Features of the structure of gradient layers «steel - Inconel - steel», obtained by laser direct metal deposition

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. Traditionally, the most common technology for producing parts from nickel alloys involves casting followed by heat treatment to achieve the required phase composition. Significant disadvantages of this method include the segregation of chemical elements, the presence of large undesirable inclusions such as Laves phase and eutectic structures, and the non-uniform distribution of strengthening phases throughout the workpiece cross-section. At the same time, many complex-shaped parts are assembled into a single combined structure using welding. An analysis of the hardening characteristics of nickel alloys and the products derived from them suggests that additive manufacturing techniques are a promising approach for fabricating such workpieces. The structure and phase composition of the material volumes formed via layer-by-layer deposition will differ significantly from those obtained by conventional methods. In the case of producing combined structures using additive methods, identifying the patterns of structure and phase composition formation becomes an even more complex challenge. Therefore, the purpose of this work is to identify the structural features of “steel - nickel alloy – steel” gradient layers fabricated by direct metal deposition. The study examines dissimilar joints produced using the “Welding and Surfacing Complex based on a Multi-Coordinate Arm and a Fiber Laser” at the S.A. Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, employing direct metal deposition technology. Research methods. A Carl Zeiss Axio Imager A1m light microscope and a Carl Zeiss EVO 50 XVP scanning electron microscope, equipped with an INCA X-Act energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) attachment, were utilized for microstructural investigations of the fabricated layers. Phase composition analysis of the samples was performed using an ARL X'TRA X-ray diffractometer. Microhardness testing was conducted using a Wolpert Group 402 MVD Vickers hardness tester. Results and discussion. It was observed that the maximum layer height (up to 7 mm) was achieved when implementing the following parameters: 1,000 W laser power with a scanning speed of 35 mm/s, and 1,500 W laser power with a scanning speed of 15 mm/s. In the first case, minimal material mixing at the fusion boundary was noted. In all fabricated compositions, defects in the form of unmelted powder particles were observed, as well as cracks in the first steel layers. During the deposition of Inconel 625 onto 316L stainless steel, the transition zone exhibited solidification modes consistent with the formation of iron-based alloys, specifically FA (ferrite-austenite), AF (austenite-ferrite), and A (austenite) sequentially. When depositing 316L stainless steel onto Inconel 625, the transition zone exhibited a solidification mode characterized by the formation of only the austenite phase. The microhardness values were found to be 230 ±15 HV for 316L stainless steel and 298 ± 20 HV for Inconel 625.

About the authors

Svetlana V. Dolgova

Novosibirsk semiconductor device plant Vostok

Email: svetlanadolgova99@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3918-273X
Scopus Author ID: 57203801980

advanced manufacturing engineer

Russian Federation, 60 Dachnaya st., Novosibirsk, 630082, Russian Federation

Alexandr G. Malikov

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Email: smalik707@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1268-8546
SPIN-code: 2488-7130
Scopus Author ID: 22941697700
ResearcherId: O-9762-2015
https://scholar.google.com/citations?user=lNeQeMQAAAAJ

D.Sc. (Engineering), Leading researcher

Russian Federation, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

Alexander A. Golyshev

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS

Email: alexgol@itam.nsc.ru
ORCID iD: 0000-0002-4243-0602
SPIN-code: 4619-9480
Scopus Author ID: 14521123300
ResearcherId: P-1678-2015
https://scholar.google.com/citations?user=Y2kgs8cAAAAJ&hl=ru

Ph.D. (Physics and Mathematics), Senior Researcher

Russian Federation, 4/1 Institutskaya str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation

Aelita A. Nikulina

Novosibirsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: a.nikulina@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9249-2273
SPIN-code: 7600-8285
Scopus Author ID: 25031513500
ResearcherId: A-3467-2014
https://ciu.nstu.ru/kaf/persons/20084/

Head of department, D.Sc. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation

References

  1. Effect of nickel-based filler metal types on creep properties of dissimilar metal welds between Inconel 617B and 10 % Cr martensitic steel / Y. Zhang, M. Hu, Z. Cai, C. Han, X. Li, X. Huo, M. Fan, S. Rui, K. Li, J. Pan // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 14. – P. 2289–2301. – doi: 10.1016/j.jmrt.2021.07.131.
  2. Fabrication of steel-Inconel functionally graded materials by laser melting deposition integrating with laser synchronous preheating / W. Meng, W. Zhang, W. Zhang, X. Yin, B. Cui // Optics & Laser Technology. – 2020. – Vol. 131. – P. 106451. – doi: 10.1016/j.optlastec.2020.106451.
  3. Naffakh H., Shamanian M., Ashrafizadeh F. Dissimilar welding of AISI 310 austenitic stainless steel to nickel-based alloy Inconel 657 // Journal of materials processing technology. – 2009. – Vol. 209 (7). – P. 3628–3639. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2008.08.019.
  4. Reed R.C. The superalloys: fundamentals and applications. – Cambridge: Cambridge university press, 2008. – 363 p. – ISBN 9780511541285. – doi: 10.1017/CBO9780511541285.
  5. Inconel 718: A solidification diagram / G.A. Knorovsky, M.J. Cieslak, T.J. Headley, A.D. Romig, W.F. Hammetter // Metallurgical transactions A. – 1989. – Vol. 20 (10). – P. 2149–2158. – doi: 10.1007/BF02650300.
  6. Investigation on the Laves phase formation during laser cladding of IN718 alloy by CA-FE / H. Xie, K. Yang, F. Li, C. Sun, Z. Yu// Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 52. – P. 132–144. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.01.050.
  7. Effects of heat treatments on the microstructure of IN792 alloy / J. Yang, Q. Zheng, H. Zhang, X. Sun, H. Guan, Z. Hu // Materials Science and Engineering: A. – 2010. – Vol. 527 (4–5). – P. 1016–1021. – doi: 10.1016/j.msea.2009.10.026.
  8. Рашковец М.В. Структура и свойства никелевых сплавов, полученных по аддитивной технологии с использованием метода прямого лазерного выращивания: дис. … канд. техн. наук. – Новосибирск, 2022. – 164 с.
  9. Deshpande A. Additive manufacturing of nickel alloys // Springer handbook of additive manufacturing. – Cham: Springer, 2023. – P. 655–669. – ISBN 978-3-031-20751-8. – doi: 10.1007/978-3-031-20752-5_39.
  10. Microstructures and mechanical behavior of the bimetallic additively-manufactured structure (BAMS) of austenitic stainless steel and Inconel 625 / Md. R.U. Ahsan, X. Fan, G.-J. Seo, C. Ji, M. Noakes, A. Nycz, P.K. Liaw, D.B. Kim // Journal of Materials Science & Technology. – 2021. – Vol. 74. – P. 176–188. – doi: 10.1016/j.jmst.2020.10.001.
  11. Functionally graded material of 304L stainless steel and Inconel 625 fabricated by directed energy deposition: Characterization and thermodynamic modeling / B.E. Carroll, R.A. Otis, J.P. Borgonia, J. Suh, R.P. Dillon, A.A. Shapiro, D.C. Hofmann, Z.-K. Liu, A.M. Beese // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 108. – P. 46–54. – doi: 10.1016/j.actamat.2016.02.019.
  12. Inconel-steel functionally bimetal materials by hybrid directed energy deposition and thermal milling: Microstructure and mechanical properties / P. Li, Y. Gong, Y. Xu, Y. Qi, Y. Sun, H. Zhang // Archives of Civil and Mechanical Engineering. – 2019. – Vol. 19 (3). – P. 820–831. – doi: 10.1016/j.acme.2019.03.002.
  13. Microstructure and mechanical properties of stainless steel 316L-Inconel 625 bimetallic structure fabricated by laser wire direct energy deposition / S. Tyagi, S.K. Balla, M. Manjaiah, C. Aranas // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 33. – P. 8361–8371. – doi: 10.1016/j.jmrt.2024.11.130.
  14. Design optimization for defect-free AISI 316 L/IN718 functionally graded materials produced by laser additive manufacturing / R. Ghanavati, H. Naffakh-Moosavy, M. Moradi, F. Mazzucato, A. Valente, S. Bagherifard, A. Saboori // Materials Characterization. – 2025. – Vol. 220. – P. 114697. – doi: 10.1016/j.matchar.2024.114697.
  15. High temperature fracture behavior of 316L stainless steel-Inconel 718 functionally graded materials manufactured by directed energy deposition: Role of interface orientation and heat treatment / Y. Li, M. Koukolíková, J. Dzugan, M. Brázda // Materials Science and Engineering: A. – 2024. – Vol. 898. – P. 146389. – doi: 10.1016/j.msea.2024.146389.
  16. Влияние режимов лазерной наплавки на геометрические размеры стального трека / С.В. Долгова, А.Г. Маликов, А.А. Голышев, А.А. Никулина // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 57–70. – doi: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-57-70.
  17. Microstructural characteristics and crack formation in additively manufactured bimetal material of 316L stainless steel and Inconel 625 / N. Chen, H.A. Khan, Z. Wan, J. Lippert, H. Sun, S.-L. Shang, Z.-K. Liu, J. Li // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 32. – P. 101037. – doi: 10.1016/j.addma.2020.101037.
  18. Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing / S.K. Everton, M. Hirsch, P. Stravroulakis, R.K. Leach, A.T. Clare // Materials & Design. – 2016. – Vol. 95. – P. 431–445. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.01.099.
  19. Interfacial characterization and mechanical properties of 316L stainless steel/Inconel 718 manufactured by selective laser melting / X. Mei, X. Wang, Y. Peng, H. Gu, G. Zhong, S. Yang // Material Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 758. – P. 185–191. – doi: 10.1016/j.msea.2019.05.011.
  20. Laser Beam Direct Energy Deposition of graded austenitic-to-martensitic steel junctions compared to dissimilar Electron Beam welding / F. Villaret, X. Boulnat, P. Aubry, Y. Yano, S. Ohtsuka, D. Fabrègue, Y. de Carlan // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 824. – P. 141794. – doi: 10.1016/j.msea.2021.141794.
  21. Astafurov S., Astafurova E. Phase composition of austenitic stainless steels in additive manufacturing: A review // Metals. – 2021. – Vol. 11 (7). – P. 1052. – doi: 10.3390/met11071052.
  22. Pouranvari M., Khorramifar M., Marashi S.P.H. Ferritic–austenitic stainless steels dissimilar resistance spot welds: metallurgical and failure characteristics // Science and Technology of Welding and Joining. – 2016. – Vol. 21 (6). – P. 438–445. – doi: 10.1080/13621718.2015.1124491.

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».