CC BY
1
УДК 621.373.826 DOI 10.25960/mo.2019.2.25
Исследование процесса послойного лазерного сплавления порошка титана Т1*6Д14У
П. Н. Килина, Е. А. Морозов, Е. В. Матыгуллина, Т. Р. Абляз
Рассматривается процесс послойного лазерного сплавления порошка титана TiбAl4V (аналог ВТ-6). Исследовано влияние режимов послойного лазерного сплавления титанового порошка, таких как мощность лазерного луча, расстояние между точками, траектории движения лазерного луча и время засветки одной точки на геометрические и прочностные параметры образцов при помощи ортогонального центрального композиционного планирования для получения квадратичных зависимостей исследуемых параметров.
Ключевые слова: послойное лазерное сплавление, факторный эксперимент, предел прочности, регрессионная зависимость, термообработка, микротвердость.
Введение
Послойное лазерное сплавление является перспективным методом аддитивных технологий, позволяющим создавать изделия различной конфигурации из металлов и их сплавов. Метод находит все большее применение при производстве изделий сложной формы, например в авиационном машиностроении, двигателестроении и т. п.
Наиболее сложной задачей при изучении технологии лазерного сплавления является определение режимов обработки. Режимы лазерного сплавления делят на три группы: чистовые, черновые, отделочные.
Черновые режимы являются наиболее производительными. Их используют для получения большей части объема изделия. При этом черновой режим создает увеличенную шероховатость поверхности, что улучшает прочность сцепляемых слоев.
На чистовом режиме формируется внешняя поверхность изделия, внутренний объем которого также заполняется на черновом режиме. Чистовой режим менее производителен, чем черновой, но при этом может сократиться объем окончательной механической обработки изделия для обеспечения нужной точности и шероховатости.
При необходимости используют окончательную обработку по контуру с помощью отделочного режима — он улучшает точность и качество поверхности после предыдущей обработки на черновых и чистовых режимах [1]. Режим отделочной обработки можно назвать форсированным. Он подразумевает высокую плотность мощности излучения с коротким временем воздействия. Далее рассмотрим влияние каждого из технологических параметров послойного лазерного сплавления.
Скорость сканирования определяет скорость прохождения лазерного луча над обрабатываемой поверхностью и влияет на количество энергии, попадающей на определенный участок в единицу времени. Скорость сканирования подбирают в зависимости от свойств материала. Для материалов с высокой температурой плавления выбирают меньшую скорость сканирования, а для материалов с меньшей температурой плавления — большую скорость сканирования. В исследованиях отмечено, что скорость сканирования влияет на глубину проплавления и продольный размер оплавленной зоны. С увеличением скорости сканирования уменьшаются глубина проплавления и размер оплавленной зоны. Также скорость сканирования влияет на микроструктуру полученного изделия
за счет изменения скорости кристаллизации материала [2].
Мощность лазерного излучения оказывает влияние на скорость плавления частиц материала. Мощность лазерного излучения выбирают исходя из параметров материала, таких как температура плавления, коэффициент отражения, коэффициент температуропроводности, форма частиц и их размер. Для материалов с высокой температурой плавления следует увеличить мощность излучения. При неправильном выборе мощности может произойти горение материала [1].
Диаметр пятна лазера определяет площадь, на которую будет воздействовать лазер, а также вместе с мощностью излучения определяет плотность мощности. Плотность мощности, или интенсивность лазерного излучения, находят как отношение мощности лазера к площади пятна лазерного излучения. По параметру плотность мощности лазеры делят на три группы: низкоэнергетические, средне-энергетические, высокоэнергетические. Исследования других авторов показали, что при увеличении плотности до определенного порога увеличиваются ширина и глубина сплавляемого слоя за счет возрастания глубины проникновения теплового потока, достаточного для сплавления материала [1].
Шаг сканирования определяет расстояние между проходами лазера. Важно выбрать правильное сочетание скорости сканирования и шага лазера для уменьшения оксидных включений и пористости материала [3].
В качестве защитной атмосферы используется инертный газ или вакуум в зависимости от материала порошка.
На качество полученного изделия помимо режимов сплавления и свойств используемого материала влияют также расположение модели в пространстве, направление и угол движения лазерного луча. На примере статьи [4] можно отметить, что при неправильном выборе стратегии сплавления может возникнуть концентрация теплоты в определенных участках образца, что приводит к деформации как отдельного слоя, так и всего образца.
Цель работы — определить влияние режимов послойного лазерного сплавления титанового порошка, таких как мощность лазерного луча, расстояние между точками траектории
движения лазерного луча и время засветки одной точки, на геометрические и прочностные параметры образцов при помощи ортогонального центрального композиционного планирования для получения квадратичных зависимостей исследуемых параметров.
Материалы и методики исследования
Для изготовления образцов использовалась установка для послойного лазерного сплавления порошков Realizer SLM-50. Компактная установка настольного типа с областью построения 70 X 40 мм применяется в ювелирном производстве, для изготовления медицинских имплантов и изделий небольших габаритных размеров. Лазер мощностью до 200 Вт за счет фокусировки в пятно диаметром 5 мкм обеспечивает высокую плотность мощности, достаточную для плавления таких материалов, как вольфрам, тантал, рений и др.
Для получения достоверных данных было изготовлено по три образца для каждого режима лазерного сплавления. Образцы выполнены в форме параллелепипеда с номинальной шириной 5 мм, длиной 6 мм и высотой 3 мм. Образцы расположены на подложке группами по три штуки. Каждая группа соответствует своему режиму лазерного сплавления.
Для измерения геометрических размеров образцов использовался микрометр МК 0-25 0.01 1 кл. После измерения размеров образцы испытывали на сжатие для определения предела прочности с помощью испытательной машины МИ 40.
В исследовании использовался порошок титанового сплава Ti6Al4V с химическим составом, соответствующим ASTM F136-02a (ELI Grade 23). В России аналогом этого порошка является порошок ВТ6. Частицы порошка имеют сферическую форму, средний размер частиц 30 мкм.
Химический состав Ti6Al4V, %
Ti Al V Fe C
Основа 5,5-6,5 3,5-4,5 0-0,25 0-0,8
O N H
0-0,13 0-0,05 0-0,012
В качастве факторов, влияющих на параметры образцов, рассматриваются:
Технологические режимы лазерного сплавления и результаты измерений
Номер режима Технологические режимы лазерного сплавления Среднее отклонение размеров, мм Среднее значение предела прочности на сжатие, МПа
Расстояние между точками, мкм Мощность лазера, Вт
1 10 38 0,1 1137
2 20 38 0,12 993
3 10 50 0,09 1063
4 20 50 0,09 878
5 10 44 0,1 1006
6 20 44 0,11 1038
7 15 38 0,07 1004
8 15 50 0,09 923
9 15 44 0,11 991
1) значения мощности лазера Р = 38 ^ 50 Вт;
2) значения расстояния между точками траектории движения лазера Ь = 10 ^ 20 мкм;
3) время засветки каждой точки Т = 60 мкс — параметр зафиксирован и не изменяется в ходе эксперимента.
Количество требуемых опытов определяется по формуле
N = пк + 2к + 1 = 9, (1)
где п — число уровней; к — число факторов.
В таблице представлены технологические режимы, результаты измерений геометрических размеров, а также значения предела прочности при испытании на сжатие.
Результаты и обсуждение
После обработки результатов получены регрессионные зависимости. Их графики представлены на рисунке.
Установлено, что наилучшая геометрическая точность обеспечивается технологическими режимами сплавения приблизительно в центре плана факторного эксперимента. Это говорит о правильном выборе интервалов варьирования факторов. Минимальное отклонение от номинальных размеров образца (0,09 мм) достигается при Ь = 15 мкм и Р = 50 Вт. Наибольшее влияние на геометрическую точность при послойном лазерном сплавлении оказывает мощность сплавления,
а)
б)
0,12
I 0,11
0,10
0,09
£ 0,08
40
45
Мощность, Вт
50
0,12
м
о
а
I 0,11
0,10
2 0,09
В
н
щ
н о
Ц
I 0,08
— Ь = 38 Вт Ь = 44 Вт - Ь = 50 Вт
' /
Ч У У у У
-----
10 12 14 16 18
Расстояние между точками, мкм
20
Зависимость отклонения геометрических размеров: а — от мощности при фиксированном значении расстояния между точками; б — от расстояния между точками при фиксированном значении мощности
причем зависимость имеет квадратичный характер с максимальной погрешностью размеров образцов в центре диапазона мощностей. Зависимость от расстояния между точками также квадратичная, но в центре исследованного интервала наблюдается минимум.
Графики зависимости предела прочности на сжатие от режимов лазерного сплавления не представлены, они имеют практически линейный вид без явно выделяющихся экстремумов.
Выводы
Максимальная прочность (1137 МПа) достигается при Ь = 10 мкм и Р = 38 Вт. При увеличении расстояния между точками засветки прочность уменьшается, это связано с увеличением пористости образцов. Также установлено, что предел прочности на сжатие практически не зависит от мощности лазерного излучения. Характер разрушения образцов на всех режимах — хрупкий, это говорит о формировании мартенситной структуры, свойственной сплаву ВТ-6. Измерения микро-
твердости показали значения 470-500 МПа. Для дополнительного повышения прочности образцов, полученных методом послойного лазерного сплавления, можно применить смягчающую термообработку — старение. Микротвердость при этом уменьшится, но увеличится пластичность, что в результате приведет к формированию комплекса эксплуатационных прочностных характеристик.
Литература
1. Сапрыкина Н. А., Сапрыкин А. А., Шигаев Д. А.
Исследовение факторов, влияющих на качество поверхности, полученной лазерным спеканием// Обработка металлов: материалы конф. 2011. № 4 (53). С. 78-82.
2. Управление лазерным спеканием металлических порошковых смесей / М. Д. Кривилев, Е. В. Харанжев-ский, Г. А. Гордеев, В. Е. Анкудинов // Управление большими системами. 2010. С. 299-322.
3. Зленко М. А., Попович А. А., Мутылина И. Н. Аддитивные технологии в машиностроении. СПб.: Изд-во Политех. ун-та, 2013.
4. Дрелих И. В., Ибрагимов Е. А. Влияние стратегии ЗЬБ-спекания на качество получаемого изделия// Поколение будущего: взгляд молодых ученых. Т. 6. С. 98-101.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых — кандидатов наук № МК-2072.2019.8.
Уважаемые коллеги!
Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.
Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.
Тираж 1500 экз., объем от 60 с., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10%-ная скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.
Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.
Для рекламодателей по запросу высылаем расценки.
Подписные индексы: по каталогу «Роспечать» — № 14250.
