 920 Дж/мм. Он обеспечивает наименьшую структурную неоднородность и достаточно высокую производительность процесса выращивания с отсутствием дефектов в виде пор и элементов нерасплавившейся проволоки.

The use of metallic products 3D-printing is a modern, promising technology that improves production efficiency. However, using this technology is associated with a number of problems, for example, with increased microstructural heterogeneity and defects in metal. Therefore, it is necessary to carry out researches to identify 3D-printing modes ensuring the most homogeneous, stable and non-defect structure. In this work, a study was made of the process of structure formation of 30KhGSA steel in the process of Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) under various printing modes. Microstructural analysis, microhardness measurement and fractal analysis were used for assessment of the obtained billets. In all surfacing modes, a significant structural inhomogeneity of the deposited billet was revealed, which is explained by the thermal effect of the deposited layer on the already crystallized metal. Nevertheless, we found the mode that gives the most favorable microstructure in terms of its uniformity and equiaxed grains. With an increase in WAAM heat input values, an increase in the productivity of the process is observed and a decrease in the number of pores in the material is recorded. However, when the heat input of the surfacing process exceeds 1000 J/mm, the structural inhomogeneity of the material increases and its microhardness significantly decreases. Based on the studies, as a WAAM 3D-printing mode for Np-30KhGSA alloy, a mode with a heat input of about 920 J/mm can be chosen, which provides the lowest structural inhomogeneity and a sufficiently high productivity of the growth process with the absence of defects in the form of pores and elements of not melted wire.

электродуговая наплавкапогонная энергия наплавкитермический циклмикроструктурамикротвердостьфрактальный анализ30ХГСАWAAMelectric arc surfacingsurfacing heat inputthermal cyclemicrostructure30KhGSAWAAMИсследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-79-00095 «Разработка научно-технологических основ структурообразования конструкционных материалов, полученных путем аддитивного электродугового выращивания для формирования механических свойств при усталости с использованием подходов искусственного интеллекта».The work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 22-79-00095 “Development of scientific and technological foundations for the structure formation of structural materials obtained by wire arc additive manufacturing for the formation of mechanical properties under fatigue using artificial intelligence approaches”.ReferencesJackson M.A., Van Asten A., Morrow J.D., Min S., Pfefferkorn F.E. Energy consumption model for additive-subtractive manufacturing processes with case study. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. 2018;5(4):459–466. https://doi.org/10.1007/s40684-018-0049-yJackson M.A., Van Asten A., Morrow J.D., Min S., Pfefferkorn F.E. Energy consumption model for additive-subtractive manufacturing processes with case study. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. 2018;5(4):459–466. https://doi.org/10.1007/s40684-018-0049-yPinto-Lopera J.E., Motta J.M.S.T., Absi Alfaro S.C. Real-time measurement of width and height of weld beads in GMAW processes. Sensors. 2016;16(9):1500. https://doi.org/10.3390/s16091500Pinto-Lopera J.E., Motta J.M.S.T., Absi Alfaro S.C. Real-time measurement of width and height of weld beads in GMAW processes. Sensors. 2016;16(9):1500. https://doi.org/10.3390/s16091500Li J.L.Z., Alkahari M.R., Rosli N.A.B., Hasan R., Sudin M.N., Ramli F.R. Review of wire arc additive manufacturing for 3D metal printing. International Journal of Automation Techno­logy. 2019;13(3):346–353. https://doi.org/10.20965/ijat.2019.p0346Li J.L.Z., Alkahari M.R., Rosli N.A.B., Hasan R., Sudin M.N., Ramli F.R. Review of wire arc additive manufacturing for 3D metal printing. International Journal of Automation Technology. 2019;13(3):346–353. https://doi.org/10.20965/ijat.2019.p0346Kah P., Latifi H., Suoranta R., Martikainen J., Pirinen M. Usability of arc types in industrial welding. International Journal of Mechanical and Materials Engineering. 2014;9:15. https://doi.org/10.1186/s40712-014-0015-6Kah P., Latifi H., Suoranta R., Martikainen J., Pirinen M. Usability of arc types in industrial welding. International Journal of Mechanical and Materials Engineering. 2014;9:15. https://doi.org/10.1186/s40712-014-0015-6Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H. Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015;81:465–481. https://doi.org/10.1007/s00170-015-7077-3Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H. Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015;81:465–481. https://doi.org/10.1007/s00170-015-7077-3Wu B., Pan Z., Ding D., Cuiuri D., Li H., Xu J., Norrish J. A review of the wire arc additive manufacturing of metals: Properties, defects and quality improvement. Journal of Manufacturing Processes. 2018;35:127–139. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.08.001Wu B., Pan Z., Ding D., Cuiuri D., Li H., Xu J., Norrish J. A review of the wire arc additive manufacturing of metals: Properties, defects and quality improvement. Journal of Manufacturing Processes. 2018;35:127–139. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.08.001Аносов М.С., Шатагин Д.А., Михайлов А.М., Андронов Д.В. Обоснование применения технологии 3D-печати электродуговой наплавкой для получения деталей в условиях мелкосерийного производства. Актуальные проблемы науки и образования в условиях современных вызовов: Сборник материалов XIII Международной научно-практической конференции, Москва, 15 августа 2022 года. Москва: Печатный цех; 2022:291–295.Anosov M.S., Shatagin D.A., Mikhailov A.M., Andro­nov D.V. Rationale for the use of 3D-printing technology by electric arc welding to obtain parts in small-scale production. Actual Problems of Science and Education in the Context of Modern Challenges: Proceedings of the XIII Int. Sci. and Prac. Conf., Moscow, August 15, 2022. Moscow: Pechatnyi tsekh; 2022:291–295. (In Russ.).Кудряшов В.А., Лапышев А.А. Создание аддитивных технологий с учетом усталостного поведения материа­ла в авиационном инжиниринге. Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2018;20(4–3(84)): 406–413.Kudryashov V.A., Lapyshev A.A. Creation of additive technologies according to fatigue behaviour of material in aviation engineering. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi akademii nauk. 2018;20(4–3(84)):406–413. (In Russ.).Кубанова А.Н., Сергеев А.Н., Добровольский Н.М., Гвоздев А.Е., Медведев П.Н., Малий Д.В. Особенности материалов и технологий аддитивного производства изделий. Чебышевский сборник. 2019;20(3):453–477. https://doi.org/10.22405/2226-8383-2019-20-3-453-477Kubanova A.N., Sergeev A.N., Dobrovol’skii N.M., Gvozdev A.E., Medvedev P.N., Maliy D.V. Materials and technologies for production products by additive manufacturing. Chebyshevskii Sbornik. 2019;20(3):453–477. (In Russ.). https://doi.org/10.22405/2226-8383-2019-20-3-453-477Garashchenko Y., Glushko A., Kobets O., Harashchenko O. Fractal analysis of structural and phase changes in the metal of welded steam pipe joints. Advances in Design, Simulation and Manufacturing IV. DSMIE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. https://doi.org/10.1007/978-3-030-77719-7_4Garashchenko Y., Glushko A., Kobets O., Harashchenko O. Fractal analysis of structural and phase changes in the metal of welded steam pipe joints. Advances in Design, Simulation and Manufacturing IV. DSMIE 2021. Lecture Notes in Mechanical Engineering. https://doi.org/10.1007/978-3-030-77719-7_4Красикова И.Е., Красиков И.В., Картузов В.В. Корреляция значений фрактальных характеристик структуры материала по электронно-микроскопическим фотографиям поверхности образцов со значениями их физико-механических характеристик. Электронная микроскопия и прочность материалов. Серия: Физическое материаловедение, структура и свойства материалов. 2016;(22):3–9.Krasikova I.E., Krasikov I.V., Kartuzov V.V. Correlation of fractal characteristics of the material structure by electron-microscopic images of the sample surface with their physical and mechanical properties Elektronnaya mikroskopiya i prochnost’ materialov. Seriya: Fizicheskoe materialovedenie, struktura i svoistva materialov, 2016;(22):3–9. (In Russ.).Zaiser M., Bay K., Hähner P. Fractal analysis of deformation-induced dislocation patterns. Acta Materialia. 1999;47(8):2463–2476. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00096-8Zaiser M., Bay K., Hähner P. Fractal analysis of deformation-induced dislocation patterns. Acta Materialia. 1999;47(8):2463–2476. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00096-8Kabaldin Y.G., Anosov M.S., Shatagin D.A. Evaluation of the mechanism of the destruction of metals based on approaches of artificial intelligence and fractal analysis. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;709:033076. https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/3/033076Kabaldin Y.G., Anosov M.S., Shatagin D.A. Evaluation of the mechanism of the destruction of metals based on approaches of artificial intelligence and fractal analysis. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020;709:033076. https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/3/033076Rodrigues T.A, Duarte V., Miranda R.M., Santos T.G., Oliveira J.P. Current status and perspectives on wire and arc additive manufacturing (WAAM). Materials (Basel). 2019;12(7):1121. https://doi.org/10.3390/ma12071121Rodrigues T.A, Duarte V., Miranda R.M., Santos T.G., Oliveira J.P. Current status and perspectives on wire and arc additive manufacturing (WAAM). Materials (Basel). 2019;12(7):1121. https://doi.org/10.3390/ma12071121Bai X., Zhang H., Wang G. Modeling of the moving induction heating used as secondary heat source in weld-based additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015;77:717–727. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6475-2Bai X., Zhang H., Wang G. Modeling of the moving induction heating used as secondary heat source in weld-based additive manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015;77:717–727. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6475-2Donoghue J., Antonysamy A.A., Martina F., Colegrove P.A., Williams S.W., Prangnell P.B. The effectiveness of combining rolling deformation with Wire–Arc Additive Manufacture on β-grain refinement and texture modification in Ti–6Al–4V. Materials Characterization. 2016;114:103–114. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2016.02.001Donoghue J., Antonysamy A.A., Martina F., Colegrove P.A., Williams S.W., Prangnell P.B. The effectiveness of combining rolling deformation with Wire–Arc Additive Manufacture on β-grain refinement and texture modification in Ti–6Al–4V. Materials Characterization. 2016;114:103–114. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2016.02.001Кабалдин Ю.Г., Шатагин Д.А., Аносов М.С., Кол­чин П.В., Киселев А.В. Диагностика процесса 3D-печати на станке с ЧПУ с использованием подходов машинного обучения. Вестник машиностроения. 2021;(1):55–59. https://doi.org/10.36652/0042-4633-2021-1-55-59Kabaldin Yu.G., Shatagin D.A., Anosov M.S., Kolchin P.V., Kiselev A.V. Diagnostics of 3D-printing on a CNC machine using machine learning approaches. Vestnik mashinostroeniya. 2021;(1):55–59. (In Russ.). https://doi.org/10.36652/0042-4633-2021-1-55-59Чинахов Д.А. Исследование и разработка технологии сварки многослойных соединений из стали 30ХГСА, обеспечивающей гарантированное качество сварных соединений с минимальными ресурсо- и трудозатратами. Современные наукоемкие технологии. 2006;(3):73–75.Chinakhov D.A. Research and development of technology for welding multilayer joints from 30KhGSA steel, providing guaranteed quality of welded joints with minimal resource and labor costs. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2006;(3):73–75. (In Russ.).Атрощенко В.В., Тефанов В.Н., Краев К.А. К вопросу об управлении переносом электродного металла при дуговой сварке плавящимся электродом с короткими замыканиями дугового промежутка. Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2008;11(2):146–154.Atroshchenko V.V., Tefanov V.N., Kraev K.A. On control of metal transfer during welding by consumable electrode with a short circuit of arc interval. Vestnik Ufimskogo gosudarstvennogo aviatsionnogo tekhnicheskogo universiteta. 2008;11(2):146–154.Gonchar A.V., Kurashkin K.V., Andreeva O.V., Anosov M.S., Klyushnikov V.A. Fatigue life prediction of structural steel using acoustic birefringence and characteristics of persistent slip bands. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2022;45(1):101–112. https://doi.org/10.1111/ffe.13586Gonchar A.V., Kurashkin K.V., Andreeva O.V., Anosov M.S., Klyushnikov V.A. Fatigue life prediction of structural steel using acoustic birefringence and characteristics of persistent slip bands. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2022;45(1):101–112. https://doi.org/10.1111/ffe.13586

The authors declare that there are no conflicts of interest present.