ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 621.791.92.019:004.9
DOI: 10.18503/1995-2732-2024-22-3-188-196
Аннотация
Стремясь к снижению себестоимости производства, современная промышленность все чаще обращается к аддитивным способам получения заготовок. Несмотря на очевидные преимущества аддитивного выращивания металлов, особенности данных технологий до сих пор изучены недостаточно хорошо. Рассматриваемые в данной работе методы 3D-печати металлами (SLM и WAAM) обладают рядом недостатков, среди которых основными являются возможность образования повышенной пористости заготовок, высокий уровень остаточных напряжений в материале и структурная неоднородность наплавленного металла. Целью данного исследования являлась оценка пористости и структурных дефектов наплавленного металла и разработка метода оценки степени опасности дефектов материалов на основе нейронносетевого моделирования. В ходе проведения работы были изготовлены образцы из аустенитных сталей 12Х18Н10Т методом селективного лазерного спекания (SLM) и 08Х18Н10 методом электродуговой наплавки (WAAM). Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе Altami MET1C при увеличениях ×50, 100, 200. В частности, была проведена оценка загрязненности наплавленного металла неметаллическими включениями в соответствии с ГОСТ 1778. Для исследования природы образования пористости в работе проводилось фрактографическое исследование излома образцов на растяжение. Для изучения влияния дефектов в наплавленном металле на прочностные свойства были проведены испытания на растяжение. Для оценки степени опасности различных дефектов был проведен количественный и фрактальный анализ микроструктур с использованием специализированного программного обеспечения, разработанного в MATLAB. Обучение нейросетевой модели также проводилось с использованием MATLAB. В ходе проведения исследования было установлено, что на образование пористости в образцах после SLM оказывает сильное влияние качество исходного сырья. Образцы, полученные путем электродугового выращивания, обладают меньшей пористостью и загрязненностью неметаллическими включениями относительно образцов после лазерного спекания. Установлена линейная связь между показателем фрактальной размерности микроструктуры и площадью пор и несплавлений в анализируемом цифровом изображении микроструктуры, подтверждаемая результатами испытаний на растяжение.
Ключевые слова
аддитивное выращивание, SLM, WAAM, пористость, дефекты наплавленного металла, нейронносетевое моделирование, фрактальный анализ
Для цитирования
Оценка влияния дефектности металла заготовок, полученных аддитивными методами, на прочностные свойства с использованием нейронносетевого моделирования / Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Чернигин М.А., Мордовина Ю.С. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2024. Т. 22. №3.С. 188-196. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2024-22-3-188-196
1. Review of Wire Arc Additive Manufacturing for 3D Metal Printing / Li Johnnie Liew Zhong, Alkahari M.R., Rosli N.A.B., Hasan R., Sudin M.N., Ramli F.R. // International Journal of Automation Technology. 2019, vol. 13, no. 3, pp. 346-353. DOI: 10.20965/ijat.2019.p0346
2. A review of the wire arc additive manufacturing of metals: Properties, defects and quality improvement / Wu Bintao, Pan Zengxi, Ding Donghong, Cuiuri D., Li Huijun, Xu Jing, Norrish J. // Journal of Manufacturing Processes. 2018, vol. 35, pp. 127-139. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.08.001
3. Energy consumption model for additive-subtractive manufacturing processes with case study / Jackson M.A., Van Asten A., Morrow J.D. et al. // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. 2018, vol. 5, pp. 459-466. DOI: 10.1007/s40684-018-0049-y
4. Wire + arc additive manufacturing / Williams S.W., Martina F., Addison A.C., Ding J., Pardal G., Colegrove P. // Materials Science and Technology. 2016, vol. 32, no. 7, pp. 641-647. DOI: 10.1179/1743284715Y.0000000073
5. The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al–6.3Cu alloy / Gu Jianglong, Ding Jialuo, Williams S.W., Gu Huimin, Bai Jing, Zhai Yuchun, Ma Peihua // Materials Science and Engineering: A. 2016, vol. 651, pp. 18-26. DOI: 10.1016/j.msea.2015.10.101
6. Guo Nannan, Leu Ming. Additive manufacturing: Technology, applications and research needs // Frontiers of Mechanical Engineering. 2013, vol. 8, pp. 215-243. DOI: 10.1007/s11465-013-0248-8
7. Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Inconel 625 Alloy during Pulsed Plasma Arc Deposition Process / Xu Fujia, Lv Yaohui, Liu Yuxin, Shu Fengyuan, He Peng, Xu Binshi // Journal of Material Science and Technology. 2013, vol. 29, no. 5, pp. 480-488. DOI: 10.1016/j.jmst.2013.02.010
8. Advanced technologies for additive manufacturing of metal product / Oskolkov A.A., Matveev E.V., Bezukladnikov I.I. et al. // Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie. 2018, vol. 20, no. 3, pp. 90-105. DOI: 10.15593/2224-9877/2018.3.11
9. Cost modelling and sensitivity analysis of wire and arc additive manufacturing / Cunningham C.R., Wikshåland S., Xu F., Kemakolam N., Shokrani A., Dhokia V., Newman S.T. // Procedia Manufacturing, 2017, vol. 11, pp. 650-657. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.163
10. Wang Fude, Williams S., Rush M. Morphology investigation on direct current pulsed gas tungsten arc welded additive layer manufactured Ti6Al4V alloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, vol. 57, pp. 597-603. DOI: 10.1007/s00170-011-3299-1
11. Directed Energy Deposition (DED) Additive Manufacturing: Physical Characteristics, Defects, Challenges and Applications / Svetlizky David, Das Mitun, Zheng Baolong et al. // Materials Today. 2021, vol. 49, pp. 271-295. DOI: 10.1016/j.mattod.2021.03.020
12. Tomar Bunty, Shiva S., Nath Tameshwer. A review on wire arc additive manufacturing: Processing parameters, defects, quality improvement and recent advances // Materials Today Communications. 2022, vol. 31, 103739. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2022.103739
13. The influence of microstructural anisotropy on the hot deformation of wire arc additive manufactured (WAAM) Inconel718 / Lan Bo, Wang Yaping, Liu Yuehan et al. // Materials Science and Engineering: A. 2021, vol. 823, 141733. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141733
14. Васин О.Е. и др. Атлас дефектов // Научно-технический сборник. Екатеринбург: Издательские решения, 2008. 56 c.
15. Jing G., Wang Z. Defects, densification mechanism and mechanical properties of 300M steel deposited by high power selective laser melting // Additive Manufacturing. 2021, vol. 38, 101831. DOI: 10.1016/j.addma.2020.101831