CC BY
2
-Ф-
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 669.295
ТЕХНОЛОГИИ «ВЫЧИТАНИЯ» И «СЛОЖЕНИЯ» В ТИТАНЕ
И.С. Полькин, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)
Рассмотрены две технологии получения деталей из титановых сплавов: традиционное деформирование слитка с механической обработкой (технология «вычитания») и изготовление детали послойным сплавлением гранул до получения окончательной формы (технология «сложения»). Показаны внешний вид деталей, полученных методом «сложения», структура и механические свойства, а также время, необходимое для их изготовления. Приведены сравнительные расчеты затрат на производство 1 кг деталей по технологиям «сложения» и «вычитания». Рассмотрены преимущества и недостатки двух технологий.
Ключевые слова: методы «сложения», «вычитания», гранулы, электроннолучевая плавка, у-сплавы, механические свойства.
«Removal» and «Additive» Manufacturing Technologies for Titanium. I.S. Polkin.
Two technologies for production of titanium alloy components are discussed, namely: conventional deformation of ingots plus machining («removal» technology) and layer-by-layer fusion of powder to obtain a final shape («additive» technology). Appearance of components made by the «additive» technology, a structure and mechanical properties, as well as time required for their production are shown. Comparative calculations of costs for production of 1 kg of components via the «removal» and «additive» technologies are presented. Merits and demerits of the two technologies are discussed.
Key words: «removal» technology, «additive» technology, powder, electron-beam melting, y-alloys, mechanical properties.
В 80-х годах начали интенсивно развиваться технологии формирования трехмерных объектов путем постепенного наращивания (добавления) частиц материала до получения заданной формы, получившие название технологии добавления (additive) или «сложения». Существующую многие десятилетия технологию получения готовой детали из слитка методами ковки, штамповки и последующего точения и фрезерования в этом случае можно отнести к технологии «вычитания». Технологии послойного формирования трехмерных объектов по их компьютерным прототипам в настоящее время достигли значительного прогресса [1]. Все названные технологии первоначально предполагают наличие трехмерной компьютерной модели детали.
Эти технологии известны в литературе под разными терминами, например, SFF (Solid Freeform Fabrication), FFFF (Fast Free Form Fabrication) или CARP (Computer Aided Rapid Prototyping), однако наибольшее распространение получили:
• стереолитография (STL - stereolithography);
• отверждение на твердом основании (SGC -Solid Ground Curing);
• лазерное спекание порошков (SLS - Selective Laser Sintering) или моделирование при помощи склейки (LOM - Laminated Object Modeling);
• технология многосопельного моделирования (MJM-Multi Jet Modeling).
В металлургии наибольший интерес вызывают технологии SLS - Selective Laser Sintering,
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
лазерное спекание порошков или OMLS-тех-нологии прямого лазерного синтеза металлических порошков, а в случае замены лазерного луча электронным технология получила название электронно-лучевая плавка (EBM).
Лазерное спекание (SLS) или технология послойного синтеза предполагает, что любой трехмерный объект может быть построен эффективно и быстро без какой-либо оснастки и сложной подготовки управляющих программ, необходимым является только наличие трехмерного файла CAD создаваемой детали. Во время построения трехмерная модель разбивается на слои. Затем технология лазерного спекания воспроизводит требуемую геометрию деталей по слоям. С помощью энергии луча происходит спекание твердотельных объектов из порошковых материалов. Эта технология позволяет производить одновременно несколько разных объектов за одну загрузку установки.
Детали любой сложности: будь-то лопатки двигателя или медицинские протезы - изготавливаются непосредственно по данным
CAD полностью в автоматическом режиме, за считанные часы без каких-либо дополнительных приспособлений. Получаемые детали обладают высокой точностью повторения модели, качественной поверхностью и великолепными механическими свойствами.
Рассмотрим более подробно преимущества и недостатки методов получения детали «вычитанием» и «сложением».
На рис. 1 показаны основные технологические этапы изготовления деталей из титана по технологии «вычитания». Процесс начинается с отливки качественного слитка достаточно больших габаритов (см. рис. 1, а). По существующим технологиям и с учетом некоторых экономических подходов серийная масса слитков в большинстве случаев сейчас составляет 5-7 т, и дальнейшая переработка происходит на деформационном оборудовании двух-трех типов (см. рис. 1, б), на каждом из которых, помимо затрат на изготовление самого деформационного оборудования, нагревательных устройств, их эксплуатации, затрат на энергоносители, требуется отслеживать разработанные нормативы термомеханической обработки с промежуточным пооперационным контролем до момента перехода к механической обработке.
В этом случае чем сложнее форма детали и химический состав сплава, тем больше затраты на создание сложных 4-5-координатных механообрабатывающих станков (см. рис. 1, в) и программного обеспечения, на разработку параметров обработки и типа материала режущего инструмента (см. рис. 1, г). Следует также учитывать большую трудоемкость ме-
а
б
д
Рис. 1. Технология получения деталей сложной формы «вычитанием» (КИМ 5—7%):
а - слиток; б - пресс; в - цех механической обработки; г - инструмент для механической обработки; д - готовая деталь
в
г
-Ф-
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
Таблица 1 Преимущества и недостатки традиционного процесса «вычитания»
Операция Преимущества Недостатки
Отливка слитка Большой объем металла с гарантированным химическим составом Значительные затраты энергетических ресурсов
Деформационная обработка Управление процессом получения требуемой структуры и свойств на каждом переделе, надежность и гарантия обеспечения свойств в готовой детали 1. Сложное деформационное оборудование 2. Создание сложного инструмента 3. Необходимость в термическом оборудовании 4. Разработка технологических режимов деформации 5. Большие штаты технологической и контрольной служб 6. Большое количество технологических переделов 7. Длительность процесса
Получение готовой детали Возможность геометрического контроля детали и корректировки процесса при изготовлении 1. Сложность современной механической обработки 2. Сложность станков и дорогостоимость инструмента 3. Большое количество стружки 4. Трудозатратность и энергоемкость
ханической обработки титана по сравнению со сталью и алюминием.
При получении деталей сложной формы (см. рис. 1, д) КИМ составляет 3-10 %, что обусловливает из 1 кг слитка возможность использовать 30-100 г металла, остальное превращается в отходы. В итоге из 5 т слитка будет «произведено» -4,75 т кусковых отходов
и стружки, для использования которых потребуется дополнительное создание нового производства. В табл. 1 приведены оценочные преимущества и недостатки этого процесса.
Учитывая вышеизложенное, становится ясна низкая эффективность этого метода, так как при изготовлении деталей сложной формы выход годного в зависимости от типа деталей составляет от 3-5 до 20-30 %. По этой
Лигатура
•у.'' ч '. '
Газ
Ультразвук
Корпус
Сферические гранулы Т сплава
схеме следует, вероятно, получать крупномерные изделия листопрокатного, сортопрокатного производства и прессовые штамповки большой массы.
В технологии «сложения» (рис. 2) весь процесс состоит в основном из трех операций:
м --- 9»
ц.
Рис. 2. Технология получения деталей сложной формы «сложением» (КИМ85—90 %):
а - изготовление гранул титановых сплавов; б - установка по формовке детали методом ЭЛП (ЕОБ!МТ У280); в - ГИП готовой детали
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
получение гранул, формовка детали в установке электронно-лучевой плавки, ГИП и финишная обработка. На рис. 2 показан процесс получения гранул из расплава губки и легирующих элементов [2]. Несмотря на существование нескольких других способов изготовления гранул, этот - следует признать наиболее экономичным.
Анод
Фокусирующая линза
Электронный луч
Контейнер с порошком
Вакуумный контейнер —
Рабочая зона
Рис. 3. Получение деталей электронно-лучевой плавкой
Рис. 4. Детали из титановых сплавов, изготовленные методом «сложения» (ЭЛП):
а - образец лопатки ГТД - материал Т164, время изготовления 27 ч 44 мин, размер 142 х 79 х 86 мм, расход металла 530 г, время постобработки 3 ч; б - коленная чашечка - материал TiCrade2, время изготовления 4 ч
Полученные гранулы поступают в установку электронно-лучевой плавки (рис. 3), после чего в рабочую зону насыпают слой гранул толщиной несколько диаметров одной гранулы. Электронный луч, сканирующий по программе, ранее созданной по модели детали, сплавляет гранулы, соответствующие контуру будущей детали, и в рабочую зону поступает новая порция порошка, который равномерно распределяется над расплавленным слоем также толщиной несколько диаметров гранул и процесс повторяется до тех пор, пока не будет окончательно сформирована деталь. Весь процесс проходит в вакууме при высоких температурах. Затем детали обязательно подвергают горячей газостатической обработке. На рис. 4 показаны некоторые детали авиационного и медицинского назначения, изготовленные в установке электронно-лучевой плавки.
Проведенные работы показывают технические возможности существующих установок по изготовлению деталей сложной формы за 30-40 ч непрерывной работы без участия «человеческого фактора». Такие установки позволяют получать крупногабаритные метровые детали с возможностью одновременной работы нескольких электронно-лучевых пушек. В дальнейшем достаточно незначительной механической обработки, чтобы деталь можно было использовать в конструкции.
Учитывая, что такие детали предназначаются для применения в высокотехнологичных ответственных изделиях, уровень механических свойств и структура играют первостепенную роль. Изучение механических свойств деталей, полученных методом «сложения», и их микроструктуры показало полное отсутствие пор и достаточно высокий уровень стандартных свойств в сравнении с другими способами. Особенно хотелось бы отметить получение таким методом лопаток газотурбинных двигателей из у-сплавов титана. Учитывая низкую пластичность (5 < 1,5 %) этих сплавов при комнатной температуре, чрезвычайную сложность изготовления профиля лопатки при деформации и последующей механической обработки, перспективность такого метода в технологическом плане очевидна, а возможность получения доста-
а
-Ф-
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
точно мелкого зерна позволит достигнуть повышенных свойств этого материала (табл. 2).
В начале статьи упомянуто о разработанной установке для получения достаточно недорогих гранул из титановых сплавов. Если рассмотреть этот способ как основу промышленного производства гранул, то можно
Таблица 2
Сравнительные механические свойства
g-сплава 48Al-2Cr-2Nb,
полученного по различным технологиям
Способ а02, МПа 8, % Размер
получения зерна, мкм
Литье 275-380 1-3 1200
Деформация 455-480 0,4-3,1 -250
ЭЛП 447-554 0,7-1,24 8,0-10,5
(после ГИП)
Таблица 3
Затраты на производство 1 кг штамповок
из титановых сплавов по традиционной
технологии «вычитания» и «сложения» (ЭЛП)
Затраты,%
Меха-
Технология Шихта Производ- ниче- Е, %
ство ская об-
работка
«Вычитания» Губка + Плавка + 34 100
[2] лига- ковка +
тура штамповка
18 48
«Сложе- 1 Изготовле- 3 52
ния»* ние гранул+
сплавле-
ние + ГИП
48
Экономия 17 0 31 48
*Оценочные расчеты.
оценить сравнительную стоимость изготовления авиационных деталей из таких гранул методом «сложения». Из табл. 3 следует, что эта технология за счет экономии материала при плавке, отсутствия многочисленных технологических переделов с задействованием сложного оборудования и практически полного отсутствия трудоемкой механической обработки позволит иметь до 50 % экономии в стоимости производства таких деталей.
Помимо возможностей изготовления деталей из титана с более высокой экономической эффективностью, а также из низкотехнологичных сплавов (например, интерметал-лиды на основе TiAl) технология «сложения» позволяет получать в одной детали участки с различной структурой и даже из различных сплавов в зависимости от запросов конструктора, предъявляющего определенные требования по свойствам в различных участках изготавливаемой детали.
Тем не менее следует сказать, что сдерживающими факторами широкого использования этого метода служат прецизионность технологии, требования к высокой культуре ее исполнения, а также сложность оценки механических свойств детали и контроля качества.
Электронно-лучевая плавка титановых гранул позволяет:
• получать детали сложной формы из серийных сплавов и труднодеформируемых ин-терметаллидов. Свойства деталей, изготовленных этим методом, не уступают свойствам деталей, полученных деформацией;
• сократить время изготовления деталей, повысить выход годного до 85-98 % и получить до 50 % экономии стоимости готовой детали;
• использовать одновременно несколько источников плавления, получать гранулы с различной структурой и химическим составом и детали габаритами до 1-2 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Luo S.D., Yang Y.F. et. al. // Труды 12 Конференции по титану. Пекин, 2011. P. 830.
2. Lauphlen J.P., Withers J.S. Low Cost Processing to Produce Spherical Ti-6Al-4V Powder // Titanium 2011. San Diego CA. October 2-5.
3. Cotton J.D., Boyer R.D., Weber G.R., Slattery K.T.
Titanium Alloy Development Needs for Commercial Airframes Technical Fellow / Metallurgy Seattle, Washington, USA. 2008.
