RU2787815C1 - Method for manufacturing a product with a composite structure made of powder steel with a trip effect - Google Patents
Method for manufacturing a product with a composite structure made of powder steel with a trip effect Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787815C1 RU2787815C1 RU2022113301A RU2022113301A RU2787815C1 RU 2787815 C1 RU2787815 C1 RU 2787815C1 RU 2022113301 A RU2022113301 A RU 2022113301A RU 2022113301 A RU2022113301 A RU 2022113301A RU 2787815 C1 RU2787815 C1 RU 2787815C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal
- layers
- product
- powder
- deformation
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 10
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 53
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 53
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 6
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 5
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001563 bainite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000922 High-strength low-alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к изготовлению металлических изделий из порошковой стали путем ее расплавления концентрированным источником теплоты и может быть использовано для производства деталей сложных форм или их частей в различных отраслях машиностроения.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular, to the manufacture of metal products from powdered steel by melting it with a concentrated source of heat and can be used for the production of parts of complex shapes or their parts in various branches of mechanical engineering.
Известен способ изготовления металлического изделия из порошкового материала методом послойного лазерного синтеза с применением деформационной обработки, включающий послойную укладку порошка на предметном столе принтера и послойное проплавление порошка лучом лазера с обеспечением синтеза металломатричного композиционного материала. Затем проплавленный слой порошка подвергают знакопеременной деформации инструментом с использованием направляющей матрицы в два этапа. На первом этапе обеспечивают локальное выдавливание материала проплавленного слоя из зоны под инструментом с его выпучиванием в зоне, окружающей инструмент, а на втором этапе выдавленный металл из зоны, окружающий инструмент, перемещают в его исходное положение (патент РФ №2657971, МПК В22F 3/105, В33Y 40/00).A known method of manufacturing a metal product from a powder material by layer-by-layer laser synthesis using deformation processing, including layer-by-layer laying of the powder on the object table of the printer and layer-by-layer melting of the powder with a laser beam to ensure the synthesis of a metal-matrix composite material. Then, the melted layer of powder is subjected to sign-alternating deformation with a tool using a guide die in two stages. At the first stage, the material of the melted layer is locally extruded from the zone under the tool with its buckling in the zone surrounding the tool, and at the second stage, the extruded metal from the zone surrounding the tool is moved to its original position (RF patent No. 2657971, IPC B22F 3/105 , B33Y 40/00).
Недостатком известного способа является наличие пористых структур, получаемых при обработке лазерным лучом слоя порошка на столе принтера, которые снижают уровень механических свойств получаемого материала. При воздействии деформации пористые структуры неконтролируемо эволюционируют в материале, что в конечном итоге также снижает комплекс механических свойств готового изделия или его части.The disadvantage of the known method is the presence of porous structures obtained by processing a layer of powder on the printer table with a laser beam, which reduce the level of mechanical properties of the resulting material. Under the influence of deformation, porous structures evolve uncontrollably in the material, which ultimately also reduces the complex of mechanical properties of the finished product or part of it.
Наиболее близким аналогом является способ для изготовления детали посредством последовательного нанесения слоев, включающий нанесение слоев расплавленного металла на подложку путем плавления металлического порошка лазерным лучом до формирования, по меньшей мере, части детали. Далее осуществляют сжатие нанесенного горячего металла перед его полным охлаждением посредством дробеструйной обработки при помощи частиц материала, идентичного с материалом порошка, используемого при нанесении слоев. Цикл повторяется до полного построения изделия или его части (патент РФ №2731275, МПК В22F 3/105, В22F 3/16, В33Y 40/00, В33Y 30/00, В29C 64/20).The closest analogue is a method for manufacturing a part by sequential deposition of layers, including deposition of layers of molten metal on a substrate by melting metal powder with a laser beam until at least part of the part is formed. Next, the applied hot metal is compressed before it is completely cooled by shot blasting with particles of a material identical to the material of the powder used in the deposition of the layers. The cycle is repeated until the complete construction of the product or part thereof (RF patent No. 2731275, IPC B22F 3/105, B22F 3/16, B33Y 40/00, B33Y 30/00, B29C 64/20).
К недостаткам известного способа относятся: низкий уровень прочностных свойств, вследствие неудовлетворительной структуры нанесенного металла; наличие остаточных напряжений из-за неравномерного нагрева и охлаждения нанесенного металла. The disadvantages of the known method include: a low level of strength properties, due to the unsatisfactory structure of the deposited metal; the presence of residual stresses due to uneven heating and cooling of the deposited metal.
Техническая проблема заявляемого изобретения заключается в повышении прочностных свойств изделия или его части.The technical problem of the claimed invention is to improve the strength properties of the product or part thereof.
Технический результат изобретения заключается в получении изделия или его части, обладающей высокими прочностными свойствами, за счет реализации в металле ТРИП-эффекта и формирования композиционной структуры изделия. The technical result of the invention is to obtain a product or part thereof with high strength properties, due to the implementation of the TRIP effect in the metal and the formation of the composite structure of the product.
Техническая проблема решается тем, что в способе изготовления изделия c композиционной структурой из порошковой стали с ТРИП-эффектом, включающем поочередное нанесение слоев расплавленного металла на подложку путем расплавления порошковой стали концентрированным источником теплоты и проведение деформационной обработки, согласно изменению, по меньшей мере, часть изделия формируют путем нанесения n слоев металла, где n≥1, проведения контролируемого охлаждения до комнатной температуры со скоростью охлаждения в интервале температур от 900°С до 200°С не превышающей 40°С/с, и деформационной обработки, обеспечивающей энергию деформации в кристаллической решетке металла от 20 до 50 мДж/м2, при этом цикл, включающий нанесение слоев, охлаждение и деформационную обработку, повторяют многократно. The technical problem is solved by the fact that in a method for manufacturing a product with a composite structure from powder steel with a TRIP effect, which includes alternately applying layers of molten metal to a substrate by melting powder steel with a concentrated heat source and carrying out deformation processing,according to change, at least part of the product is formed by applying n layers of metal, where n≥1, conducting controlled cooling to room temperature with a cooling rate in the temperature range from 900°C to 200°C not exceeding 40°C/s, and deformation processing, providing the energy of deformation in the crystal lattice of the metal from 20 to 50 mJ/m2, while the cycle, including the deposition of layers, cooling and deformation processing, is repeated many times.
Интервал температур от 900°С до 200°С, в котором осуществляют контролируемое охлаждение металла, обусловлен тем, что в заданном температурном диапазоне происходят основные процессы формирования морфологии и роста кристаллов переохлажденного аустенита. При температурах свыше 900°С контроль скоростей охлаждения является не целесообразным, так как значения скоростей охлаждения принципиально не влияют на формирование конечной структуры наплавленного металла. При температурах ниже 200°С формирование конечной структуры наплавленного металла фактически уже завершено и контроль интенсивности охлаждения, также не является целесообразным. Превышение скорости охлаждения свыше 40°С/с в интервале температур от 900 до 200°С, приведет к чрезмерному упрочнению наплавленного металла и, как следствие, к повышению вероятности образования в нем трещин.The temperature range from 900°C to 200°C, in which the controlled cooling of the metal is carried out, is due to the fact that in a given temperature range the main processes of formation of the morphology and growth of supercooled austenite crystals occur. At temperatures above 900 ° C, the control of cooling rates is not appropriate, since the values of cooling rates do not fundamentally affect the formation of the final structure of the deposited metal. At temperatures below 200 ° C, the formation of the final structure of the deposited metal is in fact already completed and the control of the cooling intensity is also not appropriate. Exceeding the cooling rate above 40°C/s in the temperature range from 900 to 200°C will lead to excessive hardening of the deposited metal and, as a result, to an increase in the likelihood of cracking in it.
Обеспечение энергии деформации в кристаллической решетке наплавленного металла от 20 до 50 мДж/м2, обусловлено тем, что при значениях энергии деформации менее 20 мДж/м2 ТРИП-эффект в наплавленном металле не реализуется, а при значениях свыше 50 мДж/м2 происходит чрезмерное упрочнение металла, что приводит к повышению вероятности трещинообразования.The provision of strain energy in the crystal lattice of the deposited metal from 20 to 50 mJ/m 2 is due to the fact that at values of strain energy less than 20 mJ/m 2 the TRIP effect in the deposited metal is not realized, and at values above 50 mJ/m 2 it occurs excessive hardening of the metal, which leads to an increase in the likelihood of cracking.
Сущность изобретения поясняется на рисунках, где:The essence of the invention is illustrated in the figures, where:
- на фиг. 1 изображена микроструктура (увеличение 1000 крат) образца металла со структурой мартенсита (реализованный ТРИП-эффект), после деформационной обработки, обеспечивающей энергию деформации в кристаллической решетке от 20 до 50 мДж/м2.- in Fig. 1 shows the microstructure (magnification 1000 times) of a metal sample with a martensite structure (implemented TRIP effect), after deformation treatment, which provides deformation energy in the crystal lattice from 20 to 50 mJ/m 2 .
- на фиг. 2 схематично изображена часть изделия, состоящая из чередующихся слоев: наплавленного металла, металла с ТРИП-эффектом и металла со смешанной структурой.- in Fig. 2 schematically shows a part of the product, consisting of alternating layers: weld metal, metal with a TRIP effect and metal with a mixed structure.
- на фиг. 3 изображена микроструктура образца металла со структурой феррито-бейнита с кристаллами переохлажденного аустенита (увеличение 500 крат).- in Fig. 3 shows the microstructure of a metal sample with a ferrite-bainite structure with supercooled austenite crystals (500x magnification).
- на фиг. 4 изображена микроструктура образца металла со смешанной бейнито-мартенситной структурой (увеличение 200 крат).- in Fig. 4 shows the microstructure of a metal sample with a mixed bainite-martensite structure (200x magnification).
Заявляемый способ изготовления металлического изделия из порошковой стали с ТРИП - эффектом реализуется следующим образом. The inventive method of manufacturing a metal product from powder steel with TRIP - effect is implemented as follows.
Предварительно из высокопрочной низколегированной стали, например, следующего химического состава, масс. %: 0,43 C; 3,26 Si; 2,72 Mn; 0,01 P; 0,008 S; 0,04 Cr; 0,07 Ni; 0,06 Cu; 0,02 Mo; 0,001 Ti; 0,005 V, остальное – железо, получают порошковую сталь, путем распыления расплава в вакууме или в среде инертного газа и последующей кристаллизацией капель расплава в твердые частицы порошка. Затем наносят первый слой металла на подложку, путем расплавления порошка лучом лазера, чтобы сформировать первый валик наплавленного металла. После этого на первый валик наносят второй слой расплавленного металла, так чтобы на первом валике сформировался второй валик. Наплавку повторяют для каждого нового валика, вплоть до нанесения на подложку, например, восьми слоев металла. После нанесения восьмого слоя металла осуществляют его контролируемое воздушное охлаждение, при этом температуру и скорость охлаждения контролируют с помощью лазерного пирометра, за счет чего в заготовке формируется феррито-бейнитная структура. После охлаждения металла до комнатной температуры восьмой слой наплавленного металла подвергают деформационному воздействию, например, с помощью дробеструйной обработки, которое обеспечивает энергию деформации в кристаллической решетке от 20 до 50 мДж/м2, при этом уровень энергии деформации контролируют с помощью тензодатчиков, помещаемых в зону деформационной обработки металла. За счет деформационной обработки в наплавленном металле происходит перераспределение атомов углерода, в результате чего в локальных участках, подверженных деформационной обработке, происходит формирование пересыщенного углеродом структуры мартенситного типа (фиг. 1) и таким образом реализуется ТРИП-эффект. Цикл наплавки и обработки слоев металла, описанный выше, повторялся три раза, вплоть до формирования части изделия (фиг. 2) причем третий цикл заканчивался деформационной обработкой наплавленного металла. Полученная таким образом заготовка обладает композиционной структурой с повышенными прочностными свойствами. Конечная структура металла изделия состояла из чередующихся слоев: феррито-бейнита с кристаллами переохлажденного аустенита (фиг. 3); мартенсита (фиг. 1); смешанной бейнито-мартенситной структуры (фиг. 4). Слои структур в приведенном порядке чередуются после каждого технологического цикла. Результаты механических испытаний наплавленного металла показывают (табл. 1), что формирующиеся в результате технологических циклов слои металла обладают повышенными прочностными свойствами, причем металл с ТРИП - эффектом обладает на 20 – 22 % большим временным сопротивлением разрыву и твердостью по Виккерсу по отношению к наплавленному металлу, находящемуся в исходном состоянии. Pre-made of high-strength low-alloy steel, for example, the following chemical composition, wt. %: 0.43 C; 3.26Si; 2.72 Mn; 0.01P; 0.008S; 0.04Cr; 0.07 Ni; 0.06 Cu; 0.02Mo; 0.001 Ti; 0.005 V, the rest is iron, powder steel is obtained by spraying the melt in a vacuum or in an inert gas environment and subsequent crystallization of the melt droplets into solid powder particles. The first layer of metal is then applied to the substrate by melting the powder with a laser beam to form the first bead of weld metal. Thereafter, a second layer of molten metal is applied to the first bead so that a second bead is formed on the first bead. The surfacing is repeated for each new bead, up to the application of, for example, eight layers of metal to the substrate. After deposition of the eighth layer of metal, its controlled air cooling is carried out, while the temperature and cooling rate are controlled using a laser pyrometer, due to which a ferrite-bainitic structure is formed in the workpiece. After cooling the metal to room temperature, the eighth layer of deposited metal is subjected to a deformation effect, for example, using shot blasting, which provides deformation energy in the crystal lattice from 20 to 50 mJ/m 2 , while the level of deformation energy is controlled using strain gauges placed in the zone deformation processing of metal. Due to the deformation treatment in the deposited metal, a redistribution of carbon atoms occurs, as a result of which, in the local areas subjected to deformation processing, a martensite-type structure supersaturated with carbon is formed (Fig. 1) and thus the TRIP effect is realized. The cycle of surfacing and processing of metal layers, described above, was repeated three times, up to the formation of a part of the product (Fig. 2), and the third cycle ended with deformation processing of the deposited metal. The workpiece obtained in this way has a composite structure with increased strength properties. The final structure of the product metal consisted of alternating layers: ferrite-bainite with supercooled austenite crystals (Fig. 3); martensite (Fig. 1); mixed bainite-martensite structure (Fig. 4). Layers of structures in the given order alternate after each technological cycle. The results of mechanical tests of the deposited metal show (Table 1) that the metal layers formed as a result of technological cycles have increased strength properties, and the metal with the TRIP effect has a 20–22% higher tensile strength and Vickers hardness in relation to the deposited metal in its original state.
Таким образом, чередующиеся слои металла, обладающие различной структурой и механическими свойствами, обеспечивают готовому изделию или его части повышенные прочностные свойства и одновременно позволяют сопротивляться хрупкому разрушению в процессе ее эксплуатации.Thus, alternating metal layers with different structures and mechanical properties provide the finished product or part of it with increased strength properties and at the same time allow it to resist brittle fracture during its operation.
Таблица 1 Table 1
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2787815C1 true RU2787815C1 (en) | 2023-01-12 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4592404A (en) * | 1983-09-14 | 1986-06-03 | Tadeusz Sendzimir | Process and apparatus for combined steel making and spray casting |
| RU2695856C1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-07-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (СПбГМТУ) | Method of making articles from steel of ak type |
| RU2704945C1 (en) * | 2018-10-03 | 2019-10-31 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | METHOD OF PRODUCING THREE-LAYER MATERIAL STEEL X17H2 - V-4.9Ti-4.8Cr - STEEL X17H2 |
| RU2731275C2 (en) * | 2016-02-19 | 2020-09-01 | Сафран | Method and device for production of part by successive application of layers |
| FR3096989A1 (en) * | 2019-06-07 | 2020-12-11 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Additive manufacturing process for a part in a nitrided CCA alloy |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4592404A (en) * | 1983-09-14 | 1986-06-03 | Tadeusz Sendzimir | Process and apparatus for combined steel making and spray casting |
| RU2731275C2 (en) * | 2016-02-19 | 2020-09-01 | Сафран | Method and device for production of part by successive application of layers |
| RU2704945C1 (en) * | 2018-10-03 | 2019-10-31 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | METHOD OF PRODUCING THREE-LAYER MATERIAL STEEL X17H2 - V-4.9Ti-4.8Cr - STEEL X17H2 |
| RU2695856C1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-07-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (СПбГМТУ) | Method of making articles from steel of ak type |
| FR3096989A1 (en) * | 2019-06-07 | 2020-12-11 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Additive manufacturing process for a part in a nitrided CCA alloy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dilip et al. | Selective laser melting of HY100 steel: Process parameters, microstructure and mechanical properties | |
| Kučerová et al. | Hybrid parts produced by deposition of 18Ni300 maraging steel via selective laser melting on forged and heat treated advanced high strength steel | |
| Casalino et al. | Experimental investigation and statistical optimisation of the selective laser melting process of a maraging steel | |
| Mertens et al. | Microstructures and mechanical properties of stainless steel AISI 316L processed by selective laser melting | |
| CN104511589B (en) | Method for producing a metal component by additive laser production | |
| CN109072344B (en) | Titanium, aluminium, vanadium and iron BCC materials and products made therefrom | |
| US12227825B2 (en) | Stainless steel powders for additive manufacturing | |
| Astafurov et al. | Electron-beam additive manufacturing of high-nitrogen steel: Microstructure and tensile properties | |
| Baek et al. | Effects of substrate preheating during direct energy deposition on microstructure, hardness, tensile strength, and notch toughness | |
| EP2028283A1 (en) | Co-continuous metal-matrix composite material using timed deposition processing | |
| Campanelli et al. | Manufacturing of 18 Ni Marage 300 steel samples by selective laser melting | |
| CN107175330A (en) | A kind of method that laser gain material manufactures 12CrNi2 steel alloys | |
| KR102172817B1 (en) | Metal surface treatment method of die steel materials using post-deposition heat treatment | |
| KR102251066B1 (en) | BCC materials of titanium, aluminum, niobium, vanadium and molybdenum, and products made therefrom | |
| KR20180123221A (en) | Alpha-beta titanium alloys with aluminum and molybdenum, and products made therefrom | |
| JP2025066751A (en) | Fe-based alloy, alloy member, product, and method for manufacturing alloy member | |
| KR101700680B1 (en) | Method for manufacture objects consisting of iron-cobalt-molybdenum/wolfram-nitrogen-alloys | |
| Povolyaeva et al. | Effect of thermo-mechanical treatment on cryogenic mechanical properties of a medium-entropy Fe65Co12. 5Ni12. 5Cr9. 5C0. 5 alloy produced by the laser-based powder bed fusion | |
| RU2787815C1 (en) | Method for manufacturing a product with a composite structure made of powder steel with a trip effect | |
| Shen et al. | Study on the combination of cobalt-based superalloy and ferrous alloys by bimetal-layer surfacing technology in refabrication of large hot forging dies | |
| US8389072B2 (en) | System, method, and apparatus for variable hardness gradient armor alloys | |
| JP7775993B2 (en) | Fe-based alloy, alloy member, product, and method for manufacturing alloy member | |
| JP2022072078A (en) | Metal powder | |
| US20060075850A1 (en) | Nitrogen-modified titanium and method of producing same | |
| WO2023182416A1 (en) | Maraging steel powder for lamination shaping, maraging steel lamination shaped article, and method for manufacturing same |