CC BY
10
-Ф-
_АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ_
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И. С. Полькин
УДК 621.762
НА ПУТИ К АДДУКТУ
Г.Д. Ковалев, докт. экон. наук (ОАО «ВИЛС», г. Москва, e-mail: info@oaovils.ru)
В статье впервые техническое изделие, полученное с использованием аддитивных технологий, обозначено как аддукт (adduct).
Рассмотрены проблемы применения металлических порошков в аддитивной технологии изготовления специальных машиностроительных изделий.
Ключевые слова: металлические порошки (гранулы), микрометаллургия аддуктов, супераддукт.
On the Way to Adduct. G.D. Kovalev.
For the first time in the paper a technical product manufactured via the use of the additive technologies is termed adduct.
Problems of the use of metallic powders in the field of the additive technologies for production of special engineering products are discussed.
Key words: metallic powders (granules), micrometallurgy of adducts, superadduct.
Сталкиваясь с модными сегодня ключевыми инструментами воплощения технического прогресса в традиционном производстве, предстоит определить, касаются ли аддитивные технологии центрального элемента экономического роста.
В простейшей модели роста обычно рассматривается какой-то конкретный механизм технического прогресса. Рассуждаем просто -получаем ли больше продукции при неизменном количестве труда и капитала. В рассматриваемом вопросе мы имеем дело с более сложной моделью - воплощением прогресса в новом основном капитале.
Прорывной технический прогресс, к которому отнесена аддитивная технология, требует нового капитала, технических знаний и опыта, а также персонала новой квалификации.
Попытаемся ответить на вопрос готовности к такого рода требованиям, вытекающим из ожиданий аддитивного прорыва, опираясь на некоторые оценки возможных препятствий, на пути к аддукту, длительности пути и скорости продвижения по нему.
Рассуждения и доводы касаются в основном важнейшей сырьевой составляющей производства при получении металлических аддуктов. Наш опыт в области изготовления деталей газотурбинных двигателей для авиационной и космической техники из порошковых частиц (гранул) высоколегированных сплавов позволяет говорить не только о высокой химической и структурной однородности изделий по всему объему используемого металла, но и о высоких механических, жаропрочных и усталостных характеристиках, обеспечивающих высокий ресурс эксплуатации. Здесь мы сталкиваемся с изделиями, которые необходимо отнести к классу супераддуктов. Если удастся произвести такие продукты, используя новые технологии, то они качественно преобразуют основной промышленный капитал.
Накопленный в ОАО «ВИЛС» опыт перехода от литых и деформируемых сплавов к порошковым (гранульным) в определенной степени обеспечивает сегодня научную и практическую базу для следующего шага в новую область машиностроения - аддитивное производство.
-Ф-
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Аддитивность как свойство объекта, где его значение равно сумме значений величин, соответствующих его частям (системная аддитивность), не всегда присуще тому или иному машиностроительному изделию. Точнее, оно находит место, как правило, в простых известных инженерных конструкциях и изделиях.
В свою очередь, аддитивность металлического порошка - это оценка (показатель) эффективности его использования в новых технологиях. В перспективе потребуется классификация порошков для адекватного восприятия как самих материалов, так и заявок их стоимости.
Уже сегодня известна некоторая потребность в порошках титановых сплавов (ВТ14, ВТ20, ВТ6, ВТ1-0, ВТ25У), алюминиевых сплавов (АМг6, Д16), различных сталей. Из условий конкретной технологии для синтеза аддуктов появятся новые требования, такие как «наклон кривой распределения гранулометрического состава», «равноосность формы», а также требования к специальной транспортировке.
Ниже использованы два названия исходных материалов для аддитивных технологий - порошки и гранулы. Эти две группы металлических материалов имеют серьезные различия. Если свойства порошков, такие как объемная текучесть, сдвиговая текучесть, плотность насыпного слоя, полностью характеризуют сегодня исходные технологические условия для синтеза металлических аддуктов, то гранулы -это микрослитки, которые дополнительно характеризуются комплексом свойств структуры материала, приводящей к получению супер-аддуктов.
Известны способы получения ультрадисперсных порошков с помощью металлотерми-ческого восстановления хлоридов металлов в расплаве солей, где предполагается совместить две операции в одной - получение металла и его диспергирование. Но предполагать возможность использования титанового порошка из рутила (компания Metalysis, Англия) для аддитивного производства необходимо с осторожностью, помня об оценке его эксплуатационных качеств в аддукте.
Обратим внимание на важную особенность новой технологии - архитектуру аддукта. От последней будет зависеть плотность укладки порошковых частиц, которая в свою очередь может определяться их геометрией и размером. Концепции использования трехмерных моделей для изготовления деталей из металла с помощью мощных компьютеров и лазеров были разработаны и опробованы с 1977 г. Тогда начат поиск порошков различных сплавов, условий их консолидации лазером. В сырьевом поле появились титановые (Т^ 6Д1-4У), никелевые (1псопе1) сплавы, а также аддукты, близкие по свойствам к деформируемым ранее металлическим объектам.
При любой выбранной архитектуре супер-аддукта необходимо знать насколько он будет обладать равномерными или специально разными по всему объему свойствами (размер зерна и его соизмеримости с металлической массой, в которой непрерывно происходят дислокационные процессы).
Производственный цикл синтеза аддукта может быть различным и может занимать от 3 до 30 ч в зависимости от способа «закачки» энергии и других факторов.
Размеры металлических частиц, используемых в порошковом синтезе, сегодня составляют 15-100 мкм. Развитая поверхность этих металлических частиц является зоной поверхностных дефектов, нарушений в регулярном расположении атомов, где межатомные связи не компенсированы. С одной стороны, появляется возможность путем воздействия температуры и давления достигать качественное твердофазное соединение частиц, с другой -порошки имеют субмикропоры, как следствие изотропного роста скоплений вакансий. Уменьшая размеры частиц порошка, мы увеличиваем интенсивность взаимодействия с окружающей средой (окисление и обогащение газами).
Дальнейшая эффективная консолидация частиц в аддитивном процессе без знания условий формирования поверхности и объемных свойств практически может не приводить к качественным аддуктам.
Существующая гранульная технология -весьма показательный и специфический процесс. Она многостадийна, с критическими
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
границами каждой стадии, высокой наследственностью материала на микроуровне. Эта технология обременена: сложными механическими и термическими процессами; изготовлением вспомогательных изделий и инструментов; требованиями герметичности этих изделий; сложным процессом подбора материалов для них из-за химической активности гранул.
В то же время производство никельсодер-жащих мелких гранул (70-50 мкм) с достаточной чистотой, гарантирующей высокие прочностные и усталостные характеристики изделий, успешно достигнуто на практике при литье сплавов и термической обработке на инновационном оборудовании ALD (печи VIDP-400, Mono и Modul Term). Технологические результаты его использования в совокупности с установкой ОАО « ВИЛС» по плазменному плавлению и центробежному распылению металла на гранулы позволяют в принципе получить порошок для синтеза супераддуктов для авиационных двигателей. В частности, в производстве авиационных изделий из сплавов на основе алюминидов титана удается достичь низкого содержания кислорода менее 550 ppm и азота менее 100 ppm. Для этого может использоваться индукционная плавка в «холодном» тигле, центробежное литье и распыление заготовки в контролируемой газовой среде.
Частицы металлического порошка (гранулы) характеризуются большой удельной поверхностью. От состояния поверхности в значительной степени зависит также прочность консолидации частиц при получении аддукта. Например, на поверхности гранул титановых сплавов имеется оксидная пленка, состоящая из оксидов титана TiO, TißO5 и др. Консолидация гранул происходит при определенной температуре, где при 850 °C остается несплошность в аддукте, и только при дальнейшем повышении температуры до 1050 °C границы между частицами полностью исчезают. Существует некая критическая толщина оксидной пленки, которую придется растворять при высоких температурах вакуумного отжига (около 900 °C для титановых частиц).
Существует два основных типа структур в изделиях из титановых сплавов - глобуляр-
ный и пластинчатый. Каждый из них имеет определенные достоинства и недостатки.
Для структуры глобулярного типа характерно более высокое сопротивление зарождению трещин, тогда как для структуры пластинчатого типа - более высокое сопротивление развитию трещин. Температурное воздействие может привести к реализации структуры, обладающей смешанными свойствами.
При выборе параметров аддитивного синтеза температура должна обеспечивать:
а) высокую пластичность аддукта, приводящую к схватыванию контактных поверхностей;
б) растворение оксидной пленки на поверхности порошковых частиц;
в) высокую скорость диффузии на границе частиц.
Помимо чистоты применяемых порошков , для последующего синтеза аддукта значимым является его структура, так как она влияет на реализацию прочностных, усталостных характеристик и срок службы. Во многих случаях понадобится термическая обработка металлического аддукта после его синтеза, которая прямо зависит не только от конфигурации изделия, но и его массы (тонкое - толстое тело).
В то же время поиск универсальной технологии горячей деформации и термообработки супераддукта может не привести к успеху из-за реакции металла на обработку при сложной архитектуре аддукта. В каждом конкретном случае приходится находить условия термообработки.
Определяющим процессом при старении металлического аддукта является самопроизвольно протекающее повышение плотности упаковки материала, которое в случае кристаллизирующихся материалов выражается в повышении доли кристалличности, а в случае аморфных - в повышении доли более упорядоченных участков. Причем прогрессирующая кристаллизация стимулирует процесс, создавая на границах кристаллических участков напряженные зоны с увеличенными размерами и деформированными узлами связей, для разрушения которых необходима меньшая энергия активации. В связи с этим разрушение материала протекает более интенсивно. Механические, тепловые,химические, радиационные и другие воздействия на аддукт лишь
"Ф
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
-Ф-
ускоряют протекание основного процесса. Эти процессы в металлах и керамике протекают сростом напряженных зон, где происходит разрушение связей, рост зерен кристаллов с последующим образованием микро- и макротрещин, то есть мы сталкиваемся с состоянием аддукта, в котором отсутствует равновесие. Особенно эти процессы проявляются в тех случаях, когда супераддукт является элементом сварной конструкции. Необходимо установить степень его свариваемости. Эта способность аддукта прямо связана с металлургической структурой порошковых частиц, нахождением в ней элементов микроструктуры, обладающих повышенной энергией и диффузионной проницаемостью.
Для производства сырьевой составляющей супераддуктов придется освоить ресурсосберегающие технологии, базирующиеся на новой технике в работе с конкретными металлами. Можно предположить стратегическое применение переработки Д1-8^аэвтектических наноструктурированных сплавов через аддукт при изготовлении блисков, работающих при максимальных температурах (300 °С). Изготовление деталей блисков позволит пройти сложный аддитивный путь к производству полых лопаток компрессора из металлоком-позита на основе гамма-ТД блисков из ин-терметаллида на основе орто-^Д^Ь.
Интерес представляют изделия с функционально-градиентной структурой (блиски, лопатки, крыльчатки и др.) из применяемых сегодня никелевых и титановых сплавов. При этом особое внимание в производстве аддук-тов следует обратить на интерметаллидные титановые сплавы, которые могут открыть путь к достижению высокой прочности и хорошей пластичности через кольцевые и корпусные аддукты.
На первом этапе можно ожидать быстрые освоения аддуктов - инструментов для штамповки, включая отливки титановых полых лопаток. Здесь интересен известный опыт по компактированию металлических порошков инжекционным методом при изготовлении деталей из ниобиевого порошка (камеры сгорания и крыльчатки ЖРД) и никелевого порошка (уплотнительные винты).
Технологическая готовность к производству металлических аддуктов исходит из представления об аллокационной эффективности перехода от машиностроительной традиции к новому. Необходима комбинация ресурсов, при которой обеспечивается производство изделия с минимальными альтернативными издержками. Именно такое использование ресурсов является технически эффективным. До тех пор пока не будет предметно сформулирован свод технологических правил сложения, нет условий определения эффективности аддукта.
Статья не предполагает рекомендаций, а обращает только внимание на тот факт, что аддитивное направление является не более как способом изготовления машиностроительных деталей в ряду других известных и хорошо изученных технологий обработки металлов, имеющих также свои преимущества и перспективы развития.
Не вызывает сомнений последующее развитие аддитивного производства полимерно-песчаных форм для широкого круга литейных изделий. Но в этом случае, дополнительная финишная обработка выплавленных деталей зависит от архитектуры формы, которая требует точного управления источником энергии в реальном времени (корреляция отклонений).
Синтез аддукта может быть связан с готовым машиностроительным изделием, которое подлежит восстановлению, ремонту. Такое са-теллитное приращение металла (наплавка, сплавление) достаточно широко освоены в инженерной практике .
Аддитивные технологии и аддукты не смогут внести в производство функциональных металлических изделий кардинальных изменений, так как их придется встраивать как части базовых технологий при получении основных инженерных систем.
Например, в производстве современных газотурбинных двигателей, где новый процесс как часть общей технологии применим непосредственно для формообразования металлического (композиционного) аддукта в конкуренции с освоенными процессами консолидации гранульных материалов. Более того, не ясна целесообразность его автономного решения вне прямой связи как элемента базовой
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
технологии. Сегодня декларируется цепочка: металлическая заготовка - порошок - компьютерное моделирование - синтез аддукта (новая технология) - горячее изостатическое прессование - термическая обработка - аддукт. В этой цепочке нет основополагающего процесса (стадии). Весь успех заключается в реализации оптимума в каждом технологическом звене при отсутствии его частной эффективности.
Новые материалы, создающие основы развития техники, исключительно избирательны к технологиям их использования и очень чувствительны к затрачиваемым ресурсам.
Вначале статьи было замечено, что для овладения искусством аддитивных технологий потребуется персонал новой квалификации. Если в части производства сырья для получения металлических аддуктов уровень квалификации на текущий момент не вызывает опасений, то в области применения новой технологии мы имеем массу проблем. Аддитивная консолидация частиц порошка (гранул) является мало изученным металлургическим процессом, точнее, его новой областью, которую можно определить как микрометаллургия аддуктов.
Сферические металлические порошки поддаются уплотнению только при высоких тем-
пературах и определенном охлаждении ад-дуктов. Этими процессами необходимо управлять в динамике с тем, чтобы влиять на изменения фазового состава .
В частности, высокоскоростная кристаллизация при получении порошков титановых сплавов и изделий из них различных типов вплоть до аморфных и интерметаллидных требует определенных температур не только нагрева сферических частиц, но и управления скоростью их охлаждения. Селективное лазерное сплавление потребует поддерживать определенную газовую среду, в которой происходит «трековое» плавление.
Нельзя исключать возможность селективного смешения порошков различных металлов в целях производства композиционных аддуктов.
В связи с новой технологией возникают вопросы жесткости привязки аддитивных машин к металлическим порошкам определенного вида, их ассоциировании с системами термической обработки аддуктов и компакти-рования. Наконец, конструирование сложной архитектуры машиностроительных изделий «бионического типа» с модельной поверхностью и облегченной конструкцией за счет полостного и канального принципов во многом определит масштабы применения аддуктов.
