Исследование физико-механических характеристик дисперсно-упрочненной металлокерамики Ti-4.25Al-2V с добавлением SiC, изготовленной методом прямого лазерного выращивания

С развитием аддитивных технологий в области металлов возрастает интерес к исследованиям, направленным на повышение функциональных характеристик деталей летательных аппаратов. К основным направлениям относится добавление керамических частиц (оксидной, карбидной и нитридной керамики) в порошки металлов и отработка технологических режимов. Проведены исследования по прогнозированию физико-механических характеристик дисперсно-упрочненного композиционного материала, изготовленного методом прямого лазерного выращивания. Объектом исследования выбран титановый сплав Ti-4.25Al-2V с 1%-ной добавкой керамических частиц SiC. Рассмотрен многомасштабный подход к моделированию на микро- и макроуровнях. На микроуровне построен представительный элемент объема дисперсно-упрочненного композиционного материала с учетом формы частиц SiC для прогнозирования жесткостных и прочностных характеристик, в том числе в зависимости от температуры. На макроуровне с помощью численного моделирования изучены особенности пластического деформирования и разрушения образцов из рассматриваемого материала, изготовленных методом прямого лазерного выращивания. Моделирование выполнено на базе коммерческих программных комплексов ANSYS и MSC.Digimat. Показано, что добавление частиц SiC приводит к повышению физико-механических характеристик сплава, в том числе при температуре до 450 °С. Результаты моделирования оказались хорошо согласованными с данными экспериментальных исследований: погрешность прогнозирования модуля упругости при растяжении составила 5 %, а предела прочности — 8 %. Предложенный подход к прогнозированию физико-механических характеристик дисперсно-упрочненного композиционного материала из титанового сплава Ti-4.25Al-2V с 1%-ной добавкой керамических частиц SiC может представлять интерес и для изучения других металломатричных композиционных материалов, изготовленных методом прямого лазерного выращивания.
EDN: LDBHWI, https://elibrary/ldbhwi

Литература

[1] Carroll B., Palmer T., Beese A. Anisotropic tensile behavior of Ti–6Al–4V components fabricated with directed energy deposition additive manufacturing, Acta Mater., 2015, vol. 87, pp. 309–320, doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.12.054

[2] Pinkerton A. Lasers in additive manufacturing. Opt. Laser Technol., 2016, vol. 78-A, pp. 25–32, doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.09.025

[3] Kumar M., Chohan J.S. The role of additive manufacturing for biomedical applications: a critical review. J. Manuf. Process., 2021, vol. 64, no. 5, pp. 828–850, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.02.022

[4] Wrobel R., Scholes B., Hussein A. et al. A metal additively manufactured (MAM) heat exchanger for electric motor thermal control on a high-altitude solar aircraft—experimental characterization. Therm. Sci. Eng. Prog., 2020, vol. 19, art. 100629, doi: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2020.100629

[5] Promakhov V.V., Zhukov A.S., Vorozhtsov A.B. et al. Structure and mechanical properties of 3D-printed ceramic specimens. Russ. Phys. J., 2019, vol. 62, no. 5, pp. 876–881, doi: https://doi.org/10.1007/s11182-019-01790-0

[6] Krakhmalev P., Yadroitsev I. Microstructure and properties of intermetallic composite coatings fabricated by selective laser melting of Ti–SiC powder mixtures. Intermetallics, 2014, vol. 46, pp. 147–155, doi: https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.11.012

[7] Гольдштейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. Москва, Металлургия, 1986. 310 с.

[8] Hosford W.F. Mechanical behavior of materials. Cambridge University Press, 2005. 425 p.

[9] Bistrova Y.A., Shirokina E.A., Mendagaliev R. et al. Research of mechanical properties of cold resistant steel 09CrNi2MoCu after direct laser deposition. Key Eng. Mater., 2019, vol. 822, pp. 418–424, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.822.418

[10] Stasa F.L. Applied finite element analysis for engineers. Holt, Rinehart & Winston, 1985. 657 p.

[11] Moaveni S. Finite element analysis. Pearson, 2014. 936 p.

[12] ASTM E21-20. Standard test methods for elevated temperature tension tests of metallic materials. Vol. 03.01, doi: https://doi.org/10.1520/E0021-20

[13] Hirsch P., Marianne J., Leipold D. et al. Numerical simulation and experimental validation of hybrid injection molded short and continuous fiber-reinforced thermoplastic composites. Polymers, 2021, vol. 13, no. 21, art. 3846, doi: https://doi.org/10.3390/polym13213846

[14] Ivanov S., Gushchina M., Artinov A. et al. Effect of elevated temperatures on the mechanical properties of a direct laser deposited Ti-6Al-4V. Materials, 2021, vol. 14, no. 21, art. 6432, doi: https://doi.org/10.3390/ma14216432

[15] Shalnova S.A., Volosevich D.V., Sannikov M.I. et al. Direct energy deposition of SiC reinforced Ti–6Al–4V metal matrix composites: structure and mechanical properties. Ceram. Int., 2022, vol. 48, no. 23-A, pp. 35076–35084, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.08.097