doi: 10.52899/24141437_2025_03_375
УДК: 621.791.92

Конструктивные методы минимизации остаточных напряжений при прямом лазерном выращивании

Иванов С. Ю. Язык статьи: русский
Ссылка для цитирования: Иванов С.Ю. Конструктивные методы минимизации остаточных напряжений при прямом лазерном выращивании // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2025. Т. 4, № 3. С. 375–384. DOI: 10.52899/24141437_2025_03_375 EDN: GTHNVG

Аннотация

Актуальность. Зачастую в процессе изготовления изделий из закаливающихся сплавов методами аддитивного производства происходит их разрушение. Причиной этого является неблагоприятное сочетание металлургических факторов и высокий уровень возникающих напряжений. При изготовлении крупногабаритных промышленных конструкций методом прямого лазерного выращивания невозможно обеспечить получение благоприятного структурно-фазового состава и механических свойств наплавляемого металла вследствие низкой межпроходной температуры и высоких скоростей охлаждения. В таком случае для предотвращения разрушения конструкции необходимо снизить уровень напряжений и деформаций. Цель работы — теоретический анализ эффективности использования методов локального изменения геометрии наплавки, а также локального изменения химического состава, для снижения остаточных напряжений и деформаций наплавок, симулирующих условия получения крупногабаритных конструкций методами прямого лазерного выращивания. Методы. Анализируются наплавки типа стенка из сплава Ti-6Al-4V с двумя вариантами галтелей на торцах: плоскими и вогнутыми. Также рассмотрена наплавка типа стенка без галтелей с градиентным переходов от мягкой прослойки из чистого титана к существенно более прочному сплава Ti-6Al-4V. Для определения напряжений и деформаций в наплавках была разработана численная модель процесса прямого лазерного выращивания. Последовательно связанные задачи теплопроводности в нестационарной постановке и квазистационарная задача термопластичности были решены методом конечных элементов. Результаты. Добавление плоских галтелей на торцах наплавки оказывают незначительное влияние на величину остаточных напряжений и накопленных пластических деформаций. Вогнутые галтели приводят к существенному снижению пластических деформации, обеспечивая получение бездефектной наплавки. Наибольшую эффективность показал подход, связанный с добавлением менее прочной, но более пластичной прослойки между жесткой подложкой и на- плавкой из более прочного сплава. В этом случае максимальный уровень накопленных пластических деформаций достигается на торцах наплавки в области мягкой прослойки и мало зависит от протяженности прослойки. Более прочная часть наплавки из сплава Ti-6Al-4V практически не претерпевает пластического деформирования. Выводы. Используя методы численного моделирования продемонстрирована возможность существенного снижения остаточных напряжений и пластических деформаций в наплавках, получаемых прямым лазерным выращиванием, за счет использования методов локального изменения геометрии наплавки, а также локального изменения химического состава. Ключевые слова: аддитивное производство; прямое лазерное выращивание; остаточные напряжения; метод конечных элементов; титановые сплавы.

Список литературы

1. DebRoy T, Wei HL, Zuback JS, et al. Additive manufacturing of metallic components-Process, structure and properties. Prog Mater Sci. 2018;92:112–224. doi: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001 EDN: YIDPUX
2. Sames WJ, List FA, Pannala S, et al. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing. International Materials Review. 2016;61(5):315–360.
3. Song T, Dong T, Lu SL, et al. Simulation-informed laser metal powder deposition of Ti-6Al-4V with ultrafine ?-? lamellar structures for desired tensile properties. Additive Manufacturing. 2021;46. doi: 10.1016/j.addma.2021.102139 EDN: WVVVAC
4. Chen J, Fabijanic D, Zhang T, et al. Deciphering the transformation pathway in laser powder-bed fusion additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloy. Additive Manufacturing. 2022;58. doi: 10.1016/j.addma.2022.103041 EDN: VMLDHD
5. Babkin K, Zemlyakov E, Ivanov S, et al. Distortion prediction and compensation in direct laser deposition of large axisymmetric Ti-6Al-4V part. Procedia CIRP. 2020;94:357–361. doi: 10.1016/j.procir.2020.09.145 EDN: MJGCHJ
6. Turichin G, Zemlyakov E, Babkin K, et al. Analysis of distortion during laser metal deposition of large parts. Procedia CIRP. 2018;74:154–157. doi: 10.1016/j.procir.2018.08.068 EDN: LSGWIV
7. Gouge M, Michaleris P. Thermo-mechanical modeling of additive manufacturing. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2017.
8. Ivanov S, Artinov A, Zemlyakov E, et al. Spatiotemporal evolution of stress field during direct laser deposition of multilayer thin wall of Ti-6Al-4V. Materials. 2022;15(1). doi: 10.3390/ma15010263 EDN: YQUHPT
9. Radaj D. Heat effects of welding. Berlin: Springer; 1992.
10. Masubuchi K. Analysis of welded structures: residual stresses, distortion, and their consequences. Oxford: Pergamon; 1980.
11. Honnige JR, Colegrove P, Williams S. Improvement of microstructure and mechanical properties in Wire + Arc Additively Manufactured Ti-6Al-4V with Machine Hammer Peening. Procedia Engineering. 2017;216:8–17. doi: 10.1016/j.proeng.2018.02.083
12. Colegrove P, Coules H, Fairman J, et al. Microstructure and residual stress improvement in wire and arc additively manufactured parts through high-pressure rolling. Journal of Materials Processing Technology.
2013;213(10):1782–1791. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2013.04.012
13. Honnige JR, Colegrove PA, Ganguly S, et al. Control of residual stress and distortion in aluminium wire + arc additive manufacture with rolling. Additive Manufacturing. 2018;22:775–783.
14. Lu X, Chiumenti M, Cervera M, et al. Mitigation of residual stresses and microstructure homogenization in directed energy deposition processes. Engineering with Computers. 2022;38:4771–4790. doi: 10.1007/s00366-021-01563-9 EDN: BCYCHE
15. Lu X, Chiumenti M, Cervera M, et al. Substrate design to minimize residual stresses in Directed Energy Deposition AM processes. Materials and Design. 2021;202. doi: 10.1016/j.matdes.2021.109525 EDN: TZILGQ
16. Turichin GA, Klimova-Korsmik OG, Babkin KD, Ivanov SY. Additive manufacturing of large parts. In: Pou J, Riveiro A, Paulo Davim J. (eds) Additive Manufacturing. Elsevier; 2021:531–568.
17. Reichardt A, Shapiro A, Otis R, et al. Advances in additive manufacturing of metal-based functionally graded materials. International Materials Reviews. 2021;66(1):1–29. doi: 10.1080/09506608.2019.1709354EDN: YXAFMH
18. Ivanov S, Gushchina M, Artinov A, et al. Effect of elevated temperatures on the mechanical properties of a direct laserdeposited ti-6al-4v. Materials. 2021;14(21). doi: 10.3390/ma14216432 EDN: NDMMSA
19. Mukherjee T, Zhang W, DebRoy T. An improved prediction of residual stresses and distortion in additive manufacturing. Comput. Mater. Sci. 2017;126:360–372. doi: 10.1016/j.commatsci.2016.10.003
20. Mills KC. Recommended values of thermophysical properties for selected commercial alloys. Cambridge: Woodhead Publishing; 2002.
21. Moiseyev VN. Titanium alloys: russian aircraft and aerospaceapplications. New York: CRC Press; 2005.
22. Gushchina MO, Kuzminova YO, Dubinin ON, et al. Multilayer composite Ti-6Al-4 V/Cp-Ti alloy produced by laser direct energy deposition. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2023;124:907–918. doi: 10.1007/s00170-022-10521-8 EDN: QSNQIR