Втомна міцність сплаву AlSi10Mg, отриманого шляхом адитивного виробництва: ефекти постобробки
DOI:
https://doi.org/10.15407/steelcast2024.03-04.005Ключові слова:
3D-друк, СЛП, AlSi10Mg, втомна міцність, поверхнева обробка, термічна обробкаАнотація
Адитивне виробництво і, зокрема — 3D-друк металами та сплавами, активно розвивається упродовж останніх років. Все більш складні деталі можуть вироблятися із залученням великої кількості сплавів. Одним з найбільш поширених та універсальних методів 3D-друку є селективне лазерне плавлення (СЛП). В свою чергу, одним з найбільш придатних та широко застосовуваних сплавів для СЛП є сплав AlSi10Mg. Він відноситься до класу ливарних сплавів і використовується в багатьох галузях промисловості через високу питому міцність, корозійну стійкість, низький коефіцієнт термічного розширення та невисоку вартість. Для більшості адитивно виготовлених металевих деталей важливою проблемою, яку потрібно вирішувати, є забезпечення достатніх показників втомної міцності, що пов’язано з відносно високою дефектністю поверхонь одержуваних виробів.
Огляд присвячений аналізу способів постобробки СЛП-надрукованих виробів зі сплаву AlSi10Mg, які здатні підвищити їхню втомну міцність. Відмічається, що до основних причин знижених показників втомної міцності, крім якості поверхні, відносяться залишкові напруження, викликані точковими перегрівами та охолодженнями мікрооб’ємів металу під час формування виробу.
Термічна обробка, зокрема — низькотемпературний відпал для зняття напружень за температури 250 °C з подальшим охолодженням у воді, сприяє підвищенню втомної міцності на 18 %, а гартування та старіння за режимом Т6 — збільшує межу навантажень на 20—40 МПа. Це пояснюється перебігом процесу сфероїдизації частинок кремнію.
Гаряче ізостатичне пресування знижує пористість зразків, зменшує залишкові напруження в них та максимально гомогенізує структуру, проте призводить до зниження мікротвердості, межі текучості та втомної міцності.
Піскоструменева обробка сумішшю оксидів алюмінію, кремнію та цирконію сприяє зниженню шорсткості поверхні в півтора-два рази, майже повністю усуває поверхневу пористість та забезпечує стискаючі напруження, що в комплексі підвищує втомну міцність.
Відмічено перспективність ультразвукової поверхневої обробки поверхні 3D-виробів, яка чинить вплив, подібний до піскоструменевої обробки, проте є більш ефективною.
Завантажити
Посилання
You, S. G., You, S. M., Kang, S. Y., Bae, S. Y., & Kim, J. H. (2021). Evaluation of the adaptation of complete denture metal bases fabricated with dental CAD-CAM systems: An in vitro study. J. Prosthet Dent, 125(3), 479–485. https://doi.org/10.1016/j.prosdent.2020.01.039
Wang, P., Li, X., Luo, S., Nai, M. L. S., Ding, J., & Wei, J. (2021). Additively manufactured heterogeneously porous metallic bone with biostructural functions and bone-like mechanical properties. J. Mater. Sci. Technol., 62, 173–179. https://dx.doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.056
Alammar, A., Kois, J. C., Revilla-Leon, M., & Att, W. (2022). Additive Manufacturing Technologies: Current Status and Future Perspectives. J. Prosthodont, 31(S1), 4–12. https://dx.doi.org/10.1111/jopr.13477
Hooper, P. A. (2018). Melt pool temperature and cooling rates in laser powder bed fusion. Addit. Manuf., 22, 548–559. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.05.032
Gorelik, M. (2017). Additive manufacturing in the context of structural integrity. International Journal of Fatigue, 94, 168–177. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2016.07.005
Frazier, W. E. (2014). Metal Additive Manufacturing: A Review. J. Mater. Eng. Perform, 23(6), 1917–1928. https://doi.org/10.1007/s11665-014-0958-z
Seifi, M., Salem, A., Beuth, J., Harrysson, O., & Lewandowski, J. J. (2016). Overview of Materials Qualification Needs for Metal Additive Manufacturing. JOM, 68(3), 747–764. https://doi.org/10.1007/s11837-015-1810-0
Lin, L. W., Fang, Y. F., Liao, Y. X., Chen, G., Gao, C., & Zhu, P. Z. (2019). 3D Printing and Digital Processing Techniques in Dentistry: A Review of Literature. Adv. Eng. Mater. 21(6), Article 1801013. https://doi.org/10.1002/adem.201801013
Hadadzadeh, A., Amirkhiz, B. S., Odeshi, A., Li, J., & Mohammadi, M. (2019). Role of hierarchical microstructure of additively manufactured AlSi10Mg on dynamic loading behaviour. Addit. Manuf., 28, 1–13. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.04.012
Yu, T., Hyer, H., Sohn, Y., Bai, Y., & Wu, D. (2019). Structure-property relationship in high strength and lightweight AlSi10Mg micro lattices fabricated by selective laser melting. Mater. Des., 182(5–8), Article 108062. https://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108062
Sélo, R. R. J., Catchpole-Smith, S., Maskery, I., Ashcroft, I., & Tuck, C. (2020). On the thermal conductivity of AlSi10Mg and lattice structures made by laser powder bed fusion. Addit. Manuf., 34, Article 101214. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101214
Zhao, L., Song, L., Macías, J. G. S., Zhu, Y., Huang, M., Simar, A., & Li, Z. (2022). Review on the correlation between microstructure and mechanical performance for laser powder bed fusion AlSi10Mg. Addit. Manuf., 56, Article 102914. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102914
Wang, X., Lu, Q., Zhang, P., Yan, H., Shi, H., Sun, T., Zhou, K., & Chen, K. (2024). A review on the simulation of selective laser melting AlSi10Mg. Optics & Laser Technology, 174, Article 110500. https://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110500
Kammer, C. (2009). Aluminium taschenbuch band 1 (16th ed.). Aluminium Verlag.
Xu, C. L., Wang, H. Y., Qiu, F., Yang, Y. F., & Jiang, Q. C. (2006). Cooling rate and microstructure of rapidly solidified Al–20 wt.% Si alloy. Mater. Sci. Eng. A., 417(1–2), 275–280. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.10.040
Tsai, Y.-C., Chou, C.-Y., Lee, S.-L., Lin, C.-K., Lin, J.-C., & Lim, S. W. (2009). Effect of trace La addition on the microstructures and mechanical properties of A356 (Al–7Si–0.35Mg) aluminum alloys. J. Alloys Compd., 487(1–2), 157–162. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.07.183
Qian, G., Jian, Z., Pan, X., & Berto, F. (2020). In-situ investigation on fatigue behaviors of Ti-6Al4V manufactured by selective laser melting. Int. J. Fatigue, 133, Article 105424. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2019.105424
Qian, G., Li, Y., Paolino, D. S., Tridello, A., Berto, F., & Hong, Y. (2020). Very-high-cycle fatigue behavior of Ti–6Al–4V manufactured by selective laser melting: Effect of build orientation. Int. J. Fatigue, 136(2), Article 105628. https://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105628
Hu, Y. N., Wu, S. C., Wu, Z. K., Zhong, X. L., Ahmed, S., Karabal, S., Xiao, X. H., Zhang, H. O., & Withers, P. J. (2020). A new approach to correlate the defect population with the fatigue life of selective laser melted Ti–6Al–4V. Int. J. Fatigue, 136, Article 105584. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105584
Liu, B., Wang, K., Bao, R., & Sui, F. (2020). The effects of α/β phase interfaces on fatigue crack deflections in additively manufactured titanium alloy: a peridynamic study. Int. J. Fatigue, 137, Article 105631. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2020.105622
Xu, S., Zhu, S., Hao, Y., Liao, D., & Qian, G. (2018). A new critical plane-energy model for multiaxial fatigue life prediction of turbine disc alloys. Engineering Failure Analysis, 93, 55–63. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.07.001
Bagherifad, S., Beretta, N., Monti, S., Riccio, M., Bandini, M., & Guagliano, M. (2018). On the fatigue strength enhancement of additive manufactured AlSi10Mg parts by mechanical and thermal post-processing. Mater. Design, 145, 28–41. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.02.055
Pant, P. (2020). Residual Stress Distributions in Additively Manufactured Parts : Effect of Build Orientation [Licentiate dissertation, Linköping University]. Linköping University Electronic Press. https://doi.org/10.3384/lic.diva-164108
Shamsaei, N., & Simsiriwong, J. (2017). Fatigue behaviour of additively manufactured metallic parts. Procedia Structural Integrity, 7, 3–10. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2017.11.053
Schneller, W., Leitner, M., Pomberger, S., Springer, S., Beter, F., & Grün, F. (2019). Effect of Post Treatment on the Microstructure, Surface Roughness and Residual Stress Regarding the Fatigue Strength of Selectively Laser Melted AlSi10Mg Structures. J. Manuf. Mater. Proc., 3(4), 89. https://doi.org/10.3390/jmmp3040089
Vrancken, B., Cain, V., Knutsen, R., Humbeeck, J. V. (2014). Residual stress via the contour method in compact tension specimens produced via selective laser melting. Scripta Materialia, 87, 29–32. https://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2014.05.016
Shiomi, M., Osakada, K., Nakamura, K., Yamashita, T., & Abe, F. (2004). Residual Stress within Metallic Model Made by Selective Laser Melting Process. CIRP Annals – Manufacturing Technology, 53(1), 195–198. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)60677-5
Mordyuk, B. N., Prokopenko, G. I., Milman, Yu. V., Iefimov, M. O., & Sameljuk, A. V. (2013). Enhanced fatigue durability of Al–6Mg alloy by applying ultrasonic impact peening: Effects of surface hardening and reinforcement with AlCuFe quasicrystalline particles. Mater. Sci. Eng. A, 563, 138–146. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.11.061
Mordyuk, B. N., Dekhtyar, A. I., Savvakin, D. G., & Khripta, N. I. (2022). Tailoring Porosity and Microstructure of Alpha-Titanium by Combining Powder Metallurgy and Ultrasonic Impact Treatment to Control Elastic and Fatigue Properties. J. Mater. Eng. Perform., 31, 5668–5678. https://doi.org/10.1007/s11665-022-06633-7
Mfusi, B. J., Mathe, N. R., Tshabalala, L. C., & Popoola, P. A. I. (2019). The Effect of Stress Relief on the Mechanical and Fatigue Properties of Additively Manufactured AlSi10Mg Parts. Metals, 9(11), 1–14. https://doi.org/10.3390/met9111216
Prokopenko, G. I., Mordyuk, B. M., Vasyliev, M. O., & Voloshko, S. M. (2017). Fizychni Osnovy Ul’trazvukovogo Udarnogo Zmitsnennya Metalevykh Poverkhon [Physical Principles for Ultrasonic Impact Hardening of Metallic Surfaces]. Kyiv: Naukova Dumka [in Ukrainian].
Dekhtyar, A. I., Mordyuk, B. N., Savvakin, D. G., Bondarchuk, V. I., Moiseeva, I. V., & Khripta, N. I. (2015). Enhanced fatigue behavior of powder metallurgy Ti–6Al–4V alloy by applying ultrasonic impact treatment. Mater. Sci. Eng. A, 641, 348–359. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.06.072
Ngnekou, J. N. D., Henaff, G., Nadot, Y., Nicolai, J., & Ridosz, L. (2018). Fatigue resistance of selectively laser melted aluminum alloy under T6 heat treatment. Procedia Eng., 213, 79–88. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2018.02.009
Aboulkhair, N. T., Tuck, C., Ashcroft, I., Maskery, I., & Everitt, N. M. (2015). On the Precipitation Hardening of Selective Laser Melted AlSi10Mg. Metall. Mater. Trans., 46, 3337–3341. https://doi.org/10.1007/s11661-015-2980-7
Fernandes, R. F., Jesus, J. S., Borrego, L., Ferreira, J. A. M., Branco, R., & Costa, J. D. M. (2024). Effect of heat treatment on fatigue performance of notched and unnotched samples of AlSi10Mg manufactured by LPBF under variable loading amplitudes. Procedia Structural Integrity, 53, 144–150. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2024.01.018
Matušů, M., Papuga, J., Rosenthal, J., Šimota, J., Džuberová, L., & Beránek, L. (2024). The effect of heat treatment on fatigue strength of additively manufactured AlSi10Mg. Procedia Structural Integrity, 57, 327–334. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2024.03.035
Baek, M.-S., Kreethi, R., Park, T.-H., Sohn, Y., & Lee, K.-A. (2021). Influence of heat treatment on the high-cycle fatigue properties and fatigue damage mechanism of selective laser melted AlSi10Mg alloy. Mater. Sci. Eng. A, 819, Article 141486. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141486
Aboulkhair, N. T., Maskery, I., Tuck, C., Ashcroft, I., & Everitt, N. M. (2016). Improving the fatigue behaviour of a selectively laser melted aluminium alloy: Influence of heat treatment and surface quality. Materials & Design, 104, 174–182. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.05.041
Zhang, C., Zhu, H., Liao, H., Cheng, Y., Hu, Z., & Zeng, X. (2018). Effect of heat treatments on fatigue property of selective laser melting AlSi10Mg. Int. Journal of Fatigue, 116, 513–522. https://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.07.016
Lee, M. H., Kim, J. J., Kim, K. H., Kim, N. J., Lee, S., & Lee, E. W. (2003). Effects of HIPping on high-cycle fatigue properties of investment cast A356 aluminum alloys. Mater. Sci. Eng. A, 340(1–2), 123–129. https://dx.doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00157-0
Uzan, N. E., Shneck, R., Yeheskel, O., & Frage, N. (2017). Fatigue of AlSi10Mg Specimens Fabricated by Additive Manufacturing Selective Laser Melting (AM-SLM). Mater. Sci. Eng. A, 704, 229–237. https://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2017.08.027
Pola, A., Battini, D., Tocci, M., Avanzini, A., Girelli, L., Petrogalli, C., & Gelfi, M. (2019). Evaluation on the fatigue behavior of sand-blasted AlSi10Mg obtained by DMLS. Frattura Ed Integrità Strutturale, 13(49), 775–790. https://dx.doi.org/10.3221/IGF-ESIS.49.69
Wagner, L., & Mueller, C. (1992). Effect of Shot Peening on Fatigue Behavior in Al-Alloys. Materials and Manufacturing Processes, 7(3), 423–440. https://doi.org/10.1080/10426919208947430
Wagner, L., Mhaede, M., Wollmann, M., Altenberger, I., & Sano, Y. (2011). Surface layer properties and fatigue behavior in Al 7075–T73 and Ti–6Al–4V. International Journal of Structural Integrity, 2(2), 185–199. https://doi.org/10.1108/17579861111135923
Wagner, L. (1999). Mechanical surface treatments on titanium, aluminum and magnesium alloys. Mater. Sci. Eng. A, 263(2), 210–216. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)01168-X
Uzan, N. E., Ramati, S., Shneck, R., Frage, N., & Yeheskel, O. (2010). On the effect of shot-peening on fatigue resistance of AlSi10Mg specimens fabricated by additive manufacturing using selective laser melting (AM-SLM). Additive Manufacturing, 21, 458–464. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.03.030
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Світлана Михайлівна Волошко , Богдан Миколайович Мордюк , Михайло Олексійович Васильєв , Михайло Михайлович Ворон
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
