Исследование влияния увеличения производительности прямого лазерного выращивания на формирование структуры и трещинообразование в сплаве Inconel 718

Машиностроение и машиноведение

2026. Т. 33. № 1. С. 188-199.

Авторы

Алымов Н. Р.*, Туричин Г. А.**, Вильданов А. М.***, Юрченко Н. Ю.****, Александров В. Л.*****

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург, Российская Федерация

*e-mail: sir.alymoff@yandex.ru
**e-mail: gleb@ltc.ru
***e-mail: wildam92@mail.ru
****e-mail: Yurchenko@ilwt.smtu.ru
*****e-mail: oimilist@yandex.ru

Аннотация

Цель исследования состояла в экспериментальном анализе влияния повышения производительности прямого лазерного выращивания (ПЛВ) на микроструктуру и склонность к ликвационному трещинообразованию в никелевом жаропрочном сплаве Inconel 718, широко используемом в аэрокосмической отрасли при повышенных температурах.
Методы включали сравнение двух режимов ПЛВ: классического (валик ~2,6×0,75 мм, мощность 1,2–2,0 кВт) и высокопроизводительного (валик 8,15×2,3 мм, мощность 10–12 кВт). Изучены морфология зерен, распределение элементов и природа дефектов с использованием металлографии и сканирующей электронной микроскопии.
Результаты показали, что увеличение геометрии валика и расхода порошка снижает эффективное тепловложение в предыдущий слой, подавляя эпитаксиальный рост столбчатых зерен, способствуя формированию мелкозернистой межслойной зоны. Это уменьшает сегрегацию элементов, образование фазы Лавеса и ликвационное трещинообразование. На основе анализа теплового баланса предложена упрощенная модель распределения энергии между порошком и подложкой.

Ключевые слова:

прямое лазерное выращивание, горячие трещины, увеличение производительности лазерной порошковой наплавки, никелевые жаропрочные сплавы, аддитивное производство в аэрокосмической отрасли

Список источников

  1. Yi J., Kang J., Wang T., et al. Microstructure and mechanical behavior of bright crescent areas in Inconel 718 sample fabricated by selective laser melting // Materials & Design. 2021. Vol. 197: 109259. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109259
  2. Sonar T., Balasubramanian V., Malarvizhi S., et al. An overview on welding of Inconel 718 alloy – Effect of welding processes on microstructural evolution and mechanical properties of joints // Materials Characterization. 2021. Vol. 174. No. 5: 110997. DOI: 10.1016/j.matchar.2021.110997
  3. Бабенцова Л.П., Анциферова И.В. Механические свойства сплава In718 при статическом и циклическом деформировании // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 6. С. 14-19. DOI: 10.17513/snt.37542
  4. Романов К.А., Грибов Д.С., Кондратьев Н.С. и др. Макрофеноменологическое моделирование с целью поиска эффективной для эксплуатации зеренной структуры диска газотурбинного двигателя // Вестник УГАТУ. 2025. Т. 29. № 1(107). С. 47-61. DOI: 10.54708/19926502_2025_29110747
  5.  Батиенков Р.В., Бурковская Н.П., Большакова А.Н. и др. Высокотемпературные композиционные материалы с металлической матрицей // Труды ВИАМ. 2020. Т. 89. № 6-7. С. 45-61. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-67-45-61
  6.  Бакрадзе М.М., Аргинбаева Э.Г., Петрушин Н.В. и др. Аспекты развития литейных никелевых и интерметаллидных сплавов. Технология изготовления деталей ГТД // Новости материаловедения. Наука и техника. 2017. № 5-6(28). С. 3-13. EDN: YMHESO
  7. Blakey-Milner B., Gradl P.R., Snedden G., et al. Metal additive manufacturing in aerospace: A review // Materials & Design. 2021. Vol. 209. No. 12: 110008. DOI: 10.1016/j.matdes.2021.110008
  8. Балякин А.В., Скуратов Д.Л., Хаймович А.И. и др. Применение прямого лазерного сплавления металлических порошков из жаропрочных сплавов в двигателестроении // Вестник Московского авиационного института. 2021. Т. 28. № 3. С. 202-217. DOI: 10.34759/vst-2021-3-202-217
  9. Ашимов И.Н., Течкина Д.С., Папазов В.М. Исследование элемента конструкции пилотируемого космического комплекса, изготовленного методом проволочной электродуговой технологии аддитивного формирования // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 4. С. 67-84. DOI: 10.34759/vst-2022-4-67-84
  10. Алексеев В.В., Бобров А.Н., Калугин К.С. Исследование комплексных прочностных характеристик моделей газовых турбин, изготовленных аддитивными методами // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 43-50.
  11. Хаймович А.И., Балякин А.В., Олейник М.А.и др. Расчет компенсации коробления от действия остаточных напряжений в аддитивном проиводстве// Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 1. С. 215-225. DOI: 10.34759/vst-2021-3-202-217
  12. Tang T.T., Panwisawas C., Ghoussoub J.N., et al. Alloys-by-design: Application to new superalloys for additive manufacturing // Acta Materialia. 2021. Vol. 202. No. 3, pp. 417-436. DOI: 10.1016/j.actamat.2020.09.023.
  13. Attallah M.M., Jennings R., Wang X., et al. Additive manufacturing of Ni-based superalloys: The outstanding issues // MRS Bulletin. 2016. Vol. 41. No. 10, pp. 758-764. DOI: 10.1557/mrs.2016.211
  14. Рашковец М.В., Никулина А.А., Климова-Корсмик О.Г. и др. Исследование фазового состава никелевого сплава Inconel 718, полученного аддитивной технологией // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2020. Т. 22. № 3. С. 69-81. DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.3-69-81
  15. Xin S., Liu D., Liu G., et al. Research on crack regulation in laser deposition manufacturing of Inconel718 superalloy through interlayer temperature control with air knife cooling // Materials Characterization. 2025. Vol. 222: 114797. DOI: 10.1016/j.matchar.2025.114797
  16. Zhong C., Gasser A., Kittel J., et al. Improvement of material performance of Inconel 718 formed by high deposition-rate laser metal deposition // Materials & Design. 2016. Vol. 98. No. 4, pp. 128-134. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.03.006
  17. Manikandan S.G.K., Sivakumar D., Prasad Rao K., et al. Effect of weld cooling rate on Laves phase formation in Inconel 718 fusion zone // Journal of Materials Processing Technology. 2014. Vol. 214, No. 2, pp. 358-364. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2013.09.006
  18. Рашковец М.В., Кислов Н.Г., Никулина А.А. и др. Влияние термической обработки на структурно-фазовое состояние и ударную вязкость никелевого сплава Inconel 718 при аддитивном производстве // Фотоника. 2021. Т. 15. № 7. С. 568-575. DOI: 10.22184/1993-7296.fros.2021.15.7.568.575
  19. Liu Y., Shi J. Epitaxial growth and stray grain control toward single-crystal metallic materials by additive manufacturing: A review // Advanced Engineering Materials. 2023. Vol. 25. No. 14. DOI: 10.1002/adem.202201917
  20. Zhao Y., Ma Z., Yu L., et al. New alloy design approach to inhibiting hot cracking in laser additive manufactured nickel-based superalloys // Acta Materialia. 2023. Vol. 247. No. 6307: 118736. DOI: 10.1016/j.actamat.2023.118736
  21. Ahn D.G. Directed energy deposition (DED) process: State of the art // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. 2021. Vol. 8. No. 2, pp. 703-742. DOI: 10.1007/s40684-020-00302-7
  22. Олейник М.А., Балякин А.В., Скуратов Д.Л. и др. Влияние режимов прямого лазерного выращивания на формообразование одиночных валиков и стенок из жаропрочного сплава ХН50ВМТЮБ // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 4. С. 243-255. DOI: 10.34759/vst-2022-4-243-255
  23. Ribeiro K.S.B., Reghini A.C., Coelho R.T. An analytical model for estimating process parameters input in L-DED based on bead geometry // Manufacturing Letters. 2024. Vol. 41, pp. 742-752. DOI: 10.1016/j.mfglet.2024.09.092
  24. Zhou X., Pei Z., Liu Z., et al. Multiscale simulation of laser-based direct energy deposition (DED-LB/M) using powder feedstock for surface repair of aluminum alloy // Materials. 2024. Vol. 17. No. 14: 3559. DOI: 10.3390/ma17143559
  25. Хомутинин И.С., Варушкин С.В., Сташков Д.В. и др. Исследование формирования одиночных валиков из сплава Inconel 718 распределённым лазерным лучом // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2024. Т. 26. № 3. С. 66-73. DOI: 10.15593/2224-9877/2024.3.07
  26. Вильданов А.М. Исследование особенностей формирования макродефектов объемной лазерной наплавки и разработка метода получения бездефектных наплавленных слоев: Дисс. ... канд. техн. наук. СПб: СПбГМТУ, 2022. 129 с.
  27.  Алымов Н.Р. Исследование причин трещинообразования при прямом лазерном выращивании жаропрочного сплава Inconel 718 // Неделя науки СПбГМТУ 2025: сб. докладов Всероссийского фестиваля «Наука 0+» (24-28 ноября 2025; СПбГМТУ, Санкт-Петербург). СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2026. С. 356. 
  28.  Земляков Е.В., Алымов Н.Р., Вильданов А.М. и др. Опыт применения лазерных и аддитивных технологий для изготовления элементов современных промышленных газотурбинных установок // Фотоника. 2022. Т. 16. № 6. С. 436-452. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.6.436.452
  29.  Ковчик А.Ю., Вильданов А.М., Алымов Н.Р. и др. Применение методики компенсации остаточных деформаций при прямом лазерном выращивании крупногабаритных изделий // Фотоника. 2024. Т. 18. № 5. С. 406-418. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.5.406.418
  30. Thompson R.G., Genculu S. Microstructural evolution in the HAZ of Inconel 718 and correlation with the hot ductility test // Welding Journal. 1983. Vol. 62, pp. 337-346.
  31. Гущина М.О., Климова-Корсмик О.Г., Шальнова С.А. и др. Особенности получения качественных изделий из титановых сплавов, изготовленных технологией прямого лазерного выращивания // Фотоника. 2019. Т. 13. № 8. С. 722-733. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.8.722.733
  32. Попович А.А., Суфияров В.Ш., Разумов Н.Г. и др. Аддитивные технологии в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого: опыт и перспективы использования // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы, сварка: Сб. докладов 11-го Международного симпозиума (10–12 апреля 2019; Минск). Минск: ИД «Белорусская наука», 2019. Ч. 1. С. 73-92. EDN: IJSBJR
  33.  Мендагалиев Р.В., Зотов О.Г., Иванов С.Ю. и др. Структура и механические свойства судостроительной стали, полученной методом прямого лазерного выращивания и горячей прокатки // Вопросы материаловедения. 2023. № 3(115). С. 17-26. DOI: 10.22349/1994-6716-2023-113-5-17-26
  34. Дмитриева М.О., Мельников А.А., Носова Е.А. и др. Исследование формирования микроструктуры титанового сплава ВТ6 при изготовлении крыльчатки компрессора малоразмерного газотурбинного двигателя методами аддитивных технологий // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 2. С. 196-203. DOI: 10.34759/vst-2023-2-196-203
  35.  Хоменко М.Д. Сопряженные процессы теплопереноса, конвекции и формирования микроструктуры при лазерной наплавке с коаксиальной подачей металлических порошков: Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2019. 123 с.
  36. Zhao R., Chen C., Wang W., et al. On the role of volumetric energy density in the microstructure and mechanical properties of laser powder bed fusion Ti-6Al-4V alloy // Additive Manufacturing. 2022. Vol. 51: 102605. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102605
  37. Romano J., Ladani L., Sadowski M. Laser additive melting and solidification of Inconel 718: Finite element simulation and experiment // JOM: the journal of the Minerals, Metals & Materials Society. 2016. Vol. 68. No. 3, pp. 967-977. DOI: 10.1007/s11837-015-1765-1

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2026