Автореферат (Особенности формирования структуры и свойств аустенитной стали 03Х17Н14М3 в процессе селективного лазерного плавления и последующей термической обработки)

На правах рукописиЦВЕТКОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРЬЕВНАОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВАУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ 03Х17Н14М3 В ПРОЦЕССЕ СЕЛЕКТИВНОГОЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙОБРАБОТКИСпециальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква  2017Работа выполнена в Московском государственном техническом университетеимени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)Научный руководитель:Базалеева Ксения Олеговнакандидат физико-математических наукОфициальные оппоненты: Костина Мария Владимировнадоктор технических наук, доцент - ведущий научныйсотрудник лаборатории физикохимии и механикиметаллических материалов ФГБУН ИМЕТ РАНТарасова Татьяна Васильевнакандидат технических наук, доцент кафедрывысокоэффективных технологий обработки ФГБОУВО НИТУ «Станкин»Ведущаяорганизация:Федеральноегосударственноеавтономноеобразовательное учреждение высшего образования«Санкт-Петербургский политехнический университетПетра Великого».Защита диссертации состоится «__» ________2017 г.

в ___часов назаседании диссертационного совета Д 212.141.04 в Московском государственномтехническом университете имени Н.Э. Баумана» по адресу: 105005, г. Москва, 2-яБауманская ул., д. 5, стр.1.Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просимвыслать по указанному адресу.СдиссертациейможноознакомитьсявбиблиотекеМосковскогогосударственного технического университета имени Н.Э. Баумана и на сайтеwww.bmstu.ru.

Телефон для справок: 8 (499) 267-09-63.Автореферат разослан «___» ________ 2017 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д212.141.04к.т.н., доцентВ.И. СеменовОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы работыСелективное лазерное плавление (СЛП), которое относится к аддитивнымтехнологиям или методам 3d-печати, в настоящее время является одним изинновационных направлений формирования сложнопрофильных металлическихдеталей. Метод СЛП основан на послойном синтезе объекта за счет программноуправляемогосканированиямикрослоевпорошковогоматериалавысокоэнергетическим лазерным излучением.Новый подход, реализованный в технологии СЛП, имеет ряд бесспорныхпреимуществ: он позволяет создавать изделия сколь угодно сложнойпространственной конфигурации; дает принципиальную возможность синтезаградиентных по составу деталей; не требует проведения трудоемкихподготовительных операций, таких как конструирование и изготовлениядорогостоящей оснастки.Проведенные в последние годы детальные исследования технологическогопроцесса СЛП позволили существенно повысить качество синтезируемыхобъектов: путем подбора оптимальных технологических параметров удалосьполучить минимальную пористость (1 %), шероховатость поверхности изделийменее Ra 0.63 и толщину стенок деталей до 300 мкм.

Однако в настоящее времяметод СЛП не находит широкого применения.На сегодняшний день отсутствуют систематические исследованияработоспособности изделий, синтезированных с применением метода СЛП.Уникальные условия кристаллизации, а именно, сверхбыстрые скоростиохлаждения из жидкого состояния (105 К/с) и многократное термоциклирование,очевидно, могут приводить к формированию неравновесных структур.

С этойточки зрения весьма актуальным является анализ особенностей структурногосостояния металла после СЛП, оценка уровня его структурной стабильности,определение эксплуатационных характеристик, обоснование необходимостипоследующей термической обработки.Проведение такого комплекса исследований для теплостойкихкоррозионностойких сталей, используемых при изготовлении деталей типатеплообменников, выпускаемых, как правило, в единичном или мелкосерийномпроизводстве, представляется наиболее целесообразным. К числу таких сплавовотносится теплостойкая нержавеющая сталь 03Х17Н14М3 аустенитного класса.Важным является то, что стандартное состояние этой стали, необходимое длясравнительного анализа, легко достижимо путем закалки при 1150 С в воду,имеет простую однофазную структуру и всесторонне изучено.Целью диссертационной работы являлось определение особенностейструктуры и свойств стали 03Х17Н14М3 после СЛП и последующего отжига дляразработки на их основе технологических рекомендаций получения деталей сзаданным уровнем свойств.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:исследованы особенности структурного состояния стали после СЛП;определены эксплуатационные характеристики стали после СЛП;1исследованы факторы, определяющие термическую стабильность структуркристаллизации, и изучены структурные превращения, протекающие припоследующем нагреве;определены механические и коррозионные свойства стали последополнительных отжигов;разработанытехнологическиерекомендациидляполучениясложнопрофильных деталей из аустенитной стали с требуемым уровнем свойств.Научная новизна работыВпервые показано, что основным механизмом упрочнения аустенитнойстали при СЛП является формирование дислокационной ячеистой структуры,подобной деформационной.Впервые установлено, что ячеистая структура, сформированная при СЛП,сохраняет свою термическую стабильность до температуры отжига 800 С.Показано, что высокая термическая стабильность ячеистой структуры связана сблокировкой дислокационных сплетений сегрегациями легирующих элементов Crи Mo и примесными атомами N и O.Впервыевыявленытемпературныеинтервалыиприродарекристаллизационных процессов в аустенитной стали, полученной методомСЛП: при температурах 450÷650 °C наблюдается уход избыточных вакансий настоки; в диапазоне температур 800÷1000 °C происходит гомогенизациятвердого раствора и перестройка дислокационной структуры с ячеистой наполигонизованную; при температурах 1050÷1200 °C из аустенитного твердогораствора выделяется кислород, формируя оксидные частицы.Практическая ценность работыУстановлены особенности формирования структуры и свойств аустенитнойстали 03Х17Н14М3 в процессе СЛП и последующего отжига, на основе которыхмогут быть разработаны технологические режимы изготовления конкретныхдеталей.Определен уровень остаточных макронапряжений в стали после СЛП: вплоскости сканирования лазера наблюдаются растягивающие напряжения около300 МПа, а в плоскости роста объекта  напряжения сжатия около 250 МПа.Высокий уровень напряжений, соизмеримый с пределом текучести стали,обосновывает необходимость проведения последующей термической обработки.Определены значения механических характеристик стали после СЛП,которые в 1.5 раза превышают значения для стандартного закаленного состояния:временное сопротивление составляет 850 МПа, ударная вязкость 300 Дж/cм2.Установлено, что сталь, синтезированная СЛП, сохраняет склонность ксамопассивации в 1 % и 3 %-ных водных растворах NaCl.

При этом токи коррозиине превышают значения токов для стали в закаленном состоянии, что,предположительно, связано с благоприятным влиянием азота, диффундирующегов аустенит из защитной атмосферы в процессе СЛП.Рекомендованы режимы комплексной технологии, включающей в себя СЛПс последующей термической обработкой, для получения деталей из стали03Х17Н14М3 с заданным уровнем механических и коррозионных свойств.2Достоверность результатов обеспечена проведением исследований сиспользованием современного экспериментального оборудования, привлечениемвзаимодополняющих методов исследований, а также статистической обработкойрезультатов эксперимента, апробацией результатов работы и сравнением сданными других авторов.Внедрение: основные результаты диссертационной работы использованыООО «Московский центр лазерных технологий», что подтвержденосоответствующим актом.

Также они могут быть рекомендованы к использованиюна предприятиях ФГУП ГНЦ «ВИАМ», АО «НПЦ газотурбостроения «САЛЮТ»,ОАО «НИАТ», АО «НПО «ЦНИИТМАШ».Основные положения, выносимые на защитуЭкспериментальноедоказательствотого,чтограницыячееккристаллизации, формирующихся в процессе СЛП, представляют собой объемныесплетения дислокаций, закрепленных сегрегациями легирующих элементов ипримесными атомами.Результаты экспериментального определения уровня макронапряжений висследуемом объекте.Экспериментальное доказательство того, что уровень механическиххарактеристик аустенитной стали, полученной методом СЛП, превышает, а ееэлектрохимические свойства не уступают свойствам стали того же состава встандартном закаленном состоянии.Экспериментальное определение температурных интервалов и природырекристаллизационных процессов при нагреве стали, синтезированной СЛП.Технологические рекомендации для изготовления деталей с заданнымуровнем свойств из стали 03Х17Н14М3 методом СЛП и последующейтермической обработки.Личный вклад автора: выполнение основного объема экспериментальныхисследований аустенитной стали, включая проведение экспериментов, обработкурезультатов исследования, анализ результатов, подготовку научных статей ипредставление докладов на научных конференциях.Апробация работы: результаты исследования докладывались иобсуждались на следующих конференциях: V Конференция молодых ученых испециалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2012 г.);Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием«Инновации в материаловедении» (Москва, 2013 г.

Диплом лауреата 3 степени);XII Международный семинар МНТ–XII «Структурные основы модифицированияматериалов» (Обнинск, 2013 г.); VI Конференция молодых ученых испециалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2013 г.); XXIIУральская школа металловедов – термистов «Актуальные проблемы физическогометалловедения сталей и сплавов» (Оренбург, 2014 г.); Научно-техническаяконференция молодых специалистов предприятий ТК "ТВЭЛ" «Перспективныетехнологии развития будущего» (Электросталь, 2014 г.); XIII Международныйсеминар МНТ–XIII «Структурные основы модифицирования материалов»(Обнинск, 2015 г.); Шестая международная конференция «Кристаллофизика и3деформационное поведение перспективных материалов» (Москва, 2015 г.); 8-ямеждународная конференция «Лучевые технологии и применение лазеров»(Санкт-Петербург, 2015 г.); VIII-я Евразийская научно-практическая конференция«Прочность неоднородных структур» (Москва, 2015 г.); XIV Международнаяшкола-семинар «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах»(Барнаул-Белокуриха, 2016 г.); Бернштейновские чтения по термомеханическойобработке металлических материалов (Москва, 2016 г.).Публикации: по результатам диссертации опубликовано 13 научных работ,в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК РФ (общий объем 2.5 п.л.).Перечень работ приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения,четырех глав, выводов, заключения и списка литературы.