Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2018,  том 15,  №2, 169-175

 

А.С. Жуков, Б.К. Барахтин, П.А. Кузнецов

Десублимация как причина упрочнения материала в процессе селективного лазерного сплавления

НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей», ул. Шпалерная, 49, 191015, Санкт-Петербург, Россия
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Для уточнения природы и механизмов упрочнения материала, полученного методом селективного лазерного сплавления (СЛС) из технического порошка железа с минимальным содержанием посторонних примесей, в камере установки EOSint M270 в атмосфере азота сформированы образцы в форме цилиндров Ø12.6 мм и высотой 10 мм. Зафиксированная разнозернистость СЛС железа со следами остановок фронтов кристаллизации свидетельствует о быстром чередовании актов нагрева, сплавления и охлаждения слоев порошка, подверженных лазерному сканированию. Выявленные травлением и обнаруженные в структуре СЛС железа следы массового локализованного мезо- и микропластического течения в форме протяженных и искривленных каналов указывают на ротационную составляющую деформации. Полученные данные также свидетельствуют о процессах локальной структурной трансформации с участием моментных напряжений и возникновении в зонах кривизны новых энергетических состояний с ближним упорядочением. Таким образом, в операциях СЛС порошков возможно образование паров металла, которые в свободном состоянии последовательно конденсируются в жидкость и кристаллизуются в частицы разных размеров с последующим оседанием на слои сплавляемого порошка. В структуре материала обнаружены частицы с минимальным размером 0.15±0.05 мкм, интерпретированные как зародышевые объекты затвердевания. Установлено, что за прочностные свойства СЛС материала ответственны не только локальные концентрационные неоднородности, но и нанофазы в форме структурных построений из кластерных блоков, объединяющихся на когерентных и других границах раздела. Предложена модель упрочнения СЛС материала наночастицами, которые образовались в процессе десублимации (конденсации + кристаллизации) в последовательности: метастабильное состояние → сегрегация → кластер → нанообъект. Показано, что в создании изделий из порошкового сырья методом СЛС нано- и микроструктурный уровни являются базовыми., и что в нестационарных температурных условиях структурообразования возрастает роль кинетических процессов.

Ключевые слова: аддитивные технологии, порошковые материалы, сплавление, упрочнение, наночастицы.

УДК 621.762.2

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2018.02.001


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 15, No.2 (2018) 169-175

 

A.S. Zhukov, B.K. Barakhtin, P.A. Kuznetcov

Desublimation as a cause of material hardening in the process of selective laser melting

NRC «Kurchatov Institute» – CRISM "Prometey", Shpalernaya St., 49, Saint Petersburg, 191015, Russia

To clarify the nature and mechanisms of hardening of the material obtained by the method of selective laser melting (SLM) from a technical iron powder with a minimum content of foreign impurities, samples in the form of cylinders Ø12.6 mm and height 10 mm were formed in the chamber of the EOSint M270 in a nitrogen atmosphere. The fixed heterogeneity of the iron with traces of stops of the crystallization fronts indicates a rapid alternation of the acts of heating, melting, and cooling of the powder layers subjected to laser scanning. The traces of mass localized meso- and microplastic flow detected by the etching and detected in the iron’s structure in the form of elongated and curved channels indicate the rotational component of deformation. The data obtained also indicate processes of local structural transformation involving moment stresses and the appearance of new energy states with short ordering in the curvature zones. Thus, in the operations of SLM powders, the formation of metallic vapors is possible, which in a free state is subsequently condensed into a liquid and crystallized into particles of different sizes, followed by settling on the layers of the alloy being melted. In the structure of the material particles with a minimum size of 0.15 ± 0.05 μm, interpreted as of epitaxial solidification objects, were detected. It is established that not only local concentration inhomogeneities but also nanophases in the form of structural constructions from cluster blocks that are combined on coherent and other interfaces are responsible for the strength properties of the SLM material. A model of hardening of SLM material by nanoparticles, which were formed during desublimation (condensation + crystallization) in the sequence: metastable state → segregation → cluster → nanoobject. It is shown that in the creation of products from powder raw materials using the SLM method, the nano- and microstructural levels are basic, and that in the unsteady temperature conditions of structure formation the role of kinetic processes increases.

Keywords: additive technologies, powder materials, selective laser melting, hardening, nanoparticles.