Просмотр сведений о научной статье

Обложка номера

Заголовок

Остаточные напряжения в аддитивно изготавливаемых деталях: обзор

Автор

А.А. Андреев

Организация

ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королёва»
г. Королёв, Московская область, Российская Федерация

Аннотация

В настоящее время в производство авиа- и космической техники внедряются аддитивные методы изготовления деталей. Аддитивные технологии позволяют создавать детали сложной конфигурации, тем самым обеспечивая высокую эффективность их применения. Однако одной из ключевых проблем, возникающих на пути применения аддитивных технологий, являются остаточные напряжения, которые возникают в процессе аддитивного производства и присутствуют на всех его этапах. Остаточные напряжения, являющиеся следствием температурного нагрева и охлаждения конструкции, могут оказывать серьезное влияние на механические и эксплуатационные свойства изготавливаемых деталей. В статье рассмотрены причины возникновения остаточных напряжений при различных методах аддитивного производства. Проведена оценка их влияния на прочностные характеристики напечатанных конструкций и геометрическую точность их изготовления. Рассмотрены методы снижения остаточных напряжений на разных этапах аддитивного производства, включая моделирование аддитивной детали и ее обработку после изготовления. Проведен обзор существующих подходов и методов к моделированию и прогнозированию остаточных напряжений в аддитивно изготавливаемых конструкциях, что особенно важно для снижения остаточных напряжений и увеличения прочности и надежности в критически важных элементах аэрокосмической техники.

Ключевые слова

аддитивные технологии, аддитивное производство, остаточные напряжения, численные методы

Список литературы

[1] Буркин С. П., Шимов Г. В., Андрюкова Е. А. Остаточные напряжения в металлопродукции. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015.

[2] Авдуевский В. С., Галицейский Б. М., Глебов Г. А. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М.: Машиностроение, 1992.

[3] Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979.

[4] Биргер И. А. Остаточные напряжения. М.: МАШГИЗ, 1963.

[5] Аносов М. С., Кабалдин Ю. Г., Колчин П. В. и др. Электронно-микроскопические исследования механизмов разрушения конструкционных сталей, полученных на основе 3D-печати // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова, 2021. Т. 19. № 3. С. 68–74.

[6] Фролов А. В., Шаповалов П. А. Опыт использования аддитивных технологий при конструировании бесплатформенных инерциальных навигационных систем беспилотных летательных аппаратов // Аддитивные технологии: настоящее и будущее. М.: ВИАМ, 2018. С. 165–173.

[7] Низовцев В. Е., Климов Д. А., Ступеньков М. И., Бредихина Е. Н. Преимущества аддитивных технологий в качестве альтернативы традиционным технологиям // Аддитивные технологии: настоящее и будущее. М.: ВИАМ, 2018. С. 165–173.

[8] Matusu M., Papuga J., Rosenthal J. et al. The effect of heat treatment on fatigue strength of additively manufactured AlSi10Mg // Procedia Structural Integrity. 2024, vol. 57, pp. 327–334.

[9] Xie D., Lv F., Yang Y. et al. A Review on Distortion and Residual Stress in Additive Manufacturing // Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers. 2022, vol. 1.

[10] Denkena B., Wichmann M., Pillkahna P. Effect of mechanical finishing on residual stresses and application behavior of wire arc additive manufactured aluminum components. 6th CIRP Conference on Surface Integrity.

[11] Matusu M., Rosenthal J., Papuga J. et al. Fatigue analysis of additively manufactured specimens from AlSi10Mg with different levels of powder recycling. International Conference on Structural Integrity. 2023.

[12] Chantziara K., Nikas D., Bergstrom J. et al. High and very high cycle fatigue behavior of an additive manufactured hot-work tool steel // Materials Science & Engineering A. 2024, vol. 917.

[13] Borhani M. R., Rajabi M., Shoja Razavi R., Jamaati R. Investigating the relationship between mechanical properties and residual stress in the laser cladding process of Inconel 625 superalloy. Heliyon. 2023, vol. 9.

[14] Beltrami M., Pelegatti M., Magnan M. et al. Microstructure and residual stress evolution during cyclic elastoplastic deformation of AISI316L fabricated via laser powder bed fusion // Materials Science & Engineering A. 2024, vol. 898.

[15] Tahmasbi K., Muhammad M., Avateffazeli M. et al. Very high cycle fatigue characteristics of laser beam powder bed fused AlSi10Mg: A systematic evaluation of part geometry // International Journal of Fatigue. 2024, vol. 189.

[16] Sirina T. B., Kaynak Y. Prediction of residual stress and distortion in laser powder bed fusion additive manufacturing process of Inconel 718 alloy. 14th CIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering. CIRP ICME '20.

[17] Ahmed N., Barsoum I., Abu Al-Rub R. K. Numerical investigation of residual stresses in thin-walled additively manufactured structures from selective laser melting. Heliyon. 2023, vol. 9.

[18] Vafaei M., Ghanavati R., Saboori A., Ouliano L. The impact of heat treatment on microstructure, residual stress, and mechanical behavior of laser powder bed fusion additively manufactured Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo alloy. Journal of Materials Research and Technology, 2024, vol. 33.

[19] Azarmi F., Sevostianov I. Evaluation of the residual stresses in metallic materials produced by additive manufacturing technology: effect of microstructure // Current Opinion in Chemical Engineering. 2020, vol. 28, pp. 21–27.

[20] Voloskov B., Mishurova T., Evlashin S., Bruno G., Sergeichev I. Influence of artificial and process-induced defects on very high cycle fatigue characteristics of 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion // Materials Science and Engineering: A, 2025, vol. 920.

[21] Кудряшов В. А., Лапышев А. А. Создание аддитивных технологий с учетом усталостного поведения материала в авиационном инжиниринге // Известия Самарского научного центра РАН. 2018. № 4–3. С. 406–413.

[22] Армашова-Тельник Г. С., Соколова П. Н., Дегтерев Д. В. Аддитивные технологии: новационный эффект в промышленности // Вестник ВГУИТ. 2020. Т. 82, № 4. С. 347–353.

[23] Сметанников О. Ю., Бекмансуров М. Р., Ильиных Г. В., Донгаузер К. А. Моделирование напряженно-деформированного состояния в процессе лазерной порошковой наплавки с целью определения конечного коробления изделий // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2023. № 6. С. 124–134.

[24] Балякин А. В., Олейник М. А., Злобин Е. П., Скуратов Д. Л. Обзор гибридного аддитивного производства металлических деталей // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21. № 2. С. 48–64.

[25] Федченко Т. А., Данилов Н. А., Халеков Я. А., Толстопятов М. И. Аддитивные технологии в ракетостроении. Кронос. 2022. № 6 (68).

[26] Сокольников В. В., Андрюхина Д. С., Зиновкина Д. А. Анализ аддитивных технологий // Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral». 2023. № 3.

[27] Полькин И. С. Аддитивные технологии титановых сплавов // Технология легких сплавов. 2015. № 3. С. 11–15.

[28] Якупов Р. Р. Математические методы аддитивных технологий. Наука без границ. 2017. № 8 (13). С. 35–38.

[29] Ковалев Д. С., Коваленко П. А. Перспективы внедрения аддитивных технологий в промышленность // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2017. № 13. С. 398–400.

[30] Литунов С. Н., Слободенюк В. С., Мельников Д. В. Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 1 // ОНВ. 2016. № 1 (145). С. 12–17.

[31] Баева Л. С., Маринин А. А. Современные технологии аддитивного изготовления объектов // Вестник МГТУ. 2014. № 1. С. 7–12.

[32] Шевцов А. В., Денисов А. Е., Коновалов Ю. И. Аддитивные технологии формирования металлургических заготовок. Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2020. С. 492–493.

[33] Баксанова Ю. А., Максимов П. В. Обзор методов аддитивного формирования изделий // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 9–2 (51). С. 6–9.

[34] Волосков Б. С., Сергеичев И. В., Евлашин С. А. Исследование усталостного поведения образцов из коррозионностойкой стали, изготовленных методами SLM и DMT // Аддитивные технологии в цифровом производстве. Металлы, сплавы, композиты. 2019. № 1. С. 36–37.

[35] Горбовец М. А., Беляев М. С., Рыжков П. В. Сопротивление усталости жаропрочных никелевых сплавов, полученных методом СЛС // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 3 (52). С. 50–55.

[36] Магеррамова Л. А., Ножницкий Ю. А., Волков С. А. и др. Перспективы применения аддитивных технологий для создания деталей и узлов авиационных газотурбинных двигателей и прямоточных воздушно-реактивных двигателей // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. Т. 18. № 3. С. 81–98.

[37] Сметанников О. Ю., Трушников Д. Н., Анисимов А. А. Численное моделирование процесса промежуточной проковки наплавляемых изделий в ANSYS Mechanical APDL (Implicit Analysis) // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2022. № 4. С. 148–162.

[38] Сметанников О. Ю., Максимов П. В., Трушников Д. Н. и др. Исследование влияния параметров процесса 3D-наплавки проволочных материалов на формирование остаточных деформаций // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. № 2. С. 181–194.

[39] Ильиных А. В., Паньков А. М., Лыкова А. В., Пермяков Г. Л. Экспериментальное исследование циклической долговечности аддитивного титанового сплава ВТ6 в условиях концентрации напряжений // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2023. № 75. С. 120–132.

[40] Бабайцев А. В., Рабинский Л. Н., Наинг Мин Ян. Методика оценки остаточных напряжений в образцах из сплава AlSi10Mg, полученных по технологии SLM // Труды МАИ. 2021. № 119.

[41] Jiang Z., Sun J., Berto F., Wang X., Qian G. Усталость и разрушение сплава AlSi10Mg, полученного методом селективного лазерного плавления // Физ. мезомех. 2023, № 2.

[42] Галиновский А. Л., Голубев Е. С., Коберник Н. В., Филимонов А. С. Аддитивные технологии в производстве изделий аэрокосмической техники. М.: Юрайт. 2024.

[43] Армашова-Тельник Г. С., Соколова П. Н., Дегтерев Д. В. Аддитивные технологии: новационный эффект в промышленности // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2020. Т. 82. № 4. С. 347–353. doi: 10.20914/2310–1202–2020–4–347–353.

[44] Новиков С. В., Рамазанов К. Н. Аддитивные технологии: состояние и перспективы. Уфа: УГАТУ, 2022.

[45] Герман М. А. Влияние термической и термоводородной обработок на формирование структуры и механические свойства заготовок из (alpha+beta)-титановых сплавов, полученных по аддитивным технологиям. М.: МАИ, 2019.

[46] Barlett J. L., Li X. An overview of residual stresses in metal powder bed fusion // Additive Manufacturing. 2019, vol. 27, pp. 131–149.

[47] Kruth J. P., Deckers J., Yasa E. et al. Assessing and comparing influencing factors of residual stresses in selective laser melting using a novel analysis method. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part B. 2012, vol. 226, pp. 980–991.

[48] Mukherjee T., Zhang W., DebRoy T. An improved prediction of residual stresses and distortion in additive manufacturing // Computational Materials Science. 2017, vol. 126, pp. 360–372. doi: 10.1016/j.commatsci.2016.10.003.

[49] Pant P., Sjostrom S., Simonsson K. et al. A Simplified Layer-by-Layer Model for Prediction of Residual Stress Distribution in Additively Manufactured Parts // Metals. 2021, vol. 11, рр. 861. doi: 10.3390/met11060861.

[50] Mirkoohi E., Li D., Garmestani H., Liang S. Residual stress modeling considering microstructure evolution in metal additive manufacturing // Journal of Manufacturing Processes. 2021, vol. 68, pp. 383–397. doi: 10.1016/j.jmapro.2021.04.041.

[51] Siewert M., Neugebauer F., Epp J., Ploshikhin V. Validation of Mechanical Layer Equivalent Method for simulation of residual stresses in additive manufactured components // Comput. Math. Appl. 2019, vol. 78, pp. 2407–2416. doi: 10.1016/j.camwa.2018.08.016.

[52] Ali B., Heider Y., Markert B. Predicting residual stresses in SLM additive manufacturing using a phase-field thermomechanical modeling framework // Computational Materials Science. 2024. doi: 10.1016/j.commatsci.2023.112576.

[53] Shan Z., Tran M., Woo W. et al. Multiscale framework for prediction of residual stress in additively manufactured functionally graded material // Additive Manufacturing. 2022. doi: 10.1016/j.addma.2022.103378.

[54] Hu D., Grilli N., Wang L., Yang M., Yan W. Microscale residual stresses in additively manufactured stainless steel: Computational simulation // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2022. doi: 10.1016/j.jmps.2022.104822.

[55] Коваленко А. Д. Термоупругость. Киев: Вища школа, 1975.

Цитирование данной статьи

Андреев А.А. Остаточные напряжения в аддитивно изготавливаемых деталях: обзор // Космические аппараты и технологии. 2025. Т. 9. № 4. С. 250-259. doi: 10.26732/j.st.2025.4.06

Данная статья лицензирована по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.