Сравнение прочностных и структурных свойств образцов из нержавеющей стали EOS PH1 аддитивного производства и из закаленной стали марки 30ХГСА традиционного изготовления

В настоящее время во многих отраслях промышленности, в том числе и в авиационной, происходит активное замещение традиционных способов изготовления материалов аддитивными технологиями для мелкосерийного производства сложнопрофильных изделий. Наряду с такими известными методами аддитивного производства, как селективное лазерное спекание, лазерная и плазменная наплавка металла, электронно-лучевое сплавление и другими, эффективное применение находит и метод селективного лазерного сплавления. Результаты сравнения структурных и прочностных свойств материалов для изготовления сложнопрофильных изделий, получаемых с помощью аддитивных технологий и традиционным способом, показали преимущество аддитивных методов, что является основанием для их внедрения в промышленность. Цель работы — сравнительные исследования микроструктуры, механических свойств, циклической долговечности и усталостных изломов образцов из нержавеющей стали EOS PH1 аддитивного производства и из закаленной стали марки 30ХГСА традиционного изготовления. Испытания образцов на сопротивление усталости проводили при одноосном растяжении. С помощью стереомикроскопа и сканирующего электронного микроскопа изучали микрошлифы поперечных сечений образцов. Фрактографические исследования макро- и микрокартин изломов образцов проводили в целях определения особенностей строения изломов, очагов усталостного разрушения и их связи с несовершенствами микроструктуры. Установлено, что метод селективного лазерного сплавления позволяет изготавливать образцы из нержавеющей стали EOS PH1, обладающие достаточно высокими показателями временного сопротивления разрыву, сопоставимыми с аналогичными показателями для образцов из стали 30ХГСА. Таким образом, нержавеющая сталь EOS PH1 имеет большой потенциал применения в качестве материала для изготовления деталей и изделий, к которым предъявляются высокие требования по прочности, твердости и усталостной долговечности.

1. Смирнов О. И. Имитационное моделирование технологий послойного синтеза в машиностроении / Электронный журнал «Труды МАИ». 2014. № 37. С. 1 – 25.

2. Довбыш В. М., Забеднов П. В., Зленко М. А. Аддитивные технологии и изделия из металла. — М.: НАМИ, 2013. — 57 с.

3. Товажнянский Л. Л., Грабченко А. И. Интегрированные технологии ускоренного прототипирования и изготовления. Монография / Под ред. докт. техн. наук Л. Л. Товажнянского, докт. техн. наук А. И. Грабченко. — Харьков: ОАО «Модель Вселенной», 2005. — 224 с.

4. Ahn D. G. Applications of laser assisted metal rapid tooling process to manufacture of molding & forming tools-state of the art / International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2011. N 12(5). P. 925 – 938. DOI: 10.1007/s12541-011-0125-5

5. Bremen S., Meiners W., Diatlov A. Selective laser melting / Laser Technic J. 2012. N 9(2). P. 33 – 38. DOI: 10.1002/latj.201290018

6. Song B., Zhao X., Li S., Han C., et al. Differences in microstructure and properties between selective laser melting and traditional manufacturing for fabrication of metal parts: A review / Frontiers of mechanical engineering. 2015. N 10(2). P. 111 – 125. DOI: 10.1007/s11465-015-0341-2

7. Gibson I., Rosen D. W., Stucker B. Additive manufacturing technologies. — New York: Springer, 2015. — 498 p. DOI: 10.1007/978-1-4939-2113-3

8. Бабенцова Л. П., Анциферова И. В. Изучение характеристик механических свойств образцов из сплава PH1, полученных методом селективного лазерного спекания / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2019. Т. 21. № 2. С. 31 – 39. DOI: 10.15593/2224-9877/2019.2.04

9. Fergani O., Brotan V., Bambach M., Perez Prado M. T. Texture evolution in stainless steel processed by selective laser melting and annealing / Materials Sci. and Techn. 2018. N 3(18). P. 181 – 192. DOI: 10.1080/02670836.2018.1523518

10. Галимова Л. А., Антрощенко В. В., Смирнов В. В., Чуракова А. А. и др. Структура и механические свойства образцов из нержавеющей стали, полученных методом селективного спекания / Вестник Башкирского университета. 2016. Т. 21. № 2. С. 258 – 263.

11. Смуров И. Ю., Мовчан И. А., Ядройцев И. А., Окунькова А. А. и др. Аддитивное производство с помощью лазера / Вестник МГТУ «Станкин». 2011. Т. 2. № 4. С. 144 – 146.

12. Spierings A. B., Starr T. L., Wegener K. Fatigue performance of additive manufactured metallic parts / Rapid Prototyping Journal. 2013. N 19(2). P. 88 – 94. DOI: 10.1108/13552541311302932

13. Yadollahi A., Simsitiwong J., Thompson S. M., Shamsaei N. Data demonstrating the effects of build orientation and heat treatment on fatigue behavior of selective laser melted 17-4 PH stainless steel / Data in Brief. 2016. N 7. P. 89 – 92. DOI: 10.1016/j.dib.2016.02013

14. Yadollahi A., Shamsaei N., Thompson S. M., Elwany A., et al. Effects of building orientation and heat treatment on fatigue behavior of selective laser melted 17-4 PH stainless steel / International journal of fatigue. 2017. Vol. 94. Part 2. P. 218 – 235. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2016.03.014

15. Yadollahi A., Shamsaei N., Thompson S. M., Elwany A., et al. Fatigue behavior of selective laser melted 17-4 PH stainless steel / Proc. of the 26th Int. Solid Freeform Fabrication Symposium «An Additive Manufacturing Conference At Austin, TX». — Austin, USA, 2021. P. 721 – 731.

16. Afkhami S., Dabiri M., Alavi S. H., Björk T., et al. Fatigue characteristics of steels manufactured by selective laser melting / International Journal of Fatigue. 2019. N 122. P. 72 – 83. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.12.029

17. Sarkar S., Kumar C. S., Nath A. Effects of heat treatment and build orientations on the fatigue life of selective laser melted 15 – 5 PH stainless steel / Material science and engineering: A. 2019. Vol. 755. P. 235 – 245. DOI: 10.1016/j.msea.2019.04.003

18. Liu W., Li Z., Bossuyt S., Forsström A., et al. Anisotropic Plastic Behavior of Additively Manufactured PH1 Steel / 24th Int. Conf. on Material Forming — Mini Symposia ESAFORM 2021 [Online], Online since 01 April 2021, connection on 14 October 2021. https://popups.uliege.be/esaform21/index.php?id=4236