powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2018-3-76-86powder-387Research ArticleМатериалы и покрытия, получаемые методами аддитивных технологийMaterials and coatings fabricated using the additive manufacturing technologiesСравнительное исследование структурно-фазового состояния и механических свойств жаропрочных сплавов систем Ni–Cr(X) и Fe–Cr(Х), полученных методами аддитивных технологийComparative study of structural phase condition and mechanical properties of Ni–Cr(X) и Fe–Cr(Х) heat-resistant alloys obtained using additive technologiesКолобовЮ. Р.KolobovYu. R.

Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологий НИУ «БелГУ» на базе Научного центра РАН в Черноголовке; заведующий лабораторией физико-химической инженерии композиционных материалов ИПХФ РАН.

308034, Белгород, ул. Королева, 2а; 142432, Московская обл., Черноголовка, пр. Акад. Семенова, 1

Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Department of the nanostructured materials and nanotechnologies on the basis of the Scientific Center in Chernogolovka of RAS;  Head of the Laboratory of the physico-chemical engineering of composite materials.

308034, Belgorod, Koroleva str., 2а; 142432, Moscow reg., Chernogolovka, Academician Semenov av., 1

kolobov@bsu.edu.ruПрохоровА. Н.ProkhorovA. N.

Кандидат технических наук, зам. ген. директора – директор ИЦ «Аэрокосмические двигатели и химмотология» ЦИАМ.

111116, Москва, ул. Авиамоторная, 2

Cand. Sci. (Tech.), Deputy General Director, Director of the Research center «Aerospace Engines and Chemmotology».

111116, Moscow, Aviamotornaya str. 2

prokhorov@ciam.ruМанохинС. С.ManokhinS. S.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории физико-химической инженерии композиционных материалов ИПХФ РАН.

Черноголовка, пр. Акад. Семенова, 1

Cand. Sci. (Tech.), Senior researcher, Laboratory of the physico-chemical engineering of composite materials, IPCP of RAS.

142432, Moscow reg., Chernogolovka, Academician Semenov av., 1

manohin@bk.ruТокмачева-КолобоваА. Ю.Tokmacheva-KolobovaA. Yu.

Аспирант НИТУ «МИСиС», сотрудник лаборатории физико-химической инженерии композиционных материалов ИПХФ РАН.

Черноголовка, пр. Акад. Семенова, 1

Postgraduate, NUST «MISIS», Assistant of Laboratory of the physico-chemical engineering of composite materials IPCP of RAS.

142432, Moscow reg., Chernogolovka, Academician Semenov av., 1

anastasiia.misis@gmail.comСеребряковД. И.SerebryakovD. I.

Начальник сектора отдела «Аэрокосмические двигатели» ЦИАМ.

111116, Москва, ул. Авиамоторная, 2

Head of the Sector aerospace engine department CIAM.

111116, Moscow, Aviamotornaya str. 2

serebryakov012@ciam.ruАфанасьевВ. В.AfanasievV. V.

Ведущий специалист отдела «Аэрокосмические двигатели» ЦИАМ.

111116, Москва, ул. Авиамоторная, 2

Leading expert, Aerospace engine department CIAM.

111116, Moscow, Aviamotornaya str. 2

Белгородский государственный национальный исследовательский университет (НИУ «БелГУ»); Институт проблем химической физики (ИПХФ) РАНРоссияBelgorod State National Research University; Institute of Problems of Chemical Physics (IPCP) of RASRussian FederationЦентральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И. БарановаРоссияCentral Institute of Aviation MotorsRussian FederationИнститут проблем химической физики (ИПХФ) РАНРоссияInstitute of Problems of Chemical Physics (IPCP) of RASRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Институт проблем химической физики (ИПХФ) РАНРоссияInstitute of Problems of Chemical Physics (IPCP) of RASRussian Federation201817092018037686Copyright © Колобов Ю.Р., Прохоров А.Н., Манохин С.С., Токмачева-Колобова А.Ю., Серебряков Д.И., Афанасьев В.В., 20182018Колобов Ю.Р., Прохоров А.Н., Манохин С.С., Токмачева-Колобова А.Ю., Серебряков Д.И., Афанасьев В.В.Kolobov Y.R., Prokhorov A.N., Manokhin S.S., Tokmacheva-Kolobova A.Y., Serebryakov D.I., Afanasiev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/387

Проведены сравнительные исследования особенностей формирования, термической стабильности структуры и механических свойств жаропрочных сплавов на основе железа и никеля, полученных с использованием аддитивных технологий (АТ) методами прямого лазерного выращивания и селективного лазерного плавления. Установлено, что в сплавах, полученных путем прямого лазерного выращивания, формируется ячеистая структура и присутствуют мелкие поры размером до 200 нм. Структура сплавов, полученных селективным лазерным плавлением, отличается наличием элементов с глобулярной и пластинчатой морфологией и не полностью проплавленных областей, а также крупными порами размером порядка 5 мкм. Выявлена возможность проявления эффекта нанофазного упрочнения за счет присутствия в материале наноразмерных частиц силицидов хрома. Проведен сравнительный анализ механических свойств исследуемых материалов. Показано, что сплавы на основе железа обладают более высокой прочностью и меньшей пластичностью по сравнению с никелевыми сплавами. Все изученные образцы, полученные селективным лазерным плавлением, имеют более высокие прочностные характеристики по сравнению со сплавами, полученными методом прямого лазерного выращивания. В результате кратковременного отжига при температуре 900–1000 °С в течение 1 ч у АТ-сплавов на основе железа заметно снизились как прочность, так и пластичность при испытаниях на растяжение и сжатие при комнатной и повышенных температурах. При испытаниях на сжатие при t = 900 °C сплавы на основе железа и никеля, полученные методом прямого лазерного выращивания, имеют близкие по величине прочностные показатели. В отличие от сплавов на основе железа дополнительный отжиг АТ-сплава на основе никеля практически не снижает его прочностные характеристики.

The comparative study covers the features of formation, thermal stability of structure and mechanical properties of heatresistant Ni and Fe based alloys obtained using additive technologies (AT) by direct metal laser sintering, selective laser melting. It is found that alloys obtained by direct metal laser sintering have a cellular structure formed with small pores up to 200 nm in size, in contrast to alloys obtained by selective laser melting having elements with a globular and lamellar morphology and not completely melted areas as well as large pores about 5 μm in size. The study reveals a possible effect of nanophase hardening due to the presence of nanosized particles of chromium silicides in the material. A comparative analysis of the mechanical properties of studied materials is carried out. It is shown that the iron-based alloys have higher strength and lower ductility compared to nickel alloys. All studied samples obtained by selective laser melting demonstrate higher strength characteristics in comparison with alloys obtained by laser metal deposition. As a result of short-term annealing at a temperature of 900–1000 °C for 1 h leads to a significant reduction in the plasticity and strength of iron-based AT alloys during tensile and compression tests at room and elevated temperatures. During compression tests at t = 900 °C, iron-and nickel-based alloys obtained by laser metal deposition have similar strength characteristics. Unlike iron-based alloys, additional annealing of nickel-based AT alloys has virtually no impact on its strength properties.

жаропрочные сплавыаддитивные технологииструктурафазовый составhigh-temperature alloysadditive manufacturingstructurephase compositionПрограмма фундаментальных исследований Президиума РАН № 32 «Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий» и тематической карты фундаментальных научных исследований ИПХФ РАНReferencesКолобов Ю.Р., Каблов Е.Н., Козлов Э.В., Конева Н.А., Поварова К.Б., Грабовецкая Г.П., Бунтушкин В.П., Базылева О.А., Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением. М.: Изд-во МИСиС, 2008.Kolobov Yu. R., Kablov E.N., Kozlov E.V., Koneva N.A., Povarova K.B., Grabovetckaya G.P., Buntushkin V.P., Bazyleva O.A., Muboyadzhyan S.A., Budinovskii S.A. Struktura i svoistva intermetallidnykh materialov s nanofaznym uprochneniem [Structure and properties of intermetallic materials with nanophase hardening]. Moscow: MISIS, 2008.Колобов Ю.Р. Диффузионно-контролируемые процессы на границах зерен и пластичность металлических поликристаллов. Новосибирск: Наука, 1998.Kolobov Yu.R. Diffuzionno-kontroliruemye protcessy na granitcakh zeren i plastichnost metallicheskikh polikristallov [Diffusion-controlled processes at grain boundaries and plasticity of metal polycrystals]. Novosibirsk: Nauka, 1998.Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М., Мазалов И.С. Высокотемпературные жаропрочные никелевые сплавы для деталей газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии: Юбил. научный-техн. сб. / Под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2012. С. 52—57.Lomberg B.S., Ovsepian S.V., Bakradze M.M., Mazalov I.S. Vysokotemperaturnye zharoprochnye nikelevye splavy dlia detalei gazoturbinnykh dvigatelei [High temperature heat resistant nickel alloys for gas turbine engine parts]. In: Aviatcionnye materialy i tekhnologii (Ed. Kablov E.N.). Moscow: VIAM, 2012. P. 52—57.Каблов Е.Н. Аддитивные технологии — доминанта национальной технологической инициативы // Интеллект и технологии. 2015. No. 2. С. 52—55.Kablov E.N. Additivnye tekhnologii — dominanta natcionalnoi tekhnologicheskoi initciativy [Additive technologies — a dominant feature of the national technology initiative]. Intellekt i tekhnologii. 2015. No. 2. P. 52—55.Lewandowski J.J., Seifi M. Metal additive manufacturing: A review of mechanical properties // Annu. Rev. Mater. Res. 2016. Vol. 46. No. 1. P. 151—186.Lewandowski J.J., Seifi M. Metal additive manufacturing: A review of mechanical properties. Annu. Rev. Mater. Res. 2016. Vol. 46. No. 1. P. 151—186.Smith D. H., Bicknell J., Jorgensen L., Patterson B.M., Cordes N.L., Tsukrov I., Knezevic M. Microstructure and mechanical behavior of direct metal laser sintered Inconel alloy 718 // Mater. Characterization. 2016. Vol. 113. P. 1—9.Smith D. H., Bicknell J., Jorgensen L., Patterson B.M., Cordes N.L., Tsukrov I., Knezevic M. Microstructure and mechanical behavior of direct metal laser sintered Inconel alloy 718. Mater. Characterization. 2016. Vol. 113. P. 1—9.Wu M.W., Lai P.H., Chen J.K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti—6Al—4V alloy // Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 650. P. 295—299.Wu M.W., Lai P.H., Chen J.K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti—6Al—4V alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 650. P. 295—299.Zhao X., Chen J., Lin X., Huang W. Study on microstructure and mechanical properties of laser rapid forming Inconel 718 // Mater. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 478. P. 119—124.Zhao X., Chen J., Lin X., Huang W. Study on microstructure and mechanical properties of laser rapid forming Inconel 718. Mater. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 478. P. 119—124.Gribbin S., Bicknell J., Jorgensen L., Tsukrov I., Knezevic M. Low cycle fatigue behavior of direct metal laser sintered Inconel alloy 718 // Int. J. Fatig. 2016. Vol. 93. P. 156—167.Gribbin S., Bicknell J., Jorgensen L., Tsukrov I., Knezevic M. Low cycle fatigue behavior of direct metal laser sintered Inconel alloy 718. Int. J. Fatig. 2016. Vol. 93. P. 156— 167.Sames W.J., List F.A., Pannala S., Dehoff R.R., Babu S.S. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing // Int. Mater. Rev. 2016. Vol. 61. No. 5. P. 315—360.Sames W.J., List F.A., Pannala S., Dehoff R.R., Babu S.S. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing. Int. Mater. Rev. 2016. Vol. 61. No. 5. P. 315—360.Wu M.W., Lai P.H. The positive effect of hot isostatic pressing on improving the anisotropies of bending and impact properties in selective laser melted Ti— 6Al—4V alloy // Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 658. P. 429—438.Wu M.W., Lai P.H. The positive effect of hot isostatic pressing on improving the anisotropies of bending and impact properties in selective laser melted Ti—6Al—4V alloy. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 658. P. 429—438.Qiu C., Panwisawas C., Ward M., Basoalto H.C., Brooks J.W., Attallah M.M. On the role of melt flow into the surface structure and porosity development during selective laser melting // Acta Mater. 2015. Vol. 96. P. 72—79.Qiu C., Panwisawas C., Ward M., Basoalto H.C., Brooks J.W., Attallah M.M. On the role of melt flow into the surface structure and porosity development during selective laser melting. Acta Mater. 2015. Vol. 96. P. 72—79.Cunningham R., Narra S.P., Ozturk T., Beuth J., Rollett A.D. Evaluating the effect of processing parameters on porosity in electron beam melted Ti—6Al—4V via synchrotron X-ray microtomography // JOM. 2016. Vol. 68. No. 3. P. 765—771.Cunningham R., Narra S.P., Ozturk T., Beuth J., Rollett A.D. Evaluating the effect of processing parameters on porosity in electron beam melted Ti—6Al—4V via synchrotron X-ray microtomography. JOM. 2016. Vol. 68. No. 3. P. 765—771.Konecna R., Nicoletto G., Kunz L., Baca A. Microstructure and directional fatigue behavior of Inconel 718 produced by selective laser melting // Procedia Structural Integrity. 2016. Vol. 2. P. 2381—2388.Konecna R., Nicoletto G., Kunz L., Baca A. Microstructure and directional fatigue behavior of Inconel 718 produced by selective laser melting. Procedia Structural Integrity. 2016. Vol. 2. P. 2381—2388.Scott-Emuakpor O., Schwartz J., George T., Holycross C., Cross C., Slater J. Bending fatigue life characterisation of direct metal laser sintering nickel alloy 718 // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2015. Vol. 38. P. 1105—1117.Scott-Emuakpor O., Schwartz J., George T., Holycross C., Cross C., Slater J. Bending fatigue life characterisation of direct metal laser sintering nickel alloy 718. Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2015. Vol. 38. P. 1105—1117.Tillmann W., Schaak C., Nellesen J., Schaper M., Aydinöz M.E., Niendorf T. Functional encapsulation of laser melted Inconel 718 by Arc-PVD and HVOF for post compacting by hot isostatic pressing // Powder Metallurgy. 2015. Vol. 58. P. 259—264.Tillmann W., Schaak C., Nellesen J., Schaper M., Aydinöz M.E., Niendorf T. Functional encapsulation of laser melted Inconel 718 by Arc-PVD and HVOF for post compacting by hot isostatic pressing. Powder Metallurgy. 2015. Vol. 58. P. 259—264.Aydinöz M.E., Brenne F., Schaper M., Schaak C., Tillmann W., Nellesen J., Niendorf T. On the microstructural and mechanical properties of post-treated additively manufactured Inconel718 superalloy under quasi-static and cyclic loading // Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 669. P. 246—258.Aydinöz M.E., Brenne F., Schaper M., Schaak C., Tillmann W., Nellesen J., Niendorf T. On the microstructural and mechanical properties of post-treated additively manufactured Inconel718 superalloy under quasi-static and cyclic loading. Mater. Sci. Eng. A. 2016. Vol. 669. P. 246—258.Bambach M., Sizova I., Silze F., Schnick M. Hot workability and microstructure evolution of the nickel-based superalloy Inconel 718 produced by laser metal deposition // J. Alloys and Compd. 2018. Vol. 740. P. 278—287.Bambach M., Sizova I., Silze F., Schnick M. Hot workability and microstructure evolution of the nickel-based superalloy Inconel 718 produced by laser metal deposition. J. Alloys and Compd. 2018. Vol. 740. P. 278—287.Лукина Е.А., Базалеева К.О., Петрушин Н.В., Зайцев Д.В. Исследование закономерности образования зеренной структуры сплава системы легирования Ni— Al—W—Co—Nb—Cr—Ti—Mo, синтезированного методом СЛС, в зависимости от параметров лазерного пучка, термообработки и ГИП // Матер. Междунар научный-техн. конф. «Beam Technologoies and Laser Application» (Санкт-Петербург, 21—24 сентября 2015 г.). Санкт-Петербург: СПбПУ Петра Великого, 2016. С. 307—315.Lukina E.A., Bazaleeva K.O., Petrushin N.V., Zai`tcev D.V. Issledovanie zakonomernosti obrazovaniia zerennoi struktury splava sistemy legirovaniia Ni—Al—W—Co— Nb—Cr—Ti—Mo, sintezirovannogo metodom SLS, v zavisimosti ot parametrov lazernogo puchka, termoobrabotki i GIP [Study of the formation pattern of the grain structure of the alloy system Ni—Al—W—Co—Nb—Cr— Ti—Mo, synthesized by SLS, depending on the parameters of the laser beam, heat treatment and HIP]. In: Proc. Inter. Sci. and Tech. Conf. «Beam Technologoies and Laser Application» (St. Petersburg, 21—24 September 2015)]. St. Petersburg: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 2016. P. 307—315.Базалеева К.О., Цветкова Е.В., Балакирев Э.В. Процессы рекристаллизации аустенитного сплава, полученного методом селективного лазерного плавления // Вест. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. Vol. 111. No. 5. С. 117—127.Bazaleeva K.O., TCvetkova E.V., Balakirev E.V. Protcessy rekristallizatcii austenitnogo splava, poluchennogo metodom selektivnogo lazernogo plavleniia [The process of recrystallization of the austenitic alloy obtained by the method of selective laser melting]. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2016. Vol. 111. No. 5. P. 117—127.Базалеева К.О., Цветкова Е.В., Смуров И.Ю., Ядройцев И.А., Базалеев Е.В., Костюк Ю.Ячеистая структура в аустенитных сплавах, полученных методом селективного лазерного плавления // Перспект. матер. 2014. No. 3. С. 55—62.Bazaleeva K.O., Tcvetkova E.V., Smurov I.Iu., Iadroitcev I.A., Bazaleev E.V., Kostiuk Yu.G. Iacheistaia struktura v austenitnykh splavakh, poluchennykh metodom selektivnogo lazernogo plavleniia [Cellular structure in austenitic alloys obtained by selective laser melting]. Perspektivnye materialy. 2014. No. 3. P. 55—62.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.