CC BY
62СЕКЦИЯ «3D ТЕХНОЛОГИЯ»
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ
СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ
Аблеева Р.Р., Гвоздева Г.О., Тарасова Т.В.
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», Москва, Россия
riana abl@mail.ru, tarasova952@mail.ru
Развитие машиностроительного комплекса в направлении энергоэффективности и ресурсосбережения требует междисциплинарного характера поиска новых решений, сочетающих технологические приемы производства изделий и создание новых материалов с необычной комбинацией свойств. Все это в полной мере относится к интенсивно развивающимся в стране и мире аддитивным технологиям. В последние годы большое внимание в области аддитивного производства уделяется сплавам на основе алюминия. Алюминий и его сплавы нашли широкое применение в аэрокосмической и автомобильной промышленности благодаря высокой коррозионной стойкости, малой плотности, высокой тепло- и электропроводности и т.п. Перспективными и активно развивающимися технологиями аддитивного производства для металлических материалов и, в частности, для алюминиевых сплавов являются технологии селективного лазерного плавления. Наибольшее распространение среди алюминиевых сплавов, используемых в СЛП, получили сплавы AISÍ12 и AlSi10Mg [1]. Однако прочностные характеристики указанных сплавов не удовлетворяют требованиям аэрокосмической отрасли [2]. В связи с этим целью настоящей работы является исследование влияния параметров СЛП как сплава AISi10Mg, так и наименее изученного высокопрочного сплава AI7075.
Изготовление образцов для исследования и определения окна параметров СЛП алюминиевых сплавов проводилось на специальной лабораторной установке селективного лазерного плавления ALAM (advanced laser additive machine), которая была разработана и собрана в МГТУ «СТАНКИН». Лазерная часть установки состоит из иттербиевого оптоволоконного лазера ЛК-200-В с длиной волны Л=1,075 мкм. Изготовление образцов для механических испытаний и изготовление готовых изделий проводили на промышленной немецкой установке EOSINT M 280, максимальная мощность лазера Р=400Вт. СЛП осуществлялось в закрытой камере, заполненной аргоном, для предотвращения окисления.
В качестве материала для изготовления опытных образцов были выбраны порошки сплавов AISi10Mg и AI 7075. Гранулометрический анализ частиц проводился с помощью оптического грануломорфометра Alpaga500 NANO (OcchioSA, Бельгия), со встроенным программным обеспечением Callisto для статистической обработки данных. Химический анализ, морфологию частиц и распределение элементов порошков алюминиевых сплавов определяли на сканирующем электронным микроскопе VEGA 3 LMN изготовителя TESCAN (Чехия) методом сканирующей электронной микроскопии. Качество сформированных треков, а также микроструктура опытных образцов анализировались при помощи оптического микроскопа ZEISS Axioscope A1.
Плотность образцов рассчитывалась при помощи программы Adobe Photoshop CS5. Поперечные сечения образцов исследовались на наличие пор при помощи оптического микроскопа ZEISS Axioscope A1 с пятикратным увеличением. Для каждого образца фотографии преобразовывались в черно-белый цвет, отношение количества черных пикселей к белым соответствует значению пористости.
Для измерения микротвердости на образец прикладывалась нагрузка, равная 100 граммам, в течение приблизительно 10 секунд. Для улучшения свойств материала, в данном случае микротвердости, была использована термическая обработка в вакуумной печи.
Измерения коррозионной стойкости проводили на потенциостате-гальваностате «P-30-PJ», используя трехэлектродную схему подключения к электрохимической ячейке с использованием хлорсеребряного электрода сравнения и вспомогательного платинового электрода. Для проведения испытаний на коррозионную стойкость в качестве агрессивной среды использовали 3-% раствор NaCl в дистиллированной воде. Измерения проводились при температуре окружающей среды 20±2° С.
Образцы-свидетели цилиндрической формы изготавливались в одном преимущественном технологическом режиме в трех направлениях выращивания - 0°, 45°, 90° - в количестве не менее 5 шт. на каждое направление. После серии экспериментов установлены преимущественные режимы селективного лазерного плавления для данных сплавов. Для AlSi10Mg: мощность лазерного излучения Р=150 Вт, скорость сканирования V=400 мм/с, высота слоя 50 мм, расстояние между треками 160 мм, температура в камере 70 ° C, защитная атмосфера - аргон, двузонная стратегия сканирования. Для Al7075: мощность лазерного излучения Р= 150 Вт, скорость сканирования V=400 мм/с, высота слоя 60 мм, расстояние между треками 90 мм, температура в камере 27 ° C, защитная атмосфера - аргон, стратегия сканирования- кросс-штриховка.
Были изготовлены образцы кубической формы, размером 7х7х7 мм, с использованием порошков AlSi10Mg и Al7075. На рисунке 1 представлены микроструктуры образцов. На данных микроструктурах хорошо видны границы зон плавления, формирующиеся в процессе лазерного сканирования в форме полуэллипсов. Структура материала является типичной для образцов, полученных при помощи метода СЛП. Тонкая структура имеет ячеистое строение, состоящее из алюминиевого твердого раствора с равномерно распределенной фазой кремния и магния по границам ячеек, что подтверждается раннее полученными данными в работах (Рисунок 1 (а)) [3]. Форма и размер ячеек изменяются по сечению трека. Микроструктура сплава Al7075 представляет собой одноосную дендритную структуру, которая в поперечном сечении имеет вид ячеек.
Исследуя микроструктуру до термической обработки и после, было выявлено, что после термической обработки отсутствуют дендриты и видны выделения вторичной фазы (Рисунок 1 (б, в)).
а) б) в)
Рисунок 1 - Микроструктура сплава А18М0Мд(а), А17075 без термической обработки (б); А17075 с
термической обработкой (в)
По оптимальным параметрам были изготовлены образцы и проведен ряд исследований, в частности определение микротвердости. Для увеличения микротвердости, была использована термическая обработка [4]. После термообработки проводились замеры микротвердости. Результаты показали, что после термической обработки микротвердость сплава А17075 увеличилась на 11 %, по сравнению с образцами без термической обработки (среднее значение микротвердости образцов после термической обработки составляет 138 Н\/, без термической обработки - 124 НУ).
Коррозионные испытания проводились для сплава А1Э11 ОМд. Были сняты поляризационные кривые для сплавов алюминия после СЛП (отполированные) и литого алюминиевого сплава АК9ч (аналог А1Э11 ОМд). Каждый опыт повторяли десять раз для каждого образца. Усредненные результаты испытаний представлены в Таблице 1.
Таблица 1 - Результаты коррозионных испытаний образцов в 3 % растворе NaCI
Материал Потенциал Е, мВ Ток 1, А
АК9ч (отполированный) -537 3,1-10-
AISilOMg (отполированный) -462 3,3-10-
Потенциал образца, выращенного методом селективного лазерного плавления и отполированного (-462 мВ), немного сдвинут к более высоким значениям по сравнению с потенциалом литого образца (-537 мВ), что указывает на улучшение коррозионной стойкости, ток коррозии у двух образцов отличается незначительно (3,3-1 О* А - у образца после СЛП и отполированного и 3,1 -1 О* А - у литого образца). По полученным результатам можно сделать вывод о том, что сплавы, полученные методом СЛП, превосходят по коррозионной стойкости литые сплавы. По полученным результатам механических испытаний на растяжение образцов из сплава AISilOMg, выращенных в различных направлениях, можно сделать вывод, что в большинстве случаев вертикальные образцы имеют прочностные свойства ниже, чем горизонтальные, что подтверждается исследованиями в работах [5]. Относительное удлинение образцов показывает похожую зависимость: величина 5 у горизонтальных образцов выше.
Также было произведено сравнение образцов, полученных методом СЛП, с традиционными литыми образцами из сплава AISilOMg. Механические характеристики образцов, изготовленных аддитивным методом, превышают механические характеристики литых сплавов.
По разработанным режимам селективного лазерного плавления из сплава AlSil ОМд изготовлен прототип детали «кронштейн». Назначение кронштейна - крепление дверей в самолетах. Проведены работы по топологической оптимизации, позволившие снизить вес конструкции. Деталь выращена на машине EOS М280.
1. Grigoriev S.N., Tarasova T.V., Gvozdeva G.О. Solidification behavior during laser microciadding of Al-Si-alloys. Journal of Mechanical Engineering. 2014. 6. 389-394.
2. Louvis E., Fox P., Sutcliffe C.J. Selective laser melting of aluminium components. Journal of Materials Processing Technology. 2011. 211. 275-284.
3. Thijs L., Kempen K., Kruth J.-P., Van Humbeeck J. Fine-structured aluminium products with controllable texture by selective laser melting of prealloyed AISilOMg powder. Acta Materialia. 2013.61.1809-19.
4. Emani S.V., Benedyk J., Nash P., Chen D. Double aging and thermomechanical heat treatment of AA7075 aluminum alloy extrusions. Journal of Materials Science. 2009. 44. 6384 - 6391.
5. Read N., Wang W., Essa K., Attallah M.M. Selective laser melting of AISilOMg alloy: Process optimisation and mechanical properties development. Materials and Design. 2015. 65. 417-424
