Нижегородский государственный технический университет (Нижний Новгород, Россия)

Д. А. Шатагин, зав. кафедрой «Технология и оборудование машиностроения», канд. техн. наук, доц.
М. С. Аносов, доцент кафедры «Технология и оборудование машиностроения», канд. техн. наук, доц.
М. А. Чернигин, инженер кафедры «Технология и оборудование машиностроения», honeybadger52@yandex.ru
Ю. С. Мордовина, ассистент кафедры «Технология и оборудование машиностроения»
Р. А. Петров, учебный мастер кафедры «Технология и оборудование машиностроения»

В настоящее время набирает популярность технология электродуговой наплавки (WAAM) для получения заготовок из конструкционных сталей. Из таких заготовок можно получить полноценные детали, которые будут работать в условиях крайнего севера. При эксплуатации может возникать явление хладноломкости. Исследование направлено на оценку температуры вязко-хрупкого перехода биметаллических заготовок из сталей 09Г2С и 03Х24Н13Г2С, полученных методом WAAM. Данным методом были изготовлены биметаллические образцы и образцы без добавления второго материала. Наплавка заготовок осуществлялась с использованием сварочных проволок ER70S-6 (09Г2С) и ER309LSI (03Х24Н13Г2С) по оптимизированным режимам наплавки (сила тока: 100–120 А, напряжение: 20–26 В). Для проведения испытаний на ударный изгиб были изготовлены стандартные образцы с U-концентратором из монометаллических заготовок и биметаллические образцы по 3 схемам, отличающимся расположением концентратора. В ходе металлографического исследования установлено, что структура обоих компонентов биметалла равномерна по высоте образца и отличается сравнительной мелкозернистостью. Диффузионная зона на границе сплавления двух разнородных металлов практически не выделяется. Подтверждается возможность применения WAAM при изготовлении бездефектных биметаллических заготовок. В ходе испытаний на ударный изгиб установлено, что на значения ударной вязкости и характер вязко-хрупкого перехода существенное влияние оказывает материал зоны зарождения трещины. Так, резкий вязко-хрупкий переход не выявлен для чистой стали 03Х24Н13Г2С и биметаллического материала с концентратором, нанесенным перпендикулярно границе сплавления двух материалов и расположенным со стороны стали 03Х24Н13Г2С.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-10204-П.

1. Чернов В. М., Кардашев Б. К., Мороз К. А. Хладноломкость и разрушение металлов с разными кристаллическими решетками – дислокационные механизмы // Журнал технической физики. 2016. № 86 (7). С. 57–64.
2. Штремель М. А. Разрушение. В 2 кн. Книга 1. Разрушение материала: монография. – М. : МИСиС., 2014. – 670 с.
3. Штремель М. А. Разрушение. В 2 кн. Книга 2. Разрушение структур: монография. – М. : МИСиС, 2015. – 976 с.
4. Чернов В. М., Ермолаев Г. Н., Леонтьева-Смирнова М. В. Вязкость разрушения хромистой (12 %) ферритно-мартенситной стали ЭК-181 при нагружении на сосредоточенный изгиб // Журнал Технической Физики. 2010. № 80 (7). С. 72–77.
5. Солнцев Ю. П., Ермаков Б. С., Слепцов О. И. Материалы для низких и криогенных температур: Энциклопедический справочник. – СПБ. : ХИМИЗДАТ, 2008. – 768 с.
6. Григорьянц А. Г., Лутченко А. В. Современные проблемы развития аддитивных технологий в машиностроении // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 8 (134). С. 27–30. DOI: 10.30987/2223-4608-2022-8-27-30
7. Panchenko O., Kurushkin D., Mushnikov I. et al. A High-performance WAAM process for Al-Mg-Mn using controlled short-circuiting metal transfer at increased wire feed rate and increased travel speed // Materials and Design. 2020. 195. С. 35–45. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109040
8. Туричин Г. А., Земляков Е. В., Климова О. Г. и др. Прямое лазерное выращивание – перспективная аддитивная технология для авиадвигателестроения // Сварка и Диагностика. 2015. № 3. С. 54–57.

9. Cunningham C. R., Wikshåland S., Xu F. et al. Cost modelling and sensitivity analysis of wire and arc additive manufacturing // Procedia Manufacturing. 2017. Vol. 11. pp. 650–657. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.163
10. Осколков А. А., Матвеев Е. В., Безукладников И. И. Передовые технологии аддитивного производства металлических изделий // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2018. № 20 (3). С. 90–105. DOI: 10.15593/2224-9877/2018.3.11
11. Williams S. W., Martina F., Addison A. C. Wire + arc additive manufacturing // Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32 (7). pp. 641–647. DOI: 10.1179/1743284715Y.0000000073
12. Nguyen V.-T., Minh P. S., The Uyen T.M. et al. WAAM Technique: Process Parameters Affecting the Mechanical Properties and Microstructures of Low-Carbon Steel // Metals. 2023. Vol. 13 (5). 873. DOI: 10.3390/met13050873
13. Kabaldin Y., Shatagin D., Ryabov D. et al. Microstructure, phase composition, and mechanical properties of a layered bimetallic composite ER70S-6-ER309LSI Obtained by the WAAM Method // Metals. 2023. Vol. 13 (5). 851. DOI: 10.3390/met13050851
14. Blinn B., Hassel T., Viebranz V. F. et al. Influence of the grain orientation and δ-ferrite on the cyclic deformation behavior of an austenitic CrNi steel manufactured by wire and arc additive manufacturing // Materials Science and Engineering. 2023. Vol. 870. 144612. DOI: 10.1016/j.msea.2023.144612
15. Treutler K., Wesling V. The Current State of Research of Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM): A Review // Appl. Sci. 2021. Vol. 11 (18). 8619. DOI: 10.3390/app11188619
16. Derekar K., Lawrence J., Melton G. et al. Influence of Interpass Temperature on Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) of Aluminium Alloy Components // MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 269 (7). 05001. DOI: 10.1051/matecconf/201926905001
17. Akpınar D. E., Dilibal S., Gürol U. Experimental investigation on WAAMbased functional hard-facing bimetallic part // Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy. 2024. Vol. 60. pp. 283–293. DOI: 10.2298/JMMB240505020A
18. Gürol U., Dilibal S., Turgut B. et al. Manufacturing and characterizaton of WAAM-based bimetallic cutting tool // International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry. 2022. Vol. 6. DOI: 10.46519/ij3dptdi.1210836
19. Chen Y., Xinde Z., Zhang W. et al. Enhanced strength-ductility synergy of bimetallic laminated steel structure of 304 stainless steel and lowcarbon steel fabricated by wire and arc additive manufacturing // Materials Science and Engineering. 2022. A. 856. 143984. DOI: 10.1016/j.msea.2022.143984
20. Munusamy S., Jerald J. Microstructural Characterization, Residual Stress Evaluation and Deformation Behaviour of Wire Arc Additive Manufactured Grade 91 Steel and Monel 400 Bimetallic Components // Metals and Materials International. 2025. Vol. 31 (5), pp. 2396–2416. DOI: 10.1007/s12540-025-01890-2
21. Xu Z., Li X., Li S. et al. Wire arc additive manufacturing of CuAl8Ni2/42CrMo bimetallic deposition: microstructure and properties // Journal of Materials Science. 2025. Vol. 60, pp. 2623–2639. DOI: 10.1007/s10853-024-10578-8
22. Banerjee A., Souza P., McKegney S. et al. Near-net-shape wire-arc additive manufacturing (WAAM) of bimetallic P22 steel and Inconel 625: microstructure–property correlations // Progress in Additive Manufacturing. 2026. Vol. 11, pp. 3125–3135. DOI: 10.1007/s40964-025-01511-9
23. Kesarwani S., Yuvaraj N. Optimization of CMT-WAAM process parameters to minimize the porosity and surface roughness in bimetallic wall of aluminium alloys // Weld World. 2025. Vol. 69. pp. 989–1002. DOI: 10.1007/s40194-024-01900-8
24. Wang Y., Zhang S., Li H. et al. Wire arc additive manufacturing of 7075/5356 aluminum alloy laminated composite: Microstructure, mechanical properties and fracture mechanism // Weld World. 2025. Vol. 69. pp. 1515–1528. DOI: 10.1007/s40194-025-02019-0
25. Chen, X., Li, J., Cheng, X. et al. Microstructure and mechanical properties of the austenitic stainless steel 316L fabricated by gas metal arc additive manufacturing // Materials Science and Engineering. 2017. A. 703. pp. 567–577. DOI: 10.1016/j.msea.2017.05.024
26. Gürol U., Kocaman E., Dilibal, S., Koçak M. A. comparative study on the microstructure, mechanical properties, wear and corrosion behaviors of SS 316 austenitic stainless steels manufactured by casting and WAAM technologies // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. Vol. 47, 215-227 (2023). DOI: 10.1016/j.cirpj.2023.10.005
27. Кабалдин Ю. Г., Сорокина С. А., Чернигин М. А. и др. Влияние режима аустенитизации на структуру аустенитной стали 07Х25Н13, полученной методом WAAM // Черные металлы. 2024. № 2. С. 59–65.
28. Никулин С. А., Рогачев С. О., Белов В. А. и др. Структура и свойства сталей для конструкции устройства локализации расплава атомных реакторов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2023. № 66 (3). С. 356–366. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-3-356-366
29. Khlybov A., Kabaldin Yu., Ryabov D. et al. Evaluating the cold resistance of the 09G2S steel with use of physical acoustics parameters // AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2315. 040019. DOI: 10.1063/5.0036953