Исследование свойств регулярных структур, полученных аддитивными технологиями в сочетании с методами порошковой металлургии

Несмотря на значительное количество исследований и прикладных работ в области аддитивных технологий, проблемы топологической оптимизации структур, полученных совмещением методов 3D-печати и порошковой металлургии, остаются недостаточно изученными как теоретически, так и экспериментально. Результаты моделирования регулярных структур из пластиков и изучения процессов их разрушения можно эффективно использовать в качестве стартового метода при разработке технологии изготовления композиционных материалов на основе титановых сплавов с повышенным уровнем прочностных свойств. По результатам численных экспериментов и натурных испытаний определены наиболее предпочтительные типы структур — сотовые на основе полилактида (PLA) со следующими прочностными свойствами: модуль упругости — 342,3 МПа; предел прочности при сжатии — 20,4 МПа; удельная прочность — 81 МПа, см³/г. Реализованные на пластиках 3D-модели использованы при изготовлении металлокомпозитов по технологии, сочетающей селективное лазерное плавление и порошковую металлургию. Помимо повышения плотности и устранения пористости у структур из порошков титанового сплава после инфильтрации более легкоплавкими сплавами возрастает уровень прочностных свойств вследствие перераспределения напряжений, возникающих в титановом каркасе под нагрузкой. Прочность на изгиб изменяется в диапазоне 1140…1560 МПа, модуль упругости — в интервале 49 500…54 000 МПа в зависимости от состава композита и режимов селективного лазерного плавления. Твердость по Роквеллу возрастает от 35 до 45 HRC, твердость по Бринеллю — от 340 до 410 HB, что на 20…25 % больше, чем твердость проката из сплава ВТ6. Повышенные значения прочности можно объяснить композиционной структурой материала, образованного сочетанием двух взаимно проникающих каркасов. Результаты испытаний образцов на прочность являются еще одним аргументом в пользу предложенного способа инфильтрации при совместном использовании аддитивных технологий и методов порошковой металлургии.

Литература

[1] Chen L.Y., Liang S.X., Liu Y. et al. Additive manufacturing of metallic lattice structures: Unconstrained design, accurate fabrication, fascinated performances, and challenges. Mater. Sci. Eng. R Rep., 2021, vol. 146, art. 100648, doi: https://doi.org/10.1016/j.mser.2021.100648

[2] Najmon J.C., Raeisi S., Tovar A. Reiew of additive manufacturing technologies and applications in the aerospace industry. In: Additive manufacturing for the aerospace industry. Elsevier, 2019, pp. 7–31.

[3] Großmann A., Gosmann J., Mittelstedt C. Lightweight lattice structures in selective laser melting: design, fabrication and mechanical properties. Mater. Sci. Eng. A, 2019, vol. 766, art. 138356, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138356

[4] Heinl P., Müller L., Körner C. et al. Cellular Ti-6Al-4V structures with interconnected macro porosity for bone implants fabricated by selective electron beam melting. Acta Biomater., 2008, vol. 4, no. 5, pp. 1536–1544, doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2008.03.013

[5] Дьяченко С.В., Лебедев Л.А., Сычев М.М. и др. Физико-механические свойства модельного материала с топологией трижды периодических поверхностей минимальной энергии типа гироид в форме куба. ЖТФ, 2018, т. 88, № 7, с. 1014–1017, doi: https://doi.org/10.21883/JTF.2018.07.46169.2555

[6] Tino R., Leary M., Yeo A. et al. Gyroid structures for 3D-printed heterogeneous radiotherapy phantoms. Phys. Med. Biol., 2019, vol. 64, no. 21, art. 21NT05, doi: http://dx.doi.org/10.1088/1361-6560/ab48ab

[7] Марков В.А., Пусев В.И., Селиванов В.В. Вопросы применения высокопористых металлов и сотовых конструкций для защиты от ударноволновых нагрузок. Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму, 2012, № 7–8, с. 54–62.

[8] Игонина Е.В., Дружинина О.В. Особенности разработки и применения FDM-технологии при создании и прототипировании 3D-объектов. Современные информационные технологии и ИТ-образование, 2017, т. 13, № 2, c. 185–193.

[9] Henderson L., Glaser T., Kuester F. Towards bio-inspired structural design of a 3D printable, ballistically deployable, multi-rotor UAV. IEEE Aerospace Conf., 2017, doi: https://doi.org/10.1109/AERO.2017.7943970

[10] Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. Санкт-Петербург, СПбПУ, 2013. 222 с.

[11] Makarenko K.I., Konev S.D., Dubinin O.N. et al. Mechanical characteristics of laser-deposited sandwich structures and quasi-homogeneous alloys of Fe-Cu system. Mater. Des., 2022, vol. 224, art. 111313, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111313

[12] Do T., Kwon P., Shin C.S. Process development toward full-density stainless steel parts with binder jetting printing. Int. J. Mach. Tools Manuf., 2017, vol. 121, pp. 50–60, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2017.04.006

[13] Колчанов Д.С., Дренин А.А., Денежкин А.О. и др. Особенности процесса селективного лазерного плавления из конструкционной стали 28Х3СНМВФА. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2022, № 10, с. 79–88, doi: https://doi.org/10.18698/0536-1044-2022-10-79-88

[14] Lores A., Azurmendi N., Agote I. et al. A review on recent developments in binder jetting metal additive manufacturing: materials and process characteristics. Powder Metall., 2019, vol. 62, no. 5, pp. 267–296, doi: https://doi.org/10.1080/00325899.2019.1669299

[15] Vangapally S., Agarwal K., Sheldon A. et al. Effect of lattice design and process parameters on dimensional and mechanical properties of binder jet additively manufactured stainless steel 316 for bone scaffolds. Procedia Manuf., 2017, vol. 10, pp. 750–759, doi: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.069

[16] Do T., Shin C.S., Stetsko D. et al. Improving structural integrity with boron-based additives for 3D printed 420 stainless steel. Procedia Manuf., 2015, vol. 1, pp. 263–272, doi: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2015.09.019

[17] Ziaee M., Tridas E.M., Crane N.B. Binder-jet printing of fine stainless steel powder with varied final density. JOM, 2017, vol. 69, no. 3, pp. 592–596, doi: https://doi.org/10.1007/s11837-016-2177-6

[18] Tang Y., Zhou Y., Hoff T. et al. Elastic modulus of 316 stainless steel lattice structure fabricated via binder jetting process. Mater. Sci. Technol., 2016, vol. 32, no. 7, pp. 648–656, doi: https://doi.org/10.1179/1743284715Y.0000000084

[19] Nandwana P., Elliott A.M., Siddel D. et al. Powder bed binder jet 3D printing of Inconel 718: Densification, microstructural evolution and challenges. Curr. Opin. Solid State Mater., 2017, vol. 21, no. 4, pp. 207–218, doi: https://doi.org/10.1016/j.cossms.2016.12.002

[20] Mostafaei A., Stevens E.L., Hughes E.T. et al. Powder bed binder jet printed alloy 625: densification, microstructure and mechanical properties. Mater. Des., 2016, vol. 108, pp. 126–135, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.06.067

[21] Turker M., Godlinski D., Petzoldt F. Effect of production parameters on the properties of IN 718 superalloy by three-dimensional printing. Mater. Charact., 2008, vol. 59, no 12, pp. 1728–1735, doi: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2008.03.017

[22] Mostafaei A., Neelapu S.H.V.R., Kisailus C. et al. Characterizing surface finish and fatigue behavior in binder-jet 3D-printed nickel-based superalloy 625. Addit. Manuf., 2018, vol. 24, pp. 200–209, doi: https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.09.012

[23] Gordeev Y.I., Abkaryan A.K., Surovtsev A.V. et al. Investigation into the peculiarities of structure formation and properties of copper-based powder pseudoalloys modified by ZnO and TiN nanoparticle additives. Russ. J. Non-ferrous Metals, 2019, no. 60, no. 1, pp. 68–75, doi: https://doi.org/10.3103/S1067821219010048

[24] Bai Y., Wagner G., Williams C.B. Effect of particle size distribution on powder packing and sintering in binder jetting additive manufacturing of metals. J. Manuf. Sci. Eng., 2017, vol. 139, no. 8, art. 081019, doi: https://doi.org/10.1115/1.4036640

[25] Sheydaeian E., Sarikhani K., Chen P. et al. Material process development for the fabrication of heterogeneous titanium structures with selective pore morphology by a hybrid additive manufacturing process. Mater. Des., 2017, vol. 135, pp. 142–150, doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.09.025

[26] Xiong Y., Qian C., Sun J. Fabrication of porous titanium implants by three-dimensional printing and sintering at different temperatures. Dent. Mater. J., 2012, vol. 31, no. 5, pp. 815–820, doi: https://doi.org/10.4012/dmj.2012-065

[27] Enneti R.K., Prough K.C., Wolfe T.A. et al. Sintering of WC-12% Co processed by binder jet 3D printing (BJ3DP) technology. Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 2018, vol. 71, pp. 28–35, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2017.10.023

[28] Gordeev Y.I., Yasinskiy V.B., Anistratenko N.E. et al. Study of the formation features of hard metal composites structure obtained from bimodal powder mixtures. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2019, vol. 511, art. 012032, doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/511/1/012032

[29] Gordeev Y.I., Zeer G.M., Yasinsky V.B. et al. Investigation of nanostructured hard metal composites obtained from powder mixtures (WC-Co)-Al2O3. J. Phys.: Conf. Ser., 2022, vol. 2373, no. 3, art. 032025, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2373/3/032025

[30] Lima P., Zocca A., Acchar W. et al. 3D printing of porcelain by layerwise slurry deposition. J. Eur. Ceram. Soc., 2018, vol. 38, no. 9, pp. 3395–3400, doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.03.014

[31] Somasundram I.M., Cendrowicz A., Wilson D.I. et al. Phenomenological study and modelling of wick debinding. Chem. Eng. Sci., 2008, vol. 63, no 14, pp. 3802–3809, doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2008.04.040

[32] Kumar A., Bai Y., Eklund A. et al. Effects of hot isostatic pressing on copper parts fabricated via binder jetting. Procedia Manuf., 2017, vol. 10, pp. 935–944, doi: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.07.084

[33] Kumar A., Bai Y., Eklund A. et al. The effects of Hot Isostatic Pressing on parts fabricated by binder jetting additive manufacturing. Addit. Manuf., 2018, vol. 24, pp. 115–124, doi: https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.09.021

[34] Kernan B.D., Sachs E.M., Allen S.M. et al. Homogeneous steel infiltration. Metall. Mater. Trans. A, 2005, vol. 36, no. 10, pp. 2815–2827, doi: https://doi.org/10.1007/s11661-005-0278-x

[35] Балабанов С.В., Макогон А.И., Сычев М.М. и др. 3D-печать и механические свойства полиамидных изделий с топологией «примитив Шварца». ЖТФ, 2020, т. 90, № 2, с. 223–227, doi: https://doi.org/10.21883/JTF.2020.02.48813.209-19

[36] Gordeev Y.I., Yasinski V.B., Binchurov A.S. et al. Combined application of composite powders wc-co and additives of nanoparticles as an effective method of improving the properties of hard metals. Key Engineering Materials, 2018, vol. 769, pp. 134–140, doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.769.134