Моделирование порообразования и экспериментальная in situ верификация его связи с анизотропией изделий SLM

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.

1. Texture, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.