Ученые ПНИПУ усовершенствовали процесс электродуговой 3D-печати мартенситностареющими сталями

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета предложили метод улучшения макроструктуры мартенситностареющих сталей с помощью гибридного наплавления и дополнительной термической обработки, сообщает пресс-служба вуза. Технология улучшает однородность, плотность, пластичность и прочность материала, что повышает качество и долговечность изделий.

В аэрокосмической, судостроительной и военной промышленности для создания крепких, долговечных изделий применяют мартенситностареющие стали. Это высокопрочный материал, сохраняющий пластичность и вязкость даже при экстремально низких температурах. Синтез различных сталей в РФ все чаще производят с помощью технологий 3D-печати, однако при таком способе наплавления структура стали часто получается неоднородной: в ней остаются крупные разнородные кристаллы, возникают пустоты и трещины, которые негативно сказываются на эксплуатационных свойствах и сроке службы будущих деталей.

Решением стало применение гибридной обработки, при которой каждый наносимый слой подвергается дополнительному деформационному упрочнению — механическому воздействию, за счет которого материал уплотняется, а его структура измельчается. Технология уже зарекомендовала себя в наплавлении алюминиевых, титановых и никелевых сплавов, однако для синтеза мартенситностареющих сталей такого способа повышения однородности недостаточно. Даже после гибридного наплавления структура такой стали остается неоднородной, в ней присутствуют крупные разнородные кристаллы, влияющие на эксплуатационные характеристики.

Для улучшения макроструктуры мартенситностареющей стали ученые Пермского политеха разработали комплексный метод, который кроме аддитивного наплавления металла и деформационного упрочнения предусматривает дополнительную термическую обработку получаемого сплава — закалку при высоких температурах и последующее охлаждение.

«У мартенситностареющей стали есть особенность: ее можно значительно улучшить с помощью термообработки. Закаливание вызывает образование микроскопических упрочняющих частиц, делающих сталь прочнее, но сохраняющих ее гибкость. Далее при старении, когда сталь «доформировывает» свою структуру при умеренном нагреве до 500°C, эти частицы равномерно распределяются. В итоге получается материал, способный выдерживать нагрузки до 1000 МПа и оставаться пластичным», — рассказал директор объединенной лаборатории фундаментальных исследований в металловедении ПНИПУ Михаил Симонов.

В ходе эксперимента политехники использовали мартенситную сталь ЭП659A (Cr12Ni9Mo2Si), в основном применяемую в производстве ответственных изделий с повышенными характеристиками прочности и сопротивления коррозии в различных агрессивных средах, например мостов, крановых конструкций и нефтегазовых платформ. Выращивание осуществляли методом электродугового наплавления проволоки, каждый слой уплотняли пневматическим молотком.

Ученые сравнили два режима получения сплава — с использованием термообработки после гибридного наплавления и без. Закаливание осуществлялось в течение сорока пяти минут при температуре 940°C с последующим охлаждением в воде. Старение проводилось при температуре 520°C в течение четырех часов.

Опыты показали, что наплавление с термообработкой делает макроструктуру стали более однородной: исчезают дефекты, такие как зоны крупных столбчатых кристаллов, размеры которых не превышали 80 мкм. Также возрастают механические характеристики: твердость заготовок повышается на тридцать процентов, а предел прочности вырастает до 1185 МПа. Для сравнения, предел прочности обычной конструкционной стали — около 400-600 МПа.

Политехники отмечают, что даже при экстремально низких температурах порядка -100°C материал демонстрирует высокую устойчивость к разрушению. Это открывает новые возможности применения мартенситных сталей в ответственных конструкциях, где требуется сочетание прочности и надежности в широком диапазоне температур, например в элементах летательных аппаратов, морских платформ и газовых турбин.

Технологией уже заинтересовались и начинают применять предприятия ракетного двигателестроения. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале «Металловедение и термическая обработка». 

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.