Numerical analysis of the process of electron beam additive deposition with vertical feed of wire material

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. At present, additive technologies are actively developing all over the world and are becoming more and more widely used in industrial production. The use of electron beams in additive processes of directed energy input, the so-called Directed Energy Deposition (DED) technologies, has several advantages, the main ones being the flexibility of controlling the spatial and energy characteristics of the thermal source and the presence of a vacuum protective environment. The standard scheme for additive electron beam deposition is melting of a wire filler material fed from the side into the electron beam affected area, but this additive electron beam deposition pattern does not provide a uniform thermal impact in the deposited area. The most effective method for electron-beam deposition is vertical wire feeding, which provides the most stable formation of the liquid metal bath and, consequently, the deposited beads. At the same time, so far there are no results of numerical analysis of this process in order to determine its main regularities. The aim of the work is to carry out numerical experiments for qualitative analysis and determination of the regularities of formation of deposited beads and transfer of filler material, the dependence of the geometric characteristics of the obtained beads on the influence of vapor pressure forces, direction and value of the azimuthal angle of heat sources. The research methods were a series of numerical experiments, which analyzed variants of the electron-beam surfacing process at the location of the surfacing rate vector in the action plane of electron beams and perpendicular to this plane to determine the basic regularities of deposited beads formation and transfer of filler material, dependence of geometric characteristics of obtained beads on the influence of vapor pressure forces, direction of heat sources and the azimuth angle of heat sources. Results and discussion. It is found that the geometric characteristics of the deposited beads significantly depend on the relative position of the deposition velocity vector with respect to the plane of the electron beams, and consideration of the vapor pressure has a significant influence on the results of numerical simulation of the weld pool formation and the hydrodynamic processes occurring in it. In this case, the location of the deposition velocity vector perpendicular to the action plane of the electron beams, there is a more uniform geometry of the deposited metal beads, and increasing the azimuthal angle of the heat sources increases the probability of spitting to the periphery of the deposited bead, which is associated with limitation of the melt motion in the longitudinal direction by the vapor pressure forces.

About the authors

G. L. Permyakov

Email: gleb.permyakov@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Perm National Research Polytechnic University, 29 Komsomolsky Prospekt, Perm, 614990, Russian Federation, gleb.permyakov@yandex.ru

R. P. Davlyatshin

Email: romadavly@gmail.com
Perm National Research Polytechnic University, 29 Komsomolsky Prospekt, Perm, 614990, Russian Federation, romadavly@gmail.com

V. Ya. Belenkiy

Email: vladimirbelenkij@yandex.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Perm National Research Polytechnic University, 29 Komsomolsky Prospekt, Perm, 614990, Russian Federation, vladimirbelenkij@yandex.ru

D. N. Trushnikov

Email: trdimitr@yandex.ru
D.Sc. (Engineering), Perm National Research Polytechnic University, 29 Komsomolsky Prospekt, Perm, 614990, Russian Federation, trdimitr@yandex.ru

S. V. Varushkin

Email: stepan.varushkin@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Perm National Research Polytechnic University, 29 Komsomolsky Prospekt, Perm, 614990, Russian Federation, stepan.varushkin@mail.ru

S. Pang

Email: spang@mail.hust.edu.cn
Ph.D. (Engineering), Professor, Huazhong University of Science and Technology, Luoyu street No1037, Hongshan district, Wuhan city, 430074, China, spang@mail.hust.edu.cn

References

  1. Taminger K.M., Hafley R.A. Electron beam freeform fabrication (EBF3) for cost effective near-net shape manufacturing. – Hampton, VA: National Aeronautics and Space Administration, Langley Research Center, 2006. – (NASA technical memorandum; NASA/TM-2006-214284URL). – URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20060009152 (accessed: 23.06.2022).
  2. Patent Application US 2016/0288244 A1. Electron beam layer manufacturing: № 5/180,665: filed 13.06.2016: publ. date 06.10.2016 / Scott Stecker. – 30 p.
  3. In-process thermal imaging of the electron beam freeform fabrication process / K.M. Taminger, C.S. Domack, J.N. Zalameda, B.L. Taminger, R.A. Hafley, E.R. Burke // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. – 2016. – Vol. 9861. – P. 986102. – doi: 10.1117/12.2222439.
  4. Fuchs J., Schneider C., Enzinger N. Wire-based additive manufacturing using an electron beam as heat source // Welding in the World. – 2018. – Vol. 62. – P. 267–275. – doi: 10.1007/s40194-017-0537-7.
  5. Особенности формирования изделий методом электронно-лучевой наплавки / А.В. Гуденко, А.П. Слива, В.К. Драгунов, А.В. Щербаков // Сварочное производство. – 2018. – № 8. – C. 12–19.
  6. Effect of surface treatments on electron beam freeform fabricated aluminum structures / K.M. Taminger, R.A. Hafley, D.T. Fahringer, R.E. Martin // 2004 International Solid Freeform Fabrication Symposium. – Austin, TX, 2004. – P. 460–470. – doi: 10.26153/tsw/7012.
  7. AWS C7.1M/C7.1:2013. Recommended practices for electron beam welding and allied processes / American Welding Society (AWS), Committee on High Energy Beam Welding and Cutting. – American Welding Society, 2013. – 150 p. – ISBN 0-87171-721-2.
  8. Bird R.K., Atherton T.S. Effect of orientation on tensile properties of Inconel 718 block fabricated with electron beam freeform fabrication (EBF3). – Hampton, VA: National Aeronautics and Space Administration, Langley Research Center, 2010. – (NASA technical memorandum; NASA/TM-2010-216719). – URL: https://ntrs.nasa.gov/citations/20100025706 (accessed: 23.06.2022).
  9. Microstructure and mechanical properties of electron beam deposits of AISI 316L stainless steel / L. Wang, S.D. Felicelli, J. Coleman, R. Johnson, K.M.B. Taminger, R.L. Lett // Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. – Denver, Colorado, USA, 2011. – Vol. 3: Design and Manufacturing. – P. 15–21. – doi: 10.1115/IMECE2011-62445.
  10. Ivanchenko V.G., Ivasishin O.M., Semiatin S.L. Evaluation of evaporation losses during electron-beam melting of Ti-Al-V alloys // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2003. – Vol. 34 (6). – P. 911–915. – doi: 10.1007/s11663-003-0097-7.
  11. Research on modeling of heat source for electron beam welding fusion-solidification zone / Y. Wang, P. Fu, Y. Guan, Z. Lu, Y. Wei // Chinese Journal of Aeronautics. – 2013. – Vol. 26 (1). – P. 217–223. – doi: 10.1016/j.cja.2012.12.023.
  12. Chowdhury S., Nirsanametla Y., Muralidhar M. Studies on heat transfer analysis of Ti2AlNb electron beam welds using hybrid volumetric heat source // Proceedings of the International Congress 2017 of the International Institute of Welding, 07–09 December 2017. – Chennai, India, 2017.
  13. Modelling of heat and mass transfer for wire-based additive manufacturing using electric arc and concentrated sources of energy / D. Trushnikov, A. Perminov, V. Belenkiy, G. Permyakov, M. Kartashov, E. Matveev, A. Dushina, Y. Schitsyn, S. Pang, K.P. Karunakaran // International Journal of Engineering and Technology. – 2018. – Vol. 7, N 4.38. – P. 741–747. – doi: 10.14419/ijet.v7i4.38.25777.
  14. Mladenov G.M., Koleva E.G., Trushnikov D.N. Mathematical modelling for energy beam additive manufacturing // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1089. – Art. 012001. – doi: 10.1088/1742-6596/1089/1/012001.
  15. Разработка и совершенствование технологий и оборудования для электронно-лучевого выращивания изделий / Д.Н. Трушников, Г.Л. Пермяков, С.В. Варушкин, Р.П. Давлятшин, Ю.В. Баяндин, Ш. Панг // СТИН. – 2021. – № 6. – С. 38–40.
  16. Brackbill J., Kothe D. Dynamic modeling of the surface tension // Proceedings of the Third Microgravity Fluid Physics Conference. – Cleveland, OH: NASA Lewis Research Center, 1996. – P. 693–698.
  17. Anisimov S.I., Khokhlov V.A. Instabilities in laser-matter interaction. – Boca Raton, FL: CRC Press, 1995. – 141 p. – ISBN 0-8493-8660-8.
  18. Weld pool flows during initial stages of keyhole formation in laser welding / J.-H. Cho, D.F. Farson, J.O. Milewski, K.J. Hollis // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2009. – Vol. 42, N 17. – doi: 10.1088/0022-3727/42/17/175502.
  19. Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter and denudation zones / S.A. Khairallah, A.T. Anderson, A. Rubenchik, W.E. King // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 108 (16). – P. 36–45. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.02.014.
  20. Fundamental analysis of the influence of powder characteristics in Selective Laser Melting of molybdenum based on a multi-physical simulation model / K.-H. Leitz, C. Grohs, P. Singer, B. Tabernig, A. Plankensteiner, H. Kestler, L.S. Sigl // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2018. – Vol. 72. – P. 1–8. – doi: 10.1016/j.ijrmhm.2017.11.034.
  21. Страхова Е.А., Ерофеев В.А., Судник В.А. Физико-математическое моделирование процесса широкослойной наплавки с поперечными колебаниями плазмотрона // Сварка и диагностика. – 2009. – № 3. – С. 32–38.
  22. Semak V., Matsunawa A. The role of recoil pressure in energy balance during laser materials processing // Journal of Physics D: Applied Physics. – 1997. – Vol. 30, N 18. – P. 2541–2552.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


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».