RU2806938C1 - METHOD FOR SELECTIVE LASER SINTERING OF MEDIUM-ENTROPY ALLOY OF Fe-Co-Ni-Cr-C SYSTEM - Google Patents

METHOD FOR SELECTIVE LASER SINTERING OF MEDIUM-ENTROPY ALLOY OF Fe-Co-Ni-Cr-C SYSTEM Download PDF

Info

Publication number
RU2806938C1
RU2806938C1 RU2023112217A RU2023112217A RU2806938C1 RU 2806938 C1 RU2806938 C1 RU 2806938C1 RU 2023112217 A RU2023112217 A RU 2023112217A RU 2023112217 A RU2023112217 A RU 2023112217A RU 2806938 C1 RU2806938 C1 RU 2806938C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
medium
entropy alloy
selective laser
laser sintering
alloy
Prior art date
Application number
RU2023112217A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Елизавета Андреевна Поволяева
Дмитрий Георгиевич Шайсултанов
Илья Иванович Астахов
Никита Дмитриевич Степанов
Сергей Валерьевич Жеребцов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2806938C1 publication Critical patent/RU2806938C1/en

Links

Abstract

FIELD: powder metallurgy of alloys.
SUBSTANCE: invention relates to the modes of producing products using additive technologies, to the production of parts using selective laser sintering with complex geometry from a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system, which can be used in low-temperature conditions. The method of selective laser sintering of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system involves using as a starting material a powder of a medium-entropy alloy Fe65(CoNi)25Cr9.5C0.5 with the following ratio of components in atomic percent (at.%): 65 iron, 12.5 cobalt, 12.5 nickel, 9.5 chromium, 0.5 carbon, the formation of a product from which is carried out on a steel substrate, and the direction of laser movement when fusing each subsequent layer changes by 67°. The distance between the tracks and the thickness of the applied layer according to the simulation results are 50 mcm and 30 mcm, respectively. The product is formed using the following process parameters: beam power - 200-250 W, scanning speed 1600-2200 mm/s, while the pore volume fraction of the finished samples ranges from 0.1% to 0.3%.
EFFECT: method is provided for selective laser sintering of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system, which has a structure with a pore volume fraction not exceeding 0.1% to 0.3% and high mechanical properties of the alloy.
1 cl, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии сплавов, а именно к режимам получения изделий с помощью аддитивных технологий, к изготовлению деталей методом селективного лазерного спекания со сложной геометрией из среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-С, которые могут применяться в низкотемпературных условиях.The invention relates to the field of powder metallurgy of alloys, namely to modes of producing products using additive technologies, to the production of parts using selective laser sintering with complex geometry from a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system, which can be used in low-temperature conditions.

Основные преимущества методов аддитивных технологий для создания металлических деталей, по сравнению с обычными процессами синтеза и формования, заключаются в их способности производить сложные, индивидуальные детали в короткие сроки, хотя и в относительно небольшом количестве, что приводит к экономии веса, критической для производительности или в случае ремонта дорогих металлических деталей и т.д. [E. Povolyaeva, D. Shaysultanov et al., Mechanical Behavior of a Medium-Entropy Fe65(CoNi)25Cr9.5C0.5 Alloy Produced by Selective Laser Melting, Materials, 2023, 16(8), DOI: 10.3390/ma16083193]. В основном широко исследованы уже многие сплавы, полученные методами аддитивных технологий, например сплавы на основе Ti, Ni, Fe, Al и Mg [D. Gu et al., Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms, Int. Mater. (2012), p. 133-164; D. Herzog et al. Emmelmann, Additive manufacturing of metals, Acta Mater. 117 (2016), p. 371-392]. В последнее время пристальное внимание уделяется высоко- и среднеэнтропийным сплавам, полученным методами аддитивных технологий [T. Deb Roy et al., Additive manufacturing of metallic components - Process, structure and properties, Progress in Materials Science 92 (2018) 112-224.]. Различные вариации структур и свойств можно достигнуть с помощью аддитивного производства, это справедливо и для традиционных методов изготовления. Тем не менее, высоко- и среднеэнтропийные сплавы во время аддитивного производства подвергаются таким температурно-временным диапазонам, которые сильно отличаются от тех, что встречаются в обычных технологиях производства, таким образом и сочетание микроструктур и свойств также будут различаться. Не так давно было доказано, что аддитивное производство имеет потенциал для изготовления высоко- и среднеэнтропийных сплавов, которые бы обладали лучшими структурами и свойствами, превосходящими аналоги. Высоко- и среднеэнтропийными сплавами называются сплавы, которые содержат не менее 5 элементов, причем количество каждого из них не должно превышать 35 ат % и не должно быть меньше 5 ат. % [Cantor, B., Chang, I.T.H., Knight, P. & Vincent, A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. A 375-377, 213-218 (2004)]. Для таких сплавов характерны повышенные, по сравнению с традиционными многокомпонентными сплавами, значения энтропии смешения. Высокоэнтропийные сплавы выделены в особую группу, так как процессы структуро- и фазообразования в них, а также диффузионная подвижность атомов, механизм формирования механических свойств и термическая стабильность существенно отличаются от аналогичных процессов в традиционных сплавах. Полученные традиционными методами высоко- и среднеэнтропийные сплавы, состоящие из таких компонентов как Fe, Co, Cr, Ni, уже давно являются одной из наиболее широко исследованных классов, такие материалы обладают рядом исключительных механических свойств, в том числе криогенных. Таким образом, как для науки, так и для промышленности этот класс представляет большой интерес в достижение их высококачественного производства с помощью методов аддитивного производства, а именно селективного лазерного спекания. Селективное лазерное спекание - метод аддитивного производства, который заключается в спекании мелкодисперсного порошкового (обычно, металлического) материала с помощью лазера [Carl R. Deckard. Патент US 4863538 A "Method and apparatus for producing parts by selective sintering" (англ.) (5 сентября 1989)]. Для некоторых многокомпонентных материалов уже выявлены оптимальные способы селективного лазерного спекания, однако в основном эти способы подходят для получения порошков и проволок из высоко- и среднеэнтропийных сплавов.The main advantages of additive manufacturing methods for creating metal parts, compared to conventional synthesis and molding processes, are their ability to produce complex, customized parts in a short time frame, albeit in relatively small quantities, resulting in weight savings critical to productivity or in case of repair of expensive metal parts, etc. [E. Povolyaeva, D. Shaysultanov et al., Mechanical Behavior of a Medium-Entropy Fe65(CoNi)25Cr9.5C0.5 Alloy Produced by Selective Laser Melting, Materials, 2023, 16(8), DOI: 10.3390/ma16083193]. Basically, many alloys produced by additive technologies have already been widely studied, for example alloys based on Ti, Ni, Fe, Al and Mg [D. Gu et al., Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms, Int. Mater. (2012), p. 133-164; D. Herzog et al. Emmelmann, Additive manufacturing of metals, Acta Mater. 117 (2016), p. 371-392]. Recently, close attention has been paid to high- and medium-entropy alloys produced by additive technologies [T. Deb Roy et al., Additive manufacturing of metallic components - Process, structure and properties, Progress in Materials Science 92 (2018) 112-224.]. Variations in structures and properties can be achieved using additive manufacturing, and this is also true for traditional manufacturing methods. However, high- and medium-entropy alloys during additive manufacturing are subjected to temperature-time ranges that are very different from those encountered in conventional manufacturing technologies, so the combination of microstructures and properties will also differ. It has recently been proven that additive manufacturing has the potential to produce high- and medium-entropy alloys that would have better structures and properties superior to analogues. High- and medium-entropy alloys are alloys that contain at least 5 elements, and the amount of each of them should not exceed 35 at% and should not be less than 5 at. % [Cantor, B., Chang, I.T.H., Knight, P. & Vincent, A.J.B. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys. Mater. Sci. Eng. A 375-377, 213-218 (2004)]. Such alloys are characterized by increased mixing entropy values compared to traditional multicomponent alloys. High-entropy alloys are allocated to a special group, since the processes of structure and phase formation in them, as well as the diffusion mobility of atoms, the mechanism for the formation of mechanical properties and thermal stability differ significantly from similar processes in traditional alloys. High- and medium-entropy alloys obtained by traditional methods, consisting of components such as Fe, Co, Cr, Ni, have long been one of the most widely studied classes; such materials have a number of exceptional mechanical properties, including cryogenic ones. Thus, for both science and industry, this class is of great interest in achieving their high-quality production using additive manufacturing methods, namely selective laser sintering. Selective laser sintering is an additive manufacturing method that involves sintering fine powder (usually metal) material using a laser [Carl R. Deckard. US Patent 4863538 A "Method and apparatus for producing parts by selective sintering" (English) (September 5, 1989)]. For some multicomponent materials, optimal methods of selective laser sintering have already been identified, but these methods are mainly suitable for producing powders and wires from high- and medium-entropy alloys.

Например, в патенте RU 2759347 (дата публикации 12.11.2021 г.) описана многокомпонентная проволока для получения высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNi. Изобретение относится к созданию многокомпонентной проволоки, предназначенной для проволочно-дугового аддитивного производства, и может быть использовано для получения послойной наплавкой высокоэнтропийного сплава состава AlCoCrFeNi. Многокомпонентная проволока содержит алюминиевую жилу круглого сечения и две жилы круглого сечения диаметром не более 0,4 мм, одна из которых представляет собой хромоникелевую проволоку Х20Н80, а другая - проволоку из прецизионного сплава 29НК. Все жилы скручены по спирали с получением диаметра многокомпонентной проволоки не более 1 мм, при этом содержание алюминия в алюминиевой проволоке составляет 99,95%, а ее диаметр составляет не более 0,5 мм. Проволока обеспечивает получение высокоэнтропийного сплава с высокими механическими свойствами. Однако конкретные данные о механических свойствах в описании отсутствуют.For example, patent RU 2759347 (publication date November 12, 2021) describes a multicomponent wire for producing a high-entropy AlCoCrFeNi alloy. The invention relates to the creation of a multicomponent wire intended for wire-arc additive manufacturing, and can be used to produce layer-by-layer surfacing of a high-entropy alloy with the composition AlCoCrFeNi. The multicomponent wire contains an aluminum core of round cross-section and two wires of round cross-section with a diameter of no more than 0.4 mm, one of which is a chromium-nickel wire X20N80, and the other is a wire made of precision alloy 29NK. All cores are twisted in a spiral to obtain a multi-component wire diameter of no more than 1 mm, while the aluminum content in aluminum wire is 99.95%, and its diameter is no more than 0.5 mm. The wire provides a high-entropy alloy with high mechanical properties. However, there are no specific data on mechanical properties in the description.

В патенте RU 2762897 (дата публикации 23.12.2021 г.) описан способ получения порошка карбида высокоэнтропийного сплава со сферической формой частиц. Изобретение относится к порошковой металлургии и обработке цветных металлов и может быть использовано в аддитивных технологиях для создания качественных конечных изделий сложной формы и при получении керамических изделий. Берут 4-6 исходных элементных порошков из ряда Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W, Mo чистотой не менее 99,5% в эквиатомном соотношении и смешивают их в гравитационном смесителе на воздухе. Полученную смесь помещают в планетарную мельницу или аттритор с добавлением размольного агента - этанола, изопропанола или полиметилметакрилата, и размольных шаров диаметром 5-15 мм, при массовом отношении смеси к размольным шарам (1:10)-(1:40), соответственно. После этого проводят механическое легирование в течение 1-50 ч в атмосфере аргона при скорости вращения главного диска планетарной мельницы 100-400 об/мин и ее стаканов - 100-1200 об/мин или со скоростью вращения ворошителя аттритора 100-600 об/мин. Сформированный однородный по химическому составу высокоэнтропийный сплав просушивают в вакууме при 90-130°С в течение 1-2 ч, охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды и отсеивают от размольных шаров. Далее из порошка выделяют фракции 15-63 и 63-125 мкм. Затем проводят их низкотемпературную плазменную сфероидизацию и карбидизацию, используя в качестве рабочей атмосферы струю плазмы аргон-ацетиленовой смеси, которая является плазмообразующим газом. Полученные капли расплава охлаждают в струе несущего газа, в качестве которого используют аргон. Сформированные частицы порошка ультравысокотемпературного высокоэнтропийного карбида имеют сферическую или округлую форму с фактором формы не более 1,6 и размер 20-120 мкм, характеризуются высокой текучестью и нулевой пористостью. Недостатком патента является узкая направленность применения порошка, также нет достаточной информации о том, что полученные из этого порошка детали, действительно обладают комплексом высоких функциональных и механических свойств, как заявляют авторы.Patent RU 2762897 (publication date December 23, 2021) describes a method for producing high-entropy alloy carbide powder with spherical particles. The invention relates to powder metallurgy and processing of non-ferrous metals and can be used in additive technologies to create high-quality final products of complex shape and in the production of ceramic products. Take 4-6 initial elemental powders from the series Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W, Mo with a purity of at least 99.5% in an equiatomic ratio and mix them in a gravitational mixer in air. The resulting mixture is placed in a planetary mill or attritor with the addition of a grinding agent - ethanol, isopropanol or polymethyl methacrylate, and grinding balls with a diameter of 5-15 mm, with a mass ratio of the mixture to grinding balls (1:10)-(1:40), respectively. After this, mechanical alloying is carried out for 1-50 hours in an argon atmosphere at a rotation speed of the main disk of the planetary mill of 100-400 rpm and its glasses - 100-1200 rpm or with a rotation speed of the attritor agitator of 100-600 rpm. The formed high-entropy alloy, homogeneous in chemical composition, is dried in a vacuum at 90-130°C for 1-2 hours, cooled in air to ambient temperature and separated from the grinding balls. Next, fractions 15-63 and 63-125 microns are separated from the powder. Then they undergo low-temperature plasma spheroidization and carbidization, using a plasma jet of argon-acetylene mixture, which is a plasma-forming gas, as the working atmosphere. The resulting melt drops are cooled in a stream of carrier gas, which is argon. The formed particles of ultra-high-temperature high-entropy carbide powder have a spherical or round shape with a shape factor of no more than 1.6 and a size of 20-120 microns, characterized by high fluidity and zero porosity. The disadvantage of the patent is the narrow focus on the use of the powder; there is also not enough information that the parts obtained from this powder actually have a set of high functional and mechanical properties, as the authors claim.

В патенте RU 2751498 (дата публикации 14.07.2021 г.) описывается способ получения порошковых магнитотвердых сплавов на основе системы Fe-Cr-Co. Изобретение относится к способу получения порошковых магнитотвердых сплавов на основе системы Fe-Cr-Co магнитотвердых сплавов. Исходную порошковую шихту, содержащую железо, хром и кобальт, готовят путем плавления в атомизаторе металлических слитков железа, хрома и кобальта и газового распыления расплава с получением сферического порошка. Из полученного сферического порошка выделяют сферический порошок с дисперсностью не более 80 мкм и сферический порошок с дисперсностью более 80 мкм, который подвергают струйному измельчению с получением осколочного порошка с дисперсностью не более 80 мкм. Затем полученные сферический и осколочный порошки с дисперсностью не более 80 мкм смешивают. Консолидацию приготовленной исходной порошковой шихты проводят методом селективного лазерного сплавления. Сферический порошок с дисперсностью не более 80 мкм смешивают с осколочным порошком с дисперсностью не более 80 мкм в пропорциях 1:1 или 4:1. Обеспечивается получение магнитотвердых порошков из сплавов системы Fe-Cr-Co с выходом годного продукта более 90% и возможность использования полученных порошков в аддитивном производстве. Недостатком изобретения является то, что описание не содержит информацию о пористости полученных образцов сплавов.Patent RU 2751498 (publication date July 14, 2021) describes a method for producing powdered hard magnetic alloys based on the Fe-Cr-Co system. The invention relates to a method for producing powdered hard magnetic alloys based on the Fe-Cr-Co system of hard magnetic alloys. The initial powder mixture containing iron, chromium and cobalt is prepared by melting metal ingots of iron, chromium and cobalt in an atomizer and gas atomization of the melt to obtain a spherical powder. From the resulting spherical powder, spherical powder with a dispersion of no more than 80 microns and a spherical powder with a dispersion of more than 80 microns are isolated, which is subjected to jet grinding to obtain fragmented powder with a dispersion of no more than 80 microns. Then the resulting spherical and fragmentation powders with a dispersion of no more than 80 microns are mixed. Consolidation of the prepared initial powder mixture is carried out by selective laser fusion. Spherical powder with a dispersion of no more than 80 microns is mixed with fragmentation powder with a dispersion of no more than 80 microns in proportions of 1:1 or 4:1. It is possible to obtain magnetically hard powders from alloys of the Fe-Cr-Co system with a yield of a usable product of more than 90% and the possibility of using the resulting powders in additive manufacturing. The disadvantage of the invention is that the description does not contain information about the porosity of the obtained alloy samples.

В научной статье [E.A. Povolyaeva et al., Outstanding cryogenic strength-ductility properties of a cold-rolled medium-entropy TRIP Fe65(CoNi)25Cr9⋅5C0.5 alloy, Materials Science & Engineering A, Volume 836, 142720] был исследован среднеэнтропийный сплав на основе системы Fe-Co-Ni-Cr-C, полученный традиционным методом (вакуумно-дуговое плавление). Сплав обладает рядом высоких криогенных механических свойств в исходном и прокатанном состояниях. Однако в статье отсутствуют данные об изготовлении среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C методами аддитивного производства, в том числе селективного лазерного спекания.In a scientific article [E.A. Povolyaeva et al., Outstanding cryogenic strength-ductility properties of a cold-rolled medium-entropy TRIP Fe65(CoNi)25Cr9⋅5C0.5 alloy, Materials Science & Engineering A, Volume 836, 142720] a medium-entropy alloy based on the Fe system was studied -Co-Ni-Cr-C, obtained by the traditional method (vacuum arc melting). The alloy has a number of high cryogenic mechanical properties in the original and rolled states. However, the article does not contain data on the production of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system using additive manufacturing methods, including selective laser sintering.

Существует уже большое количество исследований в сфере синтеза деталей из сплавов методами аддитивных технологий. При этом большинство режимов для получения среднеэнтропийных сплавов еще слабо изучены или вовсе не изучены.There is already a large amount of research in the field of synthesis of parts from alloys using additive technologies. At the same time, most of the regimes for producing medium-entropy alloys are still poorly studied or not studied at all.

Технической задачей изобретения является создание способа селективного лазерного спекания среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-С, обладающего структурой с объемной долей пор, не превышающей от 0,1 % до 0,3 % и высокими показателями механических свойств сплава.The technical objective of the invention is to create a method for selective laser sintering of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system, which has a structure with a pore volume fraction not exceeding 0.1% to 0.3% and high mechanical properties of the alloy.

Достижение заявленного технического результата достигается тем, что осуществляют селективное лазерное спекание среднеэнтропийного порошка сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-С на установке ProX DMP 200 в атмосфере аргона. В качестве исходного материала используют порошок Fe65(CoNi)25Cr9.5C0.5, со следующим соотношением компонентов в атомных процентах (ат. %): 65 железа, 12.5 кобальта, 12.5 никеля, 9.5 хрома, 0.5 углерода. Формирование изделия проводят на подложке из стали. Направление движения лазера при сплавлении каждого последующего слоя изменяется на 67°. Расстояние между треками и толщина наносимого слоя по результатам моделирования равны 50 мкм и 30 мкм, соответственно. При формировании изделия используют следующие параметры процесса: мощность пучка - 200-250 Вт, скорость сканирования 1600-2200 мм/с. С помощью оптического микроскопа установлено, что объемная доля пор готовых образцов варьируется от 0,1% до 0,3%.Achieving the stated technical result is achieved by selective laser sintering of medium-entropy powder of an alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system on a ProX DMP 200 installation in an argon atmosphere. Fe 65 (CoNi) 25 Cr 9.5 C 0.5 powder is used as the starting material, with the following ratio of components in atomic percent (at.%): 65 iron, 12.5 cobalt, 12.5 nickel, 9.5 chromium, 0.5 carbon. The product is formed on a steel substrate. The direction of laser movement when fusing each subsequent layer changes by 67°. The distance between the tracks and the thickness of the applied layer according to the simulation results are 50 μm and 30 μm, respectively. When forming the product, the following process parameters are used: beam power - 200-250 W, scanning speed 1600-2200 mm/s. Using an optical microscope, it was found that the pore volume fraction of the finished samples varies from 0.1% to 0.3%.

Техническим результатом является то, что в полученных образцах по визуальному осмотру наблюдается бездефектная поверхность, отсутствуют не проплавленные области, трещины и поры. С помощью оптического микроскопа установлено, что объемная доля пор готовых образцов варьируется от 0,1% до 0,3%. Микроструктурный анализ на сканирующем электронном микроскопе демонстрирует однородную однофазную структуру среднеэнтропийного сплава по всем осям сплавления. С помощью испытаний на растяжение до разрыва обнаружены высокие показатели механических свойств при комнатной и криогенной температурах испытаний (Таблица 1).The technical result is that in the resulting samples, upon visual inspection, a defect-free surface is observed, there are no unmelted areas, cracks and pores. Using an optical microscope, it was found that the pore volume fraction of the finished samples varies from 0.1% to 0.3%. Microstructural analysis using a scanning electron microscope demonstrates a homogeneous single-phase structure of the medium-entropy alloy along all fusion axes. Tensile-to-break tests revealed high mechanical properties at room and cryogenic testing temperatures (Table 1).

Заявленное изобретение соответствует условиям новизна и изобретательский уровень, т. к. из уровня техники не известно о производстве среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C способом селективного лазерного спекания.The claimed invention meets the conditions of novelty and inventive step, since the production of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system by selective laser sintering is not known from the prior art.

Соответствие условию промышленной применимости изобретения подтверждают приведенные ниже примеры осуществления.Compliance with the conditions of industrial applicability of the invention is confirmed by the following examples of implementation.

Подготовка полученных экспериментальных образцов для исследования структуры и свойств полученного среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C осуществляется следующим образом: шлифовка на наждачной бумаге с постепенным уменьшением ее зернистости на шлифовально-полировальных станках LaboPol-5 (StruersA/S) и электролитическая полировка в растворе 90% CH3COOH и 10% HClO4 при напряжении 29.5 В в течение 10-30 секунд при комнатной температуре. Для исследования структуры сплава применяется оптический микроскоп (Olympus GX71). Для исследования микроструктуры полученных сплавов используется сканирующий (растровый) электронный микроскоп (FEI Quanta 600 FEG); съемка проводится в режиме дифракции обратно отраженных электронов при ускоряющем напряжении 20-30 кВ. Дополнительная EBSD съемка проводится в режиме дифракции обратного рассеяния электронов при ускоряющем напряжении 20-30 кВ, шаг съемки 0,3 мкм. Данные EBSD были анализируются с использованием системы TexSEM Laboratories (TSL OIM Analysis 6).The preparation of the obtained experimental samples for studying the structure and properties of the resulting medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system is carried out as follows: grinding on sandpaper with a gradual decrease in its grain size on LaboPol-5 grinding and polishing machines (StruersA/S) and electrolytic polishing in a solution of 90% CH3COOH and 10% HClO4 at a voltage of 29.5 V for 10-30 seconds at room temperature. An optical microscope (Olympus GX71) is used to study the structure of the alloy. To study the microstructure of the resulting alloys, a scanning (raster) electron microscope (FEI Quanta 600 FEG) is used; The shooting is carried out in the diffraction mode of back-reflected electrons at an accelerating voltage of 20-30 kV. Additional EBSD survey is carried out in electron backscattering diffraction mode at an accelerating voltage of 20-30 kV, survey step is 0.3 microns. EBSD data were analyzed using the TexSEM Laboratories system (TSL OIM Analysis 6).

Образцы для испытаний на одноосное растяжения с размерами рабочей части - 16×3×1,5 мм испытываются с начальной скоростью деформации 10-3с-1 при комнатной (24°С) и криогенной (-196°C) температурах, не менее 3 образцов до разрыва. Испытания проводятся на испытательной машине фирмы Instron 5882 в атмосфере воздуха в соответствии с ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84, СТ СЭВ 471-88). Металлы. Методы испытаний на растяжение.Specimens for uniaxial tensile testing with working part dimensions of 16×3×1.5 mm are tested with an initial strain rate of 10 -3 s -1 at room (24°C) and cryogenic (-196°C) temperatures, not less than 3 samples until rupture. Tests are carried out on an Instron 5882 testing machine in an air atmosphere in accordance with GOST 1497-84 (ISO 6892-84, ST SEV 471-88). Metals. Tensile test methods.

В Таблице 1 представлены примеры осуществления изобретения в сравнении с результатами механических свойств среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C, полученного способом селективного лазерного спекания среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C, подверженного испытаниям на одноосное растяжение при комнатной температуре равной 24°C и криогенной температуре равной -196°C. Также, для сравнения представлены свойства среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C, полученного методом вакуумно-дугового сплавления [E.A. Povolyaeva et al., Outstanding cryogenic strength-ductility properties of a cold-rolled medium-entropy TRIP Fe65(CoNi)25Cr9⋅5C0.5 alloy, Materials Science & Engineering A, Volume 836, 142720].Table 1 presents examples of the invention in comparison with the results of the mechanical properties of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system obtained by selective laser sintering of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system subjected to uniaxial tensile tests at room temperature equal to 24°C and cryogenic temperature equal to -196°C. Also, for comparison, the properties of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system obtained by vacuum-arc alloying are presented [E.A. Povolyaeva et al., Outstanding cryogenic strength-ductility properties of a cold-rolled medium-entropy TRIP Fe65(CoNi)25Cr9⋅5C0.5 alloy, Materials Science & Engineering A, Volume 836, 142720].

Селективное лазерное спекание среднеэнтропийного порошка сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C проводится на установке ProX DMP 200 в атмосфере аргона. Лазерное излучение задается в виде круга диаметром 75 мкм (размер пучка), с равномерным распределением энергии, без градиента от центра к краю пятна лазерного пучка. Мощность лазерного излучения варьируется от 200 до 250 Вт с шагом, коэффициент отражения принимается равным 0,3. При моделировании движения лазерного пучка задается скорость смещения лазерного пучка от 1600мм/с до 2200 мм/с. Для повышения качества заготовок направление движения лазера при сплавлении каждого последующего слоя изменялось на 67°.Selective laser sintering of medium-entropy powder of an alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system is carried out on a ProX DMP 200 installation in an argon atmosphere. Laser radiation is specified in the form of a circle with a diameter of 75 microns (beam size), with a uniform energy distribution, without a gradient from the center to the edge of the laser beam spot. The laser radiation power varies from 200 to 250 W in steps, the reflection coefficient is assumed to be 0.3. When simulating the movement of a laser beam, the displacement speed of the laser beam is set from 1600 mm/s to 2200 mm/s. To improve the quality of the workpieces, the direction of laser movement during fusion of each subsequent layer was changed by 67°.

Пример 1.Example 1.

В качестве исходного материала используется порошок среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C со следующим соотношением компонентов, ат. %: 65 железа, 12.5 кобальта, 12.5 никеля, 9.5 хрома, 0.5 углерода. Формирование изделия происходит на подложке из стали. Направление движения лазера при сплавлении каждого последующего слоя изменяется на 67°. Расстояние между треками и толщина наносимого слоя выбраны по результатам моделирования составляют 50 мкм и 30 мкм, соответственно. При формировании изделия используются следующие параметры процесса: мощность пучка - 200 Вт, скорость сканирования 1600 мм/с. Полученный образец по визуальному осмотру продемонстрировал бездефектную структуру: трещин и неспаек не обнаружено, объемная доля пор не превысила 0,1%. Микроструктурный анализ показал однородную структуру сплава по всем осям сплавления; с помощью испытаний на одноосное растяжение до разрыва обнаружены высокие показатели механических свойств при комнатной и криогенной температурах испытаний.The starting material is a powder of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system with the following component ratio, at. %: 65 iron, 12.5 cobalt, 12.5 nickel, 9.5 chromium, 0.5 carbon. The product is formed on a steel substrate. The direction of laser movement when fusing each subsequent layer changes by 67°. The distance between the tracks and the thickness of the applied layer were chosen based on the simulation results to be 50 μm and 30 μm, respectively. When forming the product, the following process parameters are used: beam power - 200 W, scanning speed 1600 mm/s. Upon visual inspection, the resulting sample demonstrated a defect-free structure: no cracks or non-adhesions were detected, the volume fraction of pores did not exceed 0.1%. Microstructural analysis showed a homogeneous structure of the alloy along all fusion axes; Using uniaxial tensile tests to break, high levels of mechanical properties were discovered at room and cryogenic test temperatures.

Пример 2.Example 2.

В качестве исходного материала используется порошок среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-C со следующим соотношением компонентов, ат. %: 65 железа, 12.5 кобальта, 12.5 никеля, 9.5 хрома, 0.5 углерода. Формирование изделия происходит на подложке из стали. Направление движения лазера при сплавлении каждого последующего слоя изменяется на 67°. Расстояние между треками и толщина наносимого слоя выбраны по результатам моделирования составляют 50мкм и 30мкм, соответственно. При формировании изделия используются следующие параметры процесса: мощность пучка - 250 Вт, скорость сканирования 2200 мм/с. Полученный образец по визуальному осмотру продемонстрировал бездефектную структуру: трещин и неспаек не обнаружено, объемная доля пор не превысила 0,3%. Микроструктурный анализ показал однородную структуру сплава по всем осям сплавления; с помощью испытаний на одноосное растяжение до разрыва обнаружены высокие показатели механических свойств при комнатной и криогенной температурах испытаний.The starting material is a powder of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system with the following component ratio, at. %: 65 iron, 12.5 cobalt, 12.5 nickel, 9.5 chromium, 0.5 carbon. The product is formed on a steel substrate. The direction of laser movement when fusing each subsequent layer changes by 67°. The distance between the tracks and the thickness of the applied layer were selected based on the simulation results and are 50 µm and 30 µm, respectively. When forming the product, the following process parameters are used: beam power - 250 W, scanning speed 2200 mm/s. Upon visual inspection, the resulting sample demonstrated a defect-free structure: no cracks or non-adhesions were detected, the volume fraction of pores did not exceed 0.3%. Microstructural analysis showed a homogeneous structure of the alloy along all fusion axes; Using uniaxial tensile tests to break, high levels of mechanical properties were discovered at room and cryogenic test temperatures.

Заявленный технический результат - создание способа селективного лазерного спекания среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-С, обладающего структурой с объемной долей пор, не превышающей от 0,1% до 0,3% и высокими показателями механических свойств сплава.The claimed technical result is the creation of a method for selective laser sintering of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system, which has a structure with a pore volume fraction not exceeding 0.1% to 0.3% and high mechanical properties of the alloy.

Claims (1)

Способ селективного лазерного спекания среднеэнтропийного сплава системы Fe-Co-Ni-Cr-С, включающий использование в качестве исходного материала порошка среднеэнтропийного сплава Fe65(CoNi)25Cr9.5C0.5 со следующим соотношением компонентов в атомных процентах (ат. %): 65 железа, 12,5 кобальта, 12,5 никеля, 9,5 хрома, 0,5 углерода, при этом направление движения лазера при сплавлении каждого последующего слоя изменяют на 67°, при этом расстояние между треками и толщина наносимого слоя по результатам моделирования равны 50 мкм и 30 мкм, соответственно, формирование изделия производят на подложке из стали с использованием следующих параметров процесса: мощность пучка 200-250 Вт, скорость сканирования 1600-2200 мм/с, при этом объемная доля пор готовых образцов составляет от 0,1% до 0,3%. A method for selective laser sintering of a medium-entropy alloy of the Fe-Co-Ni-Cr-C system, including the use of medium-entropy alloy powder Fe 65 (CoNi) 25 Cr 9.5 C 0.5 with the following component ratio in atomic percent (at. %) as the starting material: 65 iron, 12.5 cobalt, 12.5 nickel, 9.5 chromium, 0.5 carbon, while the direction of laser movement when fusing each subsequent layer changes by 67°, while the distance between the tracks and the thickness of the applied layer according to the simulation results are equal 50 µm and 30 µm, respectively, the formation of the product is carried out on a steel substrate using the following process parameters: beam power 200-250 W, scanning speed 1600-2200 mm/s, while the pore volume fraction of the finished samples ranges from 0.1% up to 0.3%.
RU2023112217A 2023-05-12 METHOD FOR SELECTIVE LASER SINTERING OF MEDIUM-ENTROPY ALLOY OF Fe-Co-Ni-Cr-C SYSTEM RU2806938C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2806938C1 true RU2806938C1 (en) 2023-11-08

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2550669C1 (en) * 2013-12-13 2015-05-10 Рустем Халимович Ганцев Method of metal product manufacturing by layer-by-layer laser application of powder material
RU2562722C1 (en) * 2014-03-26 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") Method of production of articles with complex shape out of powder systems
RU2695687C1 (en) * 2013-12-06 2019-07-25 Сафран Эркрафт Энджинз Method of part making by selective melting of powder
CN110385430A (en) * 2019-08-21 2019-10-29 西迪技术股份有限公司 A kind of powder body material of 3D printing
RU2713255C1 (en) * 2019-09-23 2020-02-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" Method of forming composite material by selective laser melting of refractory nickel alloy powder on a substrate from titanium alloy
US11148204B2 (en) * 2012-11-27 2021-10-19 Safran Aircraft Engines Method for the additive manufacturing of a part by selective melting or selective sintering of optimized-compactness powder beds using a high energy beam

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11148204B2 (en) * 2012-11-27 2021-10-19 Safran Aircraft Engines Method for the additive manufacturing of a part by selective melting or selective sintering of optimized-compactness powder beds using a high energy beam
RU2695687C1 (en) * 2013-12-06 2019-07-25 Сафран Эркрафт Энджинз Method of part making by selective melting of powder
RU2550669C1 (en) * 2013-12-13 2015-05-10 Рустем Халимович Ганцев Method of metal product manufacturing by layer-by-layer laser application of powder material
RU2562722C1 (en) * 2014-03-26 2015-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") Method of production of articles with complex shape out of powder systems
CN110385430A (en) * 2019-08-21 2019-10-29 西迪技术股份有限公司 A kind of powder body material of 3D printing
RU2713255C1 (en) * 2019-09-23 2020-02-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" Method of forming composite material by selective laser melting of refractory nickel alloy powder on a substrate from titanium alloy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sharma et al. Microstructural evolution and mechanical properties of non-Cantor AlCuSiZnFe lightweight high entropy alloy processed by advanced powder metallurgy
CN109175391B (en) Method for in-situ synthesis of nano-oxide particle dispersion strengthened alloy
Watson et al. Cold spray deposition of an icosahedral-phase-strengthened aluminum alloy coating
Xie et al. Effect of Mg on the sintering of Al-Mg alloy powders by pulse electric-current sintering process
CN112157261A (en) Preparation method and application of high-entropy alloy part with laser melting deposition reaction structure
Majumdar et al. Densification behaviour, microstructural characteristics and mechanical properties of liquid phase sintered W–2Ni–1Fe alloy
CN110355367A (en) A kind of Al3The increasing material manufacturing method of Ti/316L stainless steel composite material
Wang et al. Influence of processing parameters on the microstructure and tensile property of 85 W-15Ni produced by laser direct deposition
Xie et al. Research progress of refractory high entropy alloys: a review
RU2806938C1 (en) METHOD FOR SELECTIVE LASER SINTERING OF MEDIUM-ENTROPY ALLOY OF Fe-Co-Ni-Cr-C SYSTEM
EP3950177A1 (en) Ni-based alloy, ni-based alloy powder, ni-based alloy member, and product provided with ni-based alloy member
Chaurasia et al. Activated sintering of tungsten heavy alloy
JP6342916B2 (en) Method for producing Al / TiC nanocomposite material
Ulianitsky et al. FeCoNiCu alloys obtained by detonation spraying and spark plasma sintering of high-energy ball-milled powders
Selvamani et al. Tensile, microhardness, and microstructural analysis on Mg-CNT nano composites
JP2022513611A (en) Additional refractory metal parts, additional manufacturing methods and powders
Ogunbiyi et al. Influence of Nickel powder particle size on the microstructure and densification of spark plasma sintered Nickel-based superalloy
US10202681B2 (en) Copper-gallium sputtering target
Gromov et al. Evolution of the structure and properties of AK10M2N silumin under irradiation with a high-intensity pulsed electron beam
An et al. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of direct energy deposited AlCoCrFeNi2. 1
Makhmutov et al. Microstructure and mechanical properties of powder steel 16Cr-2Ni-Mn-Mo obtained by mechanical alloying and spark plasma sintering
Moiduddin et al. An insight into high entropy alloys with a focus on friction stir processing
Shevtsova et al. Structure and properties of an Ni3Al intermetallic compound formed as a result of spark plasma sintering of the powder mixtures prepared by various methods
Garshev et al. Analysis of aluminum alloy powders for additive manufacturing fabricated by atomization
Grigoryev et al. Application of additive technologies for synthesis of titanium alloys of Ti-Al, Ti-Al-Nb systems of elemental powders