Исследование влияния физико-механических характеристик стали, изготовленной методом послойного лазерного спекания


Авторы

Терещенко Т. С.*, Орехов А. А.**, Рабинский Л. Н.

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: tereschenkots@mai.ru
**e-mail: a_orekhov@mai.ru

Аннотация

В данной работе представлены результаты исследования микроструктуры и механических свойств образцов из нержавеющей стали, созданных методом послойного лазерного синтеза. Данный метод, являясь одним из ключевых подходов в области аддитивных технологий, позволяет получать изделия со сложной геометрией, однако микроструктурные особенности таких материалов могут значительно отличаться от традиционно изготовленных металлических сплавов. В ходе работы были проведены детальные исследования механических свойств полученных образцов, включающие как статические, так и динамические испытания. В частности, механические характеристики были определены методом испытаний на ударный изгиб, растяжение и статический изгиб. Эти тесты позволили получить количественные данные о прочности, текучести и пластичности материала, а также выявить возможные структурные аномалии, возникающие в процессе его изготовления. Результаты анализа показали, что полученные образцы обладают достаточно высокой стабильностью механических свойств, что подтверждается однородностью значений предела прочности и предела текучести. В частности, установлено, что данные характеристики превышают типичные значения, характерные для данной марки стали, что свидетельствует о высокой прочности материала. Однако, при этом модуль Юнга, определённый в ходе испытаний на растяжение и изгиб, оказался значительно ниже стандартного значения для нержавеющих сталей. Такое снижение может быть связано с особенностями микроструктуры, сформированной в процессе послойного лазерного синтеза, включая наличие остаточных пор, неоднородностей или анизотропии структуры, вызванной направленным формированием слоев материала. Дополнительно был проведён анализ поверхности разрушения образцов после механических испытаний. Изучение микроструктуры разрушенных участков методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) выявило хрупко-вязкий характер разрушения, при этом наблюдалось значительное преобладание хрупкого разрушения. Это указывает на возможные проблемы, связанные с микроструктурными дефектами, такими как межслойные границы, пористость или микротрещины, сформированные в процессе лазерного спекания. Подобные дефекты могут снижать пластичность и вязкость разрушения, что в свою очередь влияет на поведение материала при различных видах нагружения. Для более детального изучения состава и структуры материала был проведен микрорентгеноспектральный анализ, который подтвердил соответствие химического состава образцов стандартам для нержавеющих сталей. Это свидетельствует о том, что используемый порошковый материал соответствует требованиям к нержавеющим сплавам, однако полученная микроструктура и механические свойства материала указывают на необходимость дальнейшей оптимизации параметров технологического процесса. Полученные результаты подчеркивают важность комплексного подхода к исследованию материалов, изготовленных методами аддитивных технологий. В частности, они демонстрируют необходимость контроля и оптимизации параметров селективного лазерного спекания для повышения механических характеристик и улучшения микроструктурных свойств. В дальнейшем целесообразно проведение дополнительных исследований, направленных на выявление взаимосвязей между параметрами печати, термообработкой и итоговыми свойствами материала. Это позволит не только повысить эксплуатационные характеристики изделий, но и расширить область применения аддитивных технологий для изготовления ответственных конструкционных элементов.

Ключевые слова:

послойный лазерный синтез, нержавеющая сталь, механические испытания, микроструктура, микрорентгеноспектральный анализ

Библиографический список

  1. Luecke W., Slotwinski J. A. Mechanical Properties of Austenitic Stainless Steel Made by Additive Manufacturing // Journal of Rese arch of the National Institute of Standards and Technology. 2014. V. 119, P. 398-418. DOI: 10.6028/jres.119.015
  2. Штрикман М.М., Кащук Н.М. Определение тепловых напряжений и деформаций при фрикционной сварке трехслойных панелей из алюминиевых сплавов // Труды МАИ. 2011. № 43. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=24728
  3. Jia H. et al. Scanning strategy in selective laser melting (SLM): a review // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. V. 113, No. 9-10. P. 2413-2435. DOI: 10.1007/s00170-021-06810-3
  4. Lai W.J., Ojha A., Li Z. et al. Effect of residual stress on fatigue strength of 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion process // Progress in Additive Manufacturing. 2021. V. 6 (3), P. 375–383. DOI: 10.1007/s40964-021-00164-8
  5. Smudde C.M. et al. The Influence of Residual Stress on Fatigue Crack Growth Rates in Stainless Steel Processed by Different Additive Manufacturing Methods // Journal of Materials Engineering and Performance. 2024. V. 33, No. 15. P. 7703-7713. DOI: 10.1007/s11665-024-09558-5
  6. Бабайцев А.В., Рабинский Л.Н., Янг Н.М. Методика оценки остаточных напряжений в образцах из сплава AlSi10Mg, полученных по технологии SLM // Труды МАИ. 2021. № 119. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=159788. DOI: 10.34759/trd-2021-119-10
  7. Рыбаулин А.Г., Сидоренко А.С. Исследование локального напряженного состояния и оценка долговечности конструкции авиационного изделия с дискретными сварными соединениями при случайном нагружении // Труды МАИ. 2015. № 79. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=55786
  8. Зельдович В.И., Панкратов А.В., Ярославцева И.А. Структура и механические свойства аустенитной нержавеющей стали, полученной методом селективного лазерного плавления // Физика металлов и металловедение. 2021. Т. 122, № 5. С. 613–620. DOI: 10.31857/S0015323021050132
  9. Колчанов Д. С., Дренин А. А., Денежкин А. О., Шустова Л. А., Сафиуллин С. Р. Особенности процесса селективного лазерного плавления из конструкционной стали 28Х3СНМВФА // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 10 (751). C. 79-88. DOI: 10.18698/0536-1044-2022-10-79-88
  10. Boniotti L., Foletti S., Beretta S., Patriarca L. Analysis of strain and stress concentrations in micro-lattice structures manufactured by SLM // Rapid Prototyping Journal. 2020. V. 26, No. 2. P. 370-380. DOI: 10.1108/RPJ-10-2018-0270
  11. Scalzo F., Totis G., Sortino M. Influence of the Experimental Setup on the Damping Properties of SLM Lattice Structures // Experimental Mechanics. 2022. V. 63, P. 15–28. DOI: 10.1007/s11340-022-00898-8
  12. Mukherjee T., Zhang W. G., DebRoy T. An improved prediction of residual stresses and distortion in additive manufacturing // Computational Materials Science. 2017. V. 126, P. 360-372. DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.10.003
  13. Лебёдкин И.Ф., Молотков А.А., Третьякова О.Н. Математическое моделирование сложного теплообмена при разработке лазерных SLM технологий // Труды МАИ. 2018. № 101. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=97045
  14. Зарецкий М.В., Сидоренко А.С. Динамическое состояние конструкции авиационного изделия со сварными соединениями // Труды МАИ. 2018. № 98. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=90171
  15. Сазанов В.П., Павлов В.Ф., Письмаров А.В., Матвеева К.Ф. Исследование соотношений компонентов первоначальных деформаций по распределению остаточных напряжений в упрочнённом слое детали // Труды МАИ. 2023. № 132. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=176843
  16. Чумаков Д.М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники // Труды МАИ. 2014. № 78. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=53682
  17. Супрапеди, Тойоока С. Пространственно-временное наблюдение пластической деформации и разрушения методом лазерной спекл-интерферометрии // Физическая мезомеханика. 1998. Т. 1, № 1. C. 55-60.
  18. Qiu T.Q., Tien C.L. Heat transfer mechanisms during short-pulse laser heating of metals // Journal of heat transfer. 1993. V. 115, P. 835-841. DOI: 10.1115/1.2911377
  19. Гаврилов Д.Г., Мамонов С.В., Мартиросов М.И., Рабинский Л.Н. Сравнительная характеристика прочностных свойств образцов с различными типами покрытий для изделий авиационной техники // Труды МАИ. 2010. № 40. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=22867
  20. Храмова Д.А., Егорова Д.А., Жилин Я.Д. Расчёт и моделирование остаточных напряжений // Политехнический молодежный журнал. 2018. № 1 (18). С. 1-11. DOI: 10.18698/2541-8009-2018-1-231


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2025

 Вход