CC BY
128
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.762:669.295
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
И. С. Полькин, докт. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Рассмотрено влияние мощности и скорости лазерного сканирования луча на размеры жидкой ванны и механические свойства образцов, полученных по аддитивной технологии. Показаны преимущества аддитивной технологии и возможности получения деталей из у- и ортоинтерметаллидов титана. При проведении работ по аддитивным технологиям предлагается учитывать многолетний опыт ВИЛСа в получении деталей ответственного назначения по гранульной металлургии.
Ключевые слова: аддитивные технологии, жидкая ванна, лазерный луч, механические свойства, ГИП, интерметаллиды.
Additive Technologies of Titanium Alloys. I.S. Polkin.
The effect of scan speed, laser beam, the width and depth of molten pool and mechanical properties in additive manufacturing were investigated. The advantages of additive manufacturing in production parts of intermetallic у and ortho- alloys of titanium were shown. During investigation of additive manufacturing it is necessary to take consideration the experience of VILS in powder technology.
Key words: additive technologies, molten pool, laser beam, mechanical properties, HIP, intermetallic alloys.
Интерес к аддитивным технологиям продолжает расти, а производство деталей от стадии получения демонстрационных образцов переходит к изготовлению опытно-промышленных партий.
Большое количество способов аддитивного изготовления новых деталей путем послойного наращивания металла, ремонта изношенных старых деталей или придания новых качеств за счет создания на поверхности упрочняющих, коррозионно-стойких или высокотемпературных покрытий не позволяет в настоящее время однозначно дать ограничения применения каждого способа и четко определить в каждом случае его эффективность при получении аддитивного продукта. На этот вопрос может ответить только накопленный опыт и результаты испытаний нового продукта при эксплуатации.
Вместе с тем уже сейчас можно выделить самостоятельное металлургическое направление получения готовой детали методом «сложения» отдельных частиц сплава требуемого состава в готовую делать при воздействии лазера или электронно-лучевой пушки.
Не останавливаясь на обсуждении технологических особенностей разных способов аддитивного производства, сразу же возникает желание понять в какой мере новая технология и детали,получаемые при ее использовании, могут конкурировать и быть применены взамен существующих, полученных традиционным способом.
Отвечая на этот вопрос, следует понимать, что при использовании аддитивной технологии мы говорим о получении готовой или практически готовой детали, а в случае получения детали по традиционной технологии процесс разбивается на две части: получение металлургического полуфабриката и доведение его механической обработкой до формы окончательной детали. Технологическая цепочка двух процессов получения деталей из титановых сплавов представлена на рис. 1, на котором видны следующие основные различия в технологиях:
- количество операций сокращается более чем в 2 раза;
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Традиционная технология
Аддитивная технология
Рис. 1. Изготовление деталей из титановых сплавов по традиционной и аддитивной технологиям:
* - получение слитка и гранул состоит из ряда промежуточных операций;
** - может быть добавлена сварка, слесарная обработка и др.
- электроэнергия сокращается в разы, а КИМ (коэффициент использования металла) повышается с 8-10 % до 90 %;
- при традиционной технологии металл переходит в жидкое состояние только при выплавке слитка, при аддитивной технологии это происходит два раза со всеми вытекающими последствиями, при получении гранул и при производстве готовой детали.
Для оценки возможных масштабов использования аддитивных технологий при производстве титановых деталей рассмотрим структуру производства различных полуфабрикатов из титановых сплавов на примере ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».
Продукция ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» по различным видам полуфабрикатов
Продукт Объем, %
Листы и плиты.....................31,0
Прутки и биллеты ..................56,5
Трубы.............................7,5
Штамповки с механической
обработкой........................4,8
Новые продукты....................0,2
Таким образом, около 95 % продукции завода приходится на листы, биллеты, прутки, трубы и около 5 % на штамповки с механической обработкой небольшого веса. По всей видимости, основные виды продукции для применения аддитивных технологий следует искать в этих областях, безусловно ориентируясь также на продукты более глубоких переделов, таких как блиски, лопатки, теплообменники, камеры сгорания, топливная арматура двигателей и др.
Несмотря на малый весовой процент, занимаемый перспективными для аддитивных технологий продуктами, следует учесть, что стоимость почти готовых, полученных по этой технологии деталей может превышать стоимость полуфабрикатов в 5-8 раз, это означает, что в стоимости всей выпускаемой продукции доля стоимости произведенных аддитивных продуктов может достигать 30-40 %, что позволяет считать работы в этом направлении стратегическими для титановых производителей.
Для оценки технологичности, наукоемкости и реализуемости новой технологии следует рассматривать процессы, происходящие с гранулами при воздействии температуры лазерного или электронного луча на слой гранул в установках 3й-прототипирования.
Рассмотрение результатов исследования по воздействию лазерного луча на гранулы при аддитивном процессе показывает, что за основу следует принять технологию консолидации гранул через жидкую фазу [1].
Рис. 2. Изменение размера жидкой ванны (мкм) в зависимости от мощности лазерного луча (а) и скорости его передвижения (б):
а - увеличение мощности лазера с 100 до 200 Вт; б - увеличение скорости сканирования с 50 до 200 мм/с
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
-Ф-
При повышении мощности лазерного луча от 100 до 200 Вт размеры лунки жидкой ванны увеличиваются в 2 раза, а повышение скорости сканирования с 50 до 200 мм/с уменьшают ее в 1,5 раза (рис. 2). Следует отметить, что одномоментно в жидком состоянии может находиться всего 1,5-2 гранулы в зависимости от ее первоначального размера (40-100 мкм).
Краткое описание происходящего при воздействии лазерного луча можно видеть на рис. 3, из которого следует, что существование металла выше температуры плавления длится доли секунды, после чего в силу малого размера жидкой ванны происходит высокоско -ростная кристаллизация[1].
Помимо вышесказанного, использование лазеров ваттной мощности не позволяет достичь достаточно высокой скорости плавления гранул, поэтому производительность процесса невелика. Были проведены работы по использованию лазерного луча мощностью
и
3000 2750 2500 2250 2000 | 1750
I 1500
& 1250
I 1000
750 500 250 0
н
- Py = 100 W - P2 = 150 W - P3 = 200 W Melting line
0,0
22,2
3000
44,4 66,6 Время, мс а
:,8 111,0
2500
и
2000
1500
1000
н
500
__ vi = 50 mm/s
_ V2 = 150 mm/s
________ v3 = 200 mm/s
133,2 Время, мс
222,0
Рис. 3. Температура жидкой ванны при лазерном воздействии различной мощности (а) и скорости перемещения луча (б)
Тело зерна,
Зоны перекрытия, равноосные зерна Зоны перекрытия, вытянутые зерна —га-т-Л вытянутые зерна
850 ~ 800 S 750 м700
650 600 550 500
0,0 0,8 1,6 2,4 3,2 4,0 Размер жидкой ванны, мм
Рис. 4. Распределение температуры и форма зерен при охлаждении жидкой ванны
до 6 кВт, что позволило увеличить скорость процесса формирования образцов, и производительность повысилась до 0,4 кг/ч. Однако это привело к увеличению размера жидкой ванны до 0 4,0 мм, различию в скоростях кристаллизации в центре и на периферии и возможности получения макронеоднородности структуры (рис. 4) [2].
Учитывая микрометровые размеры жидкой ванны и миллисекундное время ее существования, приходится констатировать высокую прецизионность процесса консолидации гранул при их аддитивном сложении.
Приведенные данные работ по титановым сплавам позволяют заключить, что при получении деталей с использованием микрометаллургии по аддитивной технологии, гранулы в доли секунды нагреваются выше температуры плавления, и последующая кристаллизация происходит со скоростями 104-108 °С/с, а размер жидкой ванны измеряется микрометрами.
Говоря о конечной задаче получения механических свойств на уровне свойств деформированного металла, металлургу необходимо учитывать такие факторы, как качество гранул, их размер и газосодержащие, мощность луча, размеры пятна и жидкой ванны, скорости сканирования, темп последующей кристаллизации и много других сопутствующих факторов, превращающих этот процесс в неразделимый круг вопросов, решение которых позволит получить высокий уровень механических свойств.
0
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 1
Механические свойства сплавов Ti—6Al—4V и Ti—6Al—4V Eli в исходном состоянии и после ГИП
Сплав/состояние ^0,2' МПа МПа s, % %
Ti- -6Al-4V/ исходное 879 953 14 46
Ti- -6Al-4V/ после ГИП 868 942 13 44
Ti- -6Al-4V Eli/ исходное 802 904 14 47
Ti- -6Al-4V Eli HIP/ после ГИП 807 902 15 47
Безусловно, что все проводимые работы по аддитивным технологиям имели конечной целью определить превосходство этой технологии перед традиционными, и, как правило, определяющим являлось получение высоких конструкционных или функциональных свойств.
В качестве примера можно привести следующие данные: фирма ARCAM получила образцы сплава Ti-6Al-4V, которые после ГИП показали достаточно хорошие свойства (табл. 1) [3]. Так, свойства на разрыв образцов сплава Ti-6Al-4V и Ti-6Al-4V Eli в исходном состоянии и после ГИП полностью соответствуют свойствам, указанным в международных стандартах.
При этом остается непреложной истиной, что ГИП материала, полученного по аддитивной технологии, устраняет микроучастки с порами, что, в первую очередь, отражается на усталостных свойствах образцов (рис. 5) [3].
Важнейшей характеристикой, определяющей надежность материала, полученного по порошковым технологиям, являются усталостные свойства, за высокий уровень которых в титановых сплавах в первую очередь отвечает структурный фактор. Усталостные характеристики материалов,полученных по аддитивным технологиям, приведенные различными авторами, неодинаковы. Фирма Honeywell, например, приводит оценку [4], из которой следует, что малоцикловая усталость образцов, полученных по аддитивной технологии, такая же, как у деформированного материала, и значительно превосходит свойства образцов в литом состоянии (рис. 6).
По данным университета RMIT, материал, полученный по аддитивным технологиям,
600
500
и 400
м 300
£ &
И 200
100
г-7
Ti6Al4VRAW Ti6AL4VHIP
Ti6AL4VELI Ti6Al4VELI HIP
Рис. 5. Усталостные свойства образцов сплава Т—6А!—4У и Т—6А!-4\/БП в исходном состоянии и после ГИП (на базе 10 циклов)
---кованый Ti-64 MA
---литой Ti-64 MA
-АТ Ti-64 + отжиг
Vm 4 • «
"ч «ч >
*ч
Рис. 6. Усталостные свойства образцов сплава Т—6А!—4У в литом, деформированном состоях и после аддитивной технологии
1200
а1000 800 а 600
3 400 200
0 100
160
80
60 & а
Я
J 40
Циклы до разрушения
Рис. 7. Сравнительная оценка усталостных свойств образцов, полученных по аддитивной технологии (1), литьем (2), деформацией (3) и литьем + ГИП (4)
0
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
-Ф-
имеет усталостные свойства, занимающие промежуточное положение между деформированным материалов и литым, прошедшим ГИП (рис. 7) [5]. По всей видимости, последнюю версию пока надо считать более близкой к реальности, тем самым оставляя пространство для улучшения качества структуры образцов, полученных по аддитивной технологии.
Режимы обработки Сто 2, ksi ств, ksi 8, %
ГИП 72 78,5 1,2
ГИП 72 90,5 2,2
ГИП 74 82 0,9
ГИП + ТО 69 92 2,3
ГИП + ТО 68 92,5 3,0
Рис. 8. Внешний вид лопаток и механические свойства образцов из у-сплава, полученных по аддитивной технологии
Таблица 2
Сравнительные механические свойства образцов из титана с различным содержанием Re, полученных по аддитивной технологии
Материал Скорость сканирования, мм/с E, МПа ст02, МПа ств, МПа 8, % HV
CP-Ti 115 119 ± 15 461 ± 34 592 ± 13 21 ± 3 209 ± 18
0,5 % ат. Re 40 24 104 ± 1 124 ± 15 653 ± 14 713±128 781 ± 40 919±134 14,6 ± 3,8 12,4 ± 0,6 238 ± 25 263 ± 22
1,0 % ат. Re 40 24 94 ± 2 97 ± 3 770 ± 14 855 ± 16 906 ± 14 998 ± 10 10,2 ± 1,3 6,4 ± 1,2 272 ± 24 329 ± 30
1,5 % ат. Re 40 24 98 ± 4 103 ± 10 905 ± 32 1038±43 1095 ± 11 1162 ± 44 4,7 ± 0,6 2,0 ± 0,4 386 ± 32 348± 17
Важной особенностью аддитивных технологий является возможность изготовления деталей из низкопластичных материалов типа интерметаллидов титана и никеля, композиционных материалов с легированием карбидами, оксидами и редкоземельными элементами, деталей сложной формы, имеющих полости и охлаждаемые каналы, получение которых при использовании традиционной технологии сложно или невозможно. В табл.2 приведены свойства титана, легированного 0,5-1,5% Re, полученного в условиях разных скоростей сканирования при аддитивном изготовлении образцов [6].
На рис.8 представлены образцы лопаток из интер-металлида TiAl, полученных по аддитивной технологии, и их механические свойства после различных режимов обработки, которые не уступают свойствам материала, полученного по традиционной технологии [4].
Если возвращаться к получению порошков из низкопластичных материалов, таких как титановые и ортоин-терметаллиды, то становится ясно, что метод PREP, предполагающий предварительное получение компактной заготовки - прутка, которая должна вращаться, является ресурсозатратным и технологически сложным, и в этом случае оптимальным, по нашему мнению, может быть способ распыления из жидкой ванны, в которую подаются сыпучие фрагменты шихты.
На рис. 9 показаны гранулы из у-сплавов и ортоинтер-металлидов, полученные компанией « Сферомет» методом вращающегося тигля.
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
x10
x26,4
Рис. 9. Внешний вид гранул из орто- (а) и у-сплавов (б) титана, полученных методом вращающегося тигля
Указанный метод, помимо получения гранул из хрупких материалов, при его надежном освоении может значительно понижать стоимость изготовления гранул и из обычных сплавов, что является важной задачей при расширении объемом производства деталей по аддитивной технологии [7].
Выводы
1. При аддитивной технологии на микроуровне происходят процессы производства деталей, при этом гранулы в доли секунды на-
греваются выше 7пл, а жидкая ванна микронных размеров кристаллизуется со скоростью 104-108 °С/с. С одной стороны, быстродействующие процессы сложны и требуют высокого уровня контроля за подачей энергии (мощность луча, скорость его перемещения, размер и скорость охлаждения жидкой ванны), а с другой - открывают новые возможности использования высокой скорости нагрева и сверхбыстрой кристаллизации для получения тонкой структуры, высокого уровня свойств и новых композиций титановых, никелевых сплавов и их ин-терметаллидов.
2. Изготовление деталей сложной формы по аддитивной технологии, не требующих механической обработки, имеет высокую ресурсосберегающую составляющую по сравнению с традиционной технологией.
3. Аддитивные технологии позволяют получать детали сложной формы с микрополостями и каналами охлаждения из низкопластичных материалов интерметаллидно-го типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yali Li, Dongdong Gu. Thermal behavior during selective laser melting of commercially pure titanium powder: Numerical simulation and experimental study // Additive Manufacturing. 2014. № 1-4. Р. 99-109.
2. Yanyan Zhu, Dong Liu, Xiangjun Tian, Haibo Tang, Huaming Wang. Characterization of microstructure and mechanical properties of laser melting deposited Ti-6.5Al-3.5Mo-l.5Zr-0.3 Si titanium alloy // Materials and Design. 2014. № 56. Р. 445-453.
3. Vega F. Titanium additive manufacturing - a novel
game changing technology / Titanium 2014 Confe-
rence. Hilton Chicago.USA. September 21-24. 2014.
4. Legzdina D., Adams R., Godfrey D. Additive Manufacturing of Titanium. Alloys at Honeywell Aerospace // ITA Conference. Atlanta. October 10. 2012.
5. Darpan Shidid // Titanium 2014 Conference. Hilton Chicago. USA. September 21-24. 2014.
6. Chlebus E., Kuznicka B., Dziedzic R., Kutzy-nowski T. Titanium alloyed with rhenium by selective laser melting // Materials Science & Engineering A. 2014. 620. Р. 155-163.
7. Москвичев Ю.П., Агеев С.В., Конев А.И. // Ti-2015 в СНГ. XIII конференция. - Усть-Каменогорск, Казахстан. 27-30 мая. 2015.
-Ф-
-Ф-
