Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University96910.18323/2782-4039-2024-3-69-6ArticlesСтатьиResearch ArticleThe influence of 3D printing mode on the chemical composition and structure of 30HGSA steelВлияние режима 3D-печати на химический состав и структуру стали 30ХГСАKabaldinYury G.КабалдинЮрий Георгиевич
Russian Federation

Doctor of Sciences (Engineering), Professor, professor of Chair “Technology and Equipment of Mechanical Engineering”

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология и оборудование машиностроения»

uru.40@mail.ruAnosovMaksim S.АносовМаксим Сергеевич
Russian Federation

PhD (Engineering), Associate Professor, assistant professor of Chair “Technology and Equipment of Mechanical Engineering”

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технология и оборудование машиностроения»

anosov.ms@nntu.ruMordovinaYuliya S.МордовинаЮлия Сергеевна
Russian Federation

postgraduate student, educational process engineer of the Institute of Retraining of Specialists

аспирант, инженер по учебному процессу института переподготовки специалистов

ips4@nntu.ruCherniginMikhail A.ЧернигинМихаил Алексеевич
Russian Federation

postgraduate student, engineer of Chair “Technology and Equipment of Mechanical Engineering”

аспирант, инженер кафедры «Технология и оборудование машиностроения»

honeybadger52@yandex.ruR.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical UniversityНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева30092024363731610202416102024Copyright ©; 2024, Kabaldin Y.G., Anosov M.S., Mordovina Y.S., Chernigin M.A.Copyright ©; 2024, Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Мордовина Ю.С., Чернигин М.А.2024Kabaldin Y.G., Anosov M.S., Mordovina Y.S., Chernigin M.A.Кабалдин Ю.Г., Аносов М.С., Мордовина Ю.С., Чернигин М.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/969

The authors carried out the study of the influence of 3D printing modes on the structure and chemical composition of 30HGSA steel (chromansil) samples produced by the method of additive electric arc surfacing. To study the influence of the electric arc surfacing mode on the chemical composition of the steel under study, an optical emission analysis of the samples was carried out. The influence of the surfacing mode on the resulting structure was assessed over the entire height of the deposited walls at magnifications of ×50, ×100, ×200 and ×500. Optical emission analysis identified a change in the material chemical composition associated with the loss of chemical elements. It was found that the degree of loss of C, Cr and Si increases almost linearly and is directly proportional to the surfacing heat input (Q, J/mm). The exact influence of an increase in the surfacing heat input on the Mn content was not found, but a relationship between the degree of its loss and the voltage (U, V) during surfacing of samples was identified. Microstructural studies of all samples did not reveal a large number of systemically formed structural defects characteristic of cast and welded products (pores, shrinkage cavities, etc.), which confirms the high quality of the metal in goods produced by electric arc surfacing. Analysis of micrographs taken in different areas of the samples allowed determining that the metal microstructure does not undergo significant changes under different surfacing modes; the main tendencies in changes in the structure along the height of the sample are preserved. All samples demonstrated the formation of a highly dispersed structure, regardless of the 3D printing parameters. The most favorable metal structure, suitable for subsequent use in the production of goods using additive manufacturing, was recognized as the structure of the sample deposited using mode No. 5 (I=160 A, U=24 V, Q=921.6 J/mm). This mode can be used for further study of the problems of additive electric arc surfacing of 30HGSA steel.

Проведено исследование влияния режимов 3D-печати на структуру и химический состав образцов из стали 30ХГСА (хромансиль, англ. chromansil), полученных методом аддитивной электродуговой наплавки. Для исследования влияния режима электродуговой наплавки на химический состав исследуемой стали проведен оптико-эмиссионный анализ образцов. Оценка влияния режима наплавки на получаемую структуру проводилась по всей высоте наплавленных стенок при увеличениях ×50, ×100, ×200 и ×500. В ходе оптико-эмиссионного анализа выявлено изменение химического состава материала, связанное с угаром химических элементов. Установлено, что степень угара C, Cr и Si растет практически линейно и прямо пропорциональна погонной энергии наплавки (Q, Дж/мм). Точного влияния роста величины погонной энергии наплавки на содержание Mn не установлено, но выявлена взаимосвязь между степенью его угара и напряжением (U, В) при наплавке образцов. В ходе микроструктурных исследований всех образцов не выявлено большого количества системно образовавшихся структурных дефектов, характерных для литых и сварных изделий (поры, усадочные раковины и т. д.), что подтверждает высокое качество металла в изделиях, полученных методом электродуговой наплавки. Анализ микроснимков, сделанных на различных участках образцов, позволил определить, что микроструктура металла не претерпевает сильных изменений при разных режимах наплавки, сохраняются основные тенденции изменения структуры по высоте образца. На всех образцах отмечено получение высокодисперсной структуры вне зависимости от параметров 3D-печати. Наиболее благоприятной структурой металла, подходящей для последующего использования при производстве изделий методом 3D-печати, признана структура образца, наплавленного по режиму № 5 (I=160 А, U=24 В, Q=921,6 Дж/мм). Данный режим может быть использован для дальнейшего изучения проблем аддитивной электродуговой наплавки стали 30ХГСА.

30HGSA steeladditive electric arc surfacingoptical emission analysismetallographic studyadditive manufacturingсталь 30ХГСАаддитивная электродуговая наплавкаоптический эмиссионный анализметаллографические исследования3D-печатьИсследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 22-79-00095 «Разработка научно-технологических основ структурообразования конструкционных материалов полученных путем аддитивного электродугового выращивания для формирования механических свойств при усталости с использованием подходов искусственного интеллекта», https://www.rscf.ru/project/22-79-00095/.Li Johnnie Liew Zhong, Alkahari M.R., Rosli N.A.B., Hasan R., Sudin M.N., Ramli F.R. Review of Wire Arc Additive Manufacturing for 3D Metal Printing. International Journal of Automation Technology, 2019, vol. 13, no. 3, pp. 346–353. DOI: 10.20965/ijat.2019.p0346.Li Johnnie Liew Zhong, Alkahari M.R., Rosli N.A.B., Hasan R., Sudin M.N., Ramli F.R. Review of Wire Arc Additive Manufacturing for 3D Metal Printing // International Journal of Automation Technology. 2019. Vol. 13. № 3. P. 346–353. DOI: 10.20965/ijat.2019.p0346.Ding Donghong, Pan Zengxi, Cuiuri D., Li Huijun. Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, vol. 81, pp. 465–481. DOI: 10.1007/s00170-015-7077-3.Ding Donghong, Pan Zengxi, Cuiuri D., Li Huijun. Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 81. P. 465–481. DOI: 10.1007/s00170-015-7077-3.Wu Bintao, Pan Zengxi, Ding Donghong, Cuiuri D., Li Huijun, Xu Jing, Norrish J. A review of the wire arc additive manufacturing of metals: Properties, defects and quality improvement. Journal of Manufacturing Processes, 2018, vol. 35, pp. 127–139. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.08.001.Wu Bintao, Pan Zengxi, Ding Donghong, Cuiuri D., Li Huijun, Xu Jing, Norrish J. A review of the wire arc additive manufacturing of metals: Properties, defects and quality improvement // Journal of Manufacturing Processes. 2018. Vol. 35. P. 127–139. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.08.001.Oskolkov A.A., Matveev E.V., Bezukladnikov I.I., Trushnikov D.N., Krotova E.L. Advanced technologies for additive manufacturing of metal product. Bulletin of Perm national research polytechnic university. Mechanical engineering, materials science, 2018, vol. 20, no. 3, pp. 90–105. DOI: 10.15593/2224-9877/2018.3.11.Осколков А.А., Матвеев Е.В., Безукладников И.И., Трушников Д.Н., Кротова Е.Л. Передовые технологии аддитивного производства металлических изделий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2018. Т. 20. № 3. С. 90–105. DOI: 10.15593/2224-9877/2018.3.11.Cunningham C.R., Wikshåland S., Xu F., Kemakolam N., Shokrani A., Dhokia V., Newman S.T. 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.Cunningham C.R., Wikshåland S., Xu F., Kemakolam N., Shokrani A., Dhokia V., Newman S.T. Cost modelling and sensitivity analysis of wire and arc additive manufacturing // Procedia Manufacturing. 2017. Vol. 11. P. 650–657. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.163.Pant H., Arora A., Gopakumar G.S., Chadha U., Saeidi A., Patterson A.E. Applications of wire arc additive manufacturing (WAAM) for aerospace component manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, vol. 127, pp. 4995–5011. DOI: 10.1007/s00170-023-11623-7.Pant H., Arora A., Gopakumar G.S., Chadha U., Saeidi A., Patterson A.E. Applications of wire arc additive manufacturing (WAAM) for aerospace component manufacturing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2023. Vol. 127. P. 4995–5011. DOI: 10.1007/s00170-023-11623-7.Wang Fude, Williams S., Rush M. Morphology investigation on direct current pulsed gas tungsten arc welded additive layer manufactured Ti6Al4V alloy. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, vol. 57, pp. 597–603. DOI: 10.1007/s00170-011-3299-1.Wang Fude, Williams S., Rush M. Morphology investigation on direct current pulsed gas tungsten arc welded additive layer manufactured Ti6Al4V alloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2011. Vol. 57. P. 597–603. DOI: 10.1007/s00170-011-3299-1.Ahmadkhaniha D., Möller H., Zanella C. Studying the Microstructural Effect of Selective Laser Melting and Electropolishing on the Performance of Maraging Steel. Journal of Materials Engineering and Performance, 2021, vol. 30, pp. 6588–6605. DOI: 10.1007/s11665-021-05927-6.Ahmadkhaniha D., Möller H., Zanella C. Studying the Microstructural Effect of Selective Laser Melting and Electropolishing on the Performance of Maraging Steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2021. Vol. 30. P. 6588–6605. DOI: 10.1007/s11665-021-05927-6.Beese A.M., Carroll B.E. Review of mechanical properties of Ti–6Al–4V made by laser-based additive manufacturing using powder feedstock. JOM, 2016, vol. 68, pp. 724–734. DOI: 10.1007/s11837-015-1759-z.Beese A.M., Carroll B.E. Review of mechanical properties of Ti–6Al–4V made by laser-based additive manufacturing using powder feedstock // JOM. 2016. Vol. 68. P. 724–734. DOI: 10.1007/s11837-015-1759-z.Kirka M.M., Lee Y., Greeley D.A., Okello A., Goin M.J., Pearce M.T., Dehoff R.R. Strategy for texture management in metals additive manufacturing. JOM, 2017, vol. 69, pp. 523–531. DOI: 10.1007/s11837-017-2264-3.Kirka M.M., Lee Y., Greeley D.A., Okello A., Goin M.J., Pearce M.T., Dehoff R.R. Strategy for texture management in metals additive manufacturing // JOM. 2017. Vol. 69. P. 523–531. DOI: 10.1007/s11837-017-2264-3.Williams S.W., Martina F., Addison A.C., Ding J., Pardal G., Colegrove P. Wire + arc additive manufacturing. Materials Science and Technology, 2016, vol. 32, no. 7, pp. 641–647. DOI: 10.1179/1743284715Y.0000000073.Williams S.W., Martina F., Addison A.C., Ding J., Pardal G., Colegrove P. Wire + arc additive manufacturing // Materials Science and Technology. 2016. Vol. 32. № 7. P. 641–647. DOI: 10.1179/1743284715Y.0000000073.Gu Jianglong, Ding Jialuo, Williams S.W., Gu Huimin, Bai Jing, Zhai Yuchun, Ma Peihua. The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al–6.3Cu alloy. Materials Science and Engineering: A, 2016, vol. 651, pp. 18–26. DOI: 10.1016/j.msea.2015.10.101.Gu Jianglong, Ding Jialuo, Williams S.W., Gu Huimin, Bai Jing, Zhai Yuchun, Ma Peihua. The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al–6.3Cu alloy // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 651. P. 18–26. DOI: 10.1016/j.msea.2015.10.101.Guo Nannan, Leu Ming. Additive manufacturing: Technology, applications and research needs. Frontiers of Mechanical Engineering, 2013, vol. 8, pp. 215–243. DOI: 10.1007/s11465-013-0248-8.Guo Nannan, Leu Ming. Additive manufacturing: Technology, applications and research needs // Frontiers of Mechanical Engineering. 2013. Vol. 8. P. 215–243. DOI: 10.1007/s11465-013-0248-8.Xu Fujia, Lv Yaohui, Liu Yuxin, Shu Fengyuan, He Peng, Xu Binshi. Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Inconel 625 Alloy during Pulsed Plasma Arc Deposition Process. Journal of Material Science and Technology, 2013, vol. 29, no. 5, pp. 480–488. DOI: 10.1016/j.jmst.2013.02.010.Xu Fujia, Lv Yaohui, Liu Yuxin, Shu Fengyuan, He Peng, Xu Binshi. Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Inconel 625 Alloy during Pulsed Plasma Arc Deposition Process // Journal of Material Science and Technology. 2013. Vol. 29. № 5. P. 480–488. DOI: 10.1016/j.jmst.2013.02.010.Kudryashov V.A., Lapyshev A.A. The creation of additive technologies taking into account the fatigue behaviour of a material in aviation engineering. Izvestiya of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2018, vol. 20, no. 4-3, pp. 406–413. EDN: YVOALR.Кудряшов В.А., Лапышев А.А. Создание аддитивных технологий с учетом усталостного поведения материала в авиационном инжиниринге // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2018. Т. 20. № 4-3. С. 406–413. EDN: YVOALR.Kubanova A.N., Sergeev A.N., Dobrovolskiy N.M., Gvozdev A.E., Medvedev P.N., Maliy D.V. Materials and technologies for production products by additive manufacturing. Chebyshevskii sbornik, 2019, vol. 20, no. 3, pp. 453–477. DOI: 10.22405/2226-8383-2019-20-3-453-477.Кубанова А.Н., Сергеев А.Н., Добровольский Н.М., Гвоздев А.Е., Медведев П.Н., Малий Д.В. Особенности материалов и технологий аддитивного производства изделий // Чебышевский сборник. 2019. Т. 20. № 3. С. 453–477. DOI: 10.22405/2226-8383-2019-20-3-453-477.Terentev V.F., Korableva S.A. Ustalost metallov [Fatigue of metals]. Moscow, Nauka Publ., 2015. 484 p.Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. М.: Наука, 2015. 484 с.Kabaldin Yu.G., Shatagin D.A., Anosov M.S., Kolchin P.V., Kiselev A.V. Diagnostics of 3D printing on a CNC machine by machine learning. Russian engineering research, 2021, vol. 41, no. 4, pp. 320–324. DOI: 10.3103/S1068798X21040109.Кабалдин Ю.Г., Шатагин Д.А., Аносов М.С., Колчин П.В., Киселев А.В. Диагностика процесса 3D-печати на станке с ЧПУ с использованием подходов машинного обучения // Вестник машиностроения. 2021. № 1. С. 55–59. DOI: 10.36652/0042-4633-2021-1-55-59.Atroshchenko V.V., Tefanov V.N., Kraev K.A. Revisited the control of metal transfer during welding by consumable electrode with a short circuit of arc interval. Vestnik USATU, 2008, vol. 11, no. 2, pp. 146–154. EDN: JXECOH.Атрощенко В.В., Тефанов В.Н., Краев К.А. К вопросу об управлении переносом электродного металла при дуговой сварке плавящимся электродом с короткими замыканиями дугового промежутка // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2008. Т. 11. № 2. С. 146–154. EDN: JXECOH.Anosov M.C., Shatagin D.A., Chernigin M.A., Mordovina Yu.S., Anosova E.S. Structure formation of Np-30KHGSA alloy in wire and arc additive manufacturing. Izvestiya. Ferrous Metallurgy (Izvestiya vuzov. Chernaya Metallurgiya), 2023, vol. 66, no. 3, pp. 294–301. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-3-294-301.Аносов М.C., Шатагин Д.А., Чернигин М.А., Мордовина Ю.С., Аносова Е.С. Структурообразование сплава Нп-30ХГСА при аддитивном электродуговом выращивании // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2023. Т. 66. № 3. С. 294–301. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-3-294-301.Jovičević-Klug P., Lipovšek N., Jovičević-Klug M., Podgornik B. Optimized Preparation of Deep Cryogenic Treated Steel and Al-alloy Samples for Optimal Microstructure Imaging Results. Materials Today Communications, 2021, vol. 27, article number 102211. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2021.102211.Jovičević-Klug P., Lipovšek N., Jovičević-Klug M., Podgornik B. Optimized Preparation of Deep Cryogenic Treated Steel and Al-alloy Samples for Optimal Microstructure Imaging Results // Materials Today Communications. 2021. Vol. 27. Article number 102211. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2021.102211.Rybakov A.A., Filipchuk T.N., Demchenko Yu.V. Optimization of the chemical composition and structure of the metal of repair welds when fixing defects in welded pipe joints using multilayer welding. The Paton Welding Journal, 2013, no. 12, pp. 24–30. EDN: SYLXOT.Рыбаков А.А., Филипчук Т.Н., Демченко Ю.В. Оптимизация химического состава и структуры металла ремонтных швов при исправлении дефектов в сварных соединениях труб с применением многослойной сварки // Автоматическая сварка. 2013. № 12. С. 24–30. EDN: SYLXOT.Chinakhov D.A., Skakov M.K., Gradoboev A.V., Uvaliev B.K., Sharov V.V. Change of microstructure and mechanical properties of multilayered connections from steel 30XGSA at fusion welding using different methods. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2008, vol. 313, no. 2, pp. 119–122. EDN: JVJFVT.Чинахов Д.А., Скаков М.К., Градобоев А.В., Увалиев Б.К., Шаров В.В. Изменение микроструктуры и механических свойств многослойных соединений из стали ЗОХГСА при сварке плавлением разными способами // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2008. Т. 313. № 2. С. 119–122. EDN: JVJFVT.Balyakin A.V., Zhuchenko E.I., Smirnov G.V., Pronichev N.D. The investigation of negative technological heredity appearance during GTE parts manufacturing by SLM method. Izvestiya of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2019, vol. 21, no. 1, pp. 61–70. EDN: XHSWIU.Балякин А.В., Жученко Е.И., Смирнов Г.В., Проничев Н.Д. Исследование проблем появления негативной технологической наследственности при изготовлении деталей ГТД методом селективного лазерного сплавления // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2019. Т. 21. № 1. С. 61–70. EDN: XHSWIU.Zhatkin S.S., Nikitin K.V., Deev V.B., Pankratov S.S., Dunaev D.A. Application of electric arc surfacing in the manufacturing of three-dimensional steel products. Izvestiya. Ferrous Metallurgy (Izvestiya vuzov. Chernaya Metallurgiya), 2020, vol. 63, no. 6, pp. 443–450. DOI: 10.17073/0368-0797-2020-6-443-450.Жаткин С.С., Никитин К.В., Деев В.Б., Панкратов С.С., Дунаев Д.А. Применение электродуговой наплавки для создания трехмерных объектов из стали // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 6. С. 443–450. DOI: 10.17073/0368-0797-2020-6-443-450.Wang Fude, Williams S., Colegrove P., Antonysamy A.A. Microstructure and Mechanical Properties of Wire and Arc Additive Manufactured Ti–6Al–4V. Metallurgical and Materials Transactions A, 2013, vol. 44, pp. 968–977. DOI: 10.1007/s11661-012-1444-6.Wang Fude, Williams S., Colegrove P., Antonysamy A.A. Microstructure and Mechanical Properties of Wire and Arc Additive Manufactured Ti–6Al–4V // Metallurgical and Materials Transactions A. 2013. Vol. 44. P. 968–977. DOI: 10.1007/s11661-012-1444-6.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, 2023, vol. 47, pp. 215–227. DOI: 10.1016/j.cirpj.2023.10.005.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. 2023. Vol. 47. P. 215–227. DOI: 10.1016/j.cirpj.2023.10.005.Takagi H., Sasahara H., Abe T., Sannomiya H., Nishiyama Sh., Ohta Sh., Nakamura K. Material-property evaluation of magnesium alloys fabricated using wire-and-arc-based additive manufacturing. Additive Manufacturing, 2018, vol. 24, pp. 498–507. DOI: 10.1016/J.ADDMA.2018.10.026.Takagi H., Sasahara H., Abe T., Sannomiya H., Nishiyama Sh., Ohta Sh., Nakamura K. Material-property evaluation of magnesium alloys fabricated using wire-and-arc-based additive manufacturing // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 24. P. 498–507. DOI: 10.1016/J.ADDMA.2018.10.026.Rodrigues T.A., Duarte V., Miranda R.M., Santos T.G., Oliveira J.P. Current Status and Perspectives on Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM). Materials, 2019, vol. 12, no. 7, article number 1121. DOI: 10.3390/ma12071121.Rodrigues T.A., Duarte V., Miranda R.M., Santos T.G., Oliveira J.P. Current Status and Perspectives on Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) // Materials. 2019. Vol. 12. № 7. Article number 1121. DOI: 10.3390/ma12071121.