RAS Chemistry & Material ScienceМеталлы Russian Metallurgy

  • ISSN (Print) 0869-5733
  • ISSN (Online) 3034-5391

Structure and Properties of Structural Aluminum Alloys Produced by Selective Laser Melting

PII
S30345391S0869573325065060-1
DOI
10.7868/S3034539125065060
Publication type
Article
Status
Published
Authors
Volume/ Edition
Volume / Issue number 6
Pages
50-60
Abstract
Complex methods for studying the structure, mechanical and shock-wave properties of aluminum alloys of the Al-Si-Mg (AK9ch type) and Al-Cu-Mg-Si (AK6 type) systems, obtained by selective laser melting (SLM). For each composition, synthesis modes were selected to obtain defect-free samples using the laser energy density criterion. It has been established that due to the implementation of nonequilibrium crystallization conditions – high temperature gradients and the cooling rate of melts, an anomalous hierarchical structure is formed during SLS, consisting of micron grains of Al solid solution with a cellular-dendritic substructure of an order of magnitude smaller in size. Hardness and mechanical properties in static and quasi-static ranges of deformation rates of SLS alloys were measured and their significant increase by 2–2.5 times was shown in comparison with analogs obtained by traditional technologies. Shock-wave properties of samples from AK6 alloy with different topology of pore channels were studied.
Keywords
алюминиевые сплавы селективное лазерное сплавление структура механические свойства ударно-волновые свойства
Date of publication
01.06.2025
Year of publication
2025
Number of purchasers
0
Views
19

References

  1. 1. Каблов Е.Н. Аддитивные технологии – доминанта национальной технологической инициативы. Интеллект и технологии. 2015;2(11):52–55.
  2. 2. Kablov E.N. Additive technologies – the dominant feature of the national technological initiative. Intelligence and Technologies. 2015;2(11):52–55. (In Russ.)
  3. 3. Попкова И.С., Золоторевский В.С., Солонин А.Н. Производство изделий из алюминия и его сплавов методом селективного лазерного плавления. Технология легких сплавов. 2015;(4):14–24.
  4. 4. Popkova I.S., Zolotorevsky V.S., Solonin A.N. Production of products from aluminum and its alloys by selective laser melting. Technology of Light Alloys. 2015;(4):14–24. (In Russ.)
  5. 5. Louvis E., Fox P., Sutcliffe C.J. Selective laser melting of aluminium components. Journal of Materials Processing Technology. 2011;211(2):275–284. doi:10.1016/J.JMATPROTEC.2010.09.019
  6. 6. DebRoy T., Wei H.L., Zuback J.S., Mukherjeе T.,. Elmer J.W, Milewski J.O., Beese A.M., Wilson-Heid A., Ded A., Zhang W. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties. Progress in Materials Science. 2018;92:112–224. doi:10.1016/j.pmatsci.2017.10.001
  7. 7. Захаров В.В. Алюминиевые сплавы для аддитивных технологий. Металловедение и термическая обработка металлов. 2021;791(5):3–8.
  8. 8. Zakharov V.V. Aluminum alloys for additive technologies. Metal Science and Heat Treatment. 2021;791(5):3–8. (In Russ.)
  9. 9. H. Zhang, H. Zhu, T. Qi, Z. Hu, X. Zeng. Selective laser melting of high strength Al-Cu-Mg alloys: Processing, microstructure and mechanical properties. Materials Science and Engineering: A. 2016;656:47–54.
  10. 10. Рябов Д.К., Антипов В.В., Королев В.А., Медведев П.Н. Влияние технологических факторов на структуру и свойства силумина, полученного с использованием технологии селективного лазерного синтеза. Авиационные материалы и технологии. 2016;S1:44–51.
  11. 11. Ryabov D.K., Antipov V.V., Korolev V.A., Medvedev P.N. Influence of technological factors on the structure and properties of silumin obtained using selective laser synthesis technology. Aviation Materials and Technologies. 2016;S1:44–51. (In Russ.)
  12. 12. Pozdniakov A.V., Churyumov A.Y., Loginova I.S., Daubarayte D.K., Ryabov D.K., Korolev V.A. Microstructure and properties of novel AlSi11CuMn alloy manufactured by selective laser melting. Materials Letters. 2018;225:33–36. doi: 10.1016/J.MATLET.2018.04.077
  13. 13. Saheed B. Adisa, Loginova I., Asmaa Khalil, Solonin A. Effect of laser welding process parameters and filler metals on the weldability and the mechanical properties of AA7020 aluminium alloy. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2018;2(33). doi:10.3390/jmmp2020033
  14. 14. Zhang H., Zhu H., Nie X., Qi T., Hu Zh., Zeng X. Fabrication and heat treatment of high strength AlCu-Mg alloy processed using selective laser melting //Proc. SPIE 9738, Laser 3D Manufacturing III, 97380X (6 April 2016). doi:10.1117/12.2211362
  15. 15. Каблов Е.Н., Евгенов А.Г., Петрушин Н.В, Шуртаков С.В., Зайцев Д.В. К вопросу о механизме формирования тонкой структуры трека в процессе селективного лазерного сплавления. Металловедение и термическая обработка металлов. 2023; 812(2):44–55.
  16. 16. Kablov Ye.N., Yevgenov A.G., Petrushin N.V. et al. Materialy novogo pokoleniya i tsifrovyye additivnyye tekhnologii proizvodstva resursnykh detaley FGUP ≪VIAM≫. Chast’ 3. Adaptatsiya i sozdaniye materialov. Elektrometallurgiya. 2022; № 4. S. 15–25.) (In Russ.)
  17. 17. Бенариеб И., Дынин Н.В., Кузнецова П.Е., Сбитнева С.В. Изменение структуры и механических свойств при термической обработке алюминиевого сплава AlSi10Mg, полученного методом селективного лазерного сплавления. Технология легких сплавов. 2023;(4):5–18.
  18. 18. Benarieb I., Dynin N.V., Kuznetsova P.E., Sbitneva S.V. Changes in the structure and mechanical properties during heat treatment of aluminum alloy AlSi10Mg obtained by selective laser melting. Technology of Light Alloys. 2023;(4):5–18. (In Russ.)
  19. 19. Manfredi D., Calignano F., Krishnan M., Canali R., Ambrosio EP., Atzeni E. From powders to dense metal parts: characterization of a commercial AlSiMg alloy processed through direct metal laser sintering.Materials (Basel). 2013;6(3):856–869. doi:10.3390/ma6030856
  20. 20. Aboulkhair T., Everitt N.M., Ashcroft I., Tuck C. Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting. Additive Manufacturing. 2014;1–4:77–86. doi:10.1016/j.addma.2014.08.001
  21. 21. Караваев А.К., Пучков Ю.А. Исследования структуры и свойств сплава AlSi10Mg, полученного методом селективного лазерного сплавления. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2020;(5):71–85.
  22. 22. Karavaev A.K., Puchkov Yu.A. Studies of the structure and properties of the AlSi10Mg alloy obtained by selective laser melting. Bulletin of Bauman Moscow State Technical University. Series: Mechanical Engineering. 2020;(5):71–85. (In Russ.)
  23. 23. Alghamdi F., Song X., Hadadzadeh A., Shalchi-Amirkhiz B., Mohammadi M., Haghshenas M. Post heat treatment of additive manufactured AlSi10Mg: On silicon morphology, texture and small-scale properties. Materials Science and Engineering: A. 2020;783: Art.139296. doi:10.1016/j.msea.2020.139296
  24. 24. Albu M., Krisper R., Lammer J., Kothleitner G., Fiocchi J., Bassani P. Microstructure evolution during in situ heating of AlSi10Mg alloy powders and additive manufactured parts. Additive Manufacturing. 2020;36: Art.101605. doi:10.1016/j.addma.2020.101605
  25. 25. Каблов Е.Н., Дынин Н.В., Бенариеб И., Зайцев Д.В., Сбитнева С.В. Изменение структуры и механических свойств при термической обработке алюминиевых сплавов типа AlSi10Mg, полученных методом селективного лазерного сплавления. Металловедение и термическая обработка металлов. 2022;808(10):20–28.
  26. 26. Kablov E.N., Dynin N.V., Benarieb I., Zaitsev D.V., Sbitneva S.V. Changes in the structure and mechanical properties during heat treatment of aluminum alloys of the AlSi10Mg type obtained by selective laser melting. Metal Science and Heat Treatment. 2022;808(10):20–28. (In Russ.)
  27. 27. Zhu S., Katti I., Qiu D., Forsmark J. H., Easton M. A. Microstructural analysis of the influences of platform preheating and post-build heat treatment on mechanical properties of laser powder bed fusion manufactured AlSi10Mg alloy. Materials Science and Engineering: A. 2023;882: Art.145486. doi:10.1016/j.msea.2023.145486
  28. 28. Chambrin N., Dalverny O., Cloue J.-M., Brucelle O., Alexis J. In Situ ageing with the platform preheating of AlSi10Mg alloy manufactured by laser powderbed fusion process. Metals. 2022;12(12): Art.2148. doi:10.3390/met12122148
  29. 29. Spierings A.B., Dawson K., Voegtlin M., Palm F., Uggowitzer P.J. Microstructure and mechanical properties of as-processed scandium modified aluminium using selective laser melting. Manufacturing Technology. 2016;65:213–216. doi:10.1016/j.cirp.2016.04.057
  30. 30. Spierings A.B., Dawson K., Heeling T., Uggowitzer P.J., Schaublind R., Palme F., Wegener K. Microstructural features of Sc- and Zr-modified Al-Mg alloys processed by selective laser melting. Materials and Design. 2017;115:52–63. doi:10.1016/j.matdes.2016.11.040
  31. 31. Savio G., Rosso S., Meneghello R., Concheri G. Geometric modeling of cellular materials for additive manufacturing in biomedical field: a review. Applied Bionics and Biomechanics. 2018;(3):1–14. doi:10.1155/2018/1654782
  32. 32. Дьяченко С.В., Лебедев Л.А., Сычев М.М., Нефедова Л.А. Физико-механические свойства модельного материала с топологией трижды периодических поверхностей минимальной энергии типа гироид в форме куба. Журнал технической физики. 2018;88(7):1014–1017.
  33. 33. Dyachenko S.V., Lebedev L.A., Sychev M.M., Nefedova L.A. Physical and mechanical properties ofa model material with the topology of triply periodic minimum energy surfaces of the gyroid type in the form of a cube. Journal of Technical Physics. 2018;88(7):1014–1017. (In Russ.)
  34. 34. Бродова И.Г., Кленов А.Н., Ширинкина И.Г., Смирнов Е.Б., Орлова Н.Ю. Структура и механические свойства сплава Al–Cu–Mg–Si, полученного селективным лазерным сплавлением. Физика металлов и металловедение. 2021;122(12):1309–1316.
  35. 35. Brodova I.G., Shirinkina I.G., Klenov A.N., Smirnov E.B., Orlova N.Y. Structure and mechanical properties of Al–Cu–Mg–Si alloy prepared by selective laser melting. Physics of Metals and Metallography. 2021;122(12):1220–1227.
  36. 36. Петрова А.Н., Клёнов А.И., Бродова И.Г., Распосиенко Д.Ю., Пильщиков А.А., Орлова Н.Ю. Влияние технологических факторов на структуру и свойства Al–Cu–Mg–Si-сплава, полученного селективным лазерным сплавлением. Физика металлов и металловедение. 2023;124(10):961–970.
  37. 37. Petrova A.N., Klenov A.I., Brodova I.G., Rasposienko D.Yu., Pil’shchikov A.A., Orlova N.Yu. The ifluence of tchnological prameters on the sructure and poperties of the Al–Cu–Mg–Si alloy otained uing slective lser mlting. Physics of Metals and Metallography. 2023;124(10):961–970. (In Russ.)
  38. 38. Клёнов А.И., Петрова А.Н., Бродова И.Г., Астафьев В.В., Смирнов Е.Б., Гармашев А.Ю. Влияние топологии сетчатых структур на динамические свойства сплава Al–Cu–Mg–Si, полученного технологией 3D-печати. Физика горения и взрыва. 2024;60(6):135–143.
  39. 39. Klenov A.I., Petrova A.N., Brodova I.G., Astaf ’ev V.V., Smirnov E.B., Garmasheva A.Yu. Effect of grid structure topology on dynamic properties of 3D-printed Al–Cu–Mg–Si alloy. Combustion, Explosion and Shock Waves. 2024; 60(6):826–834.
  40. 40. Read N, Wang W., Essa K., Attallah M.M. Selective laser melting of AlSi10Mg alloy: process optimisation and mechanical properties development. Materials & Design. 2015;65:417–424. doi:10.1016/j.matdes.2014.09.044
  41. 41. Кленов А.И., Бродова И.Г., Петрова А.Н., Смирнов Е.Б., Гармашев А.Ю. Ослабление ударных волн в преградах из алюминиевого сплава АК6, полученных селективным лазерным сплавлением. Сборник материалов XVIII международной конференции ≪Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций≫ (МРДМК, 31.05.2024). Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН; 2024: 217.
  42. 42. Klenov A.I., Brodova I.G., Petrova A.N., Smirnov E.B., Garmashev A.Yu. Attenuation of shock waves in barriers made of AK6 aluminum alloy obtained by selective laser melting. Collection of materials XVIII International conference ≪Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures≫ (MRDMK, 31.05.2024). Ekaterinburg: IMASH UB RAS; 2024: 217.) (In Russ.)
  43. 43. Экстремальные методы и средства в физике экстремальных состояний вещества. Под редакцией Р.И. Илькаева, А.Л. Михайлова, М.В. Жерноклетова. М.: РАН; 2021: 483.
  44. 44. Extreme methods and tools in physics of extreme states of matter. Edited by R.I. Ilkaev, A.L. Mikhailov, M.V. Zhernokletov. Moscow: RAS; 2021:483.) (In Russ.)
  45. 45. Carter L.N., Martin C., Withers P.J., Attallah M.M. The influence of the laser scan strategy on grain structure and cracking behaviour in SLM powder-bed fabricated nickel superalloy. Journal of Alloys and Compounds. 2014; 615:338–347. doi:10.1016/j.jallcom.2014.06.172
  46. 46. Galy C, Le Guen E., Lacoste E., Arvieu C. Main defects observed in aluminum alloy parts produced by SLM: from causes to consequences. Additive Manufacturing. 2018;22:165–175. doi:10.1016/j.addma.2018.05.005
  47. 47. Khairallah S.A., Anderson A.T., Rubenchik A., King W.E. Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones. Acta Materialia. 2016;108:36–45. doi:10.1016/j.actamat.2016.02.014
  48. 48. Алёшин Н.П., Мурашов В.В., Евгенов А.Г., Григорьев М.В., Щипаков Н.А., Василенко С.А., Краснов И.С. Классификация дефектов металлических материалов, синтезированных методом селективного лазерного сплавления, и возможности методов неразрушающего контроля для их обнаружения. Дефектоскопия. 2016;(1):48–55.
  49. 49. Aleshin N.P., Grigoriev M.V., Shchipakov N.A., Murashov V.V., Evgenov A.G., Vasilenko S.A., Krasnov I.S. The classification of flaws of metal materials synthesized by the selective laser melting method and the capabilities of nondestructive testing methods for their detection. Russian Journal of Nondestructive Testing. 2016;52(1):38–43.
  50. 50. Winegard W.G. Fundamentals of the solidification of metals. Metallurgical Reviews. 1961; 6(1):57–100.
  51. 51. Silvia M., Diego M., Gianluca F., Marco G.P., Mariangela L., Paolo F., Livio B. A comparison of selective laser melting with bulk rapid solidification of AlSi10Mg alloy. Alloys and Compounds. 2018;742:271–279. doi:https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2018.01.309
  52. 52. Прохорчук Е.А, Леонов А.А., Власова К.А., Трапезников А.В., Никитин В.И., Никитин К.В. Перспектива применения пеноалюминия для изделий авиакосмической техники (обзор). Труды ВИАМ. 2021;106(12):21–30.
  53. 53. Prokhorchuk E.A., Leonov A.A., Vlasova K.A., Trapeznikov A.V., Nikitin V.I., Nikitin K.V. Prospects for the use of foam aluminum for aerospace products (review). Proceedings of VIAM. 2021;106(12):21–30. (In Russ.)
QR
Translate

Indexing

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Higher Attestation Commission

At the Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Scopus

Scientific Electronic Library