Илья Викторович Власов, к.т.н., научный сотрудник лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля
Россия, 634055, Томск, Академический пр., 2/4
Il’ya V. Vlasov, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory of Physical Mesomechanics and Non-Destructive Testing
2/4 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation
Антонина Ильдаровна Гордиенко, к.т.н., научный сотрудник лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля
Россия, 634055, Томск, Академический пр., 2/4
Antonina I. Gordienko, Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Laboratory of Physical Mesomechanics and Non-Destructive Testing
2/4 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation
Вячеслав Максимович Семенчук, младший научный сотрудник лаборатории локальной металлургии в аддитивных технологиях
Россия, 634055, Томск, Академический пр., 2/4
Vyacheslav M. Semenchuk, Junior Researcher of the Laboratory of Local Metallurgy in Additive Manufacturing Technologies
2/4 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation
В работе исследованы микроструктура и механические свойства модельной стенки из жаропрочной стали перлитного класса, изготовленной с использованием электродуговой проволочной 3D-печати в режиме сниженного тепловложения coldArc. Для анализа тепловых циклов при нанесении слоев использовался стационарный тепловизор. Перед нанесением каждого слоя применялось охлаждение сжатым воздухом до 200 °C, чтобы уменьшить накопление тепла. Высокие градиенты температур между расплавленным металлом и охлажденным слоем привели к образованию участков с неоднородной структурой, строение которых типично для сварного шва после электродуговой сварки. Такие участки с неоднородной структурой формируются при печати каждого нового слоя и повторяются по всей высоте стенки. Обнаружено, что каждый закристаллизовавшийся слой подвергается циклическому термическому воздействию при нанесении последующих десяти слоев. Высокий нагрев от нанесения двух-трех новых слоев приводит к частичным структурно-фазовым превращениям в нижележащем слое. Нанесение последующих семи – восьми слоев приводит к нагреву, аналогичному термической операции отпуск. При анализе микроструктуры в разных участках стенки выявлен игольчатый бейнит с небольшой долей реечного и бейнитного феррита и мартенситно-аустенитной составляющей. По мере увеличения высоты стенки наблюдалось незначительное увеличение ширины реек игольчатых структур по сравнению с нижними слоями стенки. Наиболее высокие значения микротвердости наблюдались в месте сплавления стенки и подложки (320 ± 7 кгс/мм2) в результате быстрого теплоотвода и высокой скорости охлаждения на начальных этапах печати. В основном объеме стенки значения микротвердости изменялись в диапазоне 260 – 300 кгс/мм2. Разброс значений и периодический характер кривой микротвердости связан с формированием участков с неоднородной структурой в пределах каждого нанесенного слоя стенки. Материал стенки характеризуется высокими значениями прочностных характеристик (до 800 МПа) и относительного удлинения (9 – 12 %).
The authors investigated the microstructure and mechanical properties of a model wall manufactured by arc wire 3D printing. 3D printing was performed using heat-resistant pearlitic steel wire in coldArc reduced heat input mode. Stationary thermal imager was employed to analyze the thermal cycles during layer deposition. Compressed air cooling to 200 °C was applied before each layer deposition to reduce heat accumulation. The high temperature gradients between the molten metal and the cooled layer resulted in areas with non-uniform structure, typical of welded joints after arc welding. Such areas with non-uniform structure were formed during the printing of each new layer and repeated throughout the wall height. It was observed that each solidified layer undergoes cyclic thermal effects during the deposition of subsequent ten layers. Intensive heating from deposition of two to three new layers leads to partial structural-phase transformations in the underlying layer. Deposition of the next 7 – 8 layers leads to heating similar to the “tempering” thermal operation. Microstructure analysis across different areas of the wall revealed acicular bainite with a small proportion of lath ferrite, bainitic ferrite, and martensitic-austenitic constituents. A slight increase in the width dimensions of acicular structure laths was observed with increasing wall height compared to the lower layers. The highest microhardness values were observed at the wall and substrate fusion zone (320 ± 7 kgf/mm2) due to rapid heat conduction and high cooling rates during the initial stages of printing. In the wall bulk, microhardness values ranged from 260 to 300 kgf/mm2. The scatter of values and the periodic nature of the microhardness curve are associated with the formation of areas with non-uniform structure within each deposited layer of the wall. The wall material exhibits high strength characteristics (up to 800 MPa) and relative elongation (9 – 12 %).
The authors declare that there are no conflicts of interest present.