Milling of a blank from austenitic stainless steel AISI 321, deposited using wire-arc additive manufacturing (WAAM)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Wire arc additive manufacturing (WAAM), due to its “design as manufacturing” characteristic, is gradually becoming one of the most promising technologies. However, at present, there are no comprehensive comparative studies on the microstructure and mechanical properties of deposited samples made from austenitic stainless steel at different locations of the sample. In addition, their machinability remains insufficiently investigated. The purpose of this study is to compare the microstructure and mechanical properties of samples made of austenitic stainless steel ER321 (analogues – AISI 321, 0.08% C-18% Cr-10% Ni-Ti) obtained by the WAAM method at different locations within the sample and to assess their machinability by the magnitude of the components of the cutting force during end milling and the roughness of the machined surface. The properties and microstructure of samples obtained by wire-arc additive technology are investigated, and milling forces are investigated. The effect of the feed on the components of the cutting force and the roughness of the machined surfaces during conventional milling of ER321 steel workpieces using 12 mm diameter cemented carbide end mills with a wear-resistant AlTiN coating applied by physical vapor deposition (PVD) is determined. Research methods. The content of elements and the solidification pattern in various parts of the workpieces were determined using X-ray microanalysis. The microstructure of the samples was studied by a metallographic method. Stress-strain diagrams were obtained by tensile tests, and the microhardness of the samples was also measured. In comparison with the pattern of conventional milling of rolled workpieces, a pattern of changes in cutting forces and surface roughness was established depending on the feed rate during milling of deposited workpieces. Results and discussion. During deposition, ferrite with a vermicular morphology is primarily formed in the lower region of the sample, whereas austenite with a dendritic ferrite structure is observed in other regions. The microhardness values of the deposited and rolled samples are close, averaging around 230 HV0.1. The ultimate tensile strength of the rolled samples is 666 MPa, which is approximately 40 MPa higher than that of the deposited samples. During milling of the deposited workpieces, the lateral cutting force acting perpendicular to the feed direction is greater, and the surface quality is poorer. During milling of deposited workpieces, the lateral cutting force acting perpendicular to the feed direction is greater, and the surface quality is poorer. During milling of deposited workpieces, the feed force acting in the feed direction is greater under high feed rates.

About the authors

Qingrong Zhang

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: cinzhun1@tpu.ru
ORCID iD: 0009-0002-7820-1227
SPIN-code: 7543-1914
ResearcherId: MZQ-6626-2025

Post-graduate Student

Russian Federation, 634050, Russian Federation, Tomsk, 30 Lenin Avenue

Vasiliy A. Klimenov

National Research Tomsk Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: klimenov@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7583-0170
SPIN-code: 9036-3306
Scopus Author ID: 6602818041
ResearcherId: L-6178-2016
https://staff.tpu.ru/personal/employee?lid=58243

D.Sc. (Engineering), Professor

Russian Federation, 634050, Russian Federation, Tomsk, 30 Lenin Avenue

V. N. Kozlov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: kozlov-viktor@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-9351-5713
SPIN-code: 8273-1440
Scopus Author ID: 57117126400
ResearcherId: AAH-4717-2019
https://staff.tpu.ru/personal/employee?lid=58330

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, 634050, Russian Federation, Tomsk, 30 Lenin Avenue

Dmitry A. Chinakhov

Novosibirsk State Technical University

Email: chinakhov@corp.nstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4319-7945
SPIN-code: 3449-9185
Scopus Author ID: 6508235280
ResearcherId: AAG-6844-2021
https://ciu.nstu.ru/kaf/persons/96587

D.Sc. (Engineering), Associate Professor

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

Zeli Han

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: hanzelizy@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6502-6541
SPIN-code: 3444-2695
Scopus Author ID: 58310050000
ResearcherId: AGU-5699-2022

Post-graduate Student

Russian Federation, 634050, Russian Federation, Tomsk, 30 Lenin Avenue

Mengxu Qi

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: mensyuy1@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3738-0193
SPIN-code: 1437-7723
Scopus Author ID: 58000788300
ResearcherId: KRV-7414-2024

Post-graduate Student

Russian Federation, 634050, Russian Federation, Tomsk, 30 Lenin Avenue

Zeru Ding

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: czezhu1@tpu.ru
ORCID iD: 0009-0009-6303-7453
SPIN-code: 1210-3746
ResearcherId: LFS-2489-2024

Post-graduate Student

Russian Federation, 634050, Russian Federation, Tomsk, 30 Lenin Avenue

Menghua Pan

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: menhua1@tpu.ru
ORCID iD: 0009-0004-1128-9935
SPIN-code: 7570-5817
ResearcherId: JQV-6745-2023

Post-graduate Student

Russian Federation, 634050, Russian Federation, Tomsk, 30 Lenin Avenue

References

  1. Ahuja B., Karg M., Schmidt M. Additive manufacturing in production: Challenges and opportunities // Proceedings of SPIE. – 2015. – Vol. 9353. – P. 11–20. – doi: 10.1117/12.2082521.
  2. Altaf K., Abdul-Rani A.M., Raghavan V. Prototype production and experimental analysis for circular and profiled conformal cooling channels in aluminium filled epoxy injection mould tools // Rapid Prototyping Journal. – 2013. – Vol. 19 (4). – P. 220–229. – doi: 10.1108/13552541311323236.
  3. Rozvany G.I. A critical review of established methods of structural topology optimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. – 2009. – Vol. 37 (2). – P. 217–237. – doi: 10.1007/s00158-007-0217-0.
  4. Sobczak J.J., Drenchev L. Metallic functionally graded materials: A specific class of advanced composites // Journal of Materials Science and Technology. – 2013. – Vol. 29 (4). – P. 297–316. – doi: 10.1016/j.jmst.2013.02.006.
  5. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при ЭБ-печати проволокой / В.A. Клименов, Е.A. Колубаев, Ц. Хань, А.В. Чумаевский, Э.С. Двилис, И.Л. Стрелкова, Е.А. Дробяз, О.Б. Яременко, А.Е. Куранов // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 180–201. – doi: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-180-201.
  6. Flow behavior and microstructure evolution during dynamic deformation of 316L stainless steel fabricated by wire and arc additive manufacturing / J. Chen, H. Wei, X. Zhang, Y. Peng, J. Kong, K. Wang // Materials & Design. – 2021. – Vol. 198. – P. 109325. – doi: 10.1016/j.matdes.2020.109325.
  7. Microstructure evolution and mechanical properties of a wire-arc additive manufactured austenitic stainless steel: Effect of processing parameter / P. Long, D. Wen, J. Min, Z. Zheng, J. Li, Y. Liu // Materials. – 2021. – Vol. 14 (7). – P. 1681. – doi: 10.3390/ma14071681.
  8. Microstructure, mechanical properties and fracture toughness of SS 321 stainless steel manufactured using wire arc additive manufacturing / K.S. Prakash, A.R. Kannan, R. Pramod, N.P. Kumar, N.S. Shanmugam // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2023. – Vol. 76 (2). – P. 537–544. – doi: 10.1007/s12666-022-02713-3.
  9. Chinakhov D.A., Akimov K.O. Formation of the structure and properties of deposited multilayer specimens from austenitic steel under various heat removal conditions // Metals. – 2022. – Vol. 12 (9). – P. 1527. – doi: 10.3390/met12091527.
  10. Microstructure and grain growth inhomogeneity in austenitic steel produced by wire-feed electron beam melting: the effect of post-building solid-solution treatment / E.G. Astafurova, M.Y. Panchenko, V.A. Moskvina, G.G. Maier, S.V. Astafurov, E.V. Melnikov // Journal of Materials Science. – 2020. – Vol. 55 (3). – P. 9211–9224. – doi: 10.1007/s10853-020-04424-w.
  11. Effects of laser additive manufacturing on microstructure and crystallographic texture of austenitic and martensitic stainless steels / F. Khodabakhshi, M.H. Farshidianfar, A.P. Gerlich, M. Nosko, V. Trembošová, A. Khajepour // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 31. – P. 100915. – doi: 10.1016/j.addma.2019.100915.
  12. Design for additive manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints / M.K. Thompson, G. Moroni, T. Vaneker, G. Fadel, R.I. Campbell, I. Gibson // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 65 (2). – P. 737–760. – doi: 10.1016/j.cirp.2016.05.004.
  13. Исследование сил резания и обрабатываемости при фрезеровании порошковой коррозионно-стойкой стали, полученной по технологии прямого лазерного выращивания (LMD) / А.С. Бабаев, В.Н. Козлов, А.Р. Семенов, А.С. Шевчук, В.А. Овчаренко, Е.А. Сударев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2024. – Т. 26, № 2. – С. 38–56. – doi: 10.17212/1994-6309-2024-26.2-38-56.
  14. Investigations on the effect of layers’; thickness and orientations in the machining of additively manufactured stainless steel 316L / A. Dabwan, S. Anwar, A.M. Al-Samhan, A. AlFaify, M.M. Nasr // Materials. – 2021. – Vol. 14 (7). – P. 1797. – doi: 10.3390/ma14071797.
  15. Study on microstructure, mechanical properties and machinability of efficiently additive manufactured AISI 316L stainless steel by high-power direct laser deposition / P. Guo, B. Zou, C. Huang, H. Gao // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 240. – P. 12–22. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.09.005.
  16. Thermal study during milling of Ti6Al4V produced by Electron Beam Melting (EBM) process / S. Milton, A. Duchosal, F. Chalon, R. Leroy, A. Morandeau // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 38. – P. 256–265. – doi: 10.1016/j.jmapro.2018.12.027.
  17. Anisotropy and heterogeneity of microstructure and mechanical properties in metal additive manufacturing: A critical review / Y. Kok, X.P. Tan, P. Wang, M.L.S. Nai, N.H. Loh, E. Liu, S.B. Tor // Materials & Design. – 2018. – Vol. 139. – P. 565–586. – doi: 10.1016/j.matdes.2017.11.021.
  18. Марочник стали и сплавов: сайт. – 2003–2025. – URL: https://www.splav-kharkov.com (дата обращения: 17.10.2025).
  19. Flow behavior and microstructure evolution during dynamic deformation of 316L stainless steel fabricated by wire and arc additive manufacturing / J. Chen, H. Wei, X. Zhang, Y. Peng, J. Kong, K. Wang // Materials & Design. – 2021. – Vol. 198. – P. 109325. – doi: 10.1016/j.matdes.2020.109325.
  20. 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.
  21. Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties / P. Bajaj, A. Hariharan, A. Kini, P. Kürnsteiner, D. Raabe, E.A. Jägle // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 772. – P. 138633. – doi: 10.1016/j.msea.2019.138633.
  22. Elmer J.W., Allen S.M., Eagar T.W. Microstructural development during solidification of stainless steel alloys // Metallurgical Transactions A. – 1989. – Vol. 20 (8). – P. 2117–2131. – doi: 10.1007/BF02650298.
  23. Thermal behavior and microstructural evolution during laser deposition with laser-engineered net shaping: Part I. Numerical calculations / B. Zheng, Y. Zhou, J.E. Smugeresky, J.M. Schoenung, E.J. Lavernia // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2008. – Vol. 39 (10). – P. 2228–2236. – doi: 10.1007/s11661-008-9557-7.
  24. Production of workpieces from martensitic stainless steel using electron-beam surfacing and investigation of cutting forces when milling workpieces / N.V. Martyushev, V.N. Kozlov, M. Qi, V.S. Tynchenko, R.V. Kononenko, V.Y. Konyukhov, D.V. Valuev // Materials. – 2023. – Vol. 16 (13). – P. 4529. – doi: 10.3390/ma16134529.
  25. Расчет напряжений в режущем инструменте в начале резания / Ц. Чжан, Л. Шэ, Т. Го, В.Н. Козлов // Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов: сборник докладов III Международной научно-практической конференции. – Томск, 2023. – C. 450–456.
  26. Study of a methodology for calculating contact stresses during blade processing of structural steel / V.N. Kozlov, A.S. Babaev, N.A. Shults, A.S. Semenov, A.S. Shevchuk // Metals. – 2023. – Vol. 13 (12). – P. 2009. – doi: 10.3390/met13122009.
  27. Heat transfer modelling and stability analysis of selective laser melting / A.V. Gusarov, I. Yadroitsev, P. Bertrand, I. Smurov // Applied Surface Science. – 2007. – Vol. 254 (4). – P. 975–979. – doi: 10.1016/j.apsusc.2007.08.074.
  28. Das C.R., Ghosh A. Performance of carbide end mills coated with new generation nano-composite TiAlSiN in machining of austenitic stainless steel under near-dry (MQL) and flood cooling conditions // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 104. – P. 418–442. – doi: 10.1016/j.jmapro.2023.09.020.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Note

The equipment used for the research was provided by the Shared Use Center “Structure, Mechanical and Physical Properties of Materials” at Novosibirsk State Technical University.



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».