Современная электрометаллургия, 2018, №01

2018 №01 (02)

DOI of Article 10.15407/sem2018.01.03

2018 №01 (04)

---

Современная электрометаллургия, 2018, #1, 17-27 pages
 

Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3D конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла

В. А. Костин, Г. М. Григоренко, В. А. Шаповалов, А. Н. Пикулин

Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. 03150, г. Киев, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
 
Abstract
Представлены результаты моделирования температурных полей, кинетики нанесения слоев разнородных металлов и характера структурных превращений при формировании аддитивной многослойной конструкции из сталей 17Г1С и 30ХГС. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет COMSOL Multiphysics. Учитывали влияние температуры на теплофизические параметры сталей. Изучено одновременное воздействие трех дуг на процесс формирования наплавки, кинетику структурных превращений и диффузионные процессы перераспределения легирующих элементов. Показано, что для снижения уровня напряжений между аддитивной наплавкой и подложкой до 50 МПа в начале процесса нанесения следует использовать предварительный подогрев подложки дугой без нанесения наплавляемого материала, а также, что время прохождения между соседними дуговыми источниками тепла следует поддерживать в диапазоне от 5 до 30 с. Установлено, что при малой мощности дуги (1 кВт) в наплавке преимущественно формируется феррито-бейнитная структура, доля бейнита в которой составляет 71 %, феррита — 28 %, мартенсита примерно 1 %. При использовании дуги большей мощности (5 кВт) в наплавке формируется бейнито-мартенситная структура, доля бейнита в которой составляет около 50 %, мартенсита возрастает до 40 % и феррита до 10 %. Повышение мощности дуги приводит к росту максимальной температуры жидкой ванны до 1750…1850 ^оС, возрастанию скорости охлаждения до 15….25 ^оС/с и, как следствие, повышению доли мартенсита в структуре наплавляемых слоев. Разработано программное обеспечение, которое может быть использовано для математического моделирования металлургического аддитивного процесса формирования изделий из различных сталей и сплавов. Библиогр. 16, табл. 2, ил. 8.
Ключевые слова: аддитивное производство; моделирование; наплавление; функциональные материалы; структурные превращения; микроструктура
 
Received:                22.01.18
Published:               20.03.18
 
 
Список литературы

1. Жуков В. В., Григоренко Г. М., Шаповалов В. А. (2016) Аддитивное производство металлических изделий (Обзор). Автоматическая сварка, 5–6, 148–153.
2. Ахонин С. В., Вржижевский Э. Л., Белоус В. Ю., Петриченко И. К. (2016) 3D электронно-лучевая наплавка титановых деталей. Там же, 141–144.
3. Коржик В. Н., Хаскин В. Ю., Гринюк А. А. и др. (2016) Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор). Там же, 127–134.
4. Wong K. V., Hernandez A. (2012) A review of additive manufacturing. International Scholarly Research Network. Mechanical Engineering, 2012.
5. Dave V. R., Matz J. E., Eagar T. W. (1995) Electron beam solid freeform fabrication of metal parts. Proc. of the Solid Freeform Fabrication Symp., Univ. of TX, Austin, 64–70.
6. Jandric Z., Labudovic M., Kovacevic R. (2004) Effect of heat sink on microstructure of three-dimensional parts built by welding-based deposition. International J. of Machine Tools and Manufacture, 44(7–8), 785–796.
7. Шаповалов В. А., Григоренко Г. М. (2015) Управление структурой металла в процессе кристаллизации. Современная электрометаллургия, 2, 51–54.
8. Шаповалов В. А., Григоренко Г. М. (2015) Подавление ликвационных процессов в крупных слитках. Там же, 1, 26–30.
9. Volyansky I., Shishkovsky I. (2016) Laser assisted 3D printing of functional graded structures from polymer covered nanocomposites. New Trends in 3D Printing. I. V. Shishkovsky (Ed.), Rijeka, Croatia, pp. 237–258.
10. Шишковский И. В. (2016) Основы аддитивных технологий высокого разрешения. Санкт-Петербург, Питер.
11. Spencer P. J. (2008) Brief History of CALPHAD. CALPHAD, 32, 1–8.
12. Костин В. А., Григоренко Г. М. (2017) Особенности формирования структуры 3D изделия из стали S460M в аддитивной металлургической технологии. Современная электрометаллургия, 3, 33–42.
13. Патон Б. Е. (2014) Исследования и разработки ИЭС им. Е. О. Патона для современной энергетики. Техническая диагностика и неразрушающий контроль, 1, 3–11.
14. Костин В. А., Григоренко Г. М., Жуков В. В. (2017) Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С. Современная электрометаллургия, 2, 35–44.
15. Блантер М. Е. (1962) Фазовые превращения при термической обработке сталей. Mосква, ГНТИЛ по черн. и цвет. металлургии.
16. Wert C. A. (1950) Diffusion coefficient of C in α-iron. Rev., 79(4), 601–606.