Об анизотропии механических свойств заготовок, полученных прямым лазерным выращиванием из нержавеющей стали 316L

Цель работы — оценка анизотропии механических свойств изделий, получаемых аддитивной технологией из жаропрочных сталей, в ситуации, когда размеры заготовки не допускают вырезки образцов в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Исследования проводили на цилиндрических образцах, изготовленных из пластин сплава 316L, полученных методом прямого лазерного выращивания при параметрах процесса, обеспечивающих воспроизведение механических свойств крупноразмерных изделий. Испытания на квазистатическое изотермическое растяжение до разрушения при комнатной и повышенных температурах, проведенные на образцах двух возможных направлений вырезки (в направлении наращивания слоев и в направлении печати), показали близость кривых деформирования в этих направлениях, свидетельствующую о предположительно малой степени анизотропии механических свойств заготовки. Однако поперечное сечение круглого образца после растяжения приобретало эллиптическую форму в областях как шейки, так и равномерного деформирования, что указывает на наличие анизотропии заготовки. Из этого следует, что механические свойства заготовки и образцов, вырезанных в двух исследованных направлениях, отличаются. Численное моделирование деформирования образцов методом конечных элементов в пакете ANSYS показало возможность подбора описания материала, при котором поведение моделируемого образца совпадает с полученным в эксперименте в отношении как диаграммы нагрузка – удлинение, так и эллиптичности сечения. Для оценки величины влияния анизотропии материала на прочность элементов изделий выполнен расчет модельной теплонапряженной конструкции, типичной для аддитивного метода изготовления. Показано, что учет анизотропии снижает вычисленную циклическую долговечность примерно в два раза. Данная работа является основанием для более полного изучения анизотропии несмотря на методические трудности, такие как изготовление аддитивными технологиями заготовок, позволяющих вырезать образцы в трех взаимно перпендикулярных направлениях, и увеличение объема испытаний.

1. Zhang C., Juul Jensen D., Yu T. Effects of initial 3D printed microstructures on subsequent microstructural evolution in 316L stainless steel / Acta Mater. 2023. Vol. 242. 118481. DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118481

2. Шорстов С. Ю., Мараховский П. С., Пахомкин С. И., Размахов М. Г. Исследование теплофизических свойств жаропрочного интерметаллидного титанового γ-сплава, полученного методами фасонного литья и аддитивных технологий / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 9. С. 28 – 34. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-9-28-34

3. Леонтьева Ю. О. Сравнение прочностных и структурных свойств образцов из нержавеющей стали EOS PH1 аддитивного производства и из закаленной стали марки 30ХГСА традиционного изготовления / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 7. С. 63 – 72. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-7-63-72

4. Дворецков Р. М., Славин А. В., Тихонов М. М., Куко И. С. Контроль химического состава жаропрочных никелевых сплавов в процессе производства изделий из них по аддитивным технологиям / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 4. С. 71 – 80. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-71-80

5. Михайлова Н. А., Косарина Е. И., Демидов А. А., Суворов П. В. Радиационный контроль заготовок, выполненных по аддитивной технологии, методом цифровой радиографии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 10. С. 48 – 53. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-10-48-53

6. Горунов А. И. Направленная кристаллизация образцов из нержавеющей стали 316L методом прямого лазерного нанесения металла / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 1(I). С. 29 – 35. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-1-i-29-35

7. Margerit P., Weisz-Patrault D., Ravi-Chandar K., Constantinescu A. Tensile and ductile fracture properties of as-printed 316L stainless steel thin walls obtained by directed energy deposition / Additive Manufact. 2020. 101664. DOI: 10.1016/j.addma.2020.101664

8. Yin Y., Tan Q., Bermingham M., et al. Laser additive manufacturing of steels / Int. Mater. Rev. 2022. Vol. 67. Issue 5. P. 487 – 573. DOI: 10.1080/09506608.2021.1983351

9. Туричин Г. А., Скляр М. О., Бабкин К. Д. и др. Прямое лазерное выращивание — прорыв в изготовлении крупногабаритных изделий / Научно-публицистическая статья в сети Интернет. https://additiv-tech.ru/publications/pryamoe-lazernoe-vyrashchivanie-proryv-v-izgotovlenii-krupnogabaritnyh-izdeliy.html (дата обращения 14.04.2024),

10. Елисеева О. В., Беляев Н. Д. Технология прямого лазерного выращивания элементов узла уплотнения дейдвудного устройства / «Оригинальные исследования» (ОРИС). 2023. № 3. С. 243 – 250. https://ores.su/media/filer_public/1e/db/1edb4b01-1593-4164-8570-e931acab68c8/243-250.pdf

11. Gradl P., Tinker D. C., Park A., et al. Robust Metal Additive Manufacturing Process Selection and Development for Aerospace Components / J. Mater. Eng. Performance. 2022. DOI: 10.1007/s11665-022-06850-0

12. Ivanov S., Mendagaliev R., Samoilov S., et al. Temperature dependence of tensile mechanical properties and work hardening behavior in direct laser deposited austenitic stainless steel 316L / Mater. Today Comm. 2024. Vol. 39. 108613. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2024.108613

13. Esmaeilpour A., Abedi H. R., Mirzaei A., Habibiyan A. Constructing the high temperature efficiency and instability maps of selective laser melted 316L stainless steel through artificial neural network modeling / J. Mater. Res. Technol. 2022. No. 18. P. 4578 – 4589. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.04.116

14. Kazantseva N., Koemets Y., Davydov D., et al. Analysis of unstable plastic flow in the porous 316L samples manufactured with a laser 3D printer / Materials. 2023. No. 16. 0014. DOI: 10.3390/ma16010014

15. Güden M., Enser S., Bayhan M., et al. The strain rate sensitive flow stresses and constitutive equations of a selective-laser-melt and an annealed-rolled 316L stainless steel: a comparative study / Mater. Sci. Eng. A. 2022. No. 838. 142743. DOI: 10.1016/j.msea.2022.142743

16. Lu Q., Zhang C., Wang W., et al. Reveal the viscoplastic behaviour and microstructure evolution of stainless steel 316L / Materials. 2022. No. 15. 7064. DOI: 10.3390/ma15207064

17. Pelegatti M., Lanzutti A., Salvati E., et al. Cyclic plasticity and low cycle fatigue of an AISI 316L stainless steel: experimental evaluation of material parameters for durability design / Materials. 2021. No. 14. 3588. DOI: 10.3390/ma14133588

18. El-Tahawy M., Jenei P., Kolonits T., et al. Different evolutions of the microstructure, texture, and mechanical performance during tension and compression of 316L stainless steel / Metallurg. Mater. Trans. A. 2020. Vol. 51. Issue 7. P. 3447 – 3460. DOI: 10.1007/s11661-020-05782-5

19. Chen G., Zhang X., Zhong J., et al. New inverse method for determining uniaxial flow properties by spherical indentation test / Chin. J. Mech. Eng. 2021. No. 34. 94. DOI: 10.1186/s10033-021-00617-9

20. Hill R. A theory of the yielding and plastic flow of anisotropic metals / Proc. Roy. Soc. A: Math. Phys. Eng. Sci. 1948. Vol. 193. Issue 1033. P. 281 – 297. DOI: 10.1098/rspa.1948.0045

21. Ваулин С. Д. Исследование, разработка и создание демонстраторов технологий одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя вертикального взлёта и посадки / Научные разработки ЮУрГУ-2022: альманах. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2023. С. 20 – 21. https://www.susu.ru/sites/default/files/files/Альманах2022_собранный_новый_compressed.pdf (дата обращения 14.04.2024).