Самарский государственный технический университет, Самара, Россия

Д. А. Дунаев, инженер кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» (ЛиВТ), аспирант, эл. почта: dimjkee830@gmail.com
С. С. Жаткин, профессор кафедры ЛиВТ, канд. техн. наук, эл. почта: sergejat@mail.ru
К. В. Никитин, профессор кафедры ЛиВТ, декан факультета машиностроения, металлургии и транспорта, докт. техн. наук, эл. почта: kvn-6411@mail.ru
Е. А. Минаков, ассистент кафедры ЛиВТ, инженер, эл. почта: goodspik@yandex.ru

Представлены результаты исследований структуры и свойств сплава системы Al – Si с применением электродуговой наплавки. Наплавку проводили проволокой Св-АК5 при стандартном импульсном режиме и режиме coldArc на модернизированном трехмерном принтере. В процессе наплавки варьировали силой тока дуги 60, 70 и 75 А. Исследовали влияние режимов наплавки на геометрические размеры, микроструктуру, газовую пористость и механические свойства наплавленных образцов. Установлено, что с увеличением силы тока по обоим режимам происходит рост размеров наплавляемого образца. Отклонения от заданных размеров в большую сторону имеет ширина наплавки, что связано с растеканием расплава. В режиме сoldArc отклонения геометрических размеров от номинала имеют меньшие значения. С ростом силы тока снижается скорость охлаждения, что приводит к увеличению размеров дендритов α-Al. Максимальными размерами дендритов характеризуются средние зоны наплавленного слоя, минимальными — нижние. Это связано с тем, что при наплавке первого слоя основной теплоотвод интенсивно происходит через субстрат, обеспечивая повышенные скорости охлаждения. Средние зоны наплавки формируются в условиях пониженного теплоотвода и скоростей охлаждения, что обусловливает укрупнение размеров α-Al. При этом установлено, что при наплавке в режиме сoldArc в структуре слоев формируются более мелкие дендриты по сравнению со стандартным импульсным режимом. Увеличение тока дуги до 75 А приводит к снижению скорости охлаждения, увеличивается длительность стояния жидкой фазы, что обусловливает повышение концентрации газовых пор на единицу площади. Наибольшей концентрацией газовых пор характеризуются средние зоны наплавленных образцов. Механические свойства наплавленных образцов практически идентичны при использовании стандартного импульсного и сoldArc-режимов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проекта № 23-29-10195.

1. Ngo T. D., Kashani Alireza, Imbalzano Gabriele, Nguyen K. T. Q. et al. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering. 2018. Vol. 143. pp. 172–196.
2. Lindgren L.-E., Lundbaeck A. Approaches in computational welding mechanics applied to additive manufacturing: Review and outlook. Comptes Rendus Mecanique. 2018. Vol. 346, Iss. 11. pp. 1033–1042.
3. Gu J., Wang X., Bai J., Ding J. et al. Deformation microstructures and strengthening mechanisms for the wire + arc additively manufactured Al – Mg4.5Mn alloy with inter-layer rolling. Materials Science & Engineering A. 2018. Vol. 712. pp. 292–301.
4. Liberini М., Astarita А., Campatelli G., Scippa A. et al. Selection of optimal process parameters for wire arc additive manufacturing. Procedia CIRP. 2017. Vol. 62. pp. 470–474.
5. Herzog D., Seyda V., Wycisk E., Emmelmann C. Additive manufacturing of metals. Acta Materialia. 2016. Vol. 117. pp. 371–392.
6. Wang F., Williams S., Colegrove P., Antonysamy A. Microstructure and mechanical properties of wire and arc additive manufactured Ti – 6A1 – 4V. Metallurgical and Materials Transactions A. 2013. Vol. 44. pp. 968–977.
7. Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H. Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 81, Iss. 1-4. pp. 465–481.
8. Köhler M., Fiebig S., Hensel J., Dilger K. Wire and arc additive manufacturing of aluminum components. Metals. 2019. Vol. 9, No. 5. pp. 1–9.
9. Köhler M., Hensel J., Dilger K. Effects of thermal cycling on wire and arc additive manufacturing of Al-5356 components. Metals. 2020. Vol. 10, No. 7. pp. 2–11.
10. Jandric Z., Labudovic M., Kovacevic R. Effect of heat sink on microstructure of three-dimensional parts built by welding-based deposition. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2004. Vol. 44, Iss. 7-8. pp. 785–796.
11. Kostin V. A., Grigorenko G. M. Modelling the process of building a multi-layer 3D surface by additive technology using welding heat sources. Tekhnologiya mashinostroeniya. 2019. No. 7. pp. 39–51.
12. Shapovalov V. A., Grigorenko G. M. Control over the metal structure during crystallization. Sovremennaya elektrometallurgiya. 2015. No. 2. pp. 51–54.

13. Kou S. Welding metallurgy. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc, 2003. 480 p.
14. Fang X., Zhang L., Li H., Li С. et al. Microstructure evolution and mechanical behavior of 2219 aluminum alloys additively fabricated by the cold metal transfer process. Materials. 2018. Vol. 11, No. 5. pp. 812–824.
15. Köhler M., Fiebig S., Hensel J., Dilger K. Wire and arc additive manufacturing of aluminum components. Metals. 2019. Vol. 9, No. 5. pp. 1–9.
16. Ayarkwa K., Williams S., Ding J. Investigation of pulse advance cold metal transfer on aluminium wire arc additive manufacturing. International Journal of Rapid Manufacturing. 2015. Vol. 5, No. 1. pp. 44–57.
17. Zhang Ch., Li Yu., Gao M., Zeng X. Wire arc additive manufacturing of Al – 6Mg alloy using variable polarity cold metal transfer arc as power source. Materials Science & Engineering A. 2018. Vol. 711. pp. 415–423.
18. Baoqiang C., Jialuo D. Effect of arc mode in cold metal transfer process on porosity of additively manufactured Al – 6.3% Cu alloy. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 76, Iss. 9-12. pp. 1593–1606.
19. Horgar А., Fostervoll Н., Nyhus B., Ren X. et al. Additive manufacturing using WAAM with AA5183 wire. Journal of Materials Processing Technology. 2018. Vol. 259. pp. 68–74.
20. Wang Y., Yang S., Xie C., Liu H. et al. Microstructure and ratcheting behavior of additive manufactured 4043 aluminum alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2018. Vol. 27, Iss. 3. pp. 4582–4592.
21. Salomatova E. S., Kartashev M. F., Trushnikov D. N., Permyakov G. L. et al. Understanding the processes behind evaporation of alloying components during CMT surfacing of AlMg5 type wire. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie nauki. 2019. Iss. 10. pp. 305–311.
22. Rauch M., Nwankpa U. V., Hascoet J.-Y. Investigation of deposition strategy on wire and arc additive manufacturing of aluminium components. Journal of Advanced Joining Processes. 2021. Vol. 4. pp. 1–8.
23. Qi Z., Cong B, Qi B., Sun H. et al. Microstructure and mechanical properties of double-wire + arc additively manufactured Al – Cu – Mg alloys. Journal of Materials Processing Technology. 2018. Vol. 255. pp. 347–353.
24. Henckell Ph., Gierth M., Ali Y., Reimann J. et al. Reduction of energy input in wire arc additive manufacturing (WAAM) with gas metal arc welding (GMAW). Materials. 2020. Vol. 13, Iss. 11. 2491.
25. de Dompablo M. New solutions in coldArc and forceArc welding technology. Welding International. 2011. Vol. 27, No. 1. pp. 1–6.
26. Panchenko O. V., Zhabrev L. A., Kurushkin D. V., Popovich A. A. Macrostructure and mechanical properties of Al – Si, Al – Mg – Si, and Al – Mg – Mn aluminum alloys produced by electric arc additive growth. Metal Science and Heat Treatment. 2019. Vol. 60, No. 11–12. pp. 749–754.
27. GOST 7871–2019. Filler wire of aluminium and aluminium alloys. Specifications. Introduced: 01.02.2020.
28. Nerovnyi V. M., Konovalov A. V., Yakushin B. F., Makarov E. L. et al. Theory of welding processes (2^nd edition). Moscow : MGTU im. N. E. Baumana, 2016. 704 p.
29. GOST 1497–84. Metals. Methods of tension test. Introduced: 01.01.1986.
30. GOST 10006–80. Metal tubes. Tensile test method. Introduced: 01.07.1980.