Обобщенный критерий трещиностойкости жаропрочных никелевых сплавов для селективного лазерного сплавления

Д.Г. Чубов, С.В. Неруш
УДК
669.15
DOI
10.18577/2307-6046-2026-0-7-26-42
версия в формате pdf (1.4 МБ)
Цитирование
Д.Г. Чубов, С.В. Неруш Обобщенный критерий трещиностойкости жаропрочных никелевых сплавов для селективного лазерного сплавления // Труды ВИАМ. 2026. № 7. DOI: 10.18577/2307-6046-2026-0-7-26-42. URL: https://www.viam-works.ru/journal/2026/7/3
Ключевые слова
селективное лазерное сплавление, жаропрочные никелевые сплавы, критерий трещиностойкости, γ′-фаза, CALPHAD, обратное проектирование, сплавы ВЖС1 и ВЖС3
Аннотация

Предложен обобщенный безразмерный критерий трещиностойкости $\Xi$ жаропрочных никелевых сплавов для селективного лазерного сплавления – отношение функционала пластической релаксации к функционалу накопления дефектов, объединяющее растрескивание при кристаллизации, деформационное старение и зернограничное охрупчивание с учетом кинетики выделения $\gamma'$-фазы. Бездефектному синтезу отвечает неравенство $\Xi > \Xi_{\text{кр}}$ при $\Xi_{\text{кр}} = 1$. Критерий описывает 94 % дисперсии экспериментальной плотности трещин по сравнению с 41–74 % для известных критериев. На его основе разработаны сплавы ВЖС1 ($R_{\text{adj}}^2 = 0{,}88$ при шести подгоняемых параметрах) и ВЖС3, синтезированные без макротрещин.

 

Текст статьи будет позднее

Литература
  1. Каблов Е.Н., Евгенов А.Г., Петрушин Н.В., Базылева О.А., Мазалов И.С., Дынин Н.В. Материалы нового поколения и цифровые аддитивные технологии производства ресурсных деталей ФГУП «ВИАМ». Часть 3. Адаптация и создание материалов // Электрометаллургия. 2022. № 4. С. 15–25.
  2. Каблов Е.Н., Евгенов А.Г., Петрушин Н.В., Бакрадзе М.М., Неруш С.В., Шуртаков С.В., Мазалов И.С. Селективное лазерное сплавление: материалы и технологии для синтеза ресурсных деталей: учеб. пособие. М.: НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, 2024. 512 с.
  3. Сухов Д.И., Неруш С.В., Беляков С.В., Мазалов П.Б. Исследование параметров шероховатости поверхностного слоя и точности изготовления изделий аддитивного производства // Известия высших учебных заведений. Сер.: Машиностроение. 2017. № 9 (690). С. 73–84. DOI 10.18698/0536-1044-2017-9-73-84.
  4. Евгенов А.Г., Рогалев А.М., Неруш С.В., Мазалов И.С. Исследование свойств сплава ЭП648, полученного методом селективного лазерного сплавления металлических порошков // Труды ВИАМ. 2015. № 2. С. 8–15. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 04.07.2026). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-2-2-2.
  5. Евгенов А.Г., Горбовец М.А., Прагер С.М. Структура и механические свойства жаропрочных сплавов ВЖ159 и ЭП648, полученных методом селективного лазерного сплавления // Авиационные материалы и технологии. 2016. № S1 (43). С. 8–15. DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-S1-8-15.
  6. Мазалов И.С., Евгенов А.Г., Прагер С.М. Перспективы применения жаропрочного структурно-стабильного сплава ВЖ159 для аддитивного производства высокотемпературных деталей ГТД // Авиационные материалы и технологии. 2016. № S1 (43). С. 3–7. DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-S1-3-7.
  7. Оспенникова О.Г., Наприенко С.А., Медведев П.Н., Зайцев Д.В., Рогалев А.М. Особенности формирования структурно-фазового состояния сплава ЭП648 при селективном лазерном сплавлении // Труды ВИАМ. 2021. № 8 (102). С. 3–11. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 04.07.2026). DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-8-3-11.
  8. Сухов Д.И., Неруш С.В., Ефимочкин И.Ю., Карачевцев Ф.Н., Богачев И.А. Получение металломатричных композитов на основе сплава ВЖ159 методом селективного лазерного сплавления // Авиационные материалы и технологии. 2021. № 2 (63). С. 62–72. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 04.07.2026). DOI: 10.18577/2713-0193-2021-0-2-62-72.
  9. Мин П.Г., Вадеев В.Е., Сухов Д.И., Раевских А.Н. Структура и механические свойства коррозионностойкого жаропрочного никелевого сплава, полученного селективным лазерным сплавлением // Материаловедение. 2021. № 12. С. 3–10. DOI 10.31044/1684-579X-2021-0-12-3-10.
  10. Петрушин Н.В., Евгенов А.Г., Заводов А.В., Тренинков И.А. Структура и прочность жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ, полученного методом селективного лазерного сплавления на монокристаллической подложке // Материаловедение. 2017. № 11. С. 19–26.
  11. Мовенко Д.А., Шуртаков С.В. Причины образования микротрещин и снижение плотности их распределения в изделиях из никелевых жаропрочных сплавов, изготовленных методом СЛС (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2022. № 2 (67). С. 43–51. URL: http://www.journal.viam.ru (дата обращения: 04.07.2026). DOI: 10.18577/2713-0193-2022-0-2-43-51.
  12. Каблов Е.Н., Неруш С.В., Чубов Д.Г., Сухов Д.И., Филонова Е.В., Пахомкин С.И. Структурная нестабильность жаропрочных сплавов на основе никеля с высоким содержанием гамма-штрих фазы, полученных методом селективного лазерного сплавления // Труды ВИАМ. 2025. № 8 (150). С. 3–13. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 04.07.2026). DOI: 10.18577/2307-6046-2025-8-3-13.
  13. Неруш С.В., Чубов Д.Г., Капланский Ю.Ю., Сухов Д.И. Исследование экспериментального жаропрочного сплава на основе никеля, полученного методом селективного лазерного сплавления // Труды ВИАМ. 2025. № 7 (149). С. 3–12. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 04.07.2026). DOI: 10.18577/2307-6046-2025-0-7-3-12.
  14. Ghoussoub J.N., Tang Y.T., Panwisawas C., Németh A.A.N., Reed R.C. On the Influence of Alloy Chemistry and Processing Conditions on Additive Manufacturability of Ni-based Superalloys // Superalloys 2020 / eds S. Tin et al. Cham: Springer, 2020. P. 153–162. DOI 10.1007/978-3-030-51834-9_15.
  15. Pollock T.M., Clarke A.J., Babu S.S. Design and Tailoring of Alloys for Additive Manufacturing // Metallurgical and Materials Transactions A. 2020. Vol. 51. No. 12. P. 6000–6019. DOI 10.1007/s11661-020-06009-3.
  16. Messe O.M.D.M., Muñoz-Moreno R., Illston T. et al. Metastable Carbides and Their Impact on Recrystallisation in IN738LC Processed by Selective Laser Melting // Additive Manufacturing. 2018. Vol. 22. P. 394–404. DOI 10.1016/j.addma.2018.05.030.
  17. ASM Specialty Handbook: Nickel, Cobalt, and Their Alloys / ed. J.R. Davis. Materials Park, OH: ASM International, 2000. 442 p. ISBN 0-87170-685-7.
  18. Prager M., Shira C.S. Welding of Precipitation-Hardening Nickel-Base Alloys // Welding Research Council Bulletin. New York: Welding Research Council, 1968. No. 128. P. 55.
  19. Haußmann L., Burbaum B., Stöhr B. et al. Crack-Free Welding of a Co-Base Superalloy with High γ' Precipitate Fraction // Advanced Engineering Materials. 2022. Vol. 24. Art. 2200609. DOI: 10.1002/adem.202200609.
  20. Rappaz M., Drezet J.-M., Gremaud M. A New Hot-Tearing Criterion // Metallurgical and Materials Transactions A. 1999. Vol. 30. No. 2. P. 449–455. DOI 10.1007/s11661-999-0334-z.
  21. Kou S. A Criterion for Cracking during Solidification // Acta Materialia. 2015. Vol. 88. P. 366–374. DOI 10.1016/j.actamat.2015.01.034.
  22. Tang Y.T., Panwisawas C., Ghoussoub J.N. et al. Alloys-by-design: Application to New Superalloys for Additive Manufacturing // Acta Materialia. 2021. Vol. 202. P. 417–436. DOI: 10.1016/j.actamat.2020.09.023.
  23. Crudden D.J., Mottura A., Warnken N. et al. Modelling of the Influence of Alloy Composition on Flow Stress in High-Strength Nickel-Based Superalloys // Acta Materialia. 2014. Vol. 75. P. 356–370. DOI 10.1016/j.actamat.2014.04.075.
  24. Conduit B.D., Jones N.G., Stone H.J., Conduit G.J. Design of a Nickel-Base Superalloy Using a Neural Network // Materials & Design. 2017. Vol. 131. P. 358–365. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.06.007.
  25. Conduit B.D., Illston T., Baker S., Vadegadde Duggappa D. et al. Probabilistic Neural Network Identification of an Alloy for Direct Laser Deposition // Materials & Design. 2019. Vol. 168. Art. 107644. DOI 10.1016/j.matdes.2019.107644.
  26. Gao Z., Hu W., Liu Y. et al. Intelligent Design of Crack-Resistant Nickel-Based Superalloys for Additive Manufacturing by Machine Learning and Multilayer Filtering Strategy // Materials Today Communications. 2025. Art. 112360. DOI 10.1016/j.mtcomm.2025.112360.
  27. Вершков А.В., Оспенникова О.Г., Неруш С.В. Разработка концепции интегрированной информационной системы по свойствам авиационных материалов с возможностью расчета характеристик разрабатываемых новых материалов // Труды ВИАМ. 2015. № 5. С. 3–6. URL: http://viam-works.ru (дата обращения: 04.07.2026). DOI 10.18577/2307-6046-2015-0-5-1-1.
  28. Karunaratne M.S.A., Carter P., Reed R.C. On the Diffusion of Aluminium and Titanium in the Ni-Rich Ni-Al-Ti System Between 900 and 1200 °C // Acta Materialia. 2001. Vol. 49. No. 5. P. 861–875. DOI: 10.1016/S1359-6454(00)00390-6.
  29. Евгенов А.Г., Шуртаков С.В., Прагер С.М., Малинин Р.Ю. К вопросу о разработке универсальной расчетной методики оценки деградации оборотных металлических порошковых материалов в зависимости от цикличности использования в процессе селективного лазерного сплавления // Авиационные материалы и технологии. 2020. № 4 (61). С. 3–11. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-4-3-11.
  30. Karunaratne M.S.A., Reed R.C. Interdiffusion of Niobium and Molybdenum in Nickel Between 900–1300 °C // Defect and Diffusion Forum. 2005. Vol. 237–240. P. 420–425. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.237-240.420.
  31. Engeli R., Etter T., Geiger F. et al. Effect of Si on the SLM Processability of IN738LC // Proceedings of the 26th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium (SFF 2015), Austin, TX. Austin: University of Texas at Austin, 2015. P. 823–831.
  32. Cloots M., Uggowitzer P.J., Wegener K. Investigations on the Microstructure and Crack Formation of IN738LC Samples Processed by Selective Laser Melting Using Gaussian and Doughnut Profiles // Materials & Design. 2016. Vol. 89. P. 770–784. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.10.027.
  33. Lee Y.S., Kirka M.M., Kim S. et al. Asymmetric Cracking in Mar-M247 Alloy Builds During Electron Beam Powder Bed Fusion Additive Manufacturing // Metallurgical and Materials Transactions A. 2018. Vol. 49. No. 10. P. 5065–5079. DOI: 10.1007/s11661-018-4788-8.
  34. Siefert J.A., Shingledecker J.P., DuPont J.N., David S.A. Weldability and Weld Performance of Candidate Nickel Based Superalloys for Advanced Ultrasupercritical Fossil Power Plants. Part II: Weldability and Cross-Weld Creep Performance // Science and Technology of Welding and Joining. 2016. Vol. 21. No. 5. P. 397–427. DOI: 10.1080/13621718.2016.1143708.
  35. Ramsperger M., Roncery L.M., Lopez-Galilea I. et al. Solution Heat Treatment of the Single Crystal Nickel-Base Superalloy CMSX-4 Fabricated by Selective Electron Beam Melting // Advanced Engineering Materials. 2015. Vol. 17. No. 10. P. 1486–1493. DOI: 10.1002/adem.201500037.
  36. Karunaratne M.S.A., Carter P., Reed R.C. Interdiffusion in the Face-Centred Cubic Phase of the Ni-Re, Ni-Ta and Ni-W Systems Between 900 and 1300 °C // Materials Science and Engineering: A. 2000. Vol. 281. No. 1–2. P. 229–233. DOI: 10.1016/S0921-5093(99)00705-4.
  37. Логунов А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков газовых турбин. М.: Московские учебники, 2018. 592 с.