ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПО АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

-Ф-

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 669.715:661.762

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПО АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

А.И. Литвинцев, канд. техн. наук (Экспертный Совет Государственной Думы, e-mail: alsporstech19@mail.ru)

Рассмотрены инновационные технологические процессы, связанные с разработкой аддитивной технологии - Additive Manufacturing (AM) - и АМ-машин, которые имеют специальные лазерные устройства, где под действием лазерного луча расплавляют порошковые материалы с последующим высокоскоростным охлаждением. Показаны основные свойства и особенности распыленных алюминиевых порошков, а также возможности АМ-машин изготавливать достаточно сложные, прочные детали, которые не могут быть получены обычным методами.

Ключевые слова: распыление, порошки алюминиевых сплавов, аддитивная технология, лазерная головка, высокие скорости расплавления и охлаждения, высокая прочность.

Application Prospects of PM Aluminium Alloys for Production of Components via the Additive Technology Technique. A.I. Litvintsev.

Innovative technological processes concerning development of additive manufacturing (AM) and AM machines which have special laser units where powder materials are melted under the action of the laser beam with subsequent high-rate cooling are discussed. Main properties and features of atomized aluminium powders, as well as potentialities of the AM machines to manufacture rather complex solid components which cannot be produced by conventional techniques are shown.

Key words: atomization, aluminium alloy powders, additive technology, laser head, high melting and cooling rates, high strength.

В настоящее время десятки стран мира приступили к разработке многообещающей аддитивной технологии Additive Manufacturing (AM), используя специальные лазерные, аддитивные АМ-машины. К 2011 г. около 40% произведенных в мире АМ-машин было установлено в США, 15 % - в Германии. В 2012 г. Великобритания выделила 27 млн фунтов стерлингов на гранты для проведения НИОКР в области аддитивных технологий. Даже в Южной Африке в 2012 г. за счет государственных субсидий или инвестиций было закуплено оборудование на $ 5,5 млн.

Основные композиции металлических порошков, применяемые для АМ-технологий, классифицируются по условному диаметру

частиц d, подразделяя их на нанодисперсные ^ < 0,001 мкм), ультрадисперсные ^ = 0,010,1 мкм), высокодисперсные ^ = 0,1-10 мкм), мелкие ^ = 10-40 мкм), средние ^ = 40250 мкм) и крупные ^ = 250-1000 мкм). Эта классификация распространяется на все типы металлических порошков, которые являются строительным материалом для всех типов АМ-машин.

Но металлические порошки при использовании их для АМ-технологий, как известно, делятся на две резко отличающиеся по химическим свойствам группы: нереакционные сферические порошки, изготовленные из нержавеющих, мартенситных и инструментальных сталей, порошки из материалов

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

1псопе1 (Сг-Ы!), Со-Ы! и Со-Сг и др., а также химически активные порошки алюминия, титана и их сплавов.

Если нереакционные сферические порошки не возгораются на воздухе и не опасны в работе, то химически активные порошки алюминия и титана относятся к категории огне-и взрывоопасных порошковых материалов. Применение последних требует особых условий по технике безопасности работы с ними. Химически активные типы алюминиевых и титановых порошков характеризуются повышенной активностью к окислению, что при определенных условиях (связанных с их концентрациями в воздухе) может привести к взрыву при появлении искры и даже при курении. Особенно опасны алюминиевые порошки, скорости окисления которых на несколько порядков превышают скорости окисления титановых

Алюминиевые и титановые порошки относятся к категориям пирофорных и взрывоопасных. Например, при содержании мелких алюминиевых порошков (от 1,0 до 3,0 мкм) с концентрацией в воздухе около 30 мг/м3 при любом открытом огне (искра, курение и др.) может привести к сильному взрыву. Средние сферические титановые порошки (100-250 мкм) способны к возгоранию в струе при открытом огне. Поэтому при работе с указанными порошками необходимо соблюдать жесткие правила техники безопасности, которые уже хорошо отработаны в результате реальной длительной работы порошковых промышленных цехов.

При работе с алюминиевыми порошками цеха и помещения должны иметь датчики на определение концентрации алюминиевый пыли, все электроприборы во взрывобезопас-ном исполнении, лампы освещения должны быть вынесены за контуры помещения, влажная уборка два раза в смену. Указанные меры безопасности при их выполнении надежно обеспечивают безопасную работу всего персонала.

Основные свойства алюминиевых порошков: мелкая алюминиевая пыль (1,0-3,0 мкм) в воздухе взрывоопасна при открытом огне,

средние (С = 40-250 мкм) и крупные (С = 2501000 мкм) порошки пожароопасны в сыпучем состоянии при открытом близком огне.

Титановые порошки средние (С=40-250 мкм) и крупные (С = 250-1000 мкм и более) могут быть пожароопасны в сыпучем состоянии при открытом близком огне.

Производство алюминиевых порошков в России осуществляется много десятилетий и накоплен достаточно большой опыт работы с ними . Основные заводы по производству алюминиевых порошков: Волгоградский, Иркутский и Богословский алюминиевые заводы. На них производят безопасные алюминиевые порошки при работе в обычных условиях.

Алюминиевые порошки и их сплавы получают методом распыления (атомизации) расплава через форсунку инертным газом под высоким давлением в закрытом пространстве, наполненном азотом, содержащем не более 1,0-1,5% О2. Поэтому частицы алюминиевых порошков после процесса атоми-зации покрываются прочной термической окисной пленкой А12О3, которая надежно защищает алюминиевые порошки при работе в обычной атмосфере. Атомизированные алюминиевые порошки называются пассивиро -ванными, т.е. нейтральными по отношению к окружающей воздушной атмосфере. Фракционный состав атомизированного алюминиевого порошка от 10 до 200-250 мкм регулируется линейными параметрами форсунки и давлением рабочего газа азота при распылении расплава. Основные фракции алюминиевых порошков, производимые на алюминиевых заводах, распределяются от 50 до 120-150 мкм, причем мелкая фракция (С = 50-60 мкм) составляет 80-85%, а остальная средняя фракция (С = 100-150 мкм) -15-20%.

Образующаяся на поверхности порошков термическая окисная пленка А12О3 придает им определенные пассивные свойства, но и в то же время обладает химической активностью и взаимодействует с окружающей влагой атмосферы: вначале адсорбирует влагу, а затем в течение времени развивается хи-

-Ф-

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

мическая реакция с образованием гидроокислов.

При нагреве гидроокисная пленка, как ранее было установлено, разлагается с выделением большого количества воды и водорода. Этот процесс может усилиться в десятки и более раз при использовании технологии сплавления порошков лазером, который резко повышает температуру, и стать дополнительным источником взрывоопасности при выполнении операции лазерного спекания.

С целью повышения пассивных свойств алюминиевых порошков были изучены и разработаны методы их дегазации [1]. Поэтому в настоящее время порошки алюминиевых сплавов перед селективным лазерным сплавлением (8ЬМ) должны обязательно пройти операцию дегазации с последующей лабораторной проверкой на газосодержание, т. е. на количество воды и водорода. Предельные величины оставшихся после дегазации указанных компонентов устанавливаются лабораторным путем. Предварительная дегазация обеспечивает более устойчивое, управляемое поведение алюминиевых порошков под лазерным лучом при подобранной заранее мощности и ширине сканирования.

При постоянной мощности лазера 100 Вт с увеличением площади лазерного пятна его удельная мощность на единицу площади уменьшается. Изменение площади лазерного пятна - это один из главных параметров, позволяющий управлять тепловым потоком лазера, приводящего к оплавлению порошкового слоя заданной толщины.

Из литературных данных известно [2, 3], что наиболее востребованными на индустриальном рынке металлопорошко-выми композициями являются алюминиевые А!-81-сплавы: А!8И0Мд и А!Э112. Указанные композиции сплавов могут быть использованы в бурно развивающейся малой авиации в виде широкой номенклатуры безпи-лотников, а также для вертолетов и самолетов. Указанные порошковые сплавы могут быть ис-

пользованы для изготовления миниатюрных поршней и гильз для двигателей [3]. Главное достоинство этих сплавов - их высокие твердость и износоустойчивость к истиранию, превышающие соответствующие характеристики стали и чугуна.

Одним из перспективных направлений применения алюминиевых порошковых сплавов для АМ является изготовление технологической оснастки - приспособлений и инструментов для серийного производства. Ярким примером может служить изготовление матрицы или пресс-формы из легкого алюминиевого сплава для термопластов-автоматов (ТПА) (рис. 1).

Кроме того, используя алюминиевые порошки, пресс-форма может быть выращена вместе с каналами охлаждения и весьма произвольной конфигурации, что невозможно сделать при обычных методах механической обработки. Направление по изготовлению сложной оснастки или пресс-форм для отливок из пластика имеет очень широкий рынок потребления. Разработчики машин тесно сотрудничают с университетами и НИИ в целях обеспечения пресс-формами из алюминиевых сплавов для литья корпуса цифровой матрицы из пластиковых материалов (рис. 2).

В ряде исследований показано [2], что образующаяся пористость зависит как от материала, так и от параметров режима сплавления. Например, для алюминиевых сплавов А!8И2 пористость может достигать 4-5%, для титановых сплавов - до 2 %, тогда как для сталей - менее 0,2%. Для устранения внутренней пористости в особо ответственных деталях применяют метод горячего изостати-

Рис. 1. Вставка для термопласта-автомата (ТПА) из алюминиевого сплава (а) и отливки, изготовленные из ЛБв-пластика (б). Предоставлено ФГУП «НАМИ»

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рис. 2. Пресс-форма из алюминиевого сплава для литья корпуса цифровой матрицы из пластиковых материалов

персных интерметаллидов переходных металлов и, как результат, резким повышением механических свойств. В основу получения полуфабрикатов из жаропрочных сплавов американской фирмой Allied Signal был положен метод спиннингования расплава (получение тонких ленточек), при котором скорость охлаждения составляет 106-107

ческого прессования (Hot Isostatic Pressure). В результате HIP повышается прочность и уничтожается пористость.

Для организации надежного серийного производства следует использовать специальные приспособления, шаблоны, кондукторы из алюминиевых сплавов со специальными свойствами. В этом случае применение АМ-технологий будет экономически выгодным. Подбор легких алюминиевых сплавов со специальными свойствами - это очень важный этап расширения серийного производства.

АМ-машины селективного лазерного сплавления, применяемые для алюминиевых порошковых материалов - это еще более высокие скорости охлаждения при кристаллизации, и необходимо дальнейшее развитие работ, выполненных в свое время под руководством В.И. Добаткина.

Применяемые высокие скорости охлаждения (103-104 °С/с) гранул размером 2,0-3,0 мм алюминиевых сплавов с переходными металлами (Mn, Zr, Cr, Ti и др.) обеспечивают получение аномально пересыщенных твердых растворов, которые устойчивы при нагревах и обеспечивают повышение механических свойств. При более высоких скоростях охлаждения наблюдается повышенная устойчивость аномально пересыщенных твердых растворов переходных металлов в алюминии. Это объясняется значительно более низким (на два-три порядка) коэффициентом диффузии переходных металлов в алюминии, чем в обычных системах Al-Cu, Al-Mg, A-Cu-Mg. Процесс распада твердого раствора сопровождается выделением дис-

°С/с. Полученный уровень свойств для сплава 8009 при комнатной температуре: прочность 469 МПа, текучесть 434 МПа, пластичность 16,5%. Жаропрочность при 350 °С: прочность 260 МПа, текучесть 215 МПа, пластичность 18 %.

Свойства высокопрочного сплава А1-8 % Мд-2% Си-1,7% 7п-0,15% 7г достигают свойств сплава 1965 при комнатной температуре: прочность 650 МПа, текучесть 600 МПа, пластичность 6,5 %.

Разработанные технологические приемы получения быстроохлажденных алюминиевых сплавов, выполненные под руководством В.И. Добаткина, получили дальнейшее развитие в Японии. Под руководством профессора Т. Маsumoto в 1998 г. проведены исследования порошковых сплавов на основе алюминия и магния, содержащих РЗМ, а также некоторые переходные металлы, со скоростями охлаждения более чем 106-107°С/с. Из порошков сплава А^У8 Ы!5 после компак-тирования и экструзии на пруток были получены предел прочности 1140 МПа и модуль Юнга Е = 71,2 ГПа, а для прутка из сплава Мд80^5Ы!15, соответственно, предел прочности 830 МПа и модуль Юнга Е = 46,1 ГПа. Прочностные свойства прессованного прутка из сплава А^У7.5 ^7.5: предел прочности 940 МПа, пластичность 1,5 % и модуль Юнга Е = 115 ГПа. Более впечатляющие результаты были достигнуты на жаропрочном сплаве А188Ы!дСе2ре1. Предел прочности этого сплава при комнатной температуре составлял 1560 МПа и 970 МПа при 300 °С, что практически соответствует свойствам сплавов на титановой основе.

-Ф-

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

-Ф-

Основные параметры АМ-машин для выращивания деталей

из Ti, A , Co—Cr, сталей и других порошков методом послойного синтеза

Модель Рабочая зона, мм Шаг постро- Мощность, Производитель- Модельный

ения, мкм Вт ность, см3/ч материал

ConceptLaser 50 х 50 х 80 20-80 50-100 1-5 Стали, А1, Д 1псопе1

Mlab 70 х 70 х 80

90 х 90 х 80

М2 для реактив- 250 х 250 х 250 20-80 200 2-10 Нерж. сталь, А1, Д

ных металлов Со-Сг

EOS EOSINT 250 х 250 х 325 20-60 200-400 10-20 Нерж. сталь, Ре, А1,

Д Со-Сг, N

SLM Solution 250 х 250 х 350 20-75 100-200 10-15 Стали, А1, Д Со-Сг

SLM 125

SLM 250 250 х 250 х 350 20-75 20-400 10-15 Стали, А1, Д Со-Сг

SLM 280 250 х 250 х 350 20-200 400-1000 20-35 Стали, А1, Д Со-Сг

Realiser SLM 250 250 х 250 х 300 20-100 400-600 10-15 Стали, А1, Д Со-Сг

Renishaw AM 125 125 х 125 х 125 20-100 100-200 5-10 Стали, А1, Д Со-Сг

Приведенные результаты изучения быстро-охлажденных алюминиевых сплавов японским профессором позволяют совершенно по-новому оценить возможности повышения скоростей охлаждения в случае применения АМ-технологий при лазерном оплавлении при скоростях более чем 109 °С/с. АМ - техно -логии обеспечат сверханомально высокие степени пересыщения расплавов.

Износостойкие высококремнистые алюминиевые сплавы А1-Б1 с 10-18% Б1 применяют в качестве тормозных колодок в автомобильной промышленности, в малой авиации в виде миниатюрных поршней и гильз для двигателей самолетов-безпилотников.

Порошковые сплавы типа А1-3 % Сг- 1,5 % Zr, А1-(2,5-3,5) % Сг - N1, а также сплавы с расширенным химсоставом, дополнительно легированные РЗМ, в том числе Со, Се и др., обеспечивают стабильность жаропрочных свойств. Для проведения атомизации готовят расплавы до однофазного состояния, для чего нагревают расплавы до 1800-1900 °С. При атомизации (распылении) получают пересыщенные твердые растворы . При вы -полнении операции селективного лазерного сплавления частицы мелких алюминиевых порошков под лазерным лучом расплавля-

ются, кристаллизуются со скоростями не менее чем 109 °С/с. Такие скорости охлаждения обеспечат формирование пересыщенного твердого раствора, который позволит получить следующие свойства деталей: при комнатной температуре - прочность 560 МПа, текучесть 500 МПа, пластичность 15 %; жаропрочность при 350 °С - прочность 320 МПа, текучесть 215 МПа, пластичность 18%. Широкий набор жаропрочных деталей с такими свойствами найдет применение в авиации, изделиях для космической техники и в автомобилестроении виде крепежа и в других изделиях, работающих при повышенных температурах.

Заключение

Результаты мировых исследований о влиянии высокотемпературного расплавления слоя порошков алюминиевых сплавов в сочетании с высокоскоростным охлаждением при лазерной обработке на структуру и свойства находят полное понимание и согласуются с теорией и практикой оставленного наследия В.И. Добаткина по разработкам высокоскоростной технологии получения гранул алюминиевых сплавов с пересыщенными твердыми растворами.

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

При положительном решении НТС ОАО «ВИЛС» по алюминиевой проблеме, используя собственный, а также зарубежный опыт получения промышленных сплавов с высокими механическими свойствами, необходимо организовать опытно-промышленный участок по производству новых порошковых алюминиевых сплавов, легированных Сг, 7г, Ы!, и существующих алюминиевых сплавов, легированных элементами РЗМ в сочетании с Со, Се.

Для изготовления изделий АМ-техноло-гий в ВИЛСе целесообразно рекомендовать следующее:

- приобретение одной из машин (см. таблицу) для изготовления изделий по АМ-тех-нологии;

- создание опытной высокотемпературной плавильной печи вместимостью 50 кг для приготовления алюминиевых сплавов с установкой атомизации в закрытую емкость;

- отработка режимов основных параметров при работе на приобретенной аддитивной АМ-машине при выращивании деталей из выбранных алюминиевых порошков;

- исследование структуры и свойств изготовленных деталей. Поставка опытных партий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Литвинцев Д.И., Филатов A.A., Литвинцев C.A.

Производство вспенивающихся прекурсоров методом прямой прокатки алюминиевых порошков // Powder Industries Federation. Princeton. NJ. 2005. Part 7. P. 68-79.

2. Korner C., Singer R.F. Processing of Metal Foams -Challenges and Opportunities // Advanced Engineering Materials. 2000. V. 2. N 4. P. 159-165.

3. Banhart J., Baumeister J. Production Methods for Metallic Foams // MRS Symposium Proceedings. San Francisco. 1998. V. 521. P. 121-132.

-Ф-

-Ф-