Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Белгород, Россия

И. С. Никитин, научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов, канд. техн. наук, эл. почта: nikitin_i_s@mail.ru
А. О. Семенюк, младший научный сотрудник лаборатории объемных наноструктурных материалов, эл. почта: semenyuk@bsuedu.ru
Р. С. Черниченко, младший научный сотрудник лаборатории объемных наноструктурных материалов, эл. почта: chernichenko@bsuedu.ru
Е. А. Воропаева, научный сотрудник лаборатории объемных наноструктурных материалов, канд. техн. наук,
эл. почта: povolyaeva@bsuedu.ru
Н. Р. Дудова, ведущий научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов, канд. физ.-мат. наук, эл. почта: dudova@bsuedu.ru
С. Ю. Миронов, ведущий научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов, докт. физ.-мат. наук, эл. почта: mironov@bsuedu.ru

Исследовано влияние режимов селективного лазерного плавления на шероховатость и плотность изделий из высокохромистой стали 17-4 PH. Увеличение объемной плотности энергии от 50 до 220 Дж/мм³ при печати заготовок привело к снижению Ra от ~15 до ~6 мкм на верхней поверхности и повышению Ra от ~12 до ~22 мкм на боковой поверхности. Показано, что наибольший вклад в формирование неровностей верхней поверхности заготовок вносит мощность лазерного излучения, который примерно в 30 раз превосходит вклад от скорости сканирования. В случае боковой поверхности влияние мощности лазерного излучения на формирование шероховатости менее выражено и всего в ~2,5 раза превышает вклад скорости сканирования. Выделен интервал режимов, обеспечивающий минимальный уровень шероховатости верхней поверхности заготовки – мощность лазерного излучения от 170 до 300 Вт и скорость сканирования от 500 до 1000 мм/с. Для боковой поверхности минимальную шероховатость обеспечивает печать при мощности лазерного излучения от 150 до 300 Вт и скорость сканирования #700 мм/с. Пониженная шероховатость обеих поверхностей достигается в узком диапазоне мощности лазерного излучения от 150 до 300 Вт и скорости сканирования 1000 мм/с. Установлено, что плотность заготовок не зависит только от объемной плотности энергии как комплексной характеристики режима печати, а определяется сочетанием плотности энергии и мощности лазерного излучения/скорости сканирования. Рассмотрены механизмы формирования неровностей на верхней и боковой поверхностях заготовки и взаимосвязь шероховатости с пористостью.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-79-10342 (https://rscf.ru/project/25-79-10342/) с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Технологии и Материалы НИУ «БелГУ».

Авторы выражают благодарность А. А. Калиненко за помощь в получении экспериментальных данных.

1. Abe F., Kern T. U., Viswanathan R. Creep-resistant steels. – Woodhead Publishing, 2008. – 701 p.
2. Ланская К. А. Высокохромистые жаропрочные стали. – Москва : Металлургия, 1976. – 216 с.
3. Wargadipura A. H. S., Hanafi R., Fitriani D. A., Guardi A. Assessment of the quality of 17-4 PH stainless steel scrap-based investment-casting turbine blades for the geothermal turbine component application // International journal of latest technology in engineering, management & applied science (IJLTEMAS). 2024. Vol. 13? Iss. 3. P. 42–52. DOI: 10.51583/IJLTEMAS.2024.130306
4. Zhang D. et al. Turbine blade investment casting die technology. – Berlin : Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2018. – 242 p.
5. Molodtsov A., Dedov A., Klevtsov I., Kommel L., Lausmaa T., Mikli V. Investigation of steam turbine blades damage and reliability in a power plant // Key Engineering Materials. 2019. Vol. 799. P. 89–94. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.799.89
6. РД 24.260.09–87–РД 24.260.12–87. Методические указания. выбор конструкции, предельных отклонений, размеров и параметров шероховатости основных конструктивных элементов лопаток осевых турбомашин при проектировании. – Введ. 01.01.1988.
7. Zhang Y., Wu L., Guo X., Kane S., Deng Y., Jung Y. G., Lee Je-H., Zhang J. Additive manufacturing of metallic materials: a review // Journal of Materials Engineering and Performance. 2018. Vol. 27. P. 1–13. DOI: 10.1007/s11665-017-2747-y
8. Armstrong M., Mehrabi H., Naveed N. An overview of modern metal additive manufacturing technology // Journal of Manufacturing Processes. 2022. Vol. 84. P. 1001–1029. DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.10.060
9. Raut L. P., Taiwade R. V. Wire arc additive manufacturing: a comprehensive review and research directions // Journal of Materials Engineering and Performance. 2021. Vol. 30, Iss. 7. P. 4768–4791. DOI: 10.1007/s11665-021-05871-5
10. Осколков А. А., Матвеев Е. В., Безукладников И. И., Трушников Д. Н., Кротова Е. Л. Передовые технологии аддитивного производства металлических изделий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2018. Т. 20. № 3. С. 90–105. DOI: 10.15593/2224-9877/2018.3.11
11. Колубаев Е. А., Рубцов В. Е., Чумаевский А. В., Астафурова Е. Г. Научные подходы к микро-, мезо и макроструктурному дизайну объемных металлических и полиметаллических материалов с использованием метода электронно-лучевого аддитивного производства // Физическая мезомеханика. 2022. Т. 25. № 4. С. 5–18. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_4_5
12. Gradl P. R., Protz C. S., Garcia C. P., Mireles O. R., Leary M. Introduction to and applications of additive manufacturing for propulsion // Metal Additive Manufacturing for Propulsion Applications. – Reston, VA : American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 2022. P. 1–48. DOI: 10.2514/5.9781624106279.0001.0048
13. Zhao D., Guo Y. Lai R., Wen Y., Wang P., Liu C., Chen Z., Yang C., Li S., Chen W., Liu Z. Abnormal three-stage plastic deformation in a 17-4 PH stainless steel fabricated by laser powder bed fusion // Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 858. 144160. DOI: 10.1016/j.msea.2022.144160
14. Ozsoy A., Yasa E., Keles M., Tureyen E. B. Pulsed-mode selective laser melting of 17-4 PH stainless steel: Effect of laser parameters on density and mechanical properties // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 68A. P. 910–922. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.06.017
15. Irrinki H., Jangam J. S. D., Pasebani S., Badwe S., Stitzel J., Kate K., Gulsoy O., Atre S. V. Effects of particle characteristics on the microstructure and mechanical properties of 17–4 PH stainless steel fabricated by laserpowder bed fusion // Powder Technology. 2018. Vol. 331. P. 192–203. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.03.025
16. Irrinki H., Dexter M., Barmore B., Enneti R., Pasebani S., Badwe S., Stitzel J., Malhotra R., Atre S. V. Effects of powder attributes and laser powder bed fusion (L-PBF) Process conditions on the densification and mechanical properties of 17-4 PH stainless Steel // JOM. 2016. Vol. 68. P. 860–868. DOI:10.1007/s11837-015-1770-4
17. Basu D., Wu Z., Meyer J. L. L., Larson E., Kuo R., Rollett A. Entrapped gas and process parameter-induced porosity formation in additively manufactured 17-4 PH stainless steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2021. Vol. 30. P. 5195–5202. DOI: 10.1007/s11665-021-05695-3
18. Sahadevan P., Pon Selvan C., Bhaumik A., Lakshmikanthan A. Surfac eroughness optimization of selective laser melting printed 17-4 PH stainless steel parts // Journal of Mines, Metals & Fuels. 2023. Vol. 71, Iss. 12. P. 2405–2413. DOI: 10.18311/jmmf/2023/35123

19. ГОСТ 2798–73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. – Введ. 01.01.1975.
20. ГОСТ 2409–2014. Огнеупоры. Метод определения кажущейся плотности, открытой и общей пористости, водопоглощения. – Введ. 01.09.2015.
21. Tian Y., Tomus D., Rometsch P., Wu X. Influences of processing parameters on surface roughness of Hastelloy X produced by selective laser melting // Additive Manufacturing. 2017. Vol. 13. P. 103–112. DOI: 10.1016/j.addma.2016.10.010
22. Mumtaz K., Hopkinson N. Top surface and side roughness of Inconel 625 parts processed using selective laser melting // Rapid Prototyping Journal. 2009. Vol. 15, Iss. 2. P. 96–103. DOI: 10.1108/13552540910943397
23. Wischeropp T. M., Tarhini H., Emmelmann C. Influence of laser beam profile on the selective laser melting process of AlSi10Mg // Journal of Laser Applications. 2020. Vol. 32. 022059. DOI: 10.2351/7.0000100
24. Дынин Н. В., Заводов А. В., Оглодков М. С., Хасиков Д. В. Влияние параметров процесса селективного лазерного сплавления на структуру алюминиевого сплава системы Al-Si-Mg // Труды ВИАМ. Т. 10. № 58. С. 1–12. DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-10-1-1
25. Wei P., Wei Z., Chen Z., Du J., He Y., Li J., Zhou Y. The AlSi10Mg samples produced by selective laser melting: single track, densification, microstructure and mechanical behavior // Applied surface science. 2017. Vol. 408. P. 38–50. DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.02.215