Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева (Нижний Новгород, Россия)
М. С. Аносов, доцент кафедры «Технология и оборудование машиностроения», к.т.н., доцент
Д. А. Рябов, к.т.н., доцент кафедры «Материаловедения, технологии материалов и термическая обработка металлов», riabov.da@nntu.ru
Технология электродугового аддитивного выращивания (WAAM) перспективна для производства крупногабаритных изделий, но ее внедрение сдерживается анизотропией свойств, ростом крупных столбчатых зерен и остаточными напряжениями. Особенно остро эти проблемы стоят для стали 09Г2С (судостроение, трубопроводы) и стали AISI 316L (химическое и нефтегазовое машиностроение). Дисперсное порошковое легирование (введение в сварочную ванну микронных (до 50 мкм) металлических частиц) позволяет управлять структурой и свойствами металлов и сплавов. Цель работы – установление закономерностей влияния типа легирующего высокодисперсного порошка (никелевого ПНК-УТ3, медного ПМС-1, алюминиевого ПАП-1 и нитинола (Ni-Ti)) при WAAM-печати на химический состав, микроструктуру и ее фрактальную размерность, а также твердость сталей 09Г2С и AISI 316L. С использованием разработанного автоматизированного модуля подачи порошка изучена стабильность горения дуги, микроструктура, твердость и фрактальная размерность получаемого металла. Показано, что стабильность WAAM-процесса определяется расходом порошка (оптимальным является расход 4 г/с), а послойная подача через разработанное устройство обеспечивает равномерное распределение легирующих элементов. Установлено, что для стали 09Г2С высокодисперсное легирование никелем способствует формированию игольчатой бейнитной структуры с повышением твердости на 30,1 %. Максимальный прирост твердости (на 32,7 %) зафиксирован при использовании медного порошка (ПМС-1). Для аустенитной стали AISI 316L легирование практически не изменяет твердость из-за полного растворения элементов в кристаллической решетке аустенита, однако приводит к измельчению и изменению морфологии дендритной структуры. Для стали AISI 316L критическим ограничением является образование горячих трещин при легировании медью (порошком ПМС-1).
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 25-19-00534 «Разработка научных основ усталостного разрушения послойно модифицированных композиционных материалов, полученных аддитивной электродуговой наплавкой».
1. Williams S. W., Martina F., Addison A. C. (et al). Wire + arc additive manufacturing // Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32. №7. pp. 641–647. DOI: 10.1179/1743284715Y.0000000073
2. Cunningham C. R., Flynn J. M., Shokrani A. (et al). Invited review article: Strategies and processes for high quality wire arc additive manufacturing // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 22. pp. 672–686. DOI: 10.1016/j.addma.2018.06.020
3. Рябов Д. А., Аносов М. С., Хлыбов А. А. Исследование усталостных структурных изменений в образцах из стали 09Г2С, полученных методом WAAM. Черные металлы. 2023. № 3. С. 52–57.
4. Karlina A. I., Kondratyev V. V., Balanovskiy A. E. (et al). Porosity reduction in metal with hybrid wire and arc additive manufacturing technology (WAAM) // CIS Iron and Steel Review. 2024. Vol. 27. pp. 91–95.
5. Sokoluk M., Cao C., Pan S., Li X. Nanoparticle-enabled phase control for arc welding of unweldable aluminum alloy 7075 // Nature Communications. 2019. Vol. 10. Article 98. DOI: 10.1038/s41467-018-07989-y
6. Martin J. H., Yahata B. D., Hundley J. M. (et al). 3D printing of high-strength aluminium alloys // Nature. 2017. Vol. 549. № 7672. pp. 365–369. DOI: 10.1038/nature23894
7. Wang X., Wang H., Ma G., Wang Y. Microstructure and mechanical properties of TIG welded aluminum alloy joints with nanoparticle injection // Materials Research Express. 2022. Vol. 9. Article 066510. DOI: 10.1088/2053-1591/ac75ea
8. Zhao H., Liu L., Wang C. (et al). Nanoparticle-enhanced laser welding of dissimilar metals: mechanisms and applications // Journal of Materials Processing Technology. 2021. Vol. 296. Article 117233. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117233
9. Surner N., Fuse K., Wakchaure K., Patel V. Wire arc additive manufacturing: A review on quality enhancement using nano-particle reinforcement // Journal of Materials Research and Technology. 2025. Vol. 41. P. 834–862. DOI: 10.1016/j.jmrt.2025.12.095
10. Чернигин М. А., Аносов М. С., Шатагин Д. А. и др. Влияние легирования нанопорошками на структуру и твердость стали 09Г2С, полученной методом электродугового аддитивного выращивания // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2024. Т. 22. № 3. С. 55–64. DOI: 10.18503/1995-2732-2024-22-3-55-64
11. Świerczyńska A., Varbai B., Pandey C. (et al). Exploring the trends in fluxcored arc welding: scientometric analysis approach // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2024. Vol. 130. pp. 87–110. DOI: 10.1007/s00170-023-12682-6
12. Wolski A., Świerczyńska A., Lentka G., Fydrych D. Storage of high-strength steel flux-cored welding wires in urbanized areas // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing – Green Technology. 2023. DOI: 10.1007/s40684-023-00447-0
13. Han B., Zhang Y., Wang H. Plasma arc welding-brazing of aluminum to copper with SiO2 nanoparticles: Microstructure and mechanical properties // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 66. pp. 106–117. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.03.014
14. Kumar S., Rajpurohit R. S. Nanomaterials in welding: A review on recent developments // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 59. pp. 406–417. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.09.042
15. Mahato B., Ramesh C. Enhancement in arc stability and bead quality with TiO2 nanoparticles added to rutile electrodes // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 62. pp. 1712–1717. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.02.038
16. Линник А. А., Панкратов А. С., Коберник Н. В. Влияние наноразмерных порошков карбида вольфрама на структуру и свойства металла шва // Новые материалы и технологии. 2013. № 6. С. 66–71.
17. Li Z., Zhang Q., Yan L.X. (et al). An analysis of gas metal arc welding using the Lyapunov exponent. Materials and Manufacturing Processes. 2013. Vol. 28. № 3. pp. 213–219. DOI: 10.1080/10426914.2012.746708
18. Fattahi A., Ghaheri H. (et al). Applying the ultrasonic vibration during TIG welding as a promising approach for the development of nanoparticle dispersion strengthened aluminum weldment // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 276. pp. 116–123. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116386
19. Аносов М. С., Рябов Д. А., Чернигин М. А., Соловьев А. А. Неразрушающий контроль накопления усталостных повреждений в стали Св-09Г2С, полученной 3D-печатью электродуговой наплавкой // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2023. Т. 21. № 2. С. 47–53. DOI: 10.18503/1995-2732-2023-21-2-47-53
20. Mancerov S, Kurkin A, Anosov M. Fractal analysis for failure prediction of parts produced by wire arc additive manufacturing // Metals. 2024. Vol. 14, № 9. Article 995. DOI: 10.3390/met14090995
21. Meftakhutdinov R. M. First-principles study of the interaction of solutes with Σ3 (11-1) symmetric tilt grain boundaries in α-Fe // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2024. Vol. 32. № 7. 075002. DOI: 10.1088/1361-651X/ad6ea9
22. Заводинский В. Г., Горкуша О. А., Орлов Е. Ю., Кузьменко А. П. Электронные свойствa фрагментов (колец) нанотрубок нитрида бора: моделирование методом теории функционала плотности // Физика и техника полупроводников. 2025. Т. 59. № 1. С. 8–12.
23. Kabaldin Y., Shatagin D., Ryabov D. Microstructure, Phase Composition, and Mechanical Properties of a Layered Bimetallic Composite ER70S-6-ER309LSI Obtained by the WAAM Method // Metals. 2023. Vol. 13. 851. DOI: 10.3390/met13050851