Manufacturing conditions of bimetallic samples based on iron and copper alloys by wire-feed electron beam additive manufacturing

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. Wire-feed electron beam additive manufacturing (EBAM) is a promising production technology, offering unprecedented control over interface design in composite materials, which is challenging to achieve using conventional methods. The ability to control localized metallurgical processes within the melt pool is a key advantage of EBAM technology. This study investigates the influence of key EBAM parameters (wire feed configuration, scanning strategies, and linear energy input) on achieving diverse interface designs in bimetallic samples composed of copper and iron-based alloys. Establishing the relationship between microstructure evolution and 3D printing parameters is of great importance for the development of EBAM. The purpose of this study is to elucidate the effects of fundamental EBAM process parameters (beam current, wire feed rate, heat input, scanning strategy, and intrinsic material properties) on the fabrication of high-quality copper-iron bimetallic samples exhibiting both sharp and smooth interfaces, as well as heterogeneous material distributions. Research Methods. This study heavily emphasizes experimental investigations to optimize the EBAM process. Bimetallic samples featuring sharp interfaces, smooth interfaces, and heterogeneous microstructures, based on copper and iron alloys, were fabricated using wire-feed EBAM. The study analyzed the values of heat input depending on the layer being deposited; the wire feed rate depending on the material used, and the types of printing strategies depending on the ratio of dissimilar materials in bimetallic samples. A Pentax K-3 digital camera, equipped with a 100 mm focal length lens, was employed for high-resolution visual inspection and quality assessment of the fabricated bimetallic samples with varying interface designs. Results and discussion. Based on an in-depth understanding of the factors governing electron beam-material interactions, this work systematically details the potential for creating components with controlled sharp or smooth interfaces, as well as heterogeneous material architectures. Furthermore, the study briefly outlines process control methodologies aimed at minimizing defects, considering factors influencing melt pool dynamics, including the precise regulation of thermal conditions during 3D printing process. A fixed heat input was prescribed for each material to achieve a sharp interface morphology: specifically, 0.09 kJ/mm for the deposition of M1 copper layers, which is 2.5 times lower than the heat input used for depositing Cu-9 Al-2 Mn copper alloy layers. Similarly, a heat input of 0.17 kJ/mm was used for 0.12 C-18 Cr-9 Ni-Ti stainless steel layers, which is 1.5 times lower than that for 0.09 C-2 Mn-Si steel alloy layers. In contrast, the fabrication of smooth interfaces relied on dynamically adjusting the heat input and wire feed rates as a function of the layer being deposited and the target composition. The formation of heterogeneous structures required the use of tailored scanning strategies during EBAM, depending on the volume fraction of dissimilar alloys deposited via the wire feedstock. The successful fabrication of defect-free copper-iron bimetallic samples was achieved through careful control of the EBAM process.

About the authors

K. S. Osipovich

Email: osipovich_k@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, osipovich_k@ispms.ru

E. A. Sidorov

Email: eas@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eas@ispms.ru

A. V. Chumaevskii

Email: tch7av@gmail.com
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tch7av@gmail.com

S. Yu. Nikonov

Email: SergRFF@ispms.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, SergRFF@ispms.ru

E. A. Kolubaev

Email: eak@ispms.tsc.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eak@ispms.tsc.ru

References

  1. Multimaterial powder bed fusion techniques / M. Mehrpouya, D. Tuma, T. Vaneker, M. Afrasiabi, M. Bambach, I. Gibson // Rapid Prototyping Journal. – 2022. – Vol. 28 (11). – P. 1–19. – doi: 10.1108/RPJ-01-2022-0014.
  2. Zadpoor A.A. Additively manufactured metallic porous biomaterials // Journal of Materials Chemistry B. – 2019. – Vol. 7 (26). – P. 4088–4117. – doi: 10.1039/C9TB00420C.
  3. Influence of processing parameters on the characteristics of stainless steel/copper laser welding / S. Chen, J. Huang, J. Xia, X. Zhao, S. Lin // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 222. – P. 43–51. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.03.003.
  4. Hybrid parts produced by deposition of 18Ni300 maraging steel via selective laser melting on forged and heat treated advanced high strength steel / L. Kucerová, I. Zetková, Š. Jenícek, K. Burdová // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 32. – P. 101108. – doi: 10.1016/j.addma.2020.101108.
  5. First-principles residual resistivity using a locally self-consistent multiple scattering method / V. Raghuraman, M. Widom, M. Eisenbach, Y. Wang // Physical Review B. – 2024. – Vol. 109. – P. 104204. – doi: 10.1103/PhysRevB.109.104204.
  6. Wittenburg K. Specific instrumentation and diagnostics for high-intensity hadron beams // CERN Yellow Reports. – Geneva, 2013. – P. 251–308. – doi: 10.5170/CERN-2013-001.251.
  7. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms / D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe // International Materials Reviews. – 2012. – Vol. 57 (3). – P. 133–164. – doi: 10.1179/1743280411Y.0000000014.
  8. Understanding thermal behavior in the LENS process / M.L. Griffith, M.E. Schlienger, L.D. Harwell, M.S. Oliver, M.D. Baldwin, M.T. Ensz, M. Essien, J. Brooks, C.V. Robino, J.E. Smugeresky, W.H. Hofmeister, M.J. Wert, D.V. Nelson // Materials & Design. – 1999. – Vol. 20 (2–3). – P. 107–113. – doi: 10.1016/S0261-3069(99)00016-3.
  9. Angehrn N., Pagonakis I.G. A novel electron gun design approach with an externally assembled anode // IEEE Transactions on Electron Devices. – 2023. – Vol. 70 (11). – P. 5934–5939. – doi: 10.1109/TED.2023.3317367.
  10. Electron beam powder bed fusion of γ-titanium aluminide: effect of processing parameters on part density, surface characteristics, and aluminum content / J. Moritz, M. Teschke, A. Marquardt, L. Stepien, E. López, F. Brückner, M. Macias Barrientos, F. Walther, C. Leyens // Metals. – 2021. – Vol. 11 (7). – P. 1093. – doi: 10.3390/met11071093.
  11. A design of experiment approach for development of electron beam powder bed fusion process parameters and improvement of Ti-6Al-4V as-built properties / D. Braun, Y.I. Ganor, S. Samuha, G.M. Guttmann, M. Chonin, N. Frage, S. Hayun, E. Tiferet // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2022. – Vol. 6 (4). – P. 90. – doi: 10.3390/jmmp6040090.
  12. Compositionally graded metals: a new frontier of additive manufacturing / D.C. Hofmann, J. Kolodziejska, S. Roberts, R. Otis, R.P. Dillon, J.-O. Suh, Z.-K. Liu, J.-P. Borgonia // Journal of Materials Research. – 2014. – Vol. 29. – P. 1899–1910. – doi: 10.1557/jmr.2014.208.
  13. Micro-, meso- and macrostructural design of bulk metallic and polymetallic materials by wire-feed electron-beam additive manufacturing / E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, A.V. Chumaevsky, E.G. Astafurova // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25. – P. 479–491. – doi: 10.1134/S1029959922060017.
  14. Alloys-by-design: application to new superalloys for additive manufacturing / Y.T. Tang, C. Panwisawas, J.N. Ghoussoub, Y. Gong, J. Clark, A. Németh, D.G. McCartney, R.C. Reed // Acta Materialia. – 2020. – Vol. 202. – P. 417–436. – doi: 10.1016/j.actamat.2020.09.023.
  15. Phase formation, microstructure, and mechanical properties of Ni-Cu bimetallic materials produced by electron beam additive manufacturing / K. Osipovich, D. Gurianov, A. Vorontsov, E. Knyazhev, A. Panfilov, A. Chumaevskii, N. Savchenko, S. Nikonov, V. Rubtsov, E. Kolubaev // Metals. – 2022. – Vol. 12. – P. 1931. – doi: 10.3390/met12111931.
  16. Interfacial characteristic and mechanical performance of maraging steel-copper functional bimetal produced by selective laser melting based hybrid manufacture / C. Tan, K. Zhou, W. Ma, L. Min // Materials & Design. – 2018. – Vol. 155. – P. 77–85. – doi: 10.1016/j.matdes.2018.05.064.
  17. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties / T. DebRoy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O. Milewski, A.M. Beese, A. Wilson-Heid, A. De, W. Zhang // Progress in Materials Science. – 2018. – Vol. 92. – P. 112–224. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001.
  18. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S.Y. Tarasov, A.V. Filippov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, S.G. Psakhie // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 99. – P. 2353–2363. – doi: 10.1007/s00170-018-2643-0.
  19. Study on powder particle behavior in powder spreading with discrete element method and its critical implications for binder jetting additive manufacturing processes / S. Wu, Y. Yang, Y. Huang, C. Han, J. Chen, Y. Xiao, Y. Li, D. Wang // Virtual and Physical Prototyping. – 2023. – Vol. 18 (1). – P. 1–26. – doi: 10.1080/17452759.2022.2158877.
  20. Materials for additive manufacturing / D. Bourell, J.P. Kruth, M. Leu, G. Levy, D. Rosen, A.M. Beese, A. Clare // CIRP Annals Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 66. – P. 659–681. – doi: 10.1016/j.cirp.2017.05.009.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».