+В. Ю. Конкевич (1951–2022)

ООО «Научно-производственный центр магнитной гидродинамики», Красноярск, Россия¹ ; Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия²:
В. Н. Тимофеев, директор¹, заведующий кафедрой «Электротехнология и электротехника»², докт. техн. наук

ООО «Научно-производственный центр магнитной гидродинамики», Красноярск, Россия:
Г. П. Усынина, главный материаловед, эл. почта: galina@usynina.ru

ОАО «Всероссийский институт легких сплавов», Москва, Россия:
В. В. Белоцерковец, начальник лаборатории металлофизических исследований, канд. техн. наук

В Сибирском центре магнитной гидродинамики в Красноярске развивают производство проволоки из слитков сплавов системы Al – Mg – переходные металлы (ПМ), полученных электромагнитной кристаллизацией (ЭМК), для использования в аддитивных технологиях. Пористость и микроструктура в наплавленных изделиях являются важными характеристиками и влияют на кристаллизационное растрескивание и механические свойства. В связи с этим проведена сравнительная оценка структурообразования в наплавленных компактах методами WAAM (Welding Arc Additive Manufacturing) и L-DED (Laser Direct Energy Deposition) с использованием проволоки из сплавов Al – Mg – ПМ. Проволока диаметром 1,2 мм получена инновационным методом из длинномерных слитков диаметром 12 мм, отлитых по технологии ElmaCast, которая обе спечивает скорость охлаждения литой заготовки более 1000 К/с (сопоставимую с технологией RS/PM). Метод позволяет из длинномерных слитков диаметром 12 мм получать проволоку требуемого сечения для дальнейшего использования в аддитивных технологиях. В связи с тем, что в отлитых с использованием ЭМК слитках отсутствуют оксидные плены, твердые неметаллические включения и пористость из-за уникального влияния нахождения расплава в высокочастотном электромагнитном поле, проволока не имеет литейных дефектов. Слитки не подвергаются прессованию и прокатке, поэтому не наследуют дефекты, обнаруживаемые в изделиях при проведении этих процессов обработки давлением. Предел прочности исследуемой проволоки составляет 453–485 МПа. При наплавке методом WAAM микротвердость увеличивается почти в 1,5 раза при температуре отжига 350 ^oC в течение 2 ч за счет дисперсионного твердения. Результаты оценки методов аддитивного производства для наплавки проволокой (дуговой или лазерный) показали, что условия кристаллизации существенно отличаются. Поверхность и микроструктура образцов, наплавленных методом L-DED, более качественная, практически отсутствует пористость по сравнению с методом WAAM. Установлено, что для формирования равномерной зеренной структуры в условиях кристаллизации слоев необходимо применение проволоки, высоколегированной переходными металлами.

Памяти заслуженного деятеля науки, доктора технических наук, профессора Валентина Юрьевича Конкевича посвящается.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00128, https:// rscf.ru/project/22-19-00128/.

1. DebRoy T., Wei H. L., Zuback J. S., Mukherjee T. et al. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties. Progress in Materials Science. 2018. Vol. 92. pp. 112–224.
2. Collins P. C., Brice D. A., Samimi P., Ghamarian I., Fraser H. L. Microstructural control of additively manufactured metallic materials. Annual Review of Materials Research. 2016. Vol. 46. pp. 63–91.
3. Usynina G. P., Timopheyev V. N., Konkevich V. Yu., Motkov M. M. et al. Aluminium wire of RPC “Magnetic hydrodynamics” LLC for additive manufacturing. Tekhnologiya legkikh splavov. 2019. No. 2. pp. 29–34.
4. Konkevich V. Yu., Timofeev V. N., Usynina G. P., Kunyavskaya T. M. et al. Principles of alloying of aluminum alloys to manufacture wire used in additive production and for the hardening deposition. Tekhnologiya legkikh splavov. 2021. No. 1. pp. 4–17.
5. Usynina G. P., Timofeev V. N., Vinogradov D. A., Motkov M. M., Gudkov I. S. Study of Al – Sc diluted master alloy to produce aluminum alloys for additive technologies. Tekhnologiya legkikh splavov. 2020. No. 4. pp. 60–66.
6. Khairallah S. A., Anderson A. T., Rubenchik A., King W. E. Laser powderbed fusion additive manufacturing: physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones. Acta Materialia. 2016. Vol. 108. pp. 36–45.
7. DebRoy T., David S. A. Physical processes in fusion welding. Reviews of Modern Physics. 1995. Vol. 67, Iss. 1. pp. 85–112.
8. Mukherjee T., Zuback J. S., De A., DebRoy T. Printability of alloys for additive manufacturing. Scientific Reports. 2016. Vol. 6. 9717.
9. Borisov O. V., Mao X. L., Fernandez A., Caetano M., Russo R. E. Inductively coupled plasma mass spectrometric study of non-linear calibration behavior during laser ablation of binary Cu – Zn Alloys. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 1999. Vol. 54, Iss. 9. pp. 1351–1365.
10. He X., DebRoy T., Fuerschbach P. W. Alloying element vaporization during laser spot welding of stainless steel. Journal of Physics D: Applied Physics. 2003. Vol. 36, Iss. 23. pp. 3079–3088.
11. Matthews M. J., Guss G., Khairallah S. A., Rubenchik A. M. et al. Denudation of metal powder layers in laser powder bed fusion processes. Acta Materialia. 2016. Vol. 114. pp. 33–42.
12. Moradi M., Hasani A., Pourmand Z., Lawrence J. Direct laser metal deposition additive manufacturing of Inconel 718 superalloy: Statistical modelling and optimization by design of experiments. Optics and Laser Technology. 2021. Vol. 144. 107380.
13. Lalegani M., Serjouei A., Zolfagharian A., Fotouhi M. A review on additive/subtractive hybrid manufacturing of directed energy deposition (DED) process. Advanced Powder Materials. 2022. Vol. 1, Iss. 4. 100054.
14. Olakanmi E. O., Cochrane R. F., Dalgarno K. W. Densification mechanism and microstructural evolution in selective laser sintering of Al –12 Si powders. Journal of Materials Processing Technology. 2011. Vol. 211, Iss. 1. pp. 113–121.
15. Jia Q. B., Gu D. D. Selective laser melting additive manufacturing of Inconel 718 superalloy parts: densification, microstructure and properties. Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 585. pp. 713–721.
16. King W. E., Barth H. D., Castillo V. M., Gallegos G. F. et al. Observation of keyhole-mode laser melting in laser powder-bed fusion additive manufacturing. Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 14, Iss. 12. pp. 2915–2925.
17. Kaplan A. A model of deep penetration laser-welding based on calculation of the keyhole profile. Journal of Physics D: Applied Physics. 1994. Vol. 27, Iss. 9. pp. 1805–1814.
18. Aboulkhair N. T., Everitt N. M., Ashcroft I., Tuck C. Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting. Additive Manufacturing. 2014. Vol. 1. pp. 77–86.
19. Bauereiss A., Scharowsky T., Korner C. Defect generation and propagation mechanism during additive manufacturing by selective beam melting. Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 214, Iss. 11. pp. 2522–2528.
20. Slotwinski J. A., Garboczi E. J., Hebenstreit K. M. Porosity measurements and analysis for metal additive manufacturing process control. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 2014. Vol. 119. pp. 494–528.
21. Strano G., Hao L., Everson R. M., Evans K. E. Surface roughness analysis, modelling and prediction in selective laser melting. Journal of Materials Processing Technology. 2013. Vol. 213, Iss. 4. pp. 589–597.
22. Lyczkowska E., Szymczyk P., Dybala B., Chlebus E. Chemical polishing of scaffolds made of Ti – 6 Al – 7 Nb alloy by additive manufacturing. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2014. Vol. 14, Iss. 4. pp. 586–594.
23. Dehoff R., Duty C., Peter W., Yamamoto Y. et al. Case study: additive manufacturing of aerospace brackets. Advanced Materials and Processes. 2013. Vol. 171, Iss. 3. pp. 19–22.
24. Rahmati S., Vahabli E. Evaluation of analytical modeling for improvement of surface roughness of FDM test part using measurement results. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 79, Iss. 5–8. pp. 823–829.
25. Qiu C. L., Panwisawas C., Ward M., Basoalto H. C. et al. On the role of melt flow into the surface structure and porosity development during selective laser melting. Acta Materialia. 2015. Vol. 96. pp. 72–79.
26. Kruth J.-P., Levy G., Klocke F., Childs T. H. C. Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layered manufacturing. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2007. Vol. 56, Iss. 2. pp. 730–759.
27. Yasa E., Deckers J., Kruth J. P. The investigation of the influence of laser re-melting on density, surface quality and microstructure of selective laser melting parts. Rapid Prototyping Journal. 2011. Vol. 17, Iss. 5. pp. 312–327.
28. Calignano F., Manfredi D., Ambrosio E. P., Iuliano L., Fino P. Influence of process parameters on surface roughness of aluminum parts produced by DMLS. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. Vol. 67, Iss. 9–12. pp. 2743–2751.
29. Lewis G. K., Schlienger E. Practical considerations and capabilities for laser assisted direct metal deposition. Materials & Design. 2000. Vol. 21, Iss. 4. pp. 417–423.
30. Mercelis P., Kruth J.-P. Residual stresses in selective laser sintering and selective laser melting. Rapid Prototyping Journal. 2006. Vol. 12, Iss. 5. pp. 254–265.
31. Goldak J. A., Akhlaghi M. Computational welding mechanics. 1^st edition. US : Springer, 2005. 321 p.
32. Rathbun H. J., Fredette L. F., Scott P. M., Csontos A. A., Rudland D. L. NRC welding residual stress validation program international round robin program and findings. ASME 2011 Pressure vessels and piping conference. 2011. pp. 1539–1545.
33. Qiao D. X., Feng Z. L., Zhang W., Wang Y. L., Crooker P. Modeling of weld residual plastic strain and stress in dissimilar metal butt weld in nuclear reactors. Proceedings of the ASME pressure vessels and piping conference – 2013. Vol. 6b: Materials and Fabrication, 2014. DOI: 11.1115/PVP2013-98081
34. Schmidtke K., Palm F., Hawkins A., Emmelmann C. Process and mechanical properties: applicability of a scandium modified Al-alloy for laser additive manufacturing. Physics Procedia. 2011. Vol. 12. pp. 369–374.
35. Mann V. Kh., Krokhin A. Yu., Alabin A. N., Frolov V. F. et al. Al – Mg – Sc alloys for sheet, plate, and additive manufacturing for automotive and aerospace. Light Metal Age. 2016. Vol. 74, Iss. 5. pp. 12–16.
36. Schimbäck D., Panzenböck M., Palm F. Examinations on Al – Mg – Sc – alloys after additive manufacturing. Practical Metallography. 2019. Vol. 56, Iss. 12. pp. 797–812.
37. Ren L., Gu H., Wang W. et al. Effect of Sc content on the microstructure and properties of Al – Mg – Sc alloys deposited by wire arc addi tive manufacturing. Metals and Materials International. 2021. Vol. 27. pp. 68–77.
38. Lin Z., Li R., Zhu H., Yuan T. et al. Microstructure and mechanical properties of Al – Mg – Sc – Zr alloy by powder feeding laser additive manufacturing. Journal of Central South University (Science and Technology). 2020. Vol. 51, Iss. 11. pp. 3055–3063.
39. Ishigami K., Hashizume Y., Murakami I., Kimura T., Nakamoto T. Development of high strength Al – Mg – Sc alloy powder for 3D additive manufacturing. Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy. 2021. Vol. 68, Iss. 4. pp. 129–132.
40. GOST 10446–80. Wire. Tensile test method. Introduced: 01.07.1982.
41. Dobatkin V. I., Belov A. F., Eskin G. I., Borovikova S. I., Golder Yu. G. A new pattern of crystallization of metallic materials. Discoveries. Inventions 1983, No. 37 Scientific discovery. Diploma No 271.