Застосування ультразвукових технологій поверхневої обробки в адитивному виробництві металевих сплавів

С. М. Волошко; А. П. Бурмак; А. К. Орлов; М. М. Ворон

doi:10.15407/mom2024.01.028

Автор(и)

С. М. Волошко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ https://orcid.org/0000-0003-3170-8362
А. П. Бурмак Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ https://orcid.org/0000-0003-2415-8032
А. К. Орлов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ https://orcid.org/0000-0002-9219-3123
М. М. Ворон Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ https://orcid.org/0000-0002-0804-9496

DOI:

https://doi.org/10.15407/mom2024.01.028

Ключові слова:

адитивні технології, 3D-друк, ультразвукова ударна обробка, зміцнення поверхні, кавітація, віброполірування, втомна міцність, ВТ6, AlSi10Mg, Inconel-718

Анотація

В сучасному світі адитивне виробництво металевих виробів досягло значних об’ємів та різноманіття використовуваних сплавів. Технології 3D-друку дозволяють одержувати деталі зменшеної маси, підвищеної надійності, одиничні вироби, експериментальні конструкції деталей та елементи складної геометрії і конфігурації.
До недоліків адитивного виробництва металевих деталей відносяться анізотропія хімічного складу та властивостей, нерівноважний структурно-фазовий стан, структурні мікро- та макродефекти і деякі інші особливості, які зумовлюють необхідність пост-обробки надрукованих виробів. Найчастіше для цього використовують термічну обробку та її поєднання з мікрокуванням або інтенсивною поверхневою пластичною деформацією.
В роботі проведено аналітичний огляд переваг застосування ультразвукових технологій для підтримки 3D-друку та пост-обробки адитивно одержаних виробів. Особливу увагу приділено ультразвуковій ударній обробці (УЗУО). Обладнання для здійснення УЗУО є компактним, енергозберігаючим та простим у застосуванні. Зазначається, що дана технологія дозволяє ефективно знижувати дефектність поверхні надрукованих деталей, підвищувати її твердість і втомну міцність. При цьому відбувається наноструктурування та зміни структурно-фазового стану модифікованих шарів.
Відзначається, що УЗУО дозволяє зміцнювати поверхню до глибини ~500 мкм, насичувати її легуючими елементами та сполуками і для конвенційно вироблених деталей – литих, деформованих та порошкових спечених – є значно ефективнішою за більшість інших подібних методів.
Окреслені перспективи застосування ультразвукових технологій для підвищення якості та рівня експлуатаційних і механічних характеристик адитивно вироблених металевих деталей, у тому числі для потреб авіабудування.
Роботу виконано в рамках держбюджетної теми КПІ ім. Ігоря Сі-корського № 2701ф "Наукові основи ультразвукової ударної та адитивної технологій виготовлення високонавантажених деталей БПЛА з покращеною дальністю" (номер державної реєстрації 0124U001001).

Посилання

Рalinkas I., Pekez J., Desnica E., Rajic A., Nedelcu D., Materiale plastice, 2022, Vol. 58, No 4, pp. 238-249 [in English]. http://dx.doi.org/10.37358/MP.21.4.5549

Moon S. K., Tan Y. E., Hwang J., Yoon Y., International journal of precision engineering and manufacturing-green technology, 2014, Vol. 1, pp. 223-228 [in English]. https://doi.org/10.1007/s40684-014-0028-x

Yadav V., Yadav P., Francis V., International journal of emerging technologies and innovative research, 2021, Vol. 8, No 4, pp. 1194-1201 [in English]. http://www.jetir.org/papers/JETIR2104365.pdf

Telli K., Kraa O., Himeur Y., Ouamane A., Boumehraz M., Atalla S., Mansoor W., Systems, 2023, Vol. 11, No 8, pp. 400-448 [in English]. https://doi.org/10.3390/systems11080400

Additive laser technology. – 2024. https://alt-print.com/aircraft-industry

Belabbaci M., Imine Z., Ghomari T., Imine B., Indian journal of science and technology, 2021, Vol. 14, No 22, pp. 1905-1913 [in English]. https://doi.org/10.17485/ijst/v14i22.51

Nvss S., Esakki B., Yang L.-J., Udayagiri C., Vepa K. S., Designs, 2022, Vol. 6, No 1, pp. 8-33 [in English]. https://doi.org/10.3390/designs6010008

Ivasishin O. M., Kovalchuk D. V., Markovsky P. E., Savvakin D. G., Stasiuk O. O., Bondarchuk V. I., Oryshych D. V., Sedov S. G., Golub V. A., Progress in physics of metals, 2023, Vol. 24, No 1, pp. 75-105 [in English]. https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.075

Adzhamskyy S. V., Kononenko H. A., Podolskyi R. V., Metallofizika i noveishie tekhnologii, 2021, Vol. 43, No 7, pp. 909-924 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.43.07.0909

Gallmeyer T. G., Moorthy S., Kappes B. B., Mills M. J., Amin-Ahmadi B., Stebner A. P., Additive manufacturing, 2020, Vol. 31 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100977

Wada J., Wada K., Garoushi S., Shinya A., Wakabayashi N., Iwamoto T., Vallittu P. K., Lassila L., Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 2023, Vol. 142 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2023.105799

Gujba A. K., Medraj M., Advances in materials science and engineering, 2020, pp. 1-17 [in English]. https://doi.org/10.1155/2020/1064870

Chi J., Cai Z., Wan Z., Zhang H., Chen Z., Li L., Li Y., Peng P., Guo W., Surface and coatings technology, 2020, Vol. 396 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125908

Mythreyi O. V., Raja A., Nagesha B. K., Jayaganthan R., Metals, 2020, Vol. 10, No 12, pp. 1562-1581 [in English]. https://doi.org/10.3390/met10121562

Mordyuk B. M., Prokopenko G. I., Voloshko S. M., Solovej S. O., Klochkov I. M., Lynnyk G. O., Krasovskyj T. A., Visokolyan M. V. Ultrazvukova udarna obrobka konstrukcij i sporud transportnogo mashynobuduvannya (Ultrasonic shock treatment of constructions and structures of transport engineering), Sumy: Universytetska knyga, 2020, 310 p. [in Ukrainian]

Zhang J., Xing Y. F., Zhang J. J., Cao J. Y., Yang F. Y., Zhang X. B., Materials, 2022, Vol. 15, No 15, pp. 5168-5185 [in English]. https://doi.org/10.3390/ma15155168

Cao Y., Zhang Y., Ming W., He W., Ma J., Metals, 2023, Vol. 13, No 2, pp. 398-421 [in English]. https://doi.org/10.3390/met13020398

Wang H., Hu Y., Ning F., Cong W., Journal of materials processing technology, 2020, Vol. 276 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116395

Ye C., Telang A., Gill A. S., Suslov S., Idell Y., Zweiacker K., Wiezorek J. M. K., Zhou Z., Qian D., Mannava S. R., Vasudevan V. K., Materials science and engineering: A, 2014, Vol. 613, pp. 274-288 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.06.114

Teramachi A., Yan J., Journal of micro- and nano-manufacturing, 2019, Vol. 7, No 2 [in English]. https://doi.org/10.1115/1.4043344

Liu X., Wang J., Zhu J., Liew P. J., Li C., Huang C., Advances in production engineering and management, 2022, Vol. 17, No 2, pp. 193-204 [in English]. https://doi.org/10.14743/apem2022.2.430

Sidhu K. S., Shi J., Vasudevan V. K., Mannava S. R., ASME 2017 12th International manufacturing science and engineering conference collocated with the JSME/ASME 2017 6th International conference on materials and processing. American society of mechanical engineers, June 4-8, 2017, LA, California, USA, 2017 [in English]. https://doi.org/10.1115/msec2017-2918

Wang C., Li Y., Tian W., Hu J., Li B., Li P., Liao W., Journal of materials research and technology, 2022, Vol. 21, pp. 781-797 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.09.055

Voloshko S. M., Mordyuk B. M., Vasylyev M. O., Zakiev V. I., Burmak A. P., Franchik N. V., Metallofizika i noveishie tekhnologii, 2023, Vol. 45, No 2, pp. 217-237 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.45.02.0217

Mordyuk B. M., Vasylyev M. O., Voloshko S. M., Khripta N. I., Metallofizika i noveishie tekhnologii, 2022, Vol. 44, No 11, pp. 1433-1451 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.44.11.1433

Mordyuk B. N., Voloshko S. M., Zakiev V. I., Burmak A. P., Mohylko V. V., Journal of materials engineering and performance, 2021, Vol. 30, No 3, pp. 1780 1795 [in English]. https://doi.org/10.1007/s11665-021-05492-y

Sufiiarov V., Erutin D., Borisov E., Popovich A., Metals, 2022, Vol. 12, No 10, pp. 1729 [in English]. https://doi.org/10.3390/met12101729

Xia M., Gu D., Ma C., Chen H., Zhang H., Journal of alloys and compounds, 2018, Vol. 747, pp. 684-695 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.049

Mordyuk B. M., Voloshko S. M., Burmak A. P., Mohylko V. V., Voron M. M., Metallofizika i noveishie tekhnologii, 2019, Vol. 41, No 8, pp. 1067 1086 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.41.08.1067

Kong D., Dong C., Ni X., Zhang L., Man C., Zhu G., Yao J., Yao J., Wang L., Cheng X., Li X., Journal of alloys and compounds, 2019, Vol. 803, pp. 637-648 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.317

Vasylyev M. A., Mordyuk B. N., Cherepova Т. S., Voloshko S. M., Burmak A. P., Mohylko V. V., Voron M. M., Metallofizika i noveishie tekhnologii, 2020, Vol. 42, No 10, pp. 1401-1417 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.42.10.1401

Amanov A., Karimbaev R., Surface and coatings technology, 2021, Vol. 425 [in English]. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127688