Сравнительное исследование структурно-фазового состояния и механических свойств жаропрочных сплавов систем Ni–Cr(X) и Fe–Cr(Х), полученных методами аддитивных технологий

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.

1. Колобов 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.

2. Колобов Ю.Р. Диффузионно-контролируемые процессы на границах зерен и пластичность металлических поликристаллов. Новосибирск: Наука, 1998.

3. 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.

4. Каблов Е.Н. Аддитивные технологии — доминанта национальной технологической инициативы // Интеллект и технологии. 2015. No. 2. С. 52—55.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.