CC BY
37
УДК 621.762
АДДИТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ГЕТЕРОФАЗНОИ ПОРОШКОВОЙ ЛАЗЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Г.А. Туричин, докт. техн. наук, О.Г. Климова-Корсмик(o.klimova@ltc.ru), Е.В. Земляков, К.Д. Бабкин
(Санкт- Петербургский политехнический университет Петра Великого), Ф.А. Шамрай(Объединенная двигателестроительная корпорация), П.В. Петровский, А.Я. Травянов (НИТУ «МИСиС»), Д.Ю. Колодяжный(Объединенная судостроительная корпорация)
Представлена технология прямого лазерного выращивания, разработанная в Институте лазерных и сварочных технологий. Проведен сравнительный анализ свойств изделий, полученных с использованием разработанной технологии и оборудования, со свойствами литых изделий и металлического проката. Представлены результаты экспериментальных исследований: показано влияние параметров процесса на формирование структуры и свойств, установлены возможности получения качественных изделий из металлических материалов. Показаны принципиальные преимущества разработанной технологии лазерного выращивания относительно других аддитивных методов производства и классических технологий «вычитания».
Ключевые слова: высокоскоростное прямое лазерное выращивание; аддитивные технологии; гетерофазная порошковая металлургия; механические свойства.
Additive Technology of Heterophase Powder Laser Metallurgy. G.A. Turichin, O.G. Klimova-Korsmic,Ye.V. Zemlyakov, K.D. Babkin, F.A. Shamrai, P.V. Petrovsky, A.Ya. Tra-vyanov, D.Yu. Kolodyazhny.
A direct laser build-up technology developed at Institute for Laser and Welding Technologies is presented. Properties of products manufactured via the developed technology and equipment are compared with properties of cast and rolled products. The results of the experimental investigations are presented, namely: the effect of process parameters on structure development and property formation is shown, possibilities of manufacturing high-quality metallic components are found. Basic advantages of the laser build-up technology over other additive manufacturing techniques and conventional subtraction technologies are shown.
Key words: high-speed direct laser build-up; additive technologies; heterophase powder metallurgy; mechanical properties.
Введение
Перспективной технологией высокоскоростного изготовления изделий является прямое лазерное выращивание, когда изделие формируется из порошка, подаваемого газопорошковой струей в зону выращивания изделий [1-5]. В данной технологии также возможно вводить в подающую струю смеси порошков и изменять состав подаваемых порошков непосредственно в ходе процесса выращивания, обеспечивая высокоскорост-
ное формирование изделий с градиентной структурой.
Авторами работы уже были проведены теоретические исследования процессов, происходящих в газопорошковой струе при ее падении на подложку с учетом нагрева и частичного плавления порошинок лазерным излучением [6], была построена на основе разработанной теории математическая модель процесса переноса порошка [7], которая позволила установить связь структуры газопо-
рошковой струи с расходом транспортного газа, размерами сопла и параметрами частиц порошка. Для существенного уменьшения экспериментальных и технологических работ были проведены теоретические исследования по устойчивости процесса, позволяющие существенно сузить «окно» допустимых технологических параметров процесса прямого выращивания, установить допустимые конструкционные параметры для технологических головок [8]. По результатам проведенных исследований был изготовлен лабораторный демонстратор технологии и проведены испытания образцов из различных сплавов на основе титана, никеля, железа.
Материалы и методика исследований
Экспериментальные исследования процессов прямого лазерного выращивания проводились в Институте лазерных и сварочных технологий СПбПУ (ИЛИСТ) на экспериментальных стендах на базе дискового лазера мощностью 3 кВт и волоконного лазера ЛС-5 мощностью 5 кВт (рис. 1).
Для формирования газопорошковой струи использовались некоаксиальные сопла с диаметром выходного отверстия 1-2 мм, аксиально-симметричное щелевое сопло с регулируемой шириной щели в интервале 0,2-1 мм, а также коаксиальное сопло собственного изготовления. В работе были использованы сплавы на основе никеля (1псопе1 625 и ЖС6У), титана (ВТ20), железа (сталь 316Ь), представляющие наиболее перспективные классы материалов для авиационного двигате-лестроения.
Фракционный состав использованных порошков варьировался в интервале 40-160 мкм, форма частиц - сферическая. Металлографические исследования выращенных изделий были проведены на микроскопе DMI 5000 (Leica) с программным обеспечением Tixomet. Исследования химического состава и распределения химических элементов выполнены на сканирующем электронном микроскопе Phenom ProX и микроскопе Mira Tescan с использованием приставки Oxford INCA Wave 500. Для определения механических характеристик выращенных изделий были проведены испытания на одноосное растяжение на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z250 серии Allround.
Результаты исследований и их обсуждение
На рис. 2. приведен внешний вид используемых сопел.
Расчеты и эксперименты позволили сформулировать диапазон допустимых конструкционных параметров для технологических головок: ширина щели 250-300 мкм, угол схождения конуса сопла 60°, расстояние от среза сопла до области газопорошковой перетяжки 9-10 мм. На основании экспериментальных исследований был установлен допустимый диапазон технологических параметров: мощность 0,75-1,25 кВт и скорость роста 1-2 кг/ч с шагом 0,2 мм, позволяющие реализовывать гетерофазность процесса. С использованием указанных сопел были выращены изделия разной формы и геометрии, примеры которых приведены на рис. 3.
Рис. 1. Экспериментальный стенд и роботизированный комплекс для исследований технологических процессов прямого лазерного выращивания изделий
Исходя из указанных параметров процесса выращивания планировалось, что структура получаемых образцов будет мелкодисперс -ной, и она обусловит высокие механические характеристики без дополнительной обработки. На рис. 4 приведена микроструктура использованных сплавов, подтверждающая наше предположение .
Для каждой группы сплавов был подобран режим, которой позволил получить беспористые и бездефектные образцы. Микроструктура получаемых изделий мелкодисперсная , размер зерен не превышает 30 мкм для никелевых и железных сплавов и 70 мкм для титановых. Результаты испытаний приведены в таблице.
Все выращенные изделия обладают высокими механическими характеристиками. Образцы в исходном состоянии превосходят характеристики в литом состоянии и сравнимы с характеристиками металлопроката.
Технология, описанная в статье, позволяет, по нашему мнению, создавать:
- аддитивные машины для производства деталей из любых сплавов металлов Ре, 1\П, Си, Со, И, А1, Мо, Сг, V, интерметаллидов и плакированных металлами порошков, производительнее традиционного цикла металлообработки в 10-100 раз. Производительность машин (зависит от выращиваемого сечения) может достигать 18 кг/ч на одну головку, минимальная толщина стенки 0,6 мм, шероховатость по-
а б в
Рис. 2. Сопла, используемые в экспериментальных исследованиях:
а - некоаксиальное сопло с диаметром выходного отверстия 1-2 мм; б -щелевое сопло; в - коаксиальное сопло
Рис. 3. Примеры выращенных изделий
в г
Рис. 4. Микроструктура выращиваемых изделий из сплавов /пеопе!625 (а); ЖС6У (б); ВТ20 (в) и стали 316!. (г)
Результаты механических испытаний на разрыв выращенных изделий
Материал, состояние ст02, МПа ств, МПа 8, %
1псопе1 625, 489 865 28,5
выращенное
1псопе1 625, литое 310 590 25
1псопе1 625, 414-758 827-1103 30-60
отожженное
ЖС6У, выращенное 1046 1353 11,5
ЖС6У, литое 1075 1108 2,9
ВТ20, выращенное 882 968 6,6
ВТ20,литое 876 951 6,4
316Ц выращенное 272,5 570 41
316Ц отожженное 182 485 35
верхности 30 мкм, технологическая точность 0,1 мм (не хуже);
- детали любой конфигурации, сложности, размеров, без пористости с механическими свойствами на уровне проката; для титановых сплавов на уровне кованого материала; для литейных сплавов существенно выше, чем у литых структур;
- бионический дизайн - облегчение деталей в 1,5-5 раз без потери прочности и ресурса;
- изделия с градиентными свойствами и возможностью комбинирования с традиционными технологиями литья, ОМД и др.
Выводы
1. Высокоскоростное лазерное выращивание позволяет получать изделия с характеристиками металлического проката или поковок. А для литейных сплавов демонстрирует куда более высокие значения механических свойств за счет мелкодисперсной структуры.
2. Структура и свойства выращенных изделий зависят не только от исходного состава и свойств используемых материалов, но и от параметров технологических процессов, режимов лазерной обработки, характеристик использованного оборудования. Это не только влечет за собой расширение возможностей по управлению процессами формирования структуры и свойств металла при использовании аддитивных лазерных технологий, но и требует изменения всей системы разработки, производства и отраслевой сертификации материалов, привязывая ее к конкретным технологиям, режимам воздействия и используемому технологическому оборудованию.
3. В настоящее время ОАО «Кузнецов» рассматривает возможность создания производственного участка из 16 машин для выращивания деталей к наземному двигателю НК-36СТ по этой технологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gu D. New metallic materials development by laser additive manufacturing // Laser Surface Engineering. 2015. P. 163-180.
2. Туричин Г.А., Земляков Е.В., Климова О.Г., Бабкин К.Д., Шамрай Ф.А., Колодяжный Д.Ю. Прямое лазерное выращивание - перспективная аддитивная технология для авиадвигателестрое-ния // Сварка и диагностика. 2015. № 3. C. 54-57.
3. Turichin G., Zemlyakov E., Klimova O., Babkin K., Shamray F., Somonov V., Travianov A., Petrov-skiy P. Technologiсal bases of high-speed laser direct growth of products by heterophase powder metallurgy method // Photonics. 2015. 52. Р. 68-83.
4. Wilson J.M., Piya C., Yung C. Shin, Fu Zhao, Ra-mani K. Remanufacturing of turbine blades by laser direct deposition with its energy and environmental impact analysis // Journal of Cleaner Production. 2014. V. 80. № 1. P. 170-178.
5. Turichin G.A., Klimova O.G., Zemlyakov E.V., Babkin K.D., Kolodyazhnyy D.Yu., Shamray F.A., Travyanov A.Ya., Petrovskiy P.V. Technological Aspects of High Speed Direct Laser Deposition
Based on Heterophase Powder Metallurgy // Physics Procedia. 2015. V. 78. P. 397-406.
6. Туричин Г.А., Валдайцева Е.А., Поздеева Е.Ю., Земляков Е.В. Влияние аэродинамических сил на перенос порошка к плоской подложке при лазерном напылении // В сб.: Beam Technology & Laser Application. Proceedings of the six international scientific and technical conference. Edited by Prof. G. Turichin. Saint-Petersburg. 2009. С. 42-47.
7. Turichin G.A., Somonov V.V., Klimova O.G. Investigation and modeling of the process of formation of the pad weld and its microstructure during laser cladding by radiation of high power fiber laser // Applied mechanics and materials. 2014. 682. Р. 160-165.
8. Туричин Г.А., Бабкин К.Д., Земляков Е.В., Валдайцева Е.А., Климова-Корсмик О.Г., Колодяжный Д.Ю. Развитие теории и технологии прямого лазерного выращивания крупногабаритных изделий для различных применений // В сб.: Beam Technology & Laser Application. Proceedings of the eighth international scientific and technical conference. 2015. Р. 268-284.
