CC BY
24частичное оплавление частиц и диффузия порошкового материала с уже имеющимся слоем [1, 3]. Исследования проводились на образцах, полученных при помощи 3й-печати по технологии йМЮ из металлического порошка сплава ВТ6. Большая доля частиц имела размеры до 80 мкм.
На первом этапе на исходных образцах была исследована структура и измерена твердость. Проведенные исследования показали, что структура 3й-образцов представлена а-фазой пластинчатой морфологии и небольшим количеством р-фазы, что подтверждает рентгеноструктурный анализ. В плоскости, перпендикулярной выращиванию образца, четко просматривается а-«оторочка», наличие которой объясняется тем, что границы р-зерен являются наиболее дефектными местами и, следовательно, при охлаждении -предпочтительными местами зарождения а-фазы.
Измерение твердости после 3й-печати показало существенное ее отличие в разных направлениях - 37 ед. ИЯС в плоскости выращивания и 32 ед. ИЯС в продольном направлении.
На следующем этапе работы был проведен отжиг по режиму - 800°С, 1 час, с охлаждением на воздухе. В результате термической обработки кардинальных изменений в структуре не произошло. В структуре заметен незначительный рост пластин а-фазы. Твердость после термической обработки во всех направлениях выравнивается и составляет 37 ед. ИЯС.
На следующем этапе работы были проведены механические испытания образцов в исходном состоянии непосредственно после выращивания. Исследования подтвердили высокую анизотропию свойств в различных направлениях. Предел прочности существенно выше в продольном направлении (1100 МПа), чем в перпендикулярном (1030 МПа). Далее были проведены механические испытания образцов после термической обработки. Отжиг при температуре 800°С исходных 3й-образцов приводит к некоторому снижению прочностных характеристик и обеспечивает значение предела прочности около 990 МПа в направлении выращивания и 1050 МПа поперек выращивания заготовки. Кроме того, наблюдается некоторое увеличение пластичности. Анизотропия свойств в двух перпендикулярных направлениях сохраняется.
1. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. Пособие для инженеров. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». 2015. 220.
2. Литунов С.Н., Слободенюк В.С., Мельников Д.В. Обзор и анализ аддитивных технологий. Омский научный вестник. 2016. 1 (145). 12 -17.
3. Сироткин О.С. Современное состояние и перспективы развития аддитивных технологий. Авиационная промышленность. 2015. 2. 22-25.
СНИЖЕНИЕ ЭФФЕКТА СТУПЕНЧАТОСТИ ВЫРАЩЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Гирфанова А. Г.
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия
aleksandr davidenko@oaovils.ru
Шероховатость и «ступенчатость», которая является следствием послойного формирования заготовки по заданным перед построением «сечениями», напрямую влияет на функциональные свойства, например, усталостные и фрикционные свойства, так как любые неровности на поверхности изделия являются концентраторами напряжения [1,2]. Также фактором, влияющим на степень шероховатости выращенных деталей, является угол между соплом и поверхностью наплавки. По мере увеличения данного угла увеличивается шероховатость за счет увеличения количества нерасплавленных частиц порошка. Это происходит из-за градиента температуры между сыпучим порошком и затвердевшей зоной, что приводит к спеканию металлических частиц на поверхность без полного расплавления.
Рассматривая на примере SLM (selective laser melting - селективное лазерное спекание) образцов из Ti-6AI-4V [3]. При изменении угла выращивания наблюдаются следующие тенденции: 1) образцы, полученные ковкой, имели самую низкую шероховатость; 2) наибольшая шероховатость выявлена для SLM 80°; 3) с увеличением угла выращивания шероховатость постепенно увеличивалась в диапазоне 40-80°, с относительно небольшим уменьшением в случае 90°.
Тенденция увеличения шероховатости с увеличением угла выращивания может быть следствием ступенчатости и увеличения количества нерасплавленных частиц. В случае SLM 80° и 90° значения Ra составляли 3,13 и 3,05 мкм, что было значительно выше, чем значения при более низком аддитивном угле, из-за отсутствия края шага для SLM 80° и 90°.
Другим подходом к решению проблемы ступенчатости является изменение и адаптация методов «нарезания» изделия на слои при построении модели в САПР. По данной тематике ведется много исследований. Основным методом является использование программ последовательного квадратичного программирования для аналитического расчета нормальной кривизны поверхности в направлении нарезки. Модель САПР сначала нарезается равномерно на слои толщиной, равной максимально доступной толщине изготовления, а затем каждый слой равномерно накладывается по мере необходимости для обеспечения желаемой точности поверхности [4].
Снижение шероховатости за счет подбора оптимального угла наплавки для уменьшения ступенчатости является способом компенсировать последствия выращивания. Данный метод позволяет влиять на ступенчатость, но в перспективе данный метод уступает адаптивному моделированию нарезки изделий.
Изначальное задание оптимальных параметров нарезки выступает как превентивная мера, снижая как требуемую степень постобработки, так и повышая общее качество геометрии. При дальнейших исследованиях и разработке оптимального расчетного обеспечения, данный метод будет являться более качественным.
1. Гирфанова А. Г. Немеханизированные способы снижения шероховатости поверхности деталей, полученных аддитивными технологиями. Материалы IX Международной научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2018». 2. 2018.
2. Курынцев С.В. Нагулин К.Ю., Горунов А.И. Аддитивные технологии - третья индустриальная революция. Наукоемкие технологии в машиностроении: сб. статей. 2016. 7. 39-44.
3. Chen C. 3D printed porous Ti6Al4V cage: Effects of additive angle on surface properties and biocompatibility; bone ingrowth in Beagle tibia model. Materials & Design. 175. 2019.
4. Nasr E.S.A. Advances in Additive Manufacturing and Tooling. Comprehensive Materials Processing. 2014.
ВОЗМОЖНОСТЬ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ ПОРОШКОВ В ПРОЦЕССЕ ПРЯМОГО
ЛАЗЕРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ
Гущина М.О., Шальнова С.А., Климова-Корсмик О.Г.
Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет, Санкт-Петербург, Россия
skmar.spb@gmail. com
Процесс прямого лазерного выращивания зависит от большого числа параметров и влияние некоторых из них зачастую является критическим [1-3]. Внедрения технологии в реальные промышленные условия требует максимально учитывать влияние не только технологических параметров, таких как мощность, скорость, диаметр пятна, расход порошка и т.д., но и такие важные параметры как качество порошка, качество защитной атмосферы, влияние остаточных напряжений и их распределение [3-6]. Сейчас остро стоит вопрос о повторном использовании порошка, который в процессе выращивания не попадает в зону захвата лазерным излучением. Решение этого вопроса остается актуальным в области аддитивного производства.
Влияние качества исходного материала на структуру и свойства изделий при ПЛВ было рассмотрено на примере порошков двух производителей с различными фракциями и образцов, изготовленных из соответствующих порошков. Результаты показали, что присутствие примесей на поверхности порошка оказывает наибольшее влияние на структуру и свойства, в том числе высокое содержание водорода приводит к снижению пластичности и увеличению твердости в конечных изделиях. Увеличение размера частиц порошка увеличивает размер зерна в структуре выращенных образцов. Наличие сателлитов на поверхности порошка и неравномерное распределение по размерам не влияют на образование дефектов и формирование структуры.
Для повышения коэффициента использования материала можно реализовать повторное использования порошка. Порошок, однократно используемый в процессе ПЛВ и просеянный через сито с ячейкой 100 мкм, будем называть вторичным, а порошок, ещё не используемый - первичным. Исследованы выращенные образцы, изготовленные из смесей с различным соотношением первичного и вторичного порошков (первичный/вторичный): 100/0, 90/10, 75/25, 50/50. Выращивание подобного вида образцов предполагает одновременное использование двух колб порошкового питателя. Предварительно в программе задается необходимый в процентном содержании расход порошка на каждую из колб. Механические свойства образцов соответствуют данным по ГОСТ для отожженной плиты (Таблица 1).
Таблица 1 - Результаты механических испытаний
Кол-во II порошка, % Предел текучести о , МПа " Предел прочности о, МПа ' Отн. удлинение 5, % KCU, Дж/см-
0 970 1076 8,2 30
10 960 1080 8,0 30
25 965 1085 8,3 30
50 960 1080 8,5 30
ГОСТ 23755-79 - 835-1080 6-8 30
По результатам исследования можно заключить, что при использовании смеси первичного и вторичного порошка до соотношения 50/50 присутствует стабильное формирование стенки, а последующая термообработка изделий, направленная на получение равновесной двухфазной а+р структуры и уменьшению размеров зерна, дает возможность получения равномерной структуры, изменения фазового состава, а также механических характеристик на уровне ГОСТ 23755-79 для отожженной плиты.
1. DebRoy T., Wei H.L., Zuback J.S., Mukherjee T., Elmer J.W., Milewski J.O., Beese A.M., Wilson-Heid A., De A., Zhang W. Additive manufacturing of metallic components - Process, structure and properties. Progress in Materials Science. 2018. 92. 112-224.
