CC BY
15
_ АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 621.762:621.762.06
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-4-5-10
О ТРАНСФОРМАЦИИ ПОРОШКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ПОД ЗАДАЧИ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ
Евгений Иванович Старовойтенко, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, [email protected]
Аннотация. Предложен способ построения изделия из частиц расплава, получаемых в процессе центробежного распыления вращающейся заготовки. Расчетами определены основные параметры формирования направленного на подложку концентрированного потока частиц и характеристики условий их взаимодействия и построения на подложке изделия заданной конфигурации. Данные расчетов позволяют сделать вывод о принципиальной возможности выполнения необходимых и достаточных условий для практической реализации способа.
Ключевые слова: частица расплава, поток частиц, подложка, сращивание частиц, кристаллизация
On Transformation of Powder Technology and Equipment for the Tasks of Additive Manufacturing. Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy I. Starovoitenko
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. A method for building up of an article from melt particles produced by centrifugal spraying of a rotating workpiece is proposed. The main formation parameters of a concentrated particle flow directed to the substrate and conditions of their interaction and building up of an article of a given configuration on the substrate were calculated. The calculation data allow us to conclude about possibility in principle to fulfill the necessary and sufficient conditions for the practical implementation of this method.
Key words: melt particle, particle flow, substrate, particle coalescence, crystallization
Международный журнал International Journal of Advanced Manufacturing Technology опубликовал статью на тему новой разработки российских и французских ученых, которая, как отмечают авторы, сулит «революцию в авиастроении». Авторы разработки специалисты МИСиСа и Лионского университета взяли за основу метод «холодного газодинамического напыления», разработанный еще в СССР [1], и применили его для «выращивания» деталей по компьютерным моделям непосредственно на силовой установке. Главное преимущество метода - не требуется нагрева металла. Материал образуется в результате взаимодействия
относительно холодных частиц порошка, ускоренных сверхзвуковым потоком газа. Образцы материала, «выращенные» таким способом в МИСиС, оказались гораздо прочнее и дешевле, полученных по другим традиционным методам.
При всей привлекательности данного способа «выращивания» деталей обнаружились и негативные моменты при его использовании. Как отмечается специалистами [1], «только малая доля частиц, разгоняемая сверхзвуковым потоком, напыляется на изделие. Основная же доля частиц отражается и уносится потоком газа».
Данная информация подвела к мысли устранения обнаруженного недостатка технологии, используя несколько иной подход к «выращиванию» деталей.
В предлагаемой статье делается попытка обосновать способ построения изделия, не включающий затратный этап получения порошкового материала. Общая идея способа изложена в публикации [2] и заключается в том, что материалом построения могут служить мелкие частицы расплава, движущиеся узким направленным пучком с относительно высокой скоростью в камере распыления установки для производства порошка.
Базовым способом, наиболее просто трансформируемым в способ построения изделия из частиц расплава, выбран метод центробежного распыления вращающейся литой заготовки, оплавляемой с торца. Представляется также, что и установка распыления данным способом типа УЦР может быть относительно просто трансформирована в соответствующий технологический агрегат.
Идея трансформации способа получения порошка центробежным распылением в способ прямого построения изделия возникла из наблюдений за нештатными случаями работы установок УЦР, при которых образовывались конгломераты из консолидированных частиц порошка на стенках камеры распыления установки (так называемые настыли). Такие конгломераты образовывались вследствие недостаточной степени охлаждения частиц порошка при соударении их со стенкой камеры. Сращивание частиц происходило в условиях, когда и технология, и конструкция камеры распыления были ориентированы на исключение подобных образований. Соответственно можно целенаправленно добиться обратного -сращивания частиц, если обеспечить требуемые для этого физические условия - частицы должны обладать определенной температурой, скоростью и агрегатным состоянием.
Эти условия можно относительно просто обеспечить, помещая преграду (подложку) на определенном расстоянии от зоны распыления и образования частиц расплава (от кромки вращающейся заготовки). Более существенную проблему представляет задача формирования достаточно узкого (предельно
сфокусированного) пучка из летящих частиц в определенную точку построения изделия. Для этих целей не пригодна существующая на установках УЦР система плавления - плазмотрон, который обеспечивает генерацию расплава из вращающейся заготовки по всему периметру торца в секторе разлета частиц 360°.
В публикации [2] проблему формирования сфокусированного пучка частиц предложено решать за счет применения лазера или электронного луча в системе плавления вращающейся заготовки, а управление направлением его движения (траекторией) - программируемым перемещением лазерного или электронного луча по периметру заготовки.
Для сужения диапазона отклонения начальной скорости полета частиц, обусловленного изменением окружной скорости под пятном плавления, перемещающегося по диаметру оплавляемой заготовки, предложено использовать заготовку трубного сечения, для которой диапазон диаметрального перемещения пятна ограничен наружным и внутренним диаметрами трубы.
Принципиальная схема активной зоны процесса представлена на рисунке. Схема пояс-
Схема активной зоны процесса:
1 - заготовка; 2 - подложка; 3 - источник излучения; 4 - лучистый поток; 5 - микрованна расплава; 6 - частицы расплава
няет взаимное расположение (как один из возможных вариантов) основных частей установки и их функциональное назначение.
Распыляемая заготовка 1 приводится во вращение с угловой скоростью ю. Над заготовкой установлен источник излучения 3 (лазер или электронно-лучевая пушка), поток излучения которого в виде концентрированного пучка тепловой энергии 4 направлен на торцевую кромку заготовки 1 и взаимодействует с материалом заготовки на пятне нагрева диаметром dп. Материал заготовки под поверхностью пятна за очень короткий промежуток времени (условно мгновенно) нагревается и расплавляется с образованием жидкой ванны объемом, пропорциональным мощности падающего на пятно излучения. Расплав жидкой микрованны 5 под действием центробежной силы и силы поверхностного натяжения формируется в сферическую частицу 6 диаметром dч, отрывается от кромки заготовки и летит по касательной в направлении подложки 2, с которой сталкивается, плющится в пластинчатую частицу, затвердевает на поверхности подложки и приваривается к ней. Подложка 2, снабженная приводом перемещения (на рисунке показана вращающаяся подложка вокруг собственной оси z-z), приводится в движение с выходом на позицию следующего соударения частицы с поверхностью подложки (в данном случае поворотом вокруг оси). Здесь важно синхронизировать частоту соударений подлетающих частиц со скоростью вращения подложки и обеспечить тем формирование непрерывной дорожки наплавления в горизонтальной плоскости, а также обеспечить вертикальные смещения горизонтальных дорожек сканированием луча источника нагрева по кромке оплавляемой заготовки от точки А к точке В на угол а. Заготовка 1 может иметь форму цилиндра (или трубы), с которой за один оборот сплавляется слой материала толщиной А. Расстояние между осями подложки и заготовки б может устанавливаться в зависимости от требуемых параметров температуры, скорости и агрегатного состояния частицы (жидкое, полужидкое, твердое) на подлете к подложке.
В соответствие с приведенной схемой основные параметры, характеризующие про-
цесс генерации частиц, определяются следующими величинами:
- диаметром пятна нагрева dп, который определяется степенью фокусировки луча, падающего на поверхность;
- плотностью потока излучения д (Вт/см2), ее величина должна находиться на уровне, при котором обеспечивается быстрое плавление материала под пятном нагрева, но не происходит сильного перегрева расплава и образования паровой фазы. По данным, опубликованным в [2], величина д не должна превышать 105 Вт/см2;
- мощностью источника излучения м/ (Вт);
- частотой вращения заготовки п (с-1) и ее наружным диаметром 01;
- физическими свойствами материала заготовки плотностью р (кг/м3) (в твердом «т» и жидком «ж» состоянии), теплоемкостью С (Дж/кг • К), температурой плавления £пл (°С), теплотой плавления г (Дж/кг), коэффициентом поверхностного натяжения расплава а (Н/м).
Все другие характеристики процесса могут быть получены соответствующими расчетами с использованием основных параметров, приведенных выше.
Для суждения о принципиальной возможности реализации предлагаемого способа были выполнены расчеты с оценкой некоторых характеристик, отвечающих на вопрос о формировании частиц построения, а именно:
- диаметр пятна нагрева <Зп = —, м;
- время экспозиции (продолжительность нагрева) пятна т = dп/пD1n, с;
- энергия, аккумулированная ванной расплава под пятном нагрева, Е = мт, Дж;
- масса расплава жидкой микрованны М = = Е/(с ^ + г), кг;
- угловая (ю = 2у/П) и линейная (V = п01 п) скорости вращения заготовки соответственно;
- диаметр частицы расплава, вылетающей из жидкой микрованны [3], = 2,19\/2а/пОрю2, м;
- масса частицы т ч = п^ Чр/6, кг;
- интервал (расстояние) между вылетающими частицами I = т^п/М, м;
- частота вылета частиц X = v/l, с-1;
- производительность (скорость плавления) в = М/т, кг/с.
Расчеты ожидаемых значений параметров процесса распыления по приведенным выше
Расчетные параметры генерации частиц расплава Таблица 1
dп мм V, м/с Е, Дж т • 10-5, с dч, мкм М • 10-6, кг тч ■ 10-6, кг I, мм г -103, с-1 в, кг/ч п, мин 1
1 12 41,86 0,0267 2,67 203 0,0183 0,0179 1,096 38,2 2,46 10 000
1 12 83,73 0,0134 1,34 101,5 0,00916 0,00223 0,273 306,7 2,46 20 000
1 12 167,5 0,0067 0,67 51,5 0,0046 0,00029 0,07 2393 2,46 40 000
соотношениям выполнены при различной частоте вращения заготовки (п = 10 000; 20 000; 40 000 мин-1) применительно к титану*. Диаметр заготовки 01 = 80 мм. Мощность излучателя = 1000 Вт, плотность потока излучения д = 105 Вт/см2. Результаты приведены в табл. 1.
Расчетные данные, приведенные в табл. 1, можно прокомментировать следующим образом.
Источник излучения (лазерная или электронно-лучевая установка) мощностью 1000 Вт генерирует лучистый поток тепла плотностью 105 Вт/см2, падающий нормально к поверхности заготовки из титана диаметром 80 мм, вращающейся с частотой п. На торцевой кромке заготовки образуется пятно нагрева диаметром dп, под которым за время экспозиции луча т образуется жидкая микрованна расплава массой М. Из ванны последовательно слетают частицы расплава диаметром dч с промежутком между ними I и с частотой генерации г. Массовая производительность по генерации частиц при этом остается неизменной и составляет 2,48 кг/ч.
Интервал между формирующимися частицами I с ростом частоты вращения п, как следует из приведенных в табл. 1 данных, снижается до столь малых значений (при п = 40 000 мин-1, I = 0,07 мм), что поток частиц обращается практически в сплошную струйку расплава.
При неизменном положении пятна нагрева обеспечивается съем металла за один оборот заготовки на глубину А (см. рисунок), соизмеримую с размером генерируемых частиц. Действие луча в данном случае подобно резцу, протачивающему заготовку с торца и снимаю-
*Физические свойства титана, использованные в расчетах: рж = 4110 кг/м3; С = 687 Дж/кг- К; = 1608 °С; г = 358 кДж/кг; а =1,55 Н/м.
щему постепенно материал заготовки на всю ее толщину.
Выбор трубной конфигурации заготовки обусловлен стремлением ведения процесса плавки в узком диапазоне изменения как окружной скорости на дорожке плавления, так и стабилизации направления траектории полета частиц, которая естественно будет смещаться (опускаться) при переходе диаметра D1 на диаметр D2 (см. рисунок). Данное перемещение траектории можно отслеживать и корректировать, например, компенсирующим смещением луча по периметру торца, обеспечивая стабильное положение точки соударения частиц с подложкой.
По итогам анализа данных расчета табл. 1 приходим к выводу о том, что по предлагаемому способу обеспечивается генерация направленного, концентрированного потока частиц расплава в сторону подложки, в котором можно управлять как размером частиц и их количеством, так и мощностью источника излучения.
Другой не менее важный комплекс вопросов при реализации предлагаемого способа связан с консолидацией частиц в результате их соударения с подложкой. Наиболее значимыми из них являются условия сращивания частиц между собой и формирования компактного материала заданной конфигурации. Важными параметрами здесь могут являться как их агрегатное состояние (жидкое, полужидкое или твердое), так и скорость, давление при соударении и температура. Достоверную картину происходящего при этом естественно может предоставить эксперимент. Однако, например, за счет применения вакуума в качестве рабочей среды уже можно предвидеть минимум потерь их энергии (температуры и скорости) на пути к подложке. Существенный дополнительный результат применения
вакуума, который при этом можно ожидать -формирование безпоровой структуры наращиваемого материала вследствие отсутствия газа, захлопываемого между частицами при построении.
Не менее значимыми характеристиками для сращивания частиц являются толщина частицы hд после соударения с подложкой и ее диаметр dд, которая по форме становится подобной диску. Первый параметр важен для оценки скорости кристаллизации частицы, второй - для оценки точности построения. Вероятность прочного сращивания частиц с подложкой и между собой при соударении оценивается по величине импульсного давления на контакте Ри и степени деформации частицы П = dч/hд при ударе. Величину импульсного давления оценивают по формуле Н.Е. Жуковского, полученной им применительно к гидравлическому удару:
Ри = дР^/2,
где д - коэффициент жесткости удара (д = 0,5); с - скорость распространения звука в жидкости (для расплава титана ориентировочно с = 3000 м/с). Количественную оценку размеров частиц после столкновения с подложкой и деформации можно сделать на основе двух балансовых уравнений:
- сохранения энергии вида
т,
//2 = а(Р2 - ^1),
- сохранения объема (или массы) частицы до и после удара:
С ч3/6 = СДЬ д/4.
Важными параметрами построения при послойном наращивании частиц на подложке являются также время тф и скорость охлаждения при кристаллизации Чохл, которые по рекомендациям [4] могут быть оценены соотношениями:
Ткр = ^(гРж + 0,5РтС ('кр - ил))/2М'кр - 'подлХ
где X - коэффициент теплопроводности материала подложки, Вт/м • К;
Чохл — (^кр - I подл)/ткр, С/с.
где Р - поверхность частицы после второго и перед первым ударом. Уравнение устанавливает баланс между располагаемой кинетической энергией частицы и работой по изменению ее конфигурации в поле сил поверхностного натяжения расплава;
Расчетные величины, характеризующие взаимодействие частиц с подложкой при соударении, представлены в табл. 2.
Как следует из данных табл. 2, на пятне контакта частицы с подложкой создается очень высокое импульсное давление Ри (от 131,7 до 527 МПа) в интервале расчетного диапазона частот вращения п заготовки, которое представляется достаточным для очистки пятна контакта от загрязнений, создавая благоприятные условия сращивания. По данным публикации [5], сращивание частиц гарантированно обеспечивается при значениях степени их деформирования п > 15. Диапазон толщин дисковых частиц на подложке находится в пределах 8,0-0,5 мкм, время кристаллизации которых очень мало (от 7,1 • 10-9 до 0,03 • 10-9 с), а скорости охлаждения, соответственно, предельно велики. Столь высокие скорости охлаждения могут обеспечить формирование тонкодисперсной структуры и соответствующий ей высокий уровень механических свойств наращиваемого материала.
Таблица 2 Параметры взаимодействия частиц расплава с подложкой при соударении
dд, мкм hд, мкм п Ри, МПа Ткр-10"9, с Чохл-109, °С/с п, мин 1
830 8,0 25,4 131,7 7,1 1,4 10 000
581 2,0 50,7 263 0,44 2,3 20 000
415 0,53 97,2 527 0,03 33 40 000
Для практической реализации предлагаемого способа построения изделия может быть использована известная установка центробежного распыления литой цилиндрической заготовки типа УЦР после относительно небольшой модернизации. В установке для этого необходимо заменить плавильную систему с плазменной на электронно-лучевую или лазерную, а в камеру распыления встроить дополнительный узел построения детали. Все другие узлы и системы установки УЦР могут оставаться в стандартной комплектации.
Выводы
1. Предложены оценочные расчеты основных параметров построения изделий послойным наращиванием материла на подложке концентрированным линейным потоком частиц расплава, слетающих с высокой скоростью с вращающейся заготовки распыления.
2. Расчеты подтверждают возможность практической реализации предлагаемого способа построения изделий, поскольку как в зоне генерации частиц, так и в зоне их соударения с подложкой, выполняются все необходимые и достаточные условия формирования изделия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алхимов А.Л., Клинков С.В., Косарев В.Ф. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. - М.: Физматгиз, 2010. - 536 с.
2. Старовойтенко Е.И., Зенина М.В., Казберо-вич А.М. Физические аспекты получения металлических порошков для гранульных и аддитивных технологий // Технология легких сплавов. 2020. № 3. С. 4-10.
3. Старовойтенко Е.И. Характеристики плавления и формирования частиц порошка из расплавов
различных металлических материалов методом PREP // Технология легких сплавов. 2017. № 4. С. 62-73.
4. Старовойтенко Е.И., Мусиенко В.Т. Тепловые условия формирования и кристаллизации тонких пленок жаропрочных сплавов // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 3. - М.: ВИЛС, 1988. С. 45-56.
5. Дубасов А.М., Кудинов В.В. // Физика и химия обработки материалов. 1970. № 5. С.19-22.
REFERENCES
1. Alkhimov A.L., Klinkov S.V., Kosarev V.F. Kholod-noye gazodinamicheskoye napyleniye. Teoriya i praktika. - M.: Fizmatgiz, 2010. - 536 s.
2. Starovoytenko Ye.I., Zenina M.V., Kazberovich A.M.
Fizicheskiye aspekty polucheniya metallicheskikh po-roshkov dlya granul'nykh i additivnykh tekhnologiy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2020. № 3. S. 4-10.
3. Starovoytenko Ye.I. Kharakteristiki plavleniya i formirovaniya chastits poroshka iz rasplavov razli-
chnykh metallicheskikh materialov metodom PREP // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2017. № 4. S. 62-73.
4. Starovoytenko Ye.I., Musiyenko V.T. Teplovyye usloviya formirovaniya i kristallizatsii tonkikh plenok zharoprochnykh splavov // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 3. - M.: VILS, 1988. S. 45-56.
5. Dubasov A.M., Kudinov V.V. // Fizika i khimiya ob-rabotki materialov. 1970. № 5. S. 19-22.
