CC BY
53
равноудаленных от поверхности, будет одинаковой. Если же на поверхности подложки имеются выступы и углубления различной формы, то это приводит к искривлению траектории движения ионов и, соответственно, к неодинаковому количеству ионов, попадающих на подложку в единицу времени, в разных ее местах. Как следствие, толщина наносимого покрытия будет отличаться, и с увеличением потенциала неоднородность плотности ионов в плазме повышается.
Область возникающих неоднород-ностей ограничивается в основном толщиной примыкающего к ней слоя Дебая, в котором потенциал, прилагаемый к подложке, эффективно воздействует на ионы. Его толщину можно найти, однако уравнение имеет аналитическое решение только для простых случаев. В частности для бесконечной, идеально гладкой поверхности [5]
tD =
<ре о
w.Z,.
При решении конкретных задач необходимо учитывать соотношение величины V размеры и форму подложки. Если длина и ширина плоского изделия на ней значительно превышает V тогда его можно рассматривать как бесконечное, плоское, идеально гладкое тело, и краевые эффекты не будут сказываться на толщине и структуре наносимого покрытия. В противном случае краевые эффекты приводят к его неоднородности и разнотолщинности.
Толщина слоя Дебая ^ зависит от плотности ионов п|. С увеличением последней ^ уменьшается, а следовательно, уменьшается размер изделий, поверхности которых можно рассматривать как бесконечные.
В случае использования вакуумного электродугового источника ионов плотность повышается с увеличением разрядного тока вакуумной дуги, а также при напуске в вакуумную систему инертных или реакционных газов, которые ионизируются. Это необходимо учитывать при оптими-
зации технологических параметров процесса нанесения покрытий.
Таким образом, аддитивные процессы прямого выращивания изделий послойным синтезом в соответствии с особенностями конструирования формируемых оболочек раскрывают новые перспективы в ресурсном проектировании деталей машин. Использование самоорганизации поверхностных явлений позволяет формировать слои определенной толщины по всей сложнопрофильной рабочей поверхности и управлять обеспечением свойств материала потоками энергии. Наиболее перспективные направления развития аддитивных технологий послойного синтеза - создание новых функциональных, градиентных материалов как для каркаса (основы), так и для поверхностных слоев (покрытий); проектирование процессов, синтезирующих многослойные композиты при формировании изделий потоками энергии или вещества; разработка установок, использующих концентрированные источники энергии, или конструкционных материалов для реализации новых процессов послойного синтеза в автоматическом режиме. СИ
Литература
1. ЧижикС.А. Перспективы развития технологических комплексов аддитивного синтеза композиционных материалов и формообразования изделий / С.А. Чижик, М.Л. Хей-фец, С.А. Филатов // Механика машин, механизмов и материалов. 2014, №4(29). С. 68-74.
2. Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении / М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина.- СПб, 2013.
3. Логачева А.И. Аддитивные технологии производства ответственных изделий из металлов и сплавов (обзор) / А.И. Логачева, Ж.А. Сентюрина, И.А. Логачев // Перспективные материалы. 2015, №5. С. 5-15.
4. Технологии конструкционных наноструктурных материалов и покрытий / Под общ. ред. П.А. Витязя и К.А. Солнцева / - Мн., 2011.
5. Хейфец М.Л. Формирование свойств материалов при послойном синтезе деталей.- Новополоцк,2001.
6. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию.- М., 2003.
7. Хейфец М.Л. Проектирование процессов комбинированной обработки.- М., 2005.
8. Иванова В.С.Синергетика и фракталы в материаловедении / В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксо-гоев.-М., 1994.
9. Чижик С.А.Технологические барьеры при высокоинтенсивных воздействиях в процессах послойного синтеза и обработки материалов / С.А. Чижик, М.Л. Хейфец, С.А. Филатов // Известия НАН Беларуси. Сер. физ.-техн. наук. 2015, №3. С. 107-113.
10. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа.- М., 1987.
Главным объектом инновационной деятельности любой страны являются технологии в сфере материального производства. Их наличие определяет положение экономики государства в мире и его стратегические позиции, дает в руки ученому или конструктору мощные инструменты для реализации новых идей.
Фото Юрия Иванова
Александр Ильющенко,
Генеральный директор ГНПО ПМ -директор Института порошковой металлургии НАН Беларуси, член-корреспондент
Поскольку основные задачи развития машиностроения решаются с применением новых материалов с высокими физико-механическими свойствами при обязательном условии повышения эффективности использования энергии и материальных ресурсов, можно констатировать, что одним из современных научных направлений являются технологические методы порошковой металлургии, в частности аддитивные металлургические технологии (АМ) [1].
Согласно стандарту ASTMF2792-10 Американского общества по испытанию материалов, аддитивное производство - это процесс объединения материала с целью создания объекта из данных 3й-моде-ли, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» промышленных технологий, таких как, например, механическая обработка. Важнейшим преимуществом АМ-технологии можно назвать единую для всех этапов - от разработки до непосредственного исполнения в материале -технологическую цифровую CAD/CAM/ CAE среду. Это существенно повышает скорость реализации продукции и исключает изготовление традиционной конструкторской и технологической документации, что в конечном счете снижает стоимость изделий, особенно для малых партий, позволяет создавать сложные конструкционные детали высокого качества, а также
Эффективный инструмент современного машиностроения
те, которые невозможно изготовить традиционной механообработкой.
Перспективность АМ
Аддитивные металлургические технологии позволяют применять новые высокоэффективные материалы и новые методы управления и, таким образом, обусловливают новое функциональное и интеллектуальное содержание продукта. Их отсутствие ограничивает творческий потенциал ученых и конструкторов, вынуждает их применять те технические решения, которые есть в их распоряжении, а не те, которые требуются для достижения целей. АМ не только современны и высокоэффективны, но инновационны по своей сути, поскольку позволяют генерировать новые способы производства и несут в себе новое качество. Их с полным основанием относят к технологиям XXI века. Кроме очевидных преимуществ в скорости и зачастую в стоимости изготовления изделий они имеют важное достоинство с точки зрения охраны окружающей среды.
Рынок аддитивных металлургических технологий стремительно изменяется. Происходит слияние и поглощение компаний - производителей АМ-машин, возникают новые центры оказания услуг в данной области, которые объединяются в европейскую, а теперь уже и в глобальную сеть. Аналогичная ситуация складывается в сфере разработки, создания, выпуска
и поставок модельных порошков. Ряд ведущих компаний в этом сегменте, например Бат^к ОБргеу, уже выделяют отдельную технологическую «нитку» для изготовления порошков специально для нужд АМ.
Для потребителей из СНГ такие расходники для аддитивных машин -серьезная проблема. В связи с неразвитостью рынка их в основном приходится закупать за рубежом по достаточно высокой цене в пределах 150-400 евро за кг. Потребителям они обходятся как минимум вдвое-втрое дороже. При этом существует минимальный предел заказа - от 10 до 50 кг.
В настоящее время рынок продукции, выпускаемой на металлургических ЭР-принтерах, стремительно развивается. Фактически на наших глазах рождается новое высокотехнологичное направление в порошковой металлургии, и тот, кто правильно оценит ситуацию и сможет сориентироваться и найти свое место в этом процессе, просто обречен на успех.
Трудно отыскать области материального производства, в которых не было попыток применения АМ - строительство и архитектура, пищевая промышленность, археология, астрономия, палеонтология, машиностроение, производство имплан-татов и др. Однако особое внимание уделяется развитию технологий РМР -непосредственного «выращивания» из металлических порошков, которую рассматривают в качестве одной из
стратегических для освоения. Ожидается, что наибольший эффект от ее использования может быть получен в следующих отраслях:
■ в космической индустрии - сопла, детали и узлы жидкостных ракетных двигателей;
■ в самолетостроении - сложнопро-фильные детали ГТД, компрессоров;
■ в энергетическом машиностроении -фасонные изделия из высоколегированных сталей;
■ в медицине, особенно в хирургии
и стоматологии - создание протезов и имплантатов;
■ в изготовлении инструментов для обработки пластиковых изделий и деталей, получаемых инжекционным формованием;
■ в автомобильной и транспортной промышленности - детали двигателей внутреннего сгорания, конструкционные детали;
■ в производстве товаров народного потребления.
Перспективность АМ основывается на ряде преимуществ и дает возможность сократить на 30% затраты, связанные с приобретением исходных материалов, повысить производительность труда на 25-30%, снизить себестоимость выпуска продукции на 30% по сравнению с ранее используемыми традиционными технологиями, например при изготовлениие форсунок газотурбинных двигателей для авиации и ракетостроения международной корпорации «Boeing» [2].
Проанализировав преимущества технологий аддитивного производства, также важно рассмотреть некоторые ограничения, применяемые к ним. Это в первую очередь размер детали. Он при использовании АМ зависит от размера платформы оборудования, например, стандартная имеет параметры 250x250x250 мм. Размеры детали могут быть увеличены, скажем, при лазерной наплавке металлических порошков, но этот процесс характеризуется низкой скоростью оседания материала из-за необходимости нанесения тонких порошковых слоев и оказывается
Рис. 1.
Технологическая схема процесса «Bed Deposition»
Источник: [3]
Рис. 2. Схема
технологического процесса
лазерной наплавки
металлических
порошков
Источник: [3]
дорогостоящим при изготовлении крупногабаритных изделий. Изначально аддитивные технологии применяли для выработки одной либо нескольких деталей для небольшого серийного производства, и АМ трудно встраивались в производственную цепочку. Сейчас новое оборудование обеспечивает выход до 25 тыс. мелких деталей в год.
Основные
технологические схемы
В общем все аддитивные металлургические технологии можно разделить по методу формирования слоя на два основных направления. Первое из них - технология «Bed Deposition», которую реализуют компании-производители АМ машин: 3D Systems (SLS, SLA), EOS (DMLS), Envisiontec (DLP), SLM Solutions (SLM), Realizer (SLM), ExOne (Ink-Jet), Renishow (SLM), Voxeljet (InkJet), Concept Laser (Laser CUSING) [3].
В данной технологии (рис. 1) сначала формируют слой, насыпают на
поверхность рабочей платформы дозу порошкового материала и разравнивают его с помощью ролика или «ножа» до определенной толщины. Затем выборочно (селективно) обрабатывают порошок в полученном слое лазерным лучом (селективное лазерное спекание) или иным способом, скрепляя частички порошка.
Разновидностью Bed Deposition является лазерная стереолитография (SLA), в которой после нанесения порошка на строительную платформу, он формирует слой благодаря связующему веществу, подаваемому через сопло принтера. Операция повторяется до тех пор, пока не будет готова деталь, которую затем аккуратно извлекают из платформы. Таким образом, получается сырая заготовка. В этом случае консолидация металлической детали происходит на второй стадии, во время выжигания и спекания, иногда с последующей стадией пропитки.
Технология 3D-печати более эффективна, чем лазерно-лучевая наплавка и не требует поддерживающих структур. Кроме того, она обеспечивает хорошее качество поверхности с использованием одного из нескольких методов последующей обработки.
К Bed Deposition относят такие известные технологии, как SLM - селективное лазерное плавление (компания SLM Solutions, Германия); DMLS - прямое лазерное спекание металлов (компания EOS, Германия); EBM - элек-
тронно-лучевая плавка (компания Arcam, Швеция); SPLS - твердофазное лазерное спекание.
Вторая технология «Direct Deposition» (DD) - прямой энергетический метод наплавки, которую реализуют компании-производители машин: Optomec (LENS), POM Group (DMD), Trumpf (DLF), Objet (Poly-Jet), Stratasys (FDM, DoD), 3D Systems (MultiJet) [3].
Этот процесс обозначает прямое (непосредственное) нанесение металлов.
На рис. 2 представлена принципиальная схема технологического процесса лазерной наплавки металлических порошков (LMD). Через сопло в зону плавления подается порошковый материал, который расплавляется лучом лазера, а металл после охлаждения формирует слой детали. Причем энергия подается направленно и осаждение происходит в конкретной локальной области.
Эта технология характеризуется более высокой производительностью, чем селективное лазерное плавление, а также возможностью изготовления крупных изделий, однако разнообразие объемных конструкций ограничено, например, невозможно создать сетчатые структуры и внутренние каналы в деталях. Частным случаем прямого энергетического метода наплавки является Laser Cladding - лазерное напыление покрытий.
Источник: www.ipmd.net
Благодаря послойному механизму формирования изделий РР позволяет создавать детали сложной формы, внутренние каналы, полости, устанавливать конструкционные компоненты и обеспечивает локальное введение составляющих компонентов, что невозможно методами литья и традиционными технологиями консолидации порошков. Материалы, полученные этим методом, имеют высокую плотность (93-95%) и обладают свойствами, сравнимыми с компактными материалами.
Высокая скорость кристаллизации (4х103 К/с) сохраняет тонкое распределение оксидных частиц дисперсно-упрочненных сплавов, обеспечивая высокотемпературное упрочнение. Кратковременная обработка позволяет сохранять в структуре компоненты, которые при длительной термической обработке разлагаются или деградируют (например, алмазные композиты).
Изготовление детали методом АМ начинается с 3Р-моделирования. Затем устанавливаются исходные данные, которые должны включать: определение ее ориентации, расположение поддерживающих конструкций и параметры послойной нарезки модели (обычно 20-100 мкм). После изготовления может проводиться доработка детали с целью повышения точности геометрических размеров и свойств самого материала - снижения пористости, стабилизации структуры и остаточных напряжений.
Научные направления ИПМ в области АМ-технологий
На протяжении последних трех лет Институт порошковой металлургии участвует в проекте 7-й Рамочной программы Евросоюза, где активно решается ряд важных вопросов по аддитивным металлургическим технологиям 3Р-печати. В настоящее время в институте создается Научный центр специальных порошков и 3Р-печати.
Основное направление его исследований - разработка технологий производства и составов металлических, керамических и металлокерамических порошков, специально используемых для этих целей, а также методов дополнительной обработки образцов материалов, полученных по технологии 3Р-печати, для улучшения их свойств.
Развитие производства аэрокосмических компонентов, деталей энергетического оборудования и изделий двойного назначения требует освоения новых технологий, обеспечивающих не только получение моделей сложной геометрической формы, но и создания технологий дополнительной термобарической обработки для обеспечения характеристик по прочности, износостойкости, термостойкости.
Среди областей применения 3Р-технологий можно отметить следующие:
■ литейное производство - изготовление форм и моделей для единичного производства;
■ прессформы для инжекционного
■ энергомашиностроение - сложно-профильные детали газотурбинных установок, фильтры;
■ самолетостроение - сложнопрофиль-ные детали газотурбинных двигателей, компрессоров, детали и корпуса беспилотных летательных аппаратов;
■ приборостроение - конструкционные детали;
■ медицина - имплантаты и протезы;
■ нефтехимическое производство - носители катализаторов, фильтры.
На рынке предлагается широкая гамма оборудования для реализации 3Р-технологий. В первую очередь для нас представляют интерес металлургические принтеры для получения сложнопрофильных изделий из металлических и металлокерамических композиционных порошков.
Учитывая имеющийся научный задел и потребности отечественной промышленности, можно определить научные направления центра.
► Разработка технологий изготовления композиционных порошков заданного химического и гранулометрического состава различными методами плавки в вакууме и распыления инертным газом, механоактивиро-ванным самораспространяющимся высокотемпературным синтезом,
Рис. 3.
Общий вид
установки
селективного
лазерного спекания
металлических
порошков
механического легирования, создание технологий размола и классификации порошков.
► Расширение номенклатуры используемых материалов за счет разработок на основе металлокерамики.
► Исследование режимов спекания порошков, управления конечными свойствами и геометрией изделия с учетом размерных изменений, происходящих на всех этапах технологии.
► Изучение процессов последующей термической, термомеханической и термохимической обработки порошковых заготовок с целью придания им требуемых эксплуатационных характеристик.
Поскольку центр создается на базе Института порошковой металлургии, то в качестве базового научного задела могут быть использованы результаты НИР, выполненные в ИПМ совместно с Институтом физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси по разработке и изготовлению установки селективного лазерного спекания (СЛС).
Проведены исследования, в результате которых установлена принципиальная возможность достижения 100%-ной плотности для образцов из жаропрочного сплава IN718, полученных методом СЛС.
Важным эффектом постобработки, включающей горячее изостатическое прессование (ГИП) деталей, предварительно полученных методом селективного лазерного спекания,является исправление характерной для СЛС структуры. В процессе ГИП из слоистой структуры формируются зерна, близкие по форме к равноосным. При этом наблюдается увеличение плотности на 3,5%, то есть после СЛС она составляет 7,92 г/см3, или 96,7%, а после дополнительной обработки ГИП - 8,19 г/см3, или 100%. Это немаловажно, так как подобные сплавы предназначены для работы при повышенных температурах и растягивающих нагрузках [4].
Институт оснащен исследовательским оборудованием для изучения процессов и получения порошков методом распыления, методом МАСВС (смесители, аппараты-активаторы (аттриторы, планетарные, струйные и вибромельни-
цы), СВС-реакторы, пневмо-классифика-торы различной производительности, предназначенные для выделения порошков узкой фракции. Обработку сформованных СЛС-образцов можно проводить в высокотемпературной вакуумной печи Т-22Х24^-2900-УМ-6 и установке горячего изостатического прессования А1Р6-30.
В ИПМ сформирована исследовательская база, необходимая для решения поставленных задач. Разработаны методики научной работы, в этом направлении, есть в наличии новейшее оборудование для изучения свойств порошковых композиционных материалов и изделий из них.
В результате выполнения работ в центре планируется установить новые научные закономерности:
■ формирования физико-химических свойств и гранулометрических показателей порошковых композиционных материалов для 30-печати в процессе их получения;
■ структурно-фазовых изменений
в материалах в результате термомеханического воздействия на них;
■ формирования геометрических параметров изделий с учетом фазовых превращений, происходящих при воздействии на них лазерным лучом;
■ создания пространственных структур и конструкций на их основе с высокими показателями удельной прочности и жесткости и с заданной внутренней 3Э-а рхитектурой.
На базе полученных результатов будут разработаны: научные основы выбора технологических параметров, обеспечивающих сохранение наследственной структуры; методики исследования фазового и структурного состояния материалов на всех технологических этапах 3Р-печати методами сканирующей электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного и атом-но-эмиссионного анализа; технологические рекомендации для организации промышленного производства изделий по АМ-технологиям.
Основываясь на указанных методиках, планируется также создать следующие технологии:
■ изготовления композиционных порошков заданного химического и гранулометрического состава методами распыления в вакууме, СВС, механического легирования;
■ размола, классификации и обработки порошковых материалов с целью получения узких фракций и максимально приближенных к сферической форме;
■ 30-печати изделий сложной геометрической формы из металлических, керамических и металлокерамических порошков;
■ термической, термомеханической
и термохимической обработки предварительно полученных 3D порошковых заготовок с целью придания им требуемых структурных и физико-механических характеристик. Работы планируется проводить во взаимодействии с рядом отечественных и зарубежных научных и производственных организаций, среди которых ООО «Рухсервомотор» (Беларусь), Технический образовательный университет Sterea Ellada (Греция), КБ «Южное» имени М.К. Янгеля, АО «МОТОР СИЧ», ЗМКБ «Прогресс» им. академика А.Г. Ивченко (Украина), Институт катализа СО РАН, ФГУП ВИАМ и ОАО «Пермские моторы» (Россия).
Таким образом, у Института порошковой металлургии есть серьезный задел для того, чтобы интенсивно развивать чрезвычайно перспективное направление - аддитивные технологии машиностроительной отрасли. CÜ
Литература
1. А.Ф. Ильющенко, В.В. Савич. Современное состояние порошковой металлургии в Западной Европе: тенденции и перспективы / сборник статей «Порошковая металлургия». 2015, №38. С. 7-18.
2. М.А. Зленко, М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров.-М., 2015.
3. Introduction to additive manufacturing technology. EPMA,2015.
4. Отчет о научно-исследовательской работе: «Разработка и исследование процессов уплотнения порошковыхдис-персно-упрочненных композиционных материалов в условиях горячего изостатического прессования», задание 6.2.02, договор №340 ГБ (1637-11) ГПНИ «Функциональные и композиционные материалы, наноматериа-лы», 2013-2015 гг., подпрограмма «Композиционные материалы».
