Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла

Представлены результаты моделирования температурных полей, кинетики нанесения слоев разнородных металлов и характера структурных превращений при формировании аддитивной многослойной конструкции из сталей 17Г1С и 30ХГС. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет COMSOL Mu...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Современная электрометаллургия
Datum:	2018
Hauptverfasser:	Костин, В.А., Григоренко, Г.М., Шаповалов, В.А., Пикулин, А.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2018
Schlagworte:	Плазменно-дуговая технология
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160574
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла / В.А. Костин, Г.М. Григоренко, В.А. Шаповалов, А.Н. Пикулин // Современная электрометаллургия. — 2018. — № 1 (130). — С. 17-27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-160574
record_format	dspace
spelling	Костин, В.А. Григоренко, Г.М. Шаповалов, В.А. Пикулин, А.Н. 2019-11-10T11:59:25Z 2019-11-10T11:59:25Z 2018 Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла / В.А. Костин, Г.М. Григоренко, В.А. Шаповалов, А.Н. Пикулин // Современная электрометаллургия. — 2018. — № 1 (130). — С. 17-27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0233-7681 DOI: dx.doi.org/10.15407/sem2018.01.03 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160574 621.791.92 Представлены результаты моделирования температурных полей, кинетики нанесения слоев разнородных металлов и характера структурных превращений при формировании аддитивной многослойной конструкции из сталей 17Г1С и 30ХГС. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет COMSOL Multiphysics. Учитывали влияние температуры на теплофизические параметры сталей. Представлено результати моделювання температурних полів, кінетики нанесення шарів різнорідних металів та характеру структурних перетворень при формуванні адитивної багатошарової конструкції із сталей 17Г1С та 30ХГС. Для проведення комп’ютерного моделювання використовували розрахунковий пакет COMSOL Multiphysics. Враховано вплив температур на теплофізичні параметри сталі. The results of simulation of temperature fields, kinetics of deposition of layers of dissimilar metals and the character of structural transformations during the formation of an additive multilayer structure of 17G1S and 30XGS steels are presented. For the computer simulation, the COMSOL Multiphysics calculation package was used. The effect of temperature on the thermophysical parameters of steels was taken into account. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Плазменно-дуговая технология Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла Математичне моделювання процесу формування многошарової 3d конструкції адитивного методу з використанням електродугових джерел тепла Mathematical modeling of process of formation of multilayer 3D structure by additive method using electric arc heat sources Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла
spellingShingle	Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла Костин, В.А. Григоренко, Г.М. Шаповалов, В.А. Пикулин, А.Н. Плазменно-дуговая технология
title_short	Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла
title_full	Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла
title_fullStr	Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла
title_full_unstemmed	Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла
title_sort	математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла
author	Костин, В.А. Григоренко, Г.М. Шаповалов, В.А. Пикулин, А.Н.
author_facet	Костин, В.А. Григоренко, Г.М. Шаповалов, В.А. Пикулин, А.Н.
topic	Плазменно-дуговая технология
topic_facet	Плазменно-дуговая технология
publishDate	2018
language	Russian
container_title	Современная электрометаллургия
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
format	Article
title_alt	Математичне моделювання процесу формування многошарової 3d конструкції адитивного методу з використанням електродугових джерел тепла Mathematical modeling of process of formation of multilayer 3D structure by additive method using electric arc heat sources
description	Представлены результаты моделирования температурных полей, кинетики нанесения слоев разнородных металлов и характера структурных превращений при формировании аддитивной многослойной конструкции из сталей 17Г1С и 30ХГС. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет COMSOL Multiphysics. Учитывали влияние температуры на теплофизические параметры сталей. Представлено результати моделювання температурних полів, кінетики нанесення шарів різнорідних металів та характеру структурних перетворень при формуванні адитивної багатошарової конструкції із сталей 17Г1С та 30ХГС. Для проведення комп’ютерного моделювання використовували розрахунковий пакет COMSOL Multiphysics. Враховано вплив температур на теплофізичні параметри сталі. The results of simulation of temperature fields, kinetics of deposition of layers of dissimilar metals and the character of structural transformations during the formation of an additive multilayer structure of 17G1S and 30XGS steels are presented. For the computer simulation, the COMSOL Multiphysics calculation package was used. The effect of temperature on the thermophysical parameters of steels was taken into account.
issn	0233-7681
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160574
citation_txt	Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла / В.А. Костин, Г.М. Григоренко, В.А. Шаповалов, А.Н. Пикулин // Современная электрометаллургия. — 2018. — № 1 (130). — С. 17-27. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kostinva matematičeskoemodelirovanieprocessaformirovaniâmnogosloinoi3dkonstrukciiadditivnymmetodomsispolʹzovaniemélektrodugovyhistočnikovtepla AT grigorenkogm matematičeskoemodelirovanieprocessaformirovaniâmnogosloinoi3dkonstrukciiadditivnymmetodomsispolʹzovaniemélektrodugovyhistočnikovtepla AT šapovalovva matematičeskoemodelirovanieprocessaformirovaniâmnogosloinoi3dkonstrukciiadditivnymmetodomsispolʹzovaniemélektrodugovyhistočnikovtepla AT pikulinan matematičeskoemodelirovanieprocessaformirovaniâmnogosloinoi3dkonstrukciiadditivnymmetodomsispolʹzovaniemélektrodugovyhistočnikovtepla AT kostinva matematičnemodelûvannâprocesuformuvannâmnogošarovoí3dkonstrukcííaditivnogometoduzvikoristannâmelektrodugovihdžereltepla AT grigorenkogm matematičnemodelûvannâprocesuformuvannâmnogošarovoí3dkonstrukcííaditivnogometoduzvikoristannâmelektrodugovihdžereltepla AT šapovalovva matematičnemodelûvannâprocesuformuvannâmnogošarovoí3dkonstrukcííaditivnogometoduzvikoristannâmelektrodugovihdžereltepla AT pikulinan matematičnemodelûvannâprocesuformuvannâmnogošarovoí3dkonstrukcííaditivnogometoduzvikoristannâmelektrodugovihdžereltepla AT kostinva mathematicalmodelingofprocessofformationofmultilayer3dstructurebyadditivemethodusingelectricarcheatsources AT grigorenkogm mathematicalmodelingofprocessofformationofmultilayer3dstructurebyadditivemethodusingelectricarcheatsources AT šapovalovva mathematicalmodelingofprocessofformationofmultilayer3dstructurebyadditivemethodusingelectricarcheatsources AT pikulinan mathematicalmodelingofprocessofformationofmultilayer3dstructurebyadditivemethodusingelectricarcheatsources
first_indexed	2025-11-25T22:29:23Z
last_indexed	2025-11-25T22:29:23Z
_version_	1850563657873752064
fulltext	17ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ УДК 621.791.92 DOI: http://dx.doi.org/10.15407/sem2018.01.03 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОцЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНОЙ 3d КОНСТРУКцИИ АДДИТИВНыМ МЕТОДОМ С ИСПОЛьЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОДУГОВыХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА В. А. Костин, Г. М. Григоренко, В. А. Шаповалов, А. Н. Пикулин Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. 03150, г. Киев, ул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Представлены результаты моделирования температурных полей, кинетики нанесения слоев разнородных ме- таллов и характера структурных превращений при формировании аддитивной многослойной конструкции из сталей 17Г1С и 30ХГС. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет COMSOL Multiphysics. Учитывали влияние температуры на теплофизические параметры сталей. Изучено од- новременное воздействие трех дуг на процесс формирования наплавки, кинетику структурных превращений и диффузионные процессы перераспределения легирующих элементов. Показано, что для снижения уровня напряжений между аддитивной наплавкой и подложкой до 50 МПа в начале процесса нанесения следует ис- пользовать предварительный подогрев подложки дугой без нанесения наплавляемого материала, а также, что время прохождения между соседними дуговыми источниками тепла следует поддерживать в диапазоне от 5 до 30 с. Установлено, что при малой мощности дуги (1 кВт) в наплавке преимущественно формируется ферри- то-бейнитная структура, доля бейнита в которой составляет 71 %, феррита — 28 %, мартенсита примерно 1 %. При использовании дуги большей мощности (5 кВт) в наплавке формируется бейнито-мартенситная структура, доля бейнита в которой составляет около 50 %, мартенсита возрастает до 40 % и феррита до 10 %. Повышение мощности дуги приводит к росту максимальной температуры жидкой ванны до 1750…1850 оС, возрастанию скорости охлаждения до 15….25 оС/с и, как следствие, повышению доли мартенсита в структуре наплавляемых слоев. Разработано программное обеспечение, которое может быть использовано для математического моде- лирования металлургического аддитивного процесса формирования изделий из различных сталей и сплавов. Библиогр. 16, табл. 2, ил. 8. К л ю ч е в ы е с л о в а : аддитивное производство; моделирование; наплавление; функциональные материа- лы; структурные превращения; микроструктура Почти вся современная промышленность основана на технологиях литья и резания. Вначале металлур- гическими способами формируется заготовка, из ко- торой путем механической обработки (резания, де- формации, ковки) создаются элементы конструкций. Это так называемые технологии вычитания. В последние годы получил развитие новый комплекс технологий — это технологии сложения или аддитивные [1–3]. В отличие от способов литья и резания адди- тивное производство основано на добавлении не- больших порций материала. Изделия создаются за счет расплавления концентрированными источни- ками энергии металлического порошка, проволок сплошного сечения или порошковой [4–6]. Использование в аддитивном процессе метал- лической проволоки, с одной стороны, позволяет повыcить производительность металлургических процессов и коэффициент использования матери- ала, обеспечить более высокую энергоэффектив- ность и экологическую безопасность, а с другой стороны, дает возможность создавать изделия та- кой формы, состава и структуры, которые тради- ционные технологии не могут обеспечить. С точки зрения формирования структуры на- плавляемого металла применение аддитивных ме- тодов позволяет сформировать более однородную и дисперсную поликристаллическую или совер- шенную кристаллографически монокристалличе- скую его структуру по сравнению с традиционной литой (рис. 1). Аддитивные методы характеризуются отсут- ствием химической неоднородности, дендритной и зональной ликвации, что связано с малым разме- ром жидкой ванны и высокой скоростью кристал- лизации наплавляемого металла [7, 8]. В последнее время перед материаловедами ста- вится задача по разработке новых технологиче- ских процессов получения материалов, обладаю- щих высоким комплексом механических свойств при работе на удар, износ, усталость и испытыва- ющих повышенные циклические и знакоперемен- ные нагрузки. К таким материалам, обладающим уникальным набором механических, технологиче- © В. А. КОСТИН, Г. М. ГРИГОРЕНКО, В. А. ШАПОВАЛОВ, А. Н. ПИКУЛИН, 2018 18 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ских и специальных свойств, относятся функцио- нально-градиентные материалы (ФГМ) [9, 10]. ФГМ — это новый класс материалов, у которых наблюдается постепенное или периодическое изме- нение механических свойств и химического состава по глубине материала. Для получения ФГМ в насто- ящее время широко используются высокопрочные стали, алюминиевые и титановые сплавы, керамика. Традиционно градиентные структуры получа- ют путем применения специальных технологий: химико-термической обработки поверхности, по- верхностной закалки, послойного прессования с последующим вакуумным спеканием, электрон- но-лучевого осаждения, нанесения различных покрытий и наплавок. К недостаткам всех этих технологий следует отнести относительно малую толщину участков с градиентными структурами, их неоднородность и нестабильность свойств, на- личие высоких внутренних напряжений. В случае преодоления данных недостатков ФГМ могут найти применение в военной технике, металлообработке, горнодобывающей и перераба- тывающей промышленности и т. д. Поэтому пер- спективной представляется оценка возможностей использования аддитивных технологий для созда- ния новых ФГМ. С целью повышения производительности про- цесса аддитивного формирования изделий воз- можно одновременное использование группы концентрированных источников тепла с подачей металла, совместимого с матрицей, малыми пор- циями. Таких источников нагрева, равномерно размещенных по периметру наращиваемой по вы- соте детали, может быть много. В этой связи представляет определенный интерес изучение взаимного влияния источников тепла друг на друга, что позволит сформулировать требования к минимально и максимально допустимым расстоя- ниям источников друг от друга и их мощностям. Это достаточно сложная конструкторская и технологическая задача. Поэтому перед осущест- влением реальных натурных экспериментов це- лесообразно провести расчеты с использованием методов математического моделирования. Цель данной работы заключалась в анализе возможностей применения технологии аддитив- ного формирования конструкций из функциональ- ных материалов с различным комплексом физи- ко-механических свойств. Материалы и методика исследований. Исходя из того, что технология аддитивного производства позволяет оперативно и экономично проводить создание и замену поврежденных деталей высо- конагруженных узлов прямо на месте, в качестве материала для компьютерного моделирования отобраны две высокопрочные конструкционные стали — 17Г1С и 30ХГС с различным уровнем Рис. 1. Микроструктура наплавленных слоев стали 09Г2С, полученных различными способами: а — литьем; б — электроду- говым аддитивным наплавлением, ×500 Рис. 2. Микроструктура образцов стали 17Г1С (а) и 30ХГС (б) в исходном состоянии, ×200 19ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ физико-механических свойств и характером ис- ходной микроструктуры (рис. 2). Конструкционная низколегированная сталь 17Г1С применяется в судостроении, машиностро- ении, для магистральных газо- и нефтепроводов, в сварных конструкциях, работающих под высо- ким давлением при температурах от –40 до 475 оС. Структура стали 17Г1С — феррито-перлитная. Хи- мический состав стали 17Г1С следующий, мас. %: 0,17 С; 1,52 Mn; 0,47 Si; 0,02 S; 0,025 P. Механи- ческие свойства: предел текучести — 343, предел прочности — 490 МПа, относительное удлине- ние — 20 %. Температуры критических точек со- ставляют, оС: Ас1 = 745; Ас3 = 870; Аr1 = 680; Ar3 = 790. Конструкционная легированная сталь 30ХГС применяется в сварных конструкциях ответ- ственного назначения, работающих при зна- копеременных нагрузках (крепежных деталях, зубчатых колесах, фланцах, корпусах обшивки, лопатках компрессорных машин). Структура ста- ли 30ХГС — бейнито-мартенситная. Химический состав стали следующий, мас. %: 0,32 С; 1,1 Mn; 1,05 Cr; <0,3 Ni; <0,3 Cu; 0,02 S; 0,025 P. Меха- нические свойства: предел текучести 580, предел прочности — 686 МПа, относительное удлине- ние — 11 %. Температуры критических точек со- ставляют, оС: Ас1 = 760; Ас1 = 830; Аr1 = 670; Ar3 = = 705; Mн = 352. Микроструктура сталей 17Г1С и 30ХГС в со- стоянии поставки приведена на рис. 2. Содержа- ние феррита в стали 17Г1С составляло 52 %, пер- лита — 48 %, а в стали 30ХГС — 60 % бейнита, 40 % мартенсита. Для проведения компьютерного моделирова- ния процесса аддитивного наплавления необходи- мо учесть зависимость физико-металлургических свойств моделируемых сталей от температуры нагрева. Помимо традиционных способов полу- чения свойств материалов в ходе эксперименталь- ных исследований в настоящее время все более перспективным является использование свободно распространяемого или коммерческого программ- ного обеспечения для моделирования широкого спектра свойств многокомпонентных сталей и сплавов, основанного на методе CALPHAD [11]. Прежде всего к ним относятся коммерче- ские программы FactSage, MTDATA, Thermo- Calc и OpenCALPHAD. С помощью программы OpenCALPHAD были расчитаны термические и механические свойства моделируемых сплавов 17Г1С и 30ХГС (табл. 1). Для проведения компьютерного моделирова- ния использовали расчетный пакет междисципли- нарных исследований COMSOL Multiphysics [9, 10], который позволяет объединить задачи диффу- зии, тепло- и массопереноса, гидродинамики, ме- ханики деформируемого твердого тела в одну вза- имосвязанную задачу. В процессе моделирования использовали физические интерфейсы: модули теплопередачи, диффузии, структурной механики и решения дифференциальных уравнений в част- ных производных. Геометрия стенки конструкции состояла из чередующихся слоев сталей 17Г1С и 30ХГС тол- щиной 1,0 мм, шириной 6,0 мм и длиной 280 мм (рис. 3, а). Количество наплавляемых слоев опре- деляли условием максимального приближения к Т а б л и ц а 1 . Влияние температуры нагрева на теплофизические свойства сталей 17Г1С и 30ХГС Сталь 17Г1С Сталь 30ХГС Физические свойства Термические свойства Физические свойства Термические свойства tемперату- ра, °c Плотность, г/см3 Линейное расширение, % Теплопрово- дность, Вт/(м∙K) Теплоем- кость, Дж/(г∙K) tемперату- ра, °c Плотность, г/см3 Линейное расширение, % Теплопрово- дность, Вт/(м∙K) Теплоем- кость, Дж/(г∙K) 25 7,80 0 32,65 0,45 25 7,78 0 22.25 0,46 100 7,78 0,10 34,54 0,48 100 7,75 0,10 24,44 0,49 200 7,75 0,23 36,11 0,52 200 7,72 0,23 27,11 0,53 300 7,72 0,37 36,51 0,57 300 7,69 0,38 29,10 0,57 400 7,68 0,53 35,82 0,62 400 7,66 0,53 30,11 0,63 500 7,65 0,68 34,38 0,70 500 7,62 0,69 30,12 0,70 600 7,61 0,85 32,60 0,80 600 7,58 0,86 29,30 0,83 700 7,57 1,02 30,94 0,96 700 7,54 1,03 28,23 1,01 800 7,59 0,94 27,12 0,87 800 7,56 0,94 25,11 0,62 900 7,55 1,09 27,53 0,61 900 7,50 1,18 26,24 0,64 1000 7,50 1,34 28,71 0,63 1000 7,44 1,41 27,38 0,63 1100 7,45 1,59 29,89 0,64 1100 7,39 1,65 28,53 0,65 1200 7,39 1,84 31,07 0,66 1200 7,34 1,90 29,68 0,66 1300 7,34 2,10 32,25 0,68 1300 7,28 2,16 30,83 0,68 1400 7,28 2.36 33,43 0,69 1400 7,22 2,48 31,96 1,44 20 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ стационарному температурному режиму нанесе- ния наплавки. Согласно результатам предыдущих исследований это количество слоев составляет от 6 до 8 [12]. В работе моделировали поочередное нанесение 10 слоев сталей. Исходя из результатов эксперимента приняли, что в начальный момент времени наносимый мате- риал находился в твердожидком состоянии между температурами ликвидуса и солидуса для данных сталей, что позволило не учитывать в расчетах жидкую фазу при формировании слоев. Слои поо- чередно наносили на подложку с интервалом в 10 с. С целью повышения производительности ад- дитивного процесса, обеспечения однородности распределения температуры, предотвращения преждевременного остывания наплавляемого слоя до нанесения последующего вследствие их малой толщины (примерно 1 мм), создания возможности управления химическим составом наплавляемого изделия одновременно использовали три дуговых источника нагрева. Идея одновременного использования несколь- ких дуговых источников нагрева основана на опыте использования многодуговой сварки под флюсом, при которой на отдельных дугах уста- навливаются сварочные проволоки разного хи- мического состава, что позволяет дозированно с большой точностью регулировать температуру, со- держание легирующих элементов и микрострук- туру металла шва [13]. Требуемый химический со- став шва достигается путем изменения количества дуг со сварочной проволокой той или иной систе- мы легирования и различной скорости ее подачи на отдельных дугах. Такой подход обеспечивает получение более благоприятного структурного со- стояния металла шва (формирование игольчатого феррита) и, как следствие, более высоких механи- ческих свойств сварного соединения. В расчетах использовали модель упруго-пла- стического материала. Напряжения и деформации в модели возникают в результате развития усадоч- ных явлений — уменьшения объема материала при охлаждении. В связи с тем, что расчетная область непре- рывно увеличивалась в размерах за счет посто- янного добавления новых элементов проволоки, на каждом шаге моделирования происходила пе- рестройка расчетной сетки. В процессе расчета количество элементов сетки возрастало примерно с 250 тыс. до 630 тыс. элементов. При расчете ис- пользовали адаптивную сетку, размер ячеек кото- рой не превышал 0,1 мм в наплавленном слое и 1 мм в подложке (рис. 3, б). Используемая модель и соответствующие ей математические уравнения приведены в работе [12, 14]. Для численного анализа кинетики изме- нения температурных полей в наплавляемом изде- лии во времени решалось трехмерное нестацио- нарное уравнение теплопроводности: [ ]( ) ,p TC u T k T Tt ∂ ρ + ∇ =∇ ∇ ∂  (1) где ρСр — удельная теплоемкость; k — теплопро- водность материала. Граничные условия, необходимые для решения уравнения (1), определяются балансом подвода и стока тепла с поверхности наплавляемой детали. Так, в области контакта наплавляемого изделия с подложкой сток тепла может быть описан законом Ньютона, тогда как на свободной поверхности те- пловое излучение подчиняется закону Стефана– Больцмана. Граничные условия для решения уравнения те- плопроводности (1) имеют следующий вид: 4 4 ( ) , ( ) , ( ) ( ) âíåø âíåø âíåø èñò ïðîâ â îáëàñòè êîíòàêòà ñ ïîäëîæêîé íà ñâîáîäíûõ ïîâåðõíîñòÿõ o h T T Tk T n h T T T T q q −  ∂ − = ∂ − + εσ − − −   (2) где n — нормаль к поверхности; h = 10 (Вт/ (м2·K)) — коэффициент конвективной тепло- отдачи; ε = 0,8 — степень черноты материала; σ0 — постоянная Стефана–Больцмана (5,6704·10–8 Дж·с–1·м–2·К–4); Tвнеш = 293 К — температура окру- Рис. 3. Геометрия аддитивного наплавления (а) и расчетной сетки (б); 1 — сталь 17Г1С; 2 — 30ХГ 21ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ жающей среды; qист — плотность теплового по- тока, создаваемого дуговым источником нагрева; qпров — количество тепла, которое вводится рас- плавленной проволокой. В работе использовали модель совместного переноса энергии от двух одновременно действу- ющих источников тепла — дугового источника и расплавленной проволоки. Распределение плотности теплового пото- ка от движущегося поверхностного дугового источника (qист (x, y, t)) задавалось моделью эл- липсоидного типа: 2 2 max 0 0 ( , , ) exp ( ) ( ) , èñò äx y q x y t q K x x v t K y y =  = − − − − −  (3) где x, y — локальные координаты теплового источ- ника; x0, y0 — начальные координаты источника; qmax = ηUдIсв — мощность источника; η — коэффи- циент полезного действия источника (0,9…0,95); Uд — напряжение на дуге; Iсв — ток дуги; Kx и Ky — коэффициенты сосредоточенности удельно- го теплового источника; vд — скорость перемеще- ния дугового источника вдоль оси Х; t — время. Расстояние между соседними дуговыми источника- ми составляло 100 мм. Распределение плотности теплового потока от расплавленной проволоки qпров (x, y, t) задавалось движением торца формирующегося слоя со скоро- стью vд, имеющего постоянную температуру рав- ную Tпров = 1800 К. В представленной работе данная модель была расширена уравнением диффузии в связи с боль- шой вероятностью протекания диффузионных процессов между наплавляемыми слоями различ- ного состава. Для данного процесса уравнение диффузии (закон Фика) принимает следущий вид: ( ( , ) ) ( ),i i i i i i c D T c c f ct ∂ +∇ − ∇ = ∂   (4) где сi — концентрация i-го элемента (i = C, Si, Mn) в твердом растворе железа в момент времени t, с; Di — коэффициент диффузии i-го элемента, см2/с; T — температура в произвольной точке наплавки, ºС, которая определяется из решения температур- ной задачи; функция объемного источника fi(ci) = = 0 в связи с тем, что новых фаз в наплавляемом валике не образуется, т. к. содержание элементов в твердом растворе не превышает предел их раство- римости в железе. Начальными условиями для данного процесса является исходная концентрация 01 ic элементов (C, Si, Mn) в стали 17Г1С и 02 ic в стали 30ХГС. Для уравнения (4) граничные условия наплав- ляемого слоя периодически изменялись в зависи- мости от состава наплавляемого слоя. Для стали 17Г1С — 01 ic , а для 30ХГС — 02 ic . Известно, что величина коэффициента диффу- зии Di зависит не только от температуры и состава металла в рассматриваемой зоне, а также от струк- турного состояния металла, в котором проходят диффузионные процессы. Уравнения, описыва- ющие коэффициенты диффузии в аустените или феррите, существенно различны. Меньшие значе- ния коэффициентов диффузии элементов в ОЦК решетке (α-Fe) по сравнению с ГЦК решеткой (γ-Fe) связаны с ее большей компактностью. Для расчета коэффициентов диффузии С, Si и Mn в γ-железе использовали результаты, представ- ленные в работе [15]. При расчетах коэффициенты диффузии ( )iD Tγ можно представить в следующем виде: 0 exp ,i i i Q D (T) D RT γ γ γ    = −     (5) где 0iDγ — постоянный множитель, значение ко- торого зависит от содержания углерода, см2/с (табл. 2); iQγ — энергия активации диффузии, Дж/ Т а б л и ц а 2 . Значения коэффициентов диффузии углерода, марганца и кремния в γ-железе при различных темпе- ратурах, ºС [14] Элемент Содержание углерода, % ( )iD Tγ ∙107, см2/с 0iDγ ∙107, см2/с iQγ , Дж/моль 1000 1100 1200 С 0,2 2,45 6,06 13,10 0,056 1281000,4 3,36 7,95 17,30 0,076 0,7 4,11 10,50 23,10 0,096 Si 0,2 2,08 5,24 11,50 0,060 1340000,4 2,76 7,00 15,30 0,080 0,7 3,80 9,58 21,00 0,110 Mn 0,2 2,62 6,47 14,50 0,070 1324000,4 3,30 8,10 18,20 0,080 0,7 4,20 10,40 23,20 0,110 22 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ моль; R — универсальная газовая постоянная рав- ная 8,31, Дж/(моль·К); T — температура, K. Для расчета коэффициентов диффузии углерода в α-железе использовали известную импирическую зависимость [16], полученную в результате обобще- ния большого числа экспериментальных данных: 6 843002 10 exp .CD (T) RT α −  = ⋅ −    (6) Расчеты, выполненные в соответствии зависи- мости (6), дают значения коэффициента диффузии углерода при температуре, оС: 800 — 1,56·10–6, 600 — 1,80·10–7, 200 — 9,70·10–12. Решение дифференциальных уравнений про- водили методом конечных элементов (МКЭ) пу- тем построения неоднородной адаптивной сетки и задания в каждой ее ячейке интерполяционного многочлена Лагранжа второго порядка. Так как геометрия наплавки имеет симметричный харак- тер, то для сокращения ресурсов вычислительной техники расчет проводили на половине изделия. Количество структурных составляющих, обра- зующихся в процессе полиморфного превраще- ния, рассчитывали по формуле max 8/5( ) ( ) ( ),j j jV T V W f T= (7) где Vj(T) — доля j-ой фазы (феррита, бейнита, мар- тенсита), max 8/5( )jV W — максимальная доля j-ой фазы; Δ8/5 — время охлаждения в интервале тем- ператур 500…800 оС; fj(T) — функция, зависящая от температуры [14]. На основании результатов экспериментальных исследований, проведенных на установке иммита- ции термических циклов сварки Gleeble 3800, опре- делена зависимость максимальной доли фаз от ско- рости охлаждения для исследуемых сталей (рис. 4). Результаты моделирования. По результатам ре- шения тепловой задачи построено пространствен- ное распределение температурных полей в раз- личные моменты времени от начала аддитивного процесса. В работе проанализировано влияние тепловло- жения от дугового источника нагрева мощностью 1 и 5 кВт на температурное поле наплавляемых слоев и характер формирующейся структуры. Вы- бор мощности источника дугового нагрева опре- делялся характерными режимами электродуговой сварки высокопрочных низколегированных ста- лей. Используемые в работе значения технологи- ческих параметров наплавления следующие: Технологические параметры дугового наплавления Мощность дуги, кВт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1...5 Толщина пластины, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Толщина наплавляемого слоя, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Ширина наплавки, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Длина наплавки, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Скорость перемещения дуги, мм/с . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Скорость подачи проволоки, мм/с . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Расстояние между источниками, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Количество наплавляемых слоев, шт. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Предварительные расчеты показали, что при нанесении жидкого металла расплавленной про- волоки на холодную подложку (+20 оС) на границе между подложкой и наплавленным валиком возни- кают значительные напряжения (300…500 МПа), которые могут привести к образованию трещин и отрыву наплавляемых слоев. В связи с этим, в ходе расчетов прохождение 1-ой дуги не сопровождалось нанесением жидко- го металла от проволоки, а дуга при «холостом» ходе лишь прогревала подложку. Температура подложки к моменту подхода 2-ой дуги, при кото- рой уже наносился жидкий металл расплавленной проволоки, составляла 200…250 оС. Такой подход позволил снизить напряжения на границе подлож- ка–валик до 50…70 МПа. При однодуговой наплавке такого эффекта до- биться практически невозможно в связи с тем, что к моменту нанесения проволоки подложка почти полностью остывает до начальной температуры. В предложенной модели время (10 с) между прохо- ждением дуг не дает полностью остыть подложке. Рис. 4. Влияние скорости охлаждения (W8/5) на образование структурных составляющих max 8/5( ( ))jV W в сталях: а — 17Г1С; б — 30ХГС; 1 — феррит; 2 — бейнит; 3 — мартенсит; 4 — перлит 23ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Результаты моделирования температурных по- лей при наплавлении 10 слоев разнородных мате- риалов приведены на рис. 5. Анализ взаимодействия температурных полей в процессе наплавлениия позволяет ограничить время прохождения соседних источников тепла. Расчеты показывают, что это время не может быть меньше 3...5 с в связи с тем, что в противном слу- чае будет происходить наложение ванн жидкого металла от соседних источников и увеличение пе- регрева ванны, растекание ее по стенкам наплавки и образование дефектов. С другой стороны, время между соседними источниками не может быть выше 25…30 с в свя- зи с тем, что в противном случае наплавляемая стенка будет полностью остывать, формироваться мартенситная структура, что приведет к возраста- нию напряжений на границе между слоями и воз- можному образованию дефектов. Анализ полученных результатов показывает почти однородное распределение температуры в наплавляемых слоях и подложке. Повышение мощности источника тепла с 1 до 5 кВт приводит к увеличению зоны термического влияния с 1,5 до 3,0 см соответственно. Возрастает прогрев под- ложки в процессе наплавления и, как следствие, наблюдается более выраженное изменение струк- турно-фазового состояния всего изделия. Расчетное распределение температуры под- ложки по высоте представлено на рис. 6. Полученные результаты показывают, что наи- большая температура подложки составляет 1220 оС при использовании дуги мощностью 1 кВт и 1800 оС при мощности дуги 5 кВт. Таким обра- зом, при использовании дуги 5 кВт происходит подплавление подложки, тогда как при использо- вании дуги мощностью 1 кВт — нет. Анализ изо- терм температур (рис. 6, б) показывает, что участ- ки, располагающиеся на расстоянии выше 0,5 см Рис. 5. Моделирование нанесения аддитивной наплавки во времени, с: а — 25; б — 50; в — 106; г — 145 Рис. 6. Влияние тепловложения дуги (а — 1; б — 5 кВт) на изменение температуры подложки по высоте, мм: 1 — 0,1; 2 — 0,5; 3 — 0,9 в процессе наплавления слоев 24 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ от поверхности наплавления, не расплавляются. Максимальные температуры на каждом цикле на- плавления постепенно снижаются, хотя при малой мощности дуги (1 кВт) неравномерно. Это обсто- ятельство должно приводить к формированию не- однородности в структуре наплавки. Исследование изменения структурно-фазово- го состояния наплавки представлено на рис. 7. Результаты моделирования показывают, что по- вышение тепловложения дуги при наплавлении приводит к заметному изменению структурного состояния наплавки. Так, при использовании дуги малой мощности в наплавке преимущественно формируется феррито-бейнитная структура. После завершения наплавления (рис. 7, а) доля бейнита составляет 71 %, феррита — 28 %, мар- тенсита примерно 1 %. При высокой мощности дуги (5 кВт) формируктся бейнито-мартенситная структура. Доля бейнита в наплавке снижается до 49 %, мартенсита возрастает до 42 %, феррита снижается до 9 % (рис. 7, б). Изменение структуры наплавки связано с раз- личием в скоростях охлаждения изделия. При на- плавке дугой мощностью 1 кВт скорость охлажде- ния хотя и изменяется циклически (рис. 6), однако в среднем составляет 8…10 оС/с. При наплавке дугой мощностью 5 кВт скорость охлаждения за- метно повышается и составляет 30…50 оС/с. Наблюдаемые «провалы» в изменении струк- турного состояния наплавки (рис. 7) связаны с повышением температуры наплавки выше тем- пературы (α→γ)-превращения. Это приводит к обратному превращению исходной структуры в аустенитную. При малой мощности дуги (1 кВт) нагрев нижележащих слоев наплавки выше тем- пературы Ас3 прекращается после 25 с от начала Рис. 7. Влияние тепловложения дуги (а — 1; б — 5 кВт) на изменение структурно-фазового состояния наплавки во времени: 1 — феррит; 2 — бейнит; 3 — мартенсит Рис. 8. Распределение содержания элементов по толщине (b) наплавки в аддитивном процессе наплавления: а, б — углерода; в — кремния; г — марганца; 1 — исходное содержание; 2 — содержание после 150 с наплавления 25ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ наплавления, а при высокой (5 кВт) этот процесс завершается только на 45 с. Это приводит к более равномерному распределению структурных со- ставлящих по толщине наплавки при низкой мощ- ности дуги и, соответственно, к более неоднород- ной структуре при высокой. Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением толщины наплавки характер структуры изменяется с феррито-перлитной (48 % феррита, 52 % перлита) на феррито-бейнитную (5 % феррита, 95 % бейнита). Увеличение доли бейнитной составляющей в наплавке связано с формированием относительно высоких скоростей охлаждения (10…15 оС/с) при быстром остывании тонких (1 мм) слоев наплавки. Повышение тепловложения дуги приводит к перегреву жидкого металла, повышению макси- мальной температуры ванны до 1750…1850 оС, возрастанию скорости охлаждения до 15….25 оС/с и, как следствие, повышению доли мартенсита в структуре наплавляемых слоев. Характер изменения содержания C, Si и Mn по толщине наплавляемых слоев представлен на рис. 8. Расчеты, проведенные по предложенной модели показывают, что в наплавляемом валике формируются периодические изменения в струк- туре, составе и свойствах материала. Длительное пребывание наплавляемого метал- ла выше температуры Ас1 в аустенитной области приводит к заметному перераспределению угле- рода по толщине валика. Более высокий коэффи- циент диффузии углерода в ферритной области и повышенное время содержания наплавляемых слоев в аустенитной области приводит к более равномерному распределению углерода по толщи- не наплавки (рис. 8, б). Пониженная дифффузион- ная подвижность кремния (рис. 8, в), а особенно марганца (рис. 8, г) приводит к сохранению пери- одического изменения содержания этих элементов в наплавляемом валике. По мере увеличения толщины наплавляемых слоев различие в содержании элементов в слоях снижается. Из полученных результатов можно сделать вы- вод, что увеличение длительности аддитивного процесса нанесения слоев будет способствовать гомогенизации состава формирующегося изделия. Повышение мощности дуги приводит к интенси- фикации процесса гомогенизации наплавки. Выводы 1. Использование аддитивного процесса формиро- вания наплавки позволяет создавать исскуствен- ные периодические структуры, обладающие кон- тролируемой анизотропией свойств по структуре, составу, теплофизическим свойствам. 2. При нанесении аддитивной наплавки целе- сообразно использовать предварительный подо- грев подложки путем «холостого» прохода дуги. Использование предварительного подогрева по- зволяет значительно снизить напряжения на гра- нице подложка–валик до 50…70 МПа. 3. Время между прохождением соседними ду- говыми источниками тепла начальной точки сле- дует поддерживать в диапазоне от 5 до 30 с. Его можно регулировать расстоянием между источни- ками тепла и скоростью подачи проволоки. 4. Повышение мощности дуги приводит к изме- нению структурно-фазового состояния наплавки с феррито-бейнитной на бейнито-мартенситную, в которой доля бейнита в наплавке составляет 49 %, мартенсита 42 % и феррита 9 %. Список литературы 1. Жуков В. В., Григоренко Г. М., Шаповалов В. А. (2016) Аддитивное производство металлических изделий (Об- зор). Автоматическая сварка, 5–6, 148–153. 2. Ахонин С. В., Вржижевский Э. Л., Белоус В. Ю., Петри- ченко И. К. (2016) 3D электронно-лучевая наплавка тита- новых деталей. Там же, 141–144. 3. Коржик В. Н., Хаскин В. Ю., Гринюк А. А. и др. (2016) Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор). Там же, 127–134. 4. Wong K. V., Hernandez A. (2012) A review of additive manufacturing. International Scholarly Research Network. Mechanical Engineering, 2012. 5. Dave V. R., Matz J. E., Eagar T. W. (1995) Electron beam solid freeform fabrication of metal parts. Proc. of the Solid Freeform Fabrication Symp., Univ. of TX, Austin, pp. 64–70. 6. Jandric Z., Labudovic M., Kovacevic R. (2004) Effect of heat sink on microstructure of three-dimensional parts built by welding-based deposition. International J. of Machine Tools and Manufacture, 44(7–8), 785–796. 7. Шаповалов В. А., Григоренко Г. М. (2015) Управление структурой металла в процессе кристаллизации. Совре- менная электрометаллургия, 2, 51–54. 8. Шаповалов В. А., Григоренко Г. М. (2015) Подавление ликвационных процессов в крупных слитках. Там же, 1, 26–30. 9. Volyansky I., Shishkovsky I. (2016) Laser assisted 3D printing of functional graded structures from polymer covered nanocomposites. New Trends in 3D Printing. I. V. Shishkovsky (Ed.), Rijeka, Croatia, pp. 237–258. 10. Шишковский И. В. (2016) Основы аддитивных техноло- гий высокого разрешения. Санкт-Петербург, Питер. 11. Spencer P. J. (2008) Brief History of CALPHAD. CALPHAD, 32, 1–8. 12. Костин В. А., Григоренко Г. М. (2017) Особенности фор- мирования структуры 3D изделия из стали S460M в ад- дитивной металлургической технологии. Современная электрометаллургия, 3, 33–42. 13. Патон Б. Е. (2014) Исследования и разработки ИЭС им. Е. О. Патона для современной энергетики. Техниче- ская диагностика и неразрушающий контроль, 1, 3–11. 26 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 14. Костин В. А., Григоренко Г. М., Жуков В. В. (2017) Мо- делирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С. Современная элек- трометаллургия, 2, 35–44. 15. Блантер М. Е. (1962) Фазовые превращения при термиче- ской обработке сталей. Mосква, ГНТИЛ по черн. и цвет. металлургии. 16. Wert C. A. (1950) Diffusion coefficient of C in α-iron. Phys. Rev., 79(4), 601–606. References 1. Zhukov, V.V., Grigorenko, G.M., Shapovalov, V.A. (2016) Ad- ditive manufacturing of metal products (Review). The Paton Welding J., 5–6, 137–142. 2. Akhonin, S.V., Vrzhizhevsky, E.L., Belous, V.Yu., Petrichenko, I.K. (2016) Electron beam 3D-deposition of titanium parts. Ibid., 130–133. 3. Korzhik, V.N., Khaskin, V.Yu., Grinyuk, A.A. et al. (2016) 3D-printing of metallic volumetric parts of complex shape based on welding plasma-arc technologies (Review). Ibid., 117–123. 4. Wong, K. V., Hernandez, A. (2012) A review of additive man- ufacturing. Intern. Scholarly Research Network. Mechanical Engineering, 2012. 5. Dave, V. R., Matz, J. E., Eagar, T. W. (1995) Electron beam solid freeform fabrication of metal parts. Proc. of the Solid Freeform Fabrication Symp., Univ. of TX, Austin, 64–70. 6. Jandric, Z., Labudovic, M., Kovacevic, R. (2004) Effect of heat sink on microstructure of three-dimensional parts built by welding-based deposition. Intern. J. of Machine Tools and Manufacture, 44(7–8), 785–796. 7. Shapovalv, V.A., Grigorenko, G.M. (2015) Metal structure control during solidification. Sovrem. Elektrometall., 2, 51–54 [in Russian]. 8. Shapovalov, V.A., Grigorenko, G.M. (2015) Supression of li- quation processes in large ingots. Ibid., 1, 26–30 [in Russian]. 9. Volyansky, I., Shishkovsky, I. (2016) Laser assisted 3D print- ing of functional graded structures from polymer covered nanocomposites. New Trends in 3D Printing. Ed. I.V. by Shis- hkovsky. Rijeka, Croatia, 237–258. 10. Shishkovsky, I.V. (2016) Basics of additive high resolution technologies. St.-Petersburg, Piter [in Russian]. 11. Spencer, P. J. (2008) Brief history of CALPHAD. CALPHAD, 32, 1–8. 12. Kostin, V.A., Grigorenko, G.M. (2017) Peculiarities of for- mation of 3D structure of S460M steel product in additive metallurgical technology. Sovrem. Elektrometall., 3, 33–42 [in Russian]. 13. Paton, B.E. (2014) Investigations and development of E.O.Pa- ton ElectricWelding Institute for modern power engineering. Tekh. Diagnost. i Nerazrush. Kontrol, 1, 3–11 [in Russian]. 14. Kostin, V.A., Grigorenko, G.M., Zhukov, V.V. (2017) Mod- eling of metallurgical additive process of manufacture of 09G2S steel structures. Sovrem. Elektrometall., 2, 35–44 [in Russian]. 15. Blanter, M.E. (1962) Phase transformations in heat treatment of steels. Moscow, GNTIL on Chyorn. i Tsvet. Metallurgii [in Russian]. 16. Wert, C. A. (1950) Diffusion coefficient of C in α-iron. Phys. Rev., 79(4), 601–606. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОцЕСУ ФОРМУВАННЯ МНОГОШАРОВОЇ 3d КОНСТРУКцІЇ АДИТИВНОГО МЕТОДУ З ВИКОРИСТАННЯМ ЕЛЕКТРОДУГОВИХ ДжЕРЕЛ ТЕПЛА В. А. Костін, Г. М. Григоренко, В. О. Шаповалов, О. М. Пікулін Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України. 03150, м. Київ, вул. Казимира Малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Представлено результати моделювання температурних полів, кінетики нанесення шарів різнорідних металів та характеру структурних перетворень при формуванні адитивної багатошарової конструкції із сталей 17Г1С та 30ХГС. Для проведення комп’ютерного моделювання використовували розрахунковий пакет COMSOL Multiphysics. Враховано вплив температур на теплофізичні параметри сталі. Вивчено одночасний вплив трьох дуг на процес формування наплавки, кінетику структурних перетворень та дифузійні процеси перерозподілу легуючих елементів. Показано, що для зниження рівня напруг між адитивною наплавкою та підкладкою до 50 МПа на початку процесу нанесення слід використовувати попередній підігрів підкладки дугою без нанесен- ня матеріалу, який наплавляють, а також, що час проходження між сусідніми дуговими джерелами тепла слід підтримувати в діапазоні від 5 до 30 с. Встановлено, що за малої потужності дуги (1 кВт) в наплавці переважно утворюється ферито-бейнітна структура, частка бейніта в якій складає 71 %, феррита — 28 %, мартенсита при- близно 1 %. При використанні дуги більшої потужності (5 кВт) у наплавці формується бейніто-мартенситна структура, частка бейніта в якій складає біля 50 %, мартенсита збільшується до 40 % і ферита до 10 %. Підви- щення потужності дуги призводить до зростання максимальної температури рідкої ванни до 1750…1850 оС, збільшення швидкості охолодження до 15...25 оС/с і, як слідство, підвищенню частки мартенситу в структурі шарів, що наплавлюються. Розроблено програмне забезпечення, яке може бути використано для математичного моделювання металургійного адитивного процесу формування виробів з різних сталей та сплавів. Бібліогр. 16, табл. 2, іл. 8. К л ю ч о в і с л о в а : адитивне виробництво; моделювання; наплавлення; функціональні матеріали; струк- турні перетворення; мікроструктура 27ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 1 (130), 2018 ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ MATHEMATICAL MODELING OF PROCESS OF FORMATION OF MULTILAYER 3D STRUCTURE BY ADDITIVE METHOD USING ELECTRIC ARC HEAT SOURCES V.A. Kostin, G.M. Grigorenko, V.A. Shapovalov, A.N. Pikulin E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine. 11 Kazimir Malevich Str., 03150, Kyiv, Ukraine. E-mail: office@paton.kiev.ua The results of simulation of temperature fields, kinetics of deposition of layers of dissimilar metals and the character of structural transformations during the formation of an additive multilayer structure of 17G1S and 30XGS steels are presented. For the computer simulation, the COMSOL Multiphysics calculation package was used. The effect of temperature on the thermophysical parameters of steels was taken into account. The simultaneous effect of three arcs on the process of formation of deposits, kinetics of structural transformations and the diffusion processes of the redistribution of alloying elements was studied. It is shown that to reduce the stress level between additive deposit and substrate up to 50 MPa it is necessary at the beginning of the deposition process to apply the preheating of substrate by arc without application of material being deposited and also to keep the time of passing between the adjacent arc heat sources in the range from 5 to 30 s. It has been established that at low arc power (1 kW), a ferrite-bainite structure is predominantly formed in the deposit, the share of bainite in which is 71 % , 28 % ferrite, and about 1 % martensite. When using an arc of higher power (5 kW), a bainite-martensite structure is formed in the deposit, the share of bainite in which is about 50 %, the share of martensite increases to 40 % and ferrite — to 10 %. The increase in arc power leads to increase in maximum temperature of the molten pool to 1750...1850 ºC, increase in the cooling rate to 15...25 ºС/s and, as a result, increase in the share of martensite in the structure of the deposited layers. A software has been developed that can be used for mathematical modeling of the metallurgical additive process of forming products from various steels and alloys. Ref. 16, Tab. 2, Fig. 8. K e y w o r d s : additive production; modeling; deposition; functional materials; structural transformations; microstructure Поступила 22.01.2018

Математическое моделирование процесса формирования многослойной 3d конструкции аддитивным методом с использованием электродуговых источников тепла

Institution

Ähnliche Einträge