techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-1-8-27techusgu-302Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMETALLURGY AND MATERIALS SCIENCEМоделирование порообразования и экспериментальная in situ верификация его связи с анизотропией изделий SLMModeling of the pores formation process and experimental in situ verification of its relationship with the anisotropy of SLM productshttps://orcid.org/0000-0002-3143-8844ЧукановА. Н.ChukanovA. N.

Чуканов Александр Николаевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник

пр-т Ленина, д. 125, г. Тула 300026

Alexander N. Chukanov, Doctor of Sciences (Engineering), Leading Researcher

Tula

alexchukanov@yandex.ruЦойЕ. В.TsoiE. V.

Цой Евгений Владимирович, аспирант

пр-т Ленина, д. 125, г. Тула 300026

Evgeny V. Tsoi, Post-Graduate Student

Tula

tsoyev@tsput.ruЯковенкоА. А.YakovenkoA. A.

Яковенко Александра Александровна, кандидат технических наук, инженер-технолог

ул. Мосина, д. 2, г. Тула 300002

Alexandra A. Yakovenko, Candidate of Sciences (Engineering), Process Engineer

Tula

dispozicya100@mail.ruБогдановаМ. В.BogdanovaM. V.

Богданова Мария Владимировна, кандидат технических наук, научный сотрудник

3-я Хорошевская ул., д. 12, г. Москва 123298

Maria V. Bogdanova, Candidate of Sciences (Engineering), Research Associate

Moscow

fbogdanova@kintechlab.comМоденовМ. Ю.ModenovM. Y.

Моденов Михаил Юрьевич, аспирант

пр-т Ленина, д. 125, г. Тула 300026

Mikhail Y. Modenov, Post-Graduate Student

Tula

m.modenov@yandex.ruТульский государственный педагогический университет им. Л.Н. ТолстогоРоссияTula State Lev Tolstoy Pedagogical UniversityRussian FederationМеталлург-ТуламашРоссияMetallurg-TulamashRussian FederationКинтехЛабРоссияKintech LabRussian Federation202507042025151827Copyright © Чуканов А.Н., Цой Е.В., Яковенко А.А., Богданова М.В., Моденов М.Ю., 20252025Чуканов А.Н., Цой Е.В., Яковенко А.А., Богданова М.В., Моденов М.Ю.Chukanov A.N., Tsoi E.V., Yakovenko A.A., Bogdanova M.V., Modenov M.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/302

Цель исследования. Гипотеза о связи анизотропии свойств порошковых изделий селективного лазерного сплавления исключительно с их пористостью является спорной. Авторы обосновывают представления о существенном влиянии на анизотропию свойств изделий SLM, их неоднородность и неравномерность пластического течения локальных зон пластичности, формирующихся у пор при нагружении. Целью настоящей работы является моделирование порообразования и математический анализ влияния зон пластичности на анизотропию, неоднородность механических свойств и пластическое течение изделий технологии SLM в микро- и макромасштабе.Методы. Для достижения цели были привлечены имитационное и расчётное моделирование процесса порообразования в образцах порошковых сплавов 316L и Inconel 718, изготовленных послойным лазерным сплавлением, а также фотограмметрия их испытаний на одноосное растяжение с анализом микроструктуры (оптической и РЭМ) и рентгеновской компьютерной томографии.Результаты. Обоснована роль пор как концентраторов напряжений и очагов локальной пластичности, формирующих автоволны пластической деформации. Этот факт подтвердил математический анализ результатов фотограмметрии и распределения локальных деформаций по длине образцов и времени испытаний с использованием разложения их массивов в ряд Фурье и последующей их Фурье-интерполяцией.Заключение. Получены уравнения, описывающие влияние интенсивности напряжений и деформаций на развитие показателя неоднородности механических свойств и неравномерность пластического течения исследованных сплавов в микро- и макромасштабе. Применение математических алгоритмов оптимизации фотограмметрии и программирование блока выполненных расчётов на языке высокого уровня Python позволит автоматизировать анализ параметров полученных уравнений и создать базу данных характеристик анизотропии и неоднородности свойств изделий, изготовленных методом SLM. Это обеспечит развитие теоретических основ для углублённого анализа и обоснованного прогнозирования влияния технологической анизотропии и неоднородности свойств изделий SLM на их работоспособность in situ.

The purpose of research. The hypothesis that the anisotropy of the properties of selective laser fusion powder products is solely related to their porosity is controversial. The authors substantiate the ideas about the significant effect on the anisotropy of the properties of SLM products, their heterogeneity and the unevenness of the plastic flow of local plasticity zones formed at the pores during loading. The purpose of this work is to model pore formation and mathematically analyze the effect of plasticity zones on anisotropy, heterogeneity of mechanical properties and plastic flow of SLM technology products on the micro and macroscale.Methods. To achieve this goal, simulation and computational modeling of the pore formation process in samples of powder alloys 316L and Inconel 718 made by layered laser fusion, as well as their uniaxial tensile tests with microstructure analysis (optical and SEM) and X-ray computed tomography were used.Results. The role of pores as stress concentrators and foci of local plasticity forming autowaves of plastic deformation is substantiated. This fact was confirmed by a mathematical analysis of the distribution of local deformations over the length of samples and test time using the decomposition of their arrays into a Fourier series and their subsequent Fourier interpolation.Conclusion. Equations describing the effect of stress and strain intensity on the development of the indicator of heterogeneity of mechanical properties and the unevenness of the plastic flow of the studied alloys at the micro and macroscale are obtained. It is proposed to use them to automate the analysis of the evolution of anisotropy and heterogeneity of mechanical properties in SLM products.

316LInconel 718SLMмоделированиепорыполе напряженийтомографиярастяжениефотограмметрияанизотропиянеоднородность.modelingporesstress fieldtomographystretchingphotogrammetryanisotropyheterogeneityРабота выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда проект № 23-29-00433.The work was carried out with the financial support of a grant from the Russian Science Foundation project No. 23-29-00433 (https://rscf.ru/project/№ 23-29-00433/).ReferencesTexture, anisotropy in microstructure and mechanical properties of IN738LC alloy processed by selective laser melting (SLM) / K. Kunze, T. Etter, J. Grässlin, V. Shklover // Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 620. P. 213–222.Kunze K., Etter T., Grässlin J., Shklover V. Texture, anisotropy in microstructure and mechanical properties of IN738LC alloy processed by selective laser melting (SLM). Mater. Sci. Eng. A. 2015;620:213-222.Fabrication of NiCr alloy parts by selective laser melting: columnar microstructure and anisotropic mechanical behavior / B. Song, S. Dong, P. Coddet, H. Liao, C. Coddet // Mater. and Design. 2014. Vol. 53. P. 1–7.Song B., Dong S., Coddet P., Liao H., Coddet C. Fabrication of NiCr alloy parts by selective laser melting: columnar microstructure and anisotropic mechanical behavior. Mater. and Design. 2014;53:1-7.Microstructure and mechanical properties of Inconel 718 produced by SLM and subsequent heat treatment / A.A. Popovich, V.Sh. Sufiiarov, E.V. Borisov, I.A. Polozov // Key Eng. Mater. 2015. Vol. 651–653. P. 665–670.Popovich A.A., Sufiiarov V.Sh., Borisov E.V., Polozov I.A. Microstructure and mechanical properties of Inconel 718 produced by SLM and subsequent heat treatment. Key Eng. Mater. 2015; 651-653:665-670.Характер упрочнения аддитивных сплавов высокой прочности / А.Н. Чуканов, В.А. Коротков, А.А. Яковенко, Е.В. Цой, А.А. Фролов // Известия Тульского государственного университета. Серия: Технические науки. 2024. Вып. 4. С. 421–426.Chukanov A.N., Korotkov V.A., Yakovenko A.A., Tsoi E.V., Frolov A.A. The nature of hardening of high-strength additive alloys. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki = Proceedings of Tula State University. Series: Technical Sciences. 2024;(4):421-426. (In Russ.)Влияние анизотропии на характер упрочнения в аддитивных сплавах высокой прочности / А.Н. Чуканов, В.А. Коротков, А.А. Яковенко, Е.В. Цой, А.А. Фролов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 14, № 3. С. 19–29. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-3-19-29.Chukanov A.N., Korotkov V.A., Yakovenko A.A., Tsoi E.V., Frolov A.A. Influence of anotropy on the character of hardening in high-definition additive alloys. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2024;14(3):19-29. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-14-3-19-29.Formation of plastic zones near spherical cavity in hardened low-carbon steels under conditions of hydrogen stress corrosion / N.N. Sergeyev, V.A. Tereshin, A.N. Chukanov, A.G. Kolmakov, A.A. Yakovenko, A.N. Sergeyev [et al.] // Inorganic Materials: Applied Research. 2018. Vol. 9, no. 4. P. 663–669.Sergeyev N.N., Tereshin V.A., Chukanov A.N., Kolmakov A.G., Yakovenko A.A., Sergeyev A.N., et al. Formation of plastic zones near spherical cavity in hardened low-carbon steels under conditions of hydrogen stress corrosion. Inorganic Materials: Applied Research, 2018;9(4):663–669.Чуканов А.Н., Терешин В.А, Цой Е.В. Моделирование эволюции микронесплошностей в напряжённых металлических средах различного производства // Алгебра, теория чисел, дискретная геометрия и многомасштабное моделирование: современные проблемы, приложения и проблемы истории: материалы XXI Международной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения А. А Карацубы. Тула: Тул. гос. пед. ун-т им. Л.Н. Толстого, 2022. С. 371–375.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Tsoi E.V. Modeling the evolution of microinflections in stressed metallic media of various production. In: Algebra, teoriya chisel, diskretnaya geometriya i mnogomasshtabnoe modelirovanie: Sovremennye problemy, prilozheniya i problemy istorii: materialy XXI Mezhdunarodnoi konferentsii, posvyashchennoi 85-letiyu so dnya rozhdeniya A. A. Karatsuby = Algebra, number theory, discrete geometry and multiscale modeling: modern problems, applications and problems of history: proceedings of the XXI International conference dedicated to the 85th anniversary of the birth of A. A. Karatsuba. Tula: Tul. gos. ped. un-t im. L.N. Tolstogo; 2022. Р. 371-375. (In Russ.)KiSSAM: efficient simulation of melt pool dynamics during PBF using GPUs / А. Zakirov, S. Belousov, М.V. Bogdanova, B. Korneev, I. Iskandarova, А. Perepelkina [et al.] // Progress in Additive Manufacturing. 2024. Vol. 9. P. 1491–1508.Zakirov А., Belousov S., Bogdanova М.V., Korneev B., Iskandarova I., Perepelkina А., et al. KiSSAM: efficient simulation of melt pool dynamics during PBF using GPUs. Progress in Additive Manufacturing. 2024;9:1491–1508. (In Russ.)Чуканов А.Н., Терешин В.А., Цой Е.В. Математическое моделирование напряженнодеформированного состояния в металлических средах на основе концепции силовых линий // Чебышёвский сборник. 2020. Т. 21, вып. 4 (76). С. 376–389.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Tsoi E.V. Mathematical modeling of the stress-strain state in metallic media based on the concept of force lines. Chebyshevskii sbornik = Chebyshevsky collection. 2020; 21(4):376-389. (In Russ.)Чуканов А.Н., Терёшин В.А., Цой Е.В. Математическое моделирование полей напряжений у стресс-коррозионных дефектов // Современные материалы, техника и технологии. 2021. Т. 6, № 39. С. 65–70.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Tsoi E.V. Mathematical modeling of stress fields in stress-corrosion defects. Sovremennye materialy, tekhnika i tekhnologii = Modern materials, technique and technologies. 2021;6(39):65-70. (In Russ.)Чуканов А.Н., Цой Е.В., Фролов А.А. Разработка технологии регистрации и анализа локализованной деформации материалов // Современные материалы, техника и технологии, 2024. № 2(53). С. 49–51.Chukanov A.N., Tsoi E.V., Frolov A.A. Development of technologies for registration and analysis of localized deformation of materials. Sovremennye materialy, tekhnika i tekhnologii = Modern materials, engineering and technologies, 2024;(2):49-51. (In Russ.)Фотограмметрия в фиксации и анализе локализованной деформации 3d образцов / А.Н. Чуканов, Е.В. Цой, А.А. Яковенко, Д.В. Малий, С.С. Гончаров // Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов: сборник научных статей Международной научно-технической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения академика А.А. Байкова. Курск: Университетская книга, 2023. С. 168–173.Chukanov A.N., Tsoi E.V., Yakovenko A.A., Maly D.V., Goncharov S.S. Photogrammetry in fixation and analysis of localized deformation of 3d samples. In: Sovremennye problemy i napravleniya razvitiya metallovedeniya i termicheskoi obrabotki metallov i splavov: sbornik nauchnykh statei Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, posvyashchennoi 150-letiyu so dnya rozhdeniya akademika A.A. Baikova = Modern problems and directions of development of metallology and heat treatment of metals and alloys: collection of scientific articles of the International scientific and technical conference dedicated to the 150th anniversary of the birth of academician A.A. Baykov. Kursk: Universitetskaya kniga; 2023. Р. 168-173. (In Russ.)Определение коэффициента анизотропии и скорости локальной деформации в аддитивных сплавах / А.Н. Чуканов, В.А. Коротков, А.А. Яковенко, Е.В. Цой, А.А. Фролов // Известия Тульского государственного университета. Серия: Технические науки. 2024. Вып. 3. С. 224–229.Chukanov A.N., Korotkov V.A., Yakovenko A.A., Tsoi E.V., Frolov A.A. Determination of the anotropy coefficient and the rate of local deformation in additive alloys. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki = Proceedings of Tula State University. Series: Technical Sciences. 2024(3):224-229. (In Russ.)Аналогово-цифровое преобразование кусочно-линейных и периодических функций волновой деформации в металлах / А.Н. Чуканов, Н.Н. Добровольский, А.Н. Сергеев, Ю.А. Басалов, Е.В. Цой, А.В. Матвеева // Чебышевский сборник. 2023. Т. 24, вып. 3. С. 333–340.Chukanov A.N., Dobrovolsky N.N., Sergeev A.N., Basalov Yu.A., Tsoi E.V., Matveeva A.V. Analog-digital transformation of piecewise linear and periodic functions of wave deformation in metals. Chebyshevskii sbornik = Chebyshev collection. 2023;24(3):333-340. (In Russ.)Математические методы наблюдения волновых процессов при деформации изделий 3d технологии / А. Н. Чуканов, Н. Н. Добровольский, Е. В. Цой, А. А. Яковенко // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 4. С. 32–42. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-23-13-4-22-42.Chukanov A.N., Dobrovolsky N.N., Tsoi E.V., Yakovenko A.A. Mathematical methods for observing wave processes during deformation of 3d technology publications. Izvestiya YugoZapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2023;13(4):32-42. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1560-2023-13-4-32-42.Рентгеновская томография структурных дефектов в изделиях SLM производства / А.Н. Чуканов, Е.В. Цой, А.А. Яковенко, С.С. Гончаров // Современное перспективное развитие науки, техники и технологий: сборник научных статей Международной научно-технической конференции. Воронеж: Воронежский гос. техн. ун-т, 2023. С. 546–551.Chukanov A.N., Tsoi E.V., Yakovenko A.A., Goncharov S.S. X-ray tomography of structural defects in SLM production publications. In: Sovremennoe perspektivnoe razvitie nauki, tekhniki i tekhnologii: sbornik nauchnykh statei Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii = Modern perspective development of science, technology and technologies: collection of scientific articles of the International scientific and technical conference. Voronezh: Voronezh gos. tech. un-t; 2023. Р. 546-551. (In Russ.)Морфология объёмных зон пластичности у газонаполненных пор в литых и порошковых сталях в условиях стресс-коррозии / А.Н. Чуканов, В.А. Терешин, А.Е. Гвоздев, С.Н. Кутепов, А.Н. Сергеев, Е.В. Агеев [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. 2019. Т. 23, № 5. С. 35–52. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-5-35-52.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Gvozdev A.E., Kutepov S.N., Sergeev A.N., Ageev E.V., et al. Morphology of volumetric plasticity zones in gas-filled pores in cast and powder steels under stress corrosion conditions. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technologies. 2019;23(5):35-52. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-5-3552.Эволюция зон пластичности в окрестности пор в сталях в условиях стресс-коррозии / А.Н. Чуканов, В.А. Терешин, А.Е. Гвоздев, А.А. Шатульский, А.П. Навоев, А.Н. Сергеев [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Т. 18, № 3. С. 130–136.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Gvozdev A.E., Shatulsky A.A., Navoev A.P., Sergeev A.N., et al. Evolution of knowledge of plasticity in the environment of pores in steels under stress corrosion conditions. Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii = Billet products in mechanical engineering. 2020;18(3):130-136. (In Russ.)Чуканов А.Н., Яковенко А.А., Цой Е.В. Морфология технологических несплошностей в структуре изделий аддитивного производства как причина анизотропии их физикомеханических свойств // Чебышевский сборник. 2023. Т. 24, вып. 5. С. 343–356.Chukanov A.N., Yakovenko A.A., Tsoi E.V. Morphology of technological discontinuities in the structure of additive manufacturing publications as a cause of anotropy of ice of physicomechanical properties. Chebyshevskii sbornik = Chebyshevsky collection. 2023;24(5):343-356. (In Russ.)Определение коэффициента анизотропии и скорости локальной деформации в аддитивных сплавах / А.Н. Чуканов, В.А. Коротков, А.А. Яковенко, Е.В. Цой, А.А. Фролов // Известия Тульского государственного университета. Серия: Технические науки. 2024. Вып. 3. С. 224–229.Chukanov A.N., Korotkov V.A., Yakovenko A.A., Tsoi E.V., Frolov A.A. Determination of the anotropy coefficient and the rate of local deformation in additive alloys. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskie nauki = Proceedings of Tula State University. Series: Technical Sciences. 2024;(3):224-229. (In Russ.)Ковка и штамповка: справочник: в 4 т. Т. 1. Материалы и нагрев. Испытания технологических свойств листовых материалов / ред. совет: Е.И. Семёнов [и др.]. М.: Машиностроение, 1985. С. 154–163.Semenov E.I., et al. (eds.) Forging and stamping. Vol. 1. Materials and heating. Research of technological properties of sheet materials. Moscow: Mashinostroenie; 1985. P. 154–163. (In Russ.)Структура волнового спектра пластической деформации изделий SLM-технологии / А.Н. Чуканов, В.А. Терёшин, Е.В. Цой, А.В. Матвеева // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сборник научных трудов XVII Международной научно-практической конференции. Курск: Университетская книга, 2022. С. 369–372.Chukanov A.N., Tereshin V.A., Tsoi E.V., Matveeva A.V. The structure of the wave spectrum of plastic deformation of SLM-technology publications. In: Sovremennye instrumental'nye sistemy, informatsionnye tekhnologii i innovatsii: sbornik nauchnykh trudov XVII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii = Modern instrumental systems, information technologies and innovations: collection of scientific papers of the XVII International Scientific and Practical Conference. Kursk: Universitetskaya kniga; 2022. P. 369–372. (In Russ.)

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