Моделирование рекристаллизации сплава АМГ6 в прокованном слое при наплавке материала в процессе гибридного аддитивного производства

Автор: Салихова Нелли Камилевна, Дудин Дмитрий Сергеевич, Келлер Илья Эрнстович, Осколков Александр Андреевич, Казанцев Александр Владимирович, Трушников Дмитрий Николаевич

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 2 т.15, 2022 года.

Бесплатный доступ

Изучаются закономерности протекания статической рекристаллизации при наплавке слоя металла на грань призматического образца, предварительно обработанную пластическим деформированием. Данная задача представляет интерес для выбора рациональных параметров процесса гибридного аддитивного производства легких и прочных линейных элементов сегментированных конструкций из алюминиево-магниевых сплавов с применением послойной проковки пневматическим ударным инструментом. Для этого численно решаются независимые задачи односторонней проковки образца и теплопроводности при плазменно-дуговой наплавке слоя на этот же образец. Далее накопленные пластические деформации и история изменения температуры используются при расчете объемной доли статически рекристаллизованного материала в наклепанном слое образца в условиях термоцикла. Расчет процесса проковки выполнялся в пакете LS-DYNA®, тепловая задача решалась в Comsol Multiphysics®, а доля рекристаллизованного материала определялась средствами Wolfram Mathematica. Воздействие пневмомолотка в численной модели оценивалось с помощью тензометрированной стальной мишени и подтверждалось по измеренным в эксперименте искажениям поперечного сечения прокованного бруса из сплава АМг6. Тепловое воздействие рассчитывалось с учетом позиционно-интегрирующего регулятора, автоматически управляющего процессом наплавки в установке гибридного аддитивного производства. Для расчета объемной доли статически рекристаллизованного материала использовался закон Аврами и данные о зависимости времени 50%-ной трансформации материала от накопленной деформации и температуры, взятые из литературы для алюминиево-магниевого сплава 5083, аналогичного АМг6. Модель Аврами предсказывает высокую чувствительность доли рекристаллизованного материала к предварительной пластической деформации и максимальной температуре в термоцикле при наплавке слоя, и поэтому более локализованный погранслой рекристаллизованного материала по сравнению с погранслоем пластических деформаций. Результаты расчета позволили определить необходимые условия послойной обработки давлением, которые обеспечат толщину слоя рекристаллизованного материала, соизмеримого с толщиной наплавляемого слоя. Рациональность рекомендованного режима гибридного аддитивного производства с тройной проковкой каждого слоя экспериментально подтверждена заметно более высокими характеристиками прочности и пластичности материала по сравнению с аналогичными характеристиками материалов, полученных аддитивным производством без проковки или с однократной проковкой.

Еще

Аддитивное производство, послойная проковка, статическая рекристаллизация, алюминиево-магниевые сплавы, численный расчет, экспериментальное подтверждение

Короткий адрес: https://sciup.org/143178788

IDR: 143178788   |   УДК: 539.374+621.791.927.55+620.186.5   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.2.18

Modeling of AMG6 alloy recrystallization in the forged layer during the overlay welding of a material in the process of hybrid additive manufacturing

The regularities of static recrystallization during the welding of metal layer over the face of a prismatic specimen pretreated by plastic deformation are studied. This problem is of interest in selecting the rational parameters for the process of hybrid additive manufacturing of light and high-strength linear elements of segmented structures made of aluminum-magnesium alloys via layer-by-layer forging with a pneumatic hammer. For this purpose, the two independent problems of the one-sided forging of a prismatic specimen and temperature evolution during the plasma-arc welding of a layer over the same specimen are solved numerically. The fields of accumulated deformations and the history of temperature changes in the specimen are used to calculate the volume fraction of statically recrystallized material in the work-hardened layer under the influence of a thermal cycle temperature. The forging calculation was performed based on the LS-DYNA® package, the thermal problem was solved in Comsol Multiphysics®, and the fraction of recrystallized material was calculated by making use of the Wolfram Mathematica system. In the numerical model, the impact of the pneumatic hammer was estimated by means of a strain-gauged steel target, and then was verified by evaluating the distortions of the cross-section of the forged bar made of AMg6 alloy measured in the experiment. The thermal effect was calculated taking into account the PI controller, which automatically controls the overlaying process in the hybrid additive manufacturing plant. The volume fraction of a statically recrystallized material was calculated using Avrami's law and data on the dependence of the time of 50% transformation of the material on the accumulated deformation and the temperature taken from the literature on aluminum-magnesium alloy 5083, which is similar to AMg6. The model predicts a high sensitivity of the fraction of recrystallized material to previous plastic deformation and to the maximum temperature in the thermal cycle of overlay welding, and therefore a more localized boundary layer of recrystallized material compared to the boundary layer in plastic deformation. The results of calculation demonstrate the effectiveness of layer-by-layer pressure shaping strategies for providing deep-layer plastic deformation. In terms of the degree of recrystallization, the use of rational modes of overlay welding and forging can ensure the synthesis of products with high strength and ductility characteristics in hybrid additive manufacturing processes.

Еще

Список литературы Моделирование рекристаллизации сплава АМГ6 в прокованном слое при наплавке материала в процессе гибридного аддитивного производства

  • Wu B., Pan Z., Ding D., Cuiuri D., Li H., Xu J., Norrish J. A review of the wire arc additive manufacturing of metals: Properties, defects and quality improvement // J. Manuf. Process. 2018. Vol. 35. P. 127-139. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.08.001
  • Colegrove P.A., Coules H.E., Fairman J., Martina F., Kashoob T., Mamash H., Cozzolino L.D. Microstructure and residual stress improvement in wire and arc additively manufactured parts through high-pressure rolling // J. Mater. Process. Tech. 2013. Vol. 213. P. 1782-1791. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.04.012
  • Gu J., Wang X., Bai J., Ding J., Williams S.W., Zhai Y., Liu K. Deformation microstructures and strengthening mechanisms for the wire+ arc additively manufactured Al-Mg4.5Mn Alloy with inter-layer rolling // Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 712. P. 292-301. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.11.113
  • Honnige J.R., Colegrove P.A., Ganguly S., Eimer E., Kabra S., Williams S. Control of residual stress and distortion in aluminium wire+arc additive manufacture with rolling // Addit. Manuf. 2018. Vol. 22. P. 775-783. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.015
  • McAndrew A.R., Rosales M.A., Colegrove P.A., Hönnige J.R., Ho A., Fayolle R., Eyitayo K., Stan I., Sukrongpang P., Crochemore A., Pinter Z. Interpass rolling of Ti-6Al-4V wire+arc additively manufactured features for microstructural refinement // Addit. Manuf. 2018. Vol. 21. P. 340-349. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.03.006
  • Karunakaran K.P., Kapil S., Negi S. Multi-station multi-axis hybrid layered manufacturing system. Indian Patent. 2018. Application Number 201821038516.
  • Karunakaran K.P., Kapil S., Kulkarni P. In-situ stress relieving process for additive manufacturing. Indian Patent. 2016. Application Number 201621028306.
  • Щицын Ю.Д., Кривоносова Е.А., Трушников Д.Н., Ольшанская Т.В., Карташов М.Ф., Неулыбин С.Д. Использование СMT-наплавки для аддитивного формирования заготовок из титановых сплавов // Металлург. 2020. № 1. С. 63-68. (English version https://doi.org/10.1007/s11015-020-00967-0)
  • Щицын Ю.Д., Кривоносова Е.А., Ольшанская Т.В., Неулыбин С.Д. Влияние аддитивной плазменной наплавки на структуру и свойства сплава системы алюминий – магний – скандий // Цветные металлы. 2020. № 2. С. 89-94. https://doi.org/10.17580/tsm.2020.02.12
  • Shchitsyn Y., Kartashev M., Krivonosova E., Olshanskaya T., Trushnikov D. Formation of structure and properties of two-phase Ti-6Al-4V alloy during cold metal transfer additive deposition with interpass forging // Materials. 2021. Vol. 14. 4415. https://doi.org/10.3390/ma14164415
  • Трушников Д.Н., Карташов М.Ф., Ольшанская Т.В., Миндибаев М.Р., Щицын Ю.Д., Раймундо Сауседо Зендехо Ф. Повышение качества изделий из сплава ВТ6, получаемых при многослойной наплавке // СТИН. 2021. № 6. С. 12-14. (English version https://doi.org/10.3103/S1068798X21090264)
  • Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Жирков А.А., Федонин О.Н., Федонина С.О., Хандожко А.В. Возможности аддитивно-субтрактивно-упрочняющей технологии // Вестник БГТУ. 2016. № 4(52). С. 151-160. https://doi.org/10.12737/23204
  • Федонина С.О. Повышение качества синтезированных из проволоки деталей волновым термодеформационным упрочнением / Дисс... канд. физ.-мат. наук: 05.02.08. Брянск, Брянский государственный технический университет, 2021. 186 с.
  • Келлер И.Э., Казанцев А.В., Дудин Д.С., Пермяков Г.Л., Карташев М.Ф. Искажение формы, локализация пластической деформации и распределение остаточных напряжений при односторонней проковке/обкатке бруса. Применение результатов к аддитивному производству шпангоута с послойной обработкой давлением // Вычисл. мех. сплош. сред. 2021. Т. 14, № 4. С. 434-443. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.4.36
  • Khan A.S., Huang S. Continuum theory of plasticity. John Wiley & Sons, 1995. 421 p.
  • LS-DYNA® Keyword user's manual. Volume II. Material models. Ver. R13. LSTC, 2021. 1993 p. http://ftp.lstc.com/anonymous/outgoing/jday/manuals/LS-DYNA_Manual_Volume_II_R13.pdf (дата обращения: 3.02.2022)
  • Nicholas T. Tensile testing of materials at high rates of strain // Experimental Mechanics. 1981. Vol. 21. P. 177-185. https://doi.org/10.1007/BF02326644
  • Bragov A.M., Lomunov A.K. Methodological aspects of studying dynamic material properties using the Kolsky method // Int. J. Impact Eng. 1995. Vol. 16. P. 321-330. https://doi.org/10.1016/0734-743X%2895%2993939-G
  • Maker B.N., Zhu X. Input parameters for metal forming simulation using LS-DYNA. 3rd European LS-DYNA Conf. Paris, France, June, 2001. https://www.dynalook.com/conferences/european-conf-2001/58.pdf (дата обращения: 3.02.2022)
  • Трушников Д.Н., Карташёв М.Ф., Безукладников И.И. Способ управления процессом наплавки Патент РФ № 2750994. Опубл. 07.07.21, Бюл. № 19.
  • Rohde J., Jeppsson A. Literature review of heat treatment simulations with respect to phase transformation, residual stresses and distortions // Scand. J. Metall. 2000. Vol. 29. P. 47-62. https://doi.org/10.1034/j.1600-0692.2000.d01-6.x
  • Avrami M. Kinetics of phase change. I. General theory // J. Chem. Phys. 1939. Vol. 7. P. 1103-1112. https://doi.org/10.1063/1.1750380
  • Avrami M. Kinetics of phase change. II. Transformation-time relations for random distribution of nuclei // J. Chem. Phys. 1940. Vol. 8. P. 212-224. https://doi.org/10.1063/1.1750631
  • Avrami M. Kinetics of phase change. III. Granulation, phase change, and microstructure // J. Chem. Phys. 1941. Vol. 9. P. 177-184. https://doi.org/10.1063/1.1750872
  • Johnson W.A., Mehl R.F. Reaction kinetics in process of nucleation and growth // Trans. Am. Inst. Min. Met. Eng. 1939. Vol. 135. P. 416-442.
  • Sellars C.M. Modelling microstructural development during hot rolling // Mater. Sci. Technol. 1980. Vol. 6. P. 1072-1081. https://doi.org/10.1179/MST.1990.6.11.1072
  • Weinberg M., Birnie D.P., Shneidman V.A. Crystallization kinetics and the JMAK equation // Journal of Non-Crystalline Solids. 1997. Vol. 219. P. 89-99. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(97)00261-5
  • Fernández A.I., Uranga P., López B., Rodriguez-Ibabe J.M. Static recrystallization behaviour of a wide range of austenite grain sizes in microalloyed steels // ISIJ International. 2000. Vol. 40. P. 893-901. https://doi.org/10.2355/ISIJINTERNATIONAL.40.893
  • Leblond B., Devaux J. A new kinetic model for anisothermal metallurgical transformations in steels including effect of austenite grain size // Acta Metall. 1984. Vol. 32. Р. 137-146. https://doi.org/10.1016/0001-6160(84)90211-6
  • Raghunathan N., Zaidi M.A., Sheppard T. Recrystallization kinetics of Al–Mg alloys AA 5056 and AA 5083 after hot deformation // Mater. Sci. Tech. 1986. Vol. 2. P. 938-945. https://doi.org/10.1179/mst.1986.2.9.938
  • ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Стандартинформ, 2008. 24 с.
Еще