В аэрокосмической, судостроительной и военной промышленности для создания крепких, долговечных изделий применяют мартенситно-стареющие стали. Это высокопрочный материал, сохраняющий свою пластичность и вязкость даже при экстремально низких температурах. Синтез различных сталей в РФ все чаще производят с помощью технологий 3D-печати – послойного накладывания слоев металла друг на друга. Однако при таком способе наплавки структура стали часто получается неоднородной.
В ней остаются крупные разнородные кристаллы, возникают пустоты и трещины, которые негативно сказываются на эксплуатационных свойствах и сроке службы будущих деталей. Ученые Пермского Политеха предложили эффективный способ улучшения макроструктуры мартенситно-стареющих сталей с помощью гибридной наплавки и дополнительной термической обработки. Технология улучшает однородность, плотность, пластичность и прочность материала, что повышает качество и долговечность изделий.
Статья с результатами опубликована в журнале «Металловедение и термическая обработка». Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (№ 21-19-00715). Послойное формирование сплава аддитивными технологиями (3D-печатью) часто приводит к неравномерному распределению материала. Его слои прилегают друг к другу недостаточно плотно, из-за чего в структуре остаются пустоты и трещины, негативно влияющие на прочность и долговечность стали.
Решением такой проблемы стало применение гибридной обработки, при которой каждый наносимый слой подвергается дополнительному деформационному упрочнению – механическому воздействию, за счет которого материал уплотняется, а его структура измельчается. Технология уже зарекомендовала себя в наплавке алюминиевых, титановых и никелевых сплавов.
Однако для синтеза мартенситно-стареющих сталей такого способа повышения однородности недостаточно. Это высокопрочный материал на основе железа, содержащий различные легирующие элементы. И даже после гибридной наплавки структура такой стали остается неоднородной, в ней присутствуют крупные разнородные кристаллы, влияющие на эксплуатационные характеристики.
Для улучшения макроструктуры мартенситно-стареющей стали ученые Пермского Политеха разработали комплексный метод, который кроме аддитивной наплавки металла и деформационного упрочнения сочетает также дополнительную термическую обработку получаемого сплава – закалку при высоких температурах и последующее охлаждение.
— У мартенситно-стареющей стали есть особенность — ее можно значительно улучшить с помощью термообработки. Ее закаливание (нагрев при высоких температурах и резкое охлаждение) вызывает образование микроскопических упрочняющих частиц, делающих сталь прочнее, но сохраняющих ее гибкость. Далее при старении, когда сталь «доформировывает свою структуру» при умеренном нагреве (500°C), эти частицы равномерно распределяются. В итоге получается материал, который способен выдержать нагрузки до 1000 Мпа и остается пластичным, — объясняет Михаил Симонов, директор лаборатории «Объединенная лаборатория фундаментальных исследований в металловедении» ПНИПУ, кандидат технических наук.
В ходе эксперимента политехники использовали мартенситную сталь ЭП659A (Cr12Ni9Mo2Si), которая в основном применяется для высокоответственных изделий с повышенными характеристиками прочности и сопротивления коррозии в различных агрессивных средах (например, мостов, крановых конструкций и нефтегазовых платформ). Наплавку материала осуществляли с помощью электрической дуги и проволоки, и каждый слой обрабатывали пневмомолотом для лучшего уплотнения.
Ученые сравнили два режима получения сплава — без использования термообработки после гибридной наплавки и с ней. Температура нагрева для закалки составляла 940°C в течение 45 минут с последующим охлаждением в воде. Старение проводилось при температуре 520°C в течение 240 минут. Далее изучали, как термообработка повлияла на структуру и механические свойства стали ЭП659A.
Результаты показали, что наплавка по второму режиму (с термообработкой) делает макроструктуру стали более однородной по сравнению с первым. Исчезают дефекты, такие как зоны крупных столбчатых кристаллов, размеры которых не превышали 80 мкм. Также возрастают механические характеристики — твердость заготовок повышается на 30%, а предел прочности вырастает до 1185 МПа (для сравнения: у обычной конструкционной стали — около 400-600 МПа).
Политехники отмечают, что даже при экстремально низких температурах (-100°C) материал демонстрирует высокую устойчивость к разрушению. Это открывает новые возможности для применения мартенситных сталей в ответственных конструкциях, где требуется сочетание прочности и надежности в широком диапазоне температур, например, в элементах летательных аппаратов, морских платформ и газовых турбин, которые могут работать при низких температурах.
Технологией уже заинтересовались и начинают применять предприятия ракетного двигателестроения. Исследование ученых Пермского Политеха доказало, что сочетание гибридной технологии 3D-наплавки с последующей термической обработкой значительно улучшает свойства синтезированной мартенситно-стареющей стали. Внедрение технологии в промышленность позволит создавать долговечные изделия из различных сплавов и сталей, способные эксплуатироваться в экстремальных условиях.
