CC BY
10УДК 621.77.016.3
РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ИЗОСТАТИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ
П. А. Ермоленков, Г. О. Афимьин, З. Н. Расулов, К. А. Бильдина
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Российская Федерация
Аннотация. Исследованы режимы холодного изостатического прессования для плоских образцов, изготовленных SLM-печатью. Установлена методика проведения эксперимента, исследованы механические свойства, а также микроструктура и пористость образцов. Разработана принципиальная схема лабораторного образца комплекса изостатического прессования образцов и изделий, изготовленных методами аддитивных технологий, установлен лабораторный стенд для создания барометрического давления и проведения холодного изостатического прессования.
Ключевые слова: титановые сплавы, жаропрочные сплавы, изделия 3Б-печати, изостати-ческое прессование, аддитивные технологии, микроструктура, пористость
Для цитирования: Ермоленков П. А., Афимьин Г. О., Расулов З. Н., Бильдина К. А. Разработка аппаратного комплекса изостатического прессования // Аэрокосмическая техника и технологии. 2023. Т. 1. № 1. С. 184-195.
ENGINEERING OF ISOSTATIC PRESSING APPARATUS COMPLEX P. A. Еrmolenkov, G. О. Аfïmin, Z. N. Rasulov, K. A. Bildina
Baltic State Technical University " VOENMEH", Saint Petersburg, Russian Federation
Abstract. Modes of cold isostatic pressing for flat samples made by SLM printing have been investigated. The methods of the experiment have been established, mechanical properties, as well as microstructure and porosity of the samples have been studied. A schematic diagram of laboratory model of complex isostatic pressing of specimens and products manufactured by methods of additive technologies was developed, a laboratory bench for creating barometric pressure and carrying out cold isostatic pressing was established.
Keywords: titanium alloys, heat-resistant alloys, 3D-printing products, isostatic pressing, additive technologies, microstructure, porosity.
© П. А. Ермоленков, Г. О. Афимьин, З. Н. Расулов, К. А. Бильдина
For citation: Ermolenkov P. A., Afimin G. O., Rasulov Z. N., Bildina K. A. Engineering of iso-static pressing apparatus complex. Aerospace Engineering and Technology. 2023. Vol. 1. No. 1, pp.184-195.
Введение
В настоящее время интенсивное развитие получают аддитивные технологии, которые позволяют сократить производственный цикл при изготовлении деталей со сложной формой поверхности или включающих в себя внутренние полости разнообразной конфигурации [1, 2]. Возможности аддитивных технологий позволяют по-новому подойти к процессу проектирования, например, для изготовления деталей со сложными системами внутренних каналов для их охлаждения в ходе эксплуатации. Создание сложных внутренних структур стало возможным благодаря технологиям 3D-печати, что недостижимо при использовании фрезеровки или точного литья. Можно выделить следующие проблемы, решение которых требует использования изостатического прессования:
- свойства материала (детали часто имеют анизотропные свойства, что обусловлено послойной природой АП-процессов; выбор материалов для АП весьма ограничен);
- отличия в геометрии и свойствах между «идентичными» деталями, изготовленными на разных установках.
После анализа литературы и работ других авторов [3-6] были установлены следующие режимы проведения изостатического прессования, представленные в табл. 1.
Таблица 1. Режимы проведения изостатического прессования
Номер Барометрическое давление Время Температура проведения
режима в изостате P, МПа выдержки t, ч испытаний Т°С
1 150 12 20
2 150 24 20
3 200 12 20
4 200 24 20
5 250 12 20
6 250 24 20
Материалы и методы исследования
При изготовлении деталей методом SLM-печати необходимо обеспечить высокое качество микроструктуры материала и механические свойства при высоких температурах, сравнимые или превосходящие по характеристикам изделия, изготовленные методом ОМД [7-9].
Образцы на растяжение (рис. 1) соответствуют требованиям ГОСТ 9651-84. Для подбора оптимальных параметров ЭЭ-печати были изготовлены несколько групп образцов (рис. 2), имеющих разную толщину сканируемого слоя.
Изготовление образцов производилось с помощью аддитивной системы трехмерной печати порошковыми металлическими материалами Concept Laser Mlab Cusing (рис. 3). Система предназначена для выполнения деталей из металлических порошковых материалов методом селективного лазерного плавления (СЛП). Основными характеристиками системы СЛП являются:
- область построения 90*90*80 мм3 - оптимальна для выполнения малогабаритных сложных изделий с тонкими структурами;
- толщина слоя от 15 до 30 мкм и диаметр пятна лазера 50 мкм позволяют получать изделия с высоким качеством поверхности;
- расход инертного газа не более 0,8 л/мин;
- габариты системы (705*1848*1220 мм) позволяют разместить установку в помещениях площадью, не превышающей 6 м2;
- возможность использования металлических порошковых материалов от отечественных и зарубежных производителей.
Несмотря на небольшую область построения данная система характеризуется очень высоким качеством (точностью геометрических размеров, сплошностью) изготовленных деталей, позволяет осуществлять печать различными металлическими порошками на Fe, Cu, Ni, Co, Zn, Al и других основах, что для изделий ракетно-космической и авиационной техники является определяющим [5].
В рамках экспериментального исследования механических свойств при повышенных температурах были проведены испытания на растяжение плоских образцов, изготовленных SLM-печатью. Для этого была использована испытательная машина Shimadzu AG-X-1 с достаточно большим рабочим ходом, позволяющим
Рис. 1. Эскиз плоского образца на растяжение
Рис. 2. Плоские образцы на растяжение
установить высокотемпературную распашную печь. Для нагрева образцов использовалась высокотемпературная распашная печь Severn Thermal Solutions с возможностью нагрева до 1200 °С.
Рис. 3. Изготовление образцов на растяжение на 3Б-принтере Concept Laser Mlab Cusing (а); общий вид 3Б-принтера Concept Laser Mlab Cusing (б)
В результате экспериментального исследования процесса изостатического прессования была разработана сначала схема установки собственно для его проведения (рис. 4), которая состоит из нескольких основных частей: сосуда высокого давления (барокамеры); насоса высокого давления; системы управления (распределения) и контроля. Сам процесс происходит следующим образом: деталь закладывается в камеру, после чего насосом высокого давления в камеру нагнетается жидкость или газ. В течение определенного времени (как правило, 3-6 ч) в камере поддерживается заданное давление. При необходимости возможно насыщение материала детали различными веществами. Исследования проводились в рамках конкурсов УМНИК-20 (ЦЭ-1) (договор № 600ГУЦЭС8-03/61998 от 20.10.2020. Тематика проекта «Разработка комплекса изостатического прессования образцов и изделий 3D-печати для цифровой производственной аддитивной технологии новых компонентов цифровых систем») и «Студенческий стартап» (договор № 302ГССС15-Ь/78959 от 29.08.2022. Тематика проекта «Разработка технологии изостатического прессования деталей, получаемых аддитивными технологиями 3D-печати»).
В стакане-заглушке изготовлено пять отверстий с соответствующими параметрами для присоединения арматуры высокого давления при помощи стандартных соединительных элементов. Герметизация осуществляется при помощи соединения конус - конус. Всего может быть присоединено пять различных трубопроводов. Если количество присоединенных трубопроводов менее пяти, то свободные отверстия закрываются стандартными заглушками.
Рис. 4. Схема установки
На рис. 5 представлен лабораторный стенд для создания барометрического давления и проведения изостатического прессования для изделий, изготовленных ЗЭ-печатью в сфере цифровых систем.
Рис. 5. Принципиальная схема лабораторного стенда для создания барометрического давления
На рис. 6 представлена сборка лабораторного стенда для создания барометрического давления и проведения изостатического прессования.
1. Барокамера, помещенная в защитный корпус
2. Сборка системы подачи высокого давления
Э. Подключение барокамеры к системе подачи высокого давления
5. Удаленная система мониторинга и контроля
4. Подключение ресивера предварительного давления
6. Программный комплекс
Рис. 6. Сборка лабораторного стенда для создания барометрического давления и проведения изостатического прессования
Результаты и их обсуждение
Результаты испытаний образцов, изготавливаемых методами аддитивных технологий, для определения их механических свойств после изостатического прессования сведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты механических испытаний образцов после различных режимов изостатического прессования
ст0,2, МПа ств, МПа S, % % Режим изостатического прессования
141 150 1,0 6 Р1: P = 150 МПа, t = 12 ч, T = 20 °С
159 170 2 8
149 165 1,0 6
171 179 2,0 8
179 376 5,0 17 Р2: P = 150 МПа, t = 24 ч, T = 20 °С
167 355 4,0 12
170 370 5,0 13
175 372 5,0 14
246 494 7,0 12 Р3: P = 200 МПа, t = 12 ч, T = 20 °С
220 475 5 11
235 470 5 12
265 485 6 12
347 503 5,0 12 Р4: P = 200 МПа, t = 24 ч, T = 20 °С
380 520 6 14
360 510 6 14
375 520 6 14
171 631 8 16 Р5: P = 250 МПа, t = 12 ч, T = 20 °С
162 557 9 15
162 420 9 17
158 473 8 18
490 717 10 17 Р6: P = 250 МПа, t = 24 ч, T = 20 °С
320 656 11 16
368 652 10 17
337 612 9 15
Анализ экспериментальных данных по растяжению образцов показал, что при режиме изостатического прессования Р1 (P = 150 МПа, t = 12 ч, T = 20 °С) получаются минимальные прочность, предел текучести и относительное удлинение, а также относительное сужение. Изменение времени до t = 24 ч при том же давлении показало, что все характеристики увеличиваются на 30-40 %. При режиме изостатического прессования Р3 (P = 200 МПа, t = 12 ч, T = 20 °С) средние значения механических характеристик составят: ст02 = 242 МПа, ств = 481 МПа, б = 6 %, ¥ = 12 %. При режиме изостатического прессования с таким же давлением, но при выдержке t = 24 ч и T = 20 °С средние значения механических характеристик
увеличились: а0>2 = 366 МПа, ав = 513 МПа, б = 6 %, ¥ = 14 %. Увеличение времени до t=24 ч повышает уровень предела текучести, предела прочности, относительного удлинения до максимально зафиксированного при P = 250 МПа; при этом же давлении для t = 12 ч наблюдается снижение предела текучести, так же как при давлении P = 150 МПа и времени t = 12 ч, однако при этом режиме зафиксировано максимальное значение относительного сужения. На данном этапе экспериментального исследования установлено значительное влияние давления и времени выдержки на механические характеристики образцов, изготовленных по технологии SLM-печати плюс изостатическое прессование. На сканирующем электронном микроскопе Tescan VEGA III проводились металлографические исследования микроструктуры с определением размеров субзерен. Изготовление шлифов происходило в продольном и поперечном направлениях к оси испытаний на разрыв. Для выявления микроструктуры произведено травление образцов.
Распределение размеров пор в жаропрочном сплаве для образцов в исходном состоянии и после холодного изостатического прессования (ХИП) представлено на рис. 7.
• i * • • • t * • i
0 20 40 60 80 100 120 140 160 Диаметр экв., мкм
Рис. 7. Гистограммы распределение размеров пор в синтезированном сплаве: а - образец № 2* - исходное состояние; б - образец №2**+ - холодное изостатическое прессование (n/N - отношение количества пор определенных размеров к общему количеству пор)
Анализ образца, подвергнутого холодному изостатическому прессованию, показал, что поры большого диаметра (более 100 мкм) незначительно уменьшаются
при этой обработке. Сферические поры, связанные с повышенной газонасыщенностью, присутствуют в небольшом количестве. На поверхности образца после ХИП твердость возрастает: значение микротвердости на поверхности -НУюо 290-325 (исходное состояние), после ХИП - НУюо 410-480, в середине твердость возрастает несущественно. Повышение твердости определяется наклепом поверхностного слоя.
Разработанная принципиальная схема лабораторного образца комплекса изо-статического прессования представлена на рис. 8.
Рис. 8. Экспериментальная установка
Разработанный программно-аппаратный комплекс изостатического прессования образцов и изделий 3D-печати цифровых систем предназначен для устранения пористости, отработки режимов повышения механических характеристик изделий и достижения уникальных характеристик порошковых материалов.
Заключение
В результате экспериментальных исследований были установлены следующие режимы изо-статического прессования для образцов: Р1 (P = 150 МПа, t = 12 ч, T= 20 °С); Р2 (P = 150 МПа, t = 24 ч, T = 20 °С); Р3 (P = 200 МПа, t = 12 ч, T = 20 °С); Р4 (P = 200 МПа, t = 24 ч, T = 20 °С); Р5 (P = 250 МПа, t = 12 ч, T = 20 °С); Р6 (P = 250 МПа, t = 24 ч, T = 20 °С).
Разработана методика проведения экспериментального исследования образцов, изготовленных методом аддитивных технологий, для определения механических свойств (ст02, ств, 5, Т), являющихся одним из основных факторов при выборе материала для любого изделия, в том числе ответственного назначения.
Разработана принципиальная схема лабораторного образца комплекса холодного изостати-ческого прессования, а именно сконструированы и созданы 3Б-модели всех ее частей в программе КОМПАС 3D.
После разработки лабораторного стенда для создания барометрического давления и проведения холодного изостатического прессования была произведена сборка и подключение всех его составных частей (сборка барокамеры, помещенной в защитный корпус; сборка системы подачи высокого давления; подключение барокамеры к системе подачи высокого давления; подключение ресивера предварительного давления; подключение удаленной системы мониторинга и контроля; подключение программного комплекса).
После завершения холодного изостатического прессования было проведено исследование механических свойств образцов, изготавливаемых методами аддитивных технологией, а также исследование микроструктуры и пористости испытанных образцов, измерена их микротвердость.
Исследование и установление закономерностей между различными режимами изостатичес-кого прессования, механическими характеристиками и пористостью испытываемых образцов показали, что применение холодного изостатического прессования позволит устранить недостатки, возникающие при SLM-печати. Результатом проекта является разработанная принципиальная схема лабораторного образца комплекса холодного изостатического прессования.
Библиографический список
1. Либенсон Г. А. Процессы порошковой металлургии: Учебное пособие. Т. 2 / Г. А. Ли-бенсон, В. Ю. Лопатин, Г. В. Комарницкий. - М.: МИСиС, 2002. - С. 4.
2. German R. M. Powder Mellurgy and Particulate Materials Processing. - USA: Metal Powder Industry, 2005. - 540 p.
3. Агеев С. В. Горячее изостатическое прессование в порошковой металлургии / С. В. Агеев, В. Л. Гиршов. - URL: https://cyberleninka.m/article/n/goryachee-izostaticheskoe-pressovanie-v-poroshkovoy-metallurgii/viewer (дата обращения: 08.02.2023).
4. Euro PM 2014, Salzburg. HIP its origins, its status and its future / Ed. by Grinder Olle // PMTechnology AB. - Sweden, 2014.
5. Introduction to PM HIP Technology. 2nd Edition, reprint 2013. Europen Powder Metallurgy Association, 2011. -
URL: https://www.epma.com/publications/euro-pm-proceedings/category/euro-pm2011 (дата обращения: 09.02.2023).
6. Reschetnik W. Fatigue crack growth behavior and mechanical properties of additively process-sed EN AW-7075 aluminium alloy // Procedia Structural Integrity. - 2016. - Vol. 2. - P. 3040-3048. -https://doi.org/10.10167j.prostr.2016.06.380
7. Tang M. Anisotropic Mechanical Behavior of AlSi10Mg Parts Produced by Selective Laser Melting / M. Tang, P. C. Pistorius // Journal of Metals. - 2017. - Vol. 69. - № 3. - P. 1-3. -https://doi .org/10.1007/s11837-016-2230-5
8. Rosenthal I. Strain rate sensitivity and fracture mechanism of AlSi10Mg parts produced by selective laser melting / I. Rosenthal, A. Stern, N. Frage // Materials Science & Engineering: A. -2017. - Vol. 682. - P. 509-517. - https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.11.070
9. Read N. Selective laser melting of AlSi10Mg alloy: Process optimisation and mechanical properties development / N. Read, W. Wang, K. Essa // Materials and Design. - 2015. - Vol. 65. -P. 417-424. - https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.09.044
10. Ремшев Е. Ю. Влияние параметров селективного лазерного сплавления металлических порошков и холодного изостатического прессования на структуру и механические свойства жаропрочного сплава на основе никеля / Е. Ю. Ремшев, Г. А. Воробьева, Г. О. Афимьин, А. А. Гуляренко // Вестник машиностроения. - 2022. - № 3. - С. 62-67.
11. Effect of Cold Isostatic Pressing on the Pore Size and Distribution in the High-Chromium High-Temperature Alloys Fabricated by Selective Laser Melting of Metallic Powders / E. Yu. Rem-shev, G. A. Vorob'eva, A. R. Avetisyan [et al.] // Russian Metallurgy (Metally). - 2020. - Vol. 2020. -№ 11. - Р. 1283-1291. - https://doi.org/l0.1134/S0036029520110130
Дата поступления: 20.02.2023 Решение о публикации: 28.02.2023
Контактная информация:
ЕРМОЛЕНКОВ Павел Алексеевич - аспирант (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
АФИМЬИН Григорий Олегович - аспирант (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
РАСУЛОВ Зайнодин Нурмагомедович - канд. техн. наук, старший преподаватель (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
БИЛЬДИНА Карина Александровна - студент (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
References
1. Libenson G. A., Lopatin V. Y., Komarnitskiy G. V. Processy poroshkovoj metallurgii: Uchebnoe posobie v 2-x t. T. 2 [Powdered metallurgy processes: Textbook. Vol. 2]. Moscow: MISiS, 2002, p. 4. (In Russian)
2. German R. M. Powder Mellurgy and Particulate Materials Processing. USA: Metal Powder Industry, 2005, 540 p.
3. Ageev S. V., Girshov V. L. Goryachee izostaticheskoe pressovanie v poroshkovoy metallurgii [Hot isostatic pressing in powdered metallurgy]. Metalloobrabotka [Metalworking]. 2015. No. 4, pp. 56-60. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/goryachee-izostaticheskoe-pressovanie-v-poroshkovoy-metallurgii/viewer (accessed: 08.02.2023) (in Russian)
4. Euro PM 2014, Salzburg. HIP its origins, its status and its future / Ed. by Grinder Olle // PMTechnology AB. Sweden, 2014.
5. Introduction to PM HIP Technology. Edition 2, reprint 2013. Europen Powder Metallurgy Association, 2011. URL: https://www.epma.com/publications/euro-pm-proceedings/category/euro-pm2011 (accessed: 09.02.2023).
6. Reschetnik W. Fatigue crack growth behavior and mechanical properties of additively processed EN AW-7075 aluminium alloy. Procedia Structural Integrity. 2016. Vol. 2, pp. 3040-3048. https://doi.org/10.10167j.prostr.2016.06.380
7. Tang M., Pistorius P. C. Anisotropic Mechanical Behavior of AlSilOMg Parts Produced by Selective Laser Melting. Journal of Metals. 2017. Vol. 69. No. 3, pp. 1-3.
https://doi .org/10.1007/s11837-016-2230-5
8. Rosenthal I., Stern A., Frage N. Strain rate sensitivity and fracture mechanism of AlSilOMg parts produced by selective laser melting. Materials Science & Engineering: A. 2017. Vol. 682, pp. 509-517. https://doi.org/10.1016Zj.msea.2016.11.070.
9. Noriko R., Wang W., Essa K. Selective laser melting of AlSi10Mg alloy: Process optimisation and mechanical properties development. Materials and Design. 2015. Vol. 65, pp. 417-424. https://doi.org/10.1016Zj.matdes.2014.09.044.
10. Remshev E. Y., Vorobyeva G. A., Afim'in G. O., Gulyarenko A. A. Vliyanie parametrov selektivnogo lazernogo splavleniya metallicheskix poroshkov i xolodnogo izostaticheskogo presso-vaniya na strukturu i mexanicheskie svoj stva zharoprochnogo splava na osnove nikelya [Investigation of the influence of the parameters of selective laser fusion of metal powders and cold isostatic pressing on the structure and mechanical properties of a nickel-based heat-resistant alloy]. Vestnik Mashi-nostroenia [Russian Engineering Research]. 2022. No. 3, pp. 62-67. (In Russian)
11. Remshev E. Yu., Vorobyeva G. A., Avetisyan A. R. [et al.] Effect of Cold Isostatic Pressing on the Pore Size and Distribution in the High-Chromium High-Temperature Alloys Fabricated by Selective Laser Melting of Metallic Powders. Russian Metallurgy (Metally). 2020. Vol. 2020. No. 11, pp. 1283-1291. https://doi.org/10.1134/S0036029520110130
Date of receipt: February 20, 2023 Publication decision: February 28, 2023
Contact information:
Pavel A. ERMOLENKOV - Postgraduate Student (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), P .A.Ermol enkov@yandex .ru
Grigory O. AFIMIN - Postgraduate Student (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
Zainodin N. RASULOV - Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
Karina A. BILDINA - Student (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
