High-Cycle Tensile and Torsional Fatigue of AlSi10Mg Aluminum Alloy Produced by Selective Laser Alloying

Abstract


The article presents the results of cyclic and static mechanical tests for tension and torsion of samples grown in different areas using selective laser melting from ASP35 aluminum powder. The results of macro- and microstructural studies of the obtained additive aluminum alloy AlSi10Mg are presented. It is shown that in the deposited aluminum alloy array there are pores of various sizes and unfused particles of aluminum powder. Specimens for torsion and tensile tests are made from grown cylindrical blanks using the mechanical processing method. For cyclic tensile tests, a corset shape of the working part of the sample is chosen due to high sensitivity of the resulting AlSi10Mg alloy to stress concentration. Torsional fatigue tests are carried out using samples with a cylindrical working part. A series of cyclic tests is carried out in tension and torsion in the region of high-cycle fatigue in the soft loading mode under a symmetric stress cycle. Tensile and torsional fatigue curves are plotted for different orientations of the grown samples. A comparison is made of the anisotropy coefficient values of mechanical properties during tensile and torsional fatigue and the anisotropy coefficients during static tensile and torsion tests. It was found that during cyclic torsion the coefficient of anisotropy of properties is greater than during static tests and cyclic tensile tests. Based on the results of cyclic tensile tests, the endurance limit of the considered aluminum alloy is determined for all directions of the specimen growth. An analysis of the fracture surfaces of the samples after cyclic tensile tests is carried out. It has been shown that cyclic durability is most influenced by defects in the form of pores and unmelted particles of aluminum powder.

Full Text

Проблема усталости материалов хорошо изучена с экспериментальной и теоретической точек зрения при одноосном и двухосном нагружении для изотропных конструкционных сплавов [1-5]. Однако, для аддитивных конструкционных материалов, которые обладают значительной анизотропией механических свойств, в литературе недостаточно данных об их механическом поведении в условиях усталости. Большая часть публикаций о сопротивлении усталости в условиях растяжения разных аддитивных материалов представлена для углов ориентаций образцов 0 и 90 градусов. Для аддитивных конструкционных материалов, изготовленных по разным технологиям, характерным является зависимость статических и циклических свойств от направления выращивания или от направления вырезки образцов. Поэтому важным представляется, в том числе, изучение "ориентационного" механического поведения аддитивных материалов, полученных методом селективного лазерного сплавления, при циклическом нагружении. В настоящее время в технологические процессы тяжелого машиностроения широко внедряются аддитивные технологии, имеющие ряд преимуществ перед традиционными процессами изготовления [6-9]. Одним из видов аддитивных технологий является послойное селективное лазерное сплавление, использующее лазеры высокой мощности для создания трехмерных деталей и элементов конструкций сложной формы из металлических порошков [7; 10; 11]. Данная технология позволяет создавать изделия с высокой точностью, сложной формой и с разнообразной геометрией внутренних элементов, пустот и каналов, что невозможно создать при традиционных технологиях литья и механической обработки. К примеру, в статьях [12-14] показано как с помощью топологической оптимизации добиваются существенного снижения масс деталей, не снижая эксплуатационные характеристики деталей. При несомненных преимуществах данной технологии имеется и ряд существенных недостатков: высокая себестоимость продукции, относительно небольшие размеры изготавливаемых изделий и обязательная сертификация порошков из конструкционных сплавов. После производства аддитивными методами материалы характеризуются анизотропией статических и циклических механических свойств [7; 15-19], что обусловлено природой процессов послойного формирования изделий. Деформационные и прочностные свойства получаются различными в зависимости от направления внутри материала. Особенно заметна анизотропия усталостных свойств аддитивных материалов, которая сохраняется после различных видов термообработки полученных изделий [17; 20]. Рассмотренный комплекс проблем аддитивных материалов приводит к необходимости создания и развития моделей, позволяющих спрогнозировать свойства и механическое поведение этих материалов [21-23]. На механические свойства получаемых изделий значительное влияние оказывает состав используемых порошков, технологические параметры изготовления, режимы работы оборудования [24-28], последующая термическая обработка [17; 29] и т.п. Так в [32] на примере сплава АК9ч показано, что наилучшие прочностные показатели имеет материал в синтезированном состоянии, в то время как любой последующий нагрев приводит к ухудшению данных показателей. В статье [26] авторы с помощью подбора технологических параметров добивались существенного уменьшения размера зерна, что приводило к увеличению усталостной долговечности при заданных параметрах нагружения. В статье [30] проводится моделирование процесса лазерного сплавления порошка AlSi10Mg и приведена модель связи технологических параметров, таких как размер пятна лазера, скорость сканирования и мощность лазера с пористостью полученного аддитивного материала. Приведены результаты, иллюстрирующие влияние мощности лазера и скорости сканирования на размер и количество пор в аддитивном материале. А в статьях [31; 33] представлены результаты комплексного экспериментального исследования зависимостей между процессом сплавления, микроструктурой, дефектами в виде пор и механическими свойствами аддитивного алюминиевого сплава AlSi10Mg. Однако при плохом подборе параметров наблюдается появление большого количества дефектов (пор, несплавленных частиц порошка, трещин, полостей, остаточных напряжений и деформаций и т.п.), что негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках материала [34]. В статье [35] использовали методы машинного обучения для получения оптимальных параметров наплавки для мультиматериала AlSi10Mg-316L. При изготовлении деталей аддитивными методами большой проблемой являются остаточные напряжения, вызванные большими градиентами температуры при локальном нагреве и условиями охлаждения объемов материала в разных частях наплавленной конструкции. Авторами статьи [36] изучалось влияние размеров поддержек для нависающих конструкций, полученных методом селективной лазерной наплавки порошка AlSi10Mg, на остаточные деформации в них. В статьях [37; 38] представлено конечно-элементное моделирование термического поведения материала во время наплавки, что позволило прогнозировать остаточные напряжения и деформации. Необходимым условием для прогнозирования механического поведения материалов при численном моделировании на этапе разработки конструкции [22; 24] является наличие экспериментальной базы результатов механических испытаний при статическом и циклическом нагружении. Поэтому актуальным является оценка анизотропии механических свойств и проведение комплексных экспериментальных исследований механического поведения аддитивных материалов при разных видах статического и циклического нагружения.

About the authors

A. V Ilinykh

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

A. M Pankov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

A. V Lykova

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

  1. Никитин И.С., Бураго Н.Г., Никитин А.Д., Якушев В.Л. Определение критической плоскости и оценка усталостной долговечности при различных режимах циклического нагружения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2017. – No 4. – С. 238–252. doi: 10.15593/perm.mech/2017.4.1
  2. Бураго Н.Г., Никитин И.С., Никитин А.Д., Стратула Б.А. Оценка усталостной долговечности и определение критической плоскости при многоосном циклическом нагружении с произвольным сдвигом фаз // Вестник Пермского национального исследо-вательского политехнического университета. Механика. 2019. No 3. С.27-36. doi: 10.15593/perm.mech/2019.3.0
  3. Ломакин Е.В., Третьяков М.П., Ильиных А.В., Лыкова А.В. Механическое поведение конструкционной стали ЭП517Ш при двухосной малоцикловой усталости в условиях нормальных и повышенных температур // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. –2019. – No 1. – С. 77-86. doi: 10.15593/perm.mech/2019.1.0
  4. B. Malek, C. Mabru, M. Chaussumier Fatigue behavior of 2618-T851 aluminum alloy under uniaxial and multiaxial loadings // Int. J. Fatigue. – 2022. – 131, 105322. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2019.10532
  5. A.S. Yankin, A.V. Lykova, A.I. Mugatarov, V.E. Wildemann, A.V. Ilinykh Influence of additional static stresses on biaxial low-cycle fatigue of 2024 aluminum alloy // Fracture and Structural Integrity. – 2022. – Vol. 16, № 62. – pp. 180-193
  6. Igisenov B.K., Selective laser sintering of metals in additive technologies / B.K.Igisenov, V.Е. Kasutin, А.V. Kreymer, К.V. Viblov // BULLETIN OF CONTEMPORARY RESEARCH. - 2018. - No. 4.2 (19). - pp. 235-239
  7. Dirk Herzog, Additive manufacturing of metals / Vanessa Seyda, Eric Wycisk, Claus Emmelmann// Acta Materialia 117 (2016) 371-392
  8. T. DebRoy, H. Wei, J. Zuback, T. Mukherjee, J. Elmer, J. Milewski, A. Beese, A. Wilson–Heid, A. De, W. Zhang, Progress in Materials Science 92, 112 (2018
  9. Lodha, S., Song, B., Park, SI. et al. Sustainable 3D printing with recycled materials: a review. J Mech Sci Technol 37, 5481–5507 (2023). https://doi.org/10.1007/s12206-023-1001-
  10. Dinin N.V., Zavodov A.V., Oglodkov M.S., Hasikov D.V. Influence of the parameters of the selective laser melting process on the structure of the aluminum alloy of the system AL-SI-MG // VIAM Proceedings. – 2017. – No. 10(58). – pp. 1–14
  11. John H. Martin, 3D printing of high-strength aluminium alloys/Brennan D. Yahata, Jacob M. Hundley, Justin A. Mayer, Tobias A. Schaedler, Tresa M. Pollock//NATURE - vol 5 4 9 – 2017 – pp. 365-379
  12. Ramadugu, S., Ledella, S., Gaduturi, J. et al. Environmental life cycle assessment of an automobile component fabricated by additive and conventional manufacturing. Int J Interact Des Manuf (2023). https://doi.org/10.1007/s12008-023-01532-
  13. Topology optimization of a gas-turbine engine part / R.N. Faskhutdinov, A.S. Dubrovskaya, K.A. Dongauzer, P.V. Maksimov, N.A. Trufanov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – Intern. Conf. on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems. – 2017. – Vol. 177. – 5 p. – doi: 10.1088/1757-899X/177/1/01207
  14. Fetisov K.V., Maksimov P.V. Topology optimization and laser additive manufacturing in design process of efficiency lightweight aerospace parts // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1015. – 5 р. – doi: 10.1088/1742-6596/1015/5/052006/met
  15. Ilinykh A.V. Mechanical properties of AISI 321 steel obtained by selective laser melting //Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Aerospace engineering. - 2018. - No. 55. - pp. 103-109
  16. John J. Lewandowski, Mohsen Seifi, Metal Additive Manufacturing: A Review of Mechanical Properties// Annu. Rev. Mater. Res. 2016. 46:14.1–14.36.
  17. Tarik Hasib, M Fatigue crack growth behavior of laser powder bed fusion additive manufactured Ti-6Al-4V: Roles of post heat treatment and build orientation. / Ostergaard, H. E., Li, X., Kruzic, J. J. // International Journal of Fatigue, 142 (2021) doi: 10.1016/j.ijfatigue.2020.10595
  18. Паньков А.М., Ильиных А.В., Исследование зависимости механических характеристик SLM-образцов от направления выращивания. // Математическое Моделирование в Естественных Науках – 2021 - №1 – стр. 355-357
  19. Ullah, R., Akmal, J.S., Laakso, S.V.A. et al. Anisotropy of additively manufactured AlSi10Mg: threads and surface integrity. Int J Adv Manuf Technol 107, 3645–3662 (2020). https://doi.org/10.1007/s00170-020-05243-
  20. Сбитнева С.В., Лукина Е.А., Бенариеб И. Некоторые особенности структуры алюминиевых сплавов, полученных методом селективного лазерного сплавления (обзор) // Труды ВИАМ. 2023. № 1 (119). Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru. doi: 10.18577/2307-6046-2023-0-1-69-83
  21. Vladislavskaya E.Yu. Investigation of the mechanical characteristics of samples made of maraging steel 08Kh18K9M5T, synthesized by selective laser melting. // Materials of the XV Russian Annual Conference of Young Researchers and Postgraduates "Physical Chemistry and Technology of Inorganic Materials". Moscow, 2018. pp. 38–39
  22. Шмелев А.В. Расчетная оценка усталостной долговечности несущих конструкций карьерного самосвала на основе комплексного компьютерного моделирования процессов нагружения и накопления повреждений / Лисовский Э.В., Шляжко С.А., Литвинюк П.С., Хацкевич А.С. // Механика Машин, Механизмов и Материалов. – 2020 - № 1(50) – стр. 33-44
  23. Феклистова Е. В., Ильиных А.В., Численное моделирование НДС стержневых конструкций, изготовленных на основе аддитивных технологий. // Математическое Моделирование в Естественных Науках – 2021 - №1 – стр. 159-161
  24. Mahmoud, D. The influence of selective laser melting defects on the fatigue properties of Ti6Al4V porosity graded gyroids for bone implants. / Al-Rubaie, K. S., Elbestawi, M. A. // International Journal of Mechanical Sciences, 193 (2021) doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.10618
  25. Чижик С.А., Проектирование технологического оборудования для аддитивного и субтрактивного производства / Хейфец М.Л., Грецкий Н.Л. // Механика Машин, Механизмов и Материалов. – 2021 - № 1(54) – стр. 54-61
  26. Xie, C. Defect-correlated fatigue resistance of additively manufactured al-Mg4.5Mn alloy with in situ micro-rolling. / Wu, S., Yu, Y., Zhang, H., Hu, Y., Zhang, M., Wang, G. // Journal of Materials Processing Technology, 291 (2021) doi: 10.1016/j.jmatprotec.2020.117039.
  27. Rios, J.A.T., Zambrano-Robledo, P., Taborda, J.D.T. et al. Process parameters effect and porosity reduction on AlSi10Mg parts manufactured by selective laser melting. Int J Adv Manuf Technol 129, 3341–3351 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-12521-
  28. Carl Fischer, Christoph Schweizer Lifetime assessment of the process-dependent material properties of additive manufactured AlSi10Mg under low-cycle fatigue loading //MATEC Web of Conferences 326, 07003 (2020) https://doi.org/10.1051/matecconf/20203260700
  29. Стрижевская, Н. О. Исследование свойств алюминиевого сплава AlSi10Mg при изготовлении детали типа "корпус" с применением SLM-технологии аддитивного производства / Н. О. Стрижевская, Д. А. Гневашев, О. А. Быценко // Технология металлов. – 2022. – № 10. – С. 9-19. – doi: 10.31044/1684-2499-2022-0-10-9-19
  30. Babakan, A.M., Davoodi, M., Shafaie, M. et al. Predictive modeling of porosity in AlSi10Mg alloy fabricated by laser powder bed fusion: A comparative study with RSM, ANN, FL, and ANFIS. Int J Adv Manuf Technol 129, 1097–1108 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-12333-
  31. Luo, Z., Tang, W., Li, D. et al. Influence of laser process on the porosity-related defects, microstructure and mechanical properties for selective laser melted AlSi10Mg alloy. Int J Adv Manuf Technol 124, 281–296 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-022-10523-
  32. Demkovich N.A., Volkov I.A., Yablochnikov E.I Application of numerical modeling systems in the implementation of new production technologies. // Bulletin of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. - 2016. - No. 4-3. – pp. 459-463
  33. Леонтьева, Ю. О. Анализ макро- и микрокартины изломов образцов из алюминиевых сплавов alsi10mg аддитивного производства и 1163АТВ листового проката, разрушенных при испытаниях на сопротивление усталости / Ю. О. Леонтьева // Роль фундаментальных исследований при реализации Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года : Материалы VII всероссийской научно-технической конференции, Москва, 28 июня 2021 года. – Москва: Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, 2021. – С. 131-148
  34. Fedorenko, A., Anisotropy of mechanical properties and residual stress in additively manufactured 316l specimens / Fedulov, B., Kuzminova, Y., Evlashin, S., Staroverov, O., Tretyakov, M., .Akhatov, I. // Materials, 14(23), 2021, doi: 10.3390/ma1423717
  35. Miao, H., Yusof, F., Karim, M.S.A. et al. Process parameter optimisation for selective laser melting of AlSi10Mg-316L multi-materials using machine learning method. Int J Adv Manuf Technol 129, 3093–3108 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-12489-
  36. Xiaohui, J., Chunbo, Y., Honglan, G. et al. Effect of supporting structure design on residual stresses in selective laser melting of AlSi10Mg. Int J Adv Manuf Technol 118, 1597–1608 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-021-08010-
  37. Wang, L., Jiang, X., Zhu, Y. et al. An approach to predict the residual stress and distortion during the selective laser melting of AlSi10Mg parts. Int J Adv Manuf Technol 97, 3535–3546 (2018). https://doi.org/10.1007/s00170-018-2207-
  38. Сметанников О.Ю., Максимов П.В., Трушников Д.Н., Пермяков Г.Л., Беленький В.Я.,Фарберов А.С. Исследование влияния параметров процесса 3D-наплавки проволочных материалов на формирование остаточных деформаций // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. No 2. С. 181-194. doi: 10.15593/perm.mech/2019.2.1
  39. V. Ilinykh Artem, Tensile and torsion tests of cylindrical specimens of aluminum alloy ASP35 obtained by the SLM method /M. Pankov Alexandr, M. Strungar Elena, V Tretyakova Tatyana // Procedia Structural Integrity, Volume 50, 2023, Pages 113-118, ISSN 2452-3216, https://doi.org/10.1016/j.prostr.2023.10.029
  40. Ильиных, А. В. Циклические испытания на кручение алюминиевого сплава АСП35, полученного методом селективного лазерного сплавления / А. В. Ильиных, А. М. Паньков, Е. М. Струнгарь // Актуальные вопросы машиноведения. – 2022. – Т. 11. – С. 254-256. – EDN ECIFF

Statistics

Views

Abstract - 8

PDF (Russian) - 0

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Ilinykh A.V., Pankov A.M., Lykova A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies