Обзор исследований по улучшению пластических характеристик аддитивных материалов под действием сильного импульсного тока

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Представлен обзор исследований методов улучшения физико-механических характеристик проводящих материалов, выращенных при помощи технологии аддитивных методов производства. Обзор проводится с целью разработки метода улучшения характеристик аддитивной стали 03Х16Н15М3 (аналог AISI 316L), изготовленной методом селективного лазерного плавления (СЛП). Данная сталь широко применяется в различных отраслях промышленности связи со своими универсальным свойствами. Кратко анализируются основные методы термической и термомеханической обработки, а также подробно метод улучшения пластических характеристик за счет воздействия на материал импульсами сильного электромагнитного поля, вызывающего в материале токи высокой плотности. На основании обзора делается предположение о целесообразности исследования влияния высокоэнергетического электромагнитного поля на улучшение пластических свойств материалов, полученных за счет применения технологии селективного лазерного плавления.

Об авторах

К. К. Кукуджанов

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kkukudzhanov@yandex.ru
Москва, Россия

Список литературы

  1. Guo Nannan, Leu Ming C. Additive manufacturing: technology, applications and research needs // Front. Mech. Eng. 2013. V. 8. № 3. P. 215–243. https://doi.org/10.1007/s11465-013-0248-8
  2. Канищев М.В., Ульев Л.М. Введение в аддитивные технологии. Т. 1. Обзор основных технологий 3D-печати. Москва: Издательский Дом МИСиС, 2023. 352 с.
  3. Dryepondt S., Nandwana P., Fernandez-Zelaia P., List F. Microstructure and high temperature tensile properties of 316L fabricated by laser powder-bed fusion // Addit. Manuf. V. 37. P. 101723. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101723
  4. Brennan M.C., Keist J.S., Palmer T.A. Defects in metal additive manufacturing processes // J. Mater. Eng. Perform. 2021. V. 30. № 7. P. 4808–4818. https://doi.org/10.1007/s11665-021-05919-6
  5. Malekipour E., El-Mounayri H. Common defects and contributing parameters in powder bed fusion AM process and their classification for online monitoring and control: a review // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2018. V. 95. № 1–4. P. 527–550. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1172-6
  6. Zhang B., Li Y., Bai Q. Defect formation mechanisms in selective laser melting: a review // Chinese J. Mech. Eng. 2017. V. 30. № 3. P. 515–527. https://doi.org/10.1007/s10033-017-0121-5
  7. Khodabakhshi F., Farshidianfar M.H., Gerlich A.P., Nosko M., Trembošová V., Khajepour A. Effects of laser additive manufacturing on microstructure and crystallographic texture of austenitic and martensitic stainless steels // Addit. Manuf. 2020. V. 31. P. 100915. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100915
  8. Noell P.J., Rodelas J.M., Ghanbari ZN., Laursen Ch.M. Microstructural modification of additively manufactured metals by electropulsing // Addit. Manuf. 2020. V. 33. P. 101128. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101128
  9. Xue L., Liao Ch., Wu M., Li Q., Hu Zh., Yang Y., Liu J. Improvement of mechanical properties and corrosion resistance of SLM-AlSi10Mg alloy by an eco-friendly electric pulse treatment // J. Clean. Prod. 2024. V. 439. P. 140864. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.140864
  10. Qin L.Y., Men J.H., Zhang L.S., Zhao S., Li C.F., Yang G., Wang W. Microstructure homogenizations of Ti-6Al-4V alloy manufactured by hybridselective laser melting and laser deposition manufacturing // Materials Science & Engineering A. 2019. V. 759. P. 404–414. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.05.049
  11. Nguyen H.D., Pramanik A., Basak A.K., Dong Y., Prakash C., Debnath S. et al. Additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloy: microstructure and mechanical properties // J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 18. P. 4641–4661. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.04.055
  12. Lai Wei-Jen, Ojha Avinesh, Li Ziang, Engler-Pinto Carlos, Su Xuming. Effect of residual stress on fatigue strength of 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion process // Prog. Addit. Manuf. 2021. V. 6. № 3. P. 375–383. https://doi.org/10.1007/s40964-021-00164-8
  13. Elangeswaran Ch., Cutolo A., Muralidharan G.K., de Formanoir Ch., Berto F., Vanmeensel K., van Hooreweder B. Effect of post-treatments on the fatigue behaviour of 316L stainless steel manufactured by laser powder bed fusion // Int. J. Fatigue. 2019. V. 123. P. 31–39. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.01.013
  14. Zhang M., Sun Ch.-N., Zhang X., Wei J., Hardacre D., Li H. High cycle fatigue and ratcheting interaction of laser powder bed fusion stainless steel 316L: Fracture behaviour and stress-based modelling // Int. J. Fatigue. 2019. V. 121. P. 252–264. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.12.016
  15. Gel’atko M., Hatala M., Botko F., Vandžura R., Hajnyš J., Šajgalík M., Török J. Stress relieving heat treatment of 316L stainless steel made by additive manufacturing process // Materials. 2023. V. 16. № 19. P. 6461. https://doi.org/10.3390/ma16196461
  16. Chadha K., Tian Yu., Spray J., Aranas C. Effect of annealing heat treatment on the microstructural evolution and mechanical properties of hot isostatic pressed 316L stainless steel fabricated by laser powder bed fusion // Metals. 2020. V. 10. № 6. P. 753. https://doi.org/10.3390/met10060753
  17. Троицкий О.А., Баранов Ю.В., Аврамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства). В 2-х т. Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. 590 с.
  18. Каблов Е.Н., Орлов М.Р., Оспенникова О.Г. Механизмы образования пористости в монокристаллических лопатках турбины и кинетика ее устранения при горячем изостатическом прессовании // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 117–129.
  19. Liverani E., Lutey A.H.A., Ascari A., Fortunato A. The effects of hot isostatic pressing (HIP) and solubilization heat treatment on the density, mechanical properties, and microstructure of austenitic stainless steel parts produced by selective laser melting (SLM) // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2020. V. 107. № 1–2. P. 109–122. https://doi.org/10.1007/s00170-020-05072-9
  20. Röttger A., Geenen K., Windmann M., Binner F., Theisen W. Comparison of microstructure and mechanical properties of 316 L austenitic steel processed by selective laser melting with hot-isostatic pressed and cast material // Mater. Sci. Eng. A. 2016. V. 678. P. 365–376. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.10.012
  21. Grech I.S., Sullivan J.H., Lancaster R.J., Plummer J., Lavery N.P. The optimisation of hot isostatic pressing treatments for enhanced mechanical and corrosion performance of stainless steel 316L produced by laser powder bed fusion // Addit. Manuf. Elsevier. 2022. V. 58. P. 103072. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103072
  22. Leuders S., Lieneke T., Lammers S., Tröster T., Niendorf T. On the fatigue properties of metals manufactured by selective laser melting – The role of ductility // J. Mater. Res. 2014. V. 29. № 17. P. 1911–1919. https://doi.org/10.1557/jmr.2014.157
  23. Chao Qi, Thomas S., Birbilis N., Cizek P., Hodgson P.D., Fabijanic D. The effect of post-processing heat treatment on the microstructure, residual stress and mechanical properties of selective laser melted 316L stainless steel // Mater. Sci. Eng. A. 2021. V. 821. P. 141611. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141611
  24. Троицкий О.А., Лихтман В.И. Влияние анизотропии электронного и гамма-излучения на деформацию монокристаллов цинка в хрупком состоянии // Докл. Акад. наук СССР. 1963. Т. 148. № 2. С. 332–334.
  25. Беклемишев Н.Н., Корягин Н.И., Шапиро Г.С. Влияние локально-неоднородного электромагнитного поля на пластичность и прочность проводящих материалов // Изв. АН СССР. Мелаллы. 1984. № 4. С. 184–187.
  26. Беклемишев Н.Н., Корягин Н.И., Шапиро Г.С. О процессе пластической деформации в импульсном электромагнитном поле некоторых проводящих материалов // Изв. АН СССР. Сер. Металлы. 1985. № 1. С. 159–167.
  27. Беклемишев Н.Н., Кукуджанов В.Н., Порохов В.А. Пластичность и прочность металлических материалов с учетом импульсного воздействия высокоэнергетического электромагнитного поля. Препринт № 372. ИПМ АН СССР. 1989. С. 56.
  28. Клюшников В.Д., Овчинников И.В. Плоская задача о воздействии мгновенного точечного источника тепла // Изв. АН СССР. МТТ. 1988. № 4. С. 118–122.
  29. Conrad H. A study into the mechanism(s) for the electroplastic effect in metals and its application to metalworking, processing and fatigue. Final Report ARO Proposal Number 23090-MS, ARO Funding Document DAAL03-86-K-0015, U. S. Army Research Office, North Carolina. 1989. 52 p.
  30. Коновалов С.В., Иванов Ю.Ф., Комиссарова И.А., Косинов Д.А., Громов В.Е. Повышение многоцикловой усталости титанового сплава при токовом воздействии // Упрочняющие технологии и покрытия. 2019. Т. 15. № 5 (173). С. 213–218.
  31. Кукуджанов К.В., Ченцов А.В. Исследование влияния импульсного электромагнитного поля на залечивание поврежденности в цинке // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2020. № 61. С. 40–49. https://doi.org/10.15593/2224-9982/2020.61.05
  32. Кукуджанов К.В., Ченцов А.В. О залечивании пористости в металле под действием высокоэнергетического электромагнитного поля // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия Механика предельного состояния. 2020. № 2 (44). С. 116–131. https://doi.org/10.37972/chgpu.2020.44.2.012
  33. Ren X., Wang Zh., Fang X., Song H., Duan J. The plastic flow model in the healing process of internal microcracks in pre-deformed TC4 sheet by pulse current // Mater. Des. 2020. V. 188. P. 108428. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108428
  34. Xu W., Yang Ch., Yu H., Jin X., Yang G., Shan D., Guo B. Combination of eddy current and heat treatment for crack healing and mechanical-property improvement in magnesium alloy tube // J. Magnes. Alloy. 2021. V. 9. № 5. P. 1768–1781. https://doi.org/10.1016/j.jma.2020.08.022
  35. Кукуджанов К.В. Воздействие короткоимпульсного высоко энергетического электромагнитного поля на трещины в металле (эксперимент) // Актуальные проблемы механики сплошной среды: Материалы VIII международной конференции, Цахкадзор, 01–05 октября 2023 г. Ереван: Гитутюн, 2023. С. 159–160.
  36. Кукуджанов К.В., Левитин А.Л., Химуля В.В., Ченцов А.В. О залечивании мезотрещин в металле под воздействием импульсного высокоэнергетического электромагнитного поля // XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике : сборник тезисов докладов : в 4 т., Санкт-Петербург, 21–25 августа 2023 г. Санкт-Петербург: Политех-Пресс, 2023. С. 1217–1218.
  37. Zuev L.B., Tsellermaer V. Ya., Gromov V.E., Murav’ev V.V. Ultrasonic monitoring of the accumulation of aging damage and recovery of the useful lifetime of industrial parts // Tech. Phys. 1997. V. 42. № 9. P. 1094–1096. https://doi.org/10.1134/1.1258774
  38. Zuev L.B., Sosnin O. V., Chirakadze D.Z., Gromov V.E., Murav’ev V. V. Acoustic evaluation of the endurance of steel specimens and recovery of their serviceability // J. Appl. Mech. Tech. Phys. 1998. V. 39. № 4. P. 639–641. https://doi.org/10.1007/BF02471262
  39. Зуев Л.Б., Соснин О.В., Подборонников С.Ф., Громов В.Е., Горлова С.Н. Залечивание усталостных повреждений сталей импульсами электрического тока // Журнал технической физики. 2000. Т. 70. № 3. С. 24–25.
  40. Shengru Q., Yanli L., Yun L., Chengyu Zh. Damage healing of aluminum alloys by D. C. Electropulsing and evaluation by resistance // Rare Met. Mater. Eng. 2009. V. 38. № 4. P. 570–573. https://doi.org/10.1016/S1875-5372(10)60027-6
  41. Gallo F., Satapathy S., Ravi-Chandar K. Plastic deformation in electrical conductors subjected to short-duration current pulses // Mech. Mater. 2012. V. 55. P. 146–162. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2012.07.001
  42. Hosoi Atsushi, Kishi Tomoya, Ju Yang. Healing of fatigue crack by high-density electropulsing in austenitic stainless steel treated with the surface-activated pre-coating // Materials. 2013. V. 6. № 9. P. 4213–4225. https://doi.org/10.3390/ma6094213
  43. Yu Tao, Deng Dewei, Wang Gang, Zhang Hongchao. Crack healing in SUS304 stainless steel by electropulsing treatment // J. Clean. Prod. 2016. V. 113. P. 989–994. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.12.060
  44. Song Hui, Wang Zhong-jin Jin, He Xiao-dong Dong, Duan Jie. Self-healing of damage inside metals triggered by electropulsing stimuli // Sci. Rep. Springer US. 2017. V. 7. № 1. P. 7097. https://doi.org/10.1038/s41598-017-06635-9
  45. Wu Z., Wu S., Bao J., Qian W., Karabal S., Sun W., Withers P.J. The effect of defect population on the anisotropic fatigue resistance of AlSi10Mg alloy fabricated by laser powder bed fusion. Int. J. Fatig. 2021. V. 151. P. 106317. https://doi.org/10.1016/j. ijfatigue.2021.106317
  46. Sivukhin D.V. Obschiy kurs fiziki. T. 3. Elektrichestvo [The general course of physics. V. 3. Electricity], M.: Fizmatlit, 2004, 656 p. ISBN: 5-9221-0227-3; 5-89115-086-5. [in Russian]
  47. EOS Aluminium AlSi10Mg Material Data Sheet https://www.in3dtec.com/wp-content/uploads/2020/09/Aluminium_AlSi10Mg_-Data-sheet.pdf (15.08.2024).
  48. Silbernagel C., Ashcroft I., Galea M. Electrical resistivity of additively manufactured AlSi10Mg for use in electric motors // Addit. Manuf. V. 21. P. 395–403. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.03.027
  49. Кукуджанов К.В., Коломиец А.В., Левитин А.Л. Процессы деформирования и разрушения стохастически неоднородных упруговязкопластических материалов с дефектами при электродинамическом и термомеханическом нагружениях // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия Механика предельного состояния. 2014. № 4 (22). С. 11–21.
  50. Кукуджанов К.В., Левитин А.Л. Моделирование воздействия высокоэнергетического импульсного электромагнитного поля на микротрещины в поликристаллическом металле // Вестник ПНИПУ. Механика. 2015. № 1. С. 106–120.
  51. Салганик Р.Л. Термоупругое равновесие тела с трещинами при разогреве, вызванном пропусканием тока перпендикулярно трещинам // Изв. АН СССР. МТТ. 1978. № 5. С. 141–152.
  52. Салганик Р.Л. Разогрев материала с эллипсоидальной неоднородностью вследствие электрических потерь // Изв. АН СССР. МТТ. 1980. № 6. С. 98–109.
  53. Qin Rongshan, Su Shengxia. Thermodynamics of crack healing under electropulsing // J. Mater. Res. 2002. V. 17. № 8. P. 2048–2052. https://doi.org/10.1557/JMR.2002.0303
  54. Кукуджанов В.Н., Коломиец-Романенко А.В. Исследование влияния динамического воздействия электрического тока на механические свойства материалов с упорядоченной структурой дефектов // Изв. АН СССР. МТТ. 2010. № 3. С. 188–199.
  55. Кукуджанов В.Н., Коломиец-Романенко А.В. Модель термоэлектропластичности и изменения механических свойств металлов на основе реорганизации структуры дефектов под воздействием импульсного электрического тока // Изв. АН СССР. МТТ. 2011. № 6. С. 6–21.
  56. Коломиец А.В., Кукуджанов В.Н., Кукуджанов К.В., Левитин А.Л. Моделирование неупругого разрушения неоднородных материалов при электродинамическом и термомеханическом воздействиях // Препринт № 1054. Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, 2013. С. 35.
  57. Yu Jing, Zhang Hongchao, Deng Dewei, Hao Shengzhi. Iqbal Asif. Numerical calculation and experimental research on crack arrest by detour effect and joule heating of high pulsed current in remanufacturing // Chinese J. Mech. Eng. 2014. V. 27. № 4. P. 745–753. https://doi.org/10.3901/CJME.2014.0414.075
  58. Кондратьев Н.С., Трусов П.В. Многоуровневые модели пластичности многофазных поликристаллических материалов, основанные на физических теориях пластичности и вязкопластичности // Вестник ПНИПУ. Механика. 2015. № 1. С. 76–105.
  59. Кукуджанов К.В., Левитин А.Л. О воздействии высокоэнергетического импульсного электромагнитного поля на микротрещины в упругопластическом проводящем материале // Проблемы прочности и пластичности. 2015. Т. 77. № 3. С. 217–226.
  60. Kukudzhanov K.V., Levitin A.L. Modeling the healing of microcracks in metal stimulated by a pulsed high-energy electromagnetic field. Part I // Nanosci. Technol. An Int. J. 2015. V. 6. № 3. P. 233–249. https://doi.org/10.1615/NanomechanicsSciTechnolIntJ.v6.i3.60
  61. Кукуджанов К.В. О залечивании поврежденности металла высокоэнергетическим импульсным электромагнитным полем // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2017. № 2. С. 99–124.
  62. Кукуджанов К.В., Левитин А.Л. Численное моделирование изменения поврежденности металла под действием импульсов тока высокой плотности // Вестник НИЯУ МИФИ. 2018. Т. 7. № 6. С. 515–524. https://doi.org/10.1134/S2304487X1806007X
  63. Kukudzhanov K.V, Levitin A.L. Modelling of some mechanism of metal electroplasticity under pulsed high-energy electromagnetic field action // J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1205. P. 012032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1205/1/012032
  64. Kukudzhanov K.V., Levitin A.L., Ugurchiev U.Kh. Healing of cracks in plates by strong electromagnetic field // J. Samara State Tech. Univ. Ser. Phys. Math. Sci. 2021. V. 25. № 1. P. 193–202. https://doi.org/10.14498/vsgtu1831
  65. Kukudzhanov K.V. Modeling of self-healing of microcracks in the process of longitudinal electroplastic rolling // J. Phys. Conf. Ser. 2022. V. 2231. № 1. P. 012022. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2231/1/012022
  66. Guo H., Liu P., Qin X., Song Y., Qian D., Xie L. et al. Electroshock treatment dependent microstructural evolution and mechanical properties of near-β titanium alloy manufactured by directed energy deposition // Mater. Des. 2021. V. 212. P. 110286. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110286
  67. Xie L., Guo H., Song Y., Liu C., Wang Z., Hua L. et al. Effects of electroshock treatment on microstructure evolution and texture distribution of near-b titanium alloy manufactured by directed energy deposition // Mater. Charact. 2020. V. 161. P. 110137. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110137
  68. Xie L., Liu C., Song Y., Guo H., Wang Z., Hua L. et al. Evaluation of microstructure variation of TC11 alloy after electroshocking treatment // J. Mater. Res. Technol. 2020. V. 9. № 2. P. 2455–2466. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.12.076
  69. Cai Q., Rey Rodriguez P., Carracelas Santos S., Castro G., Mendis Ch.L., Chang I.T.H., Assadi H. Crack healing via electropulsing treatment applied to additive-manufactured TiC/316L stainless steel composites // Mater. Lett. 2024. V. 365. P. 136410. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.136410
  70. Fan Shijing, He Bo, Liu Meishuai. Effect of pulse current density on microstructure of Ti-6Al-4V alloy by laser powder bed fusion // Metals. 2022. V. 12. № 8. https://doi.org/10.3390/met12081327
  71. Yan X., Xu X., Wu Ch., Zhao Y., Li D., Zhou Y. et al. A novel electropulsing treatment to improve the surface strength and repair the pore of additively manufactured Ti-6Al-4V alloy // Surf. Coatings Technol. 2023. V. 458. P. 129364. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2023.129364

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025