eng
Выпуск #4/2015
Г.Туричин, О.Климова, Е.Земляков, К.Бабкин, В.Сомонов, Ф.Шамрай, А.Травянов, П.Петровский
Технологичсекие основы высокоскоростного прямого лазерного выращивания изделий методом гетерофазной порошковой металлургии
Технологичсекие основы высокоскоростного прямого лазерного выращивания изделий методом гетерофазной порошковой металлургии
Просмотры: 6712
Смена классических методов литья с последующей механической обработкой технологиями лазерного выращивания при создании металлических изделий рождает новые вопросы. Как, увеличивая производительность процесса, сохранить требуемое качество выращиваемого изделия? В статье приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса прямого лазерного выращивания металлических изделий из порошковых материалов.
Введение
Интенсивное развитие аддитивных технологий в последние годы позволяет значительно усовершенствовать методы изготовления и обработки изделий [1–6]. Технологии выращивания приходят на смену классическим методам литья с последующей механической обработкой, в ходе которых возможно удаление до 90% материала заготовки. Замена технологий литья и механической обработки на технологию выращивания позволяет значительно снизить себестоимость детали, что оказывается особенно актуальным в таких отраслях, как газотурбинное двигателестроение, авиация, космонавтика [7–9].
К моменту написания статьи уже доведены до практического применения технологии выращивания, основанные на селективном лазерном спекании и селективном лазерном плавлении (SLS/SLM-технологии) [10–12]. Несмотря на большое количество исследований, проводимых в этой области и положительный опыт промышленного применения SLS/SLM-технологий, потенциал технологий выращивания до сих пор реализован не полностью. Основной проблемой в развитии аддитивных технологий является необходимость существенного увеличения их производительности при сохранении требуемого качества выращиваемого изделия.
Наиболее перспективной технологией высокоскоростного изготовления изделий является прямое лазерное выращивание. Метод предполагает формирование изделия из порошка, подаваемого сжатой газопорошковой струей непосредственно в зону выращивания. Причем газопорошковая струя может быть как коаксиальной, так и не коаксиальной сфокусированному лазерному лучу, который обеспечивает нагрев, частичное плавление порошка и подогрев подложки [3, 4, 8, 13]. При этом существует возможность непосредственно в ходе процесса выращивания вводить в подающую струю смеси порошков, изменять состав подаваемых порошков, обеспечивая высокоскоростное формирование изделий с градиентными свойствами.
В данной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса прямого лазерного выращивания металлических изделий из порошковых материалов.
Материалы и методика исследований
Экспериментальные исследования процессов прямого лазерного выращивания проводились в Институте лазерных и сварочных технологий СПбПУ (ИЛИСТ) на лабораторных стендах на базе волоконных лазеров ЛС-15 и ЛС-5 мощностью 15 и 5 кВт, соответственно (рис. 1).
При проведении технологических экспериментов по лазерному выращиванию варьированию подвергались мощность лазерного излучения, скорость роста слоев, определяемая скоростью вращения подложки и скоростью постепенного подъема фокусирующей головки для наложения следующего слоя, расход порошка, диаметр пятна лазерного излучения, угол ввода порошка. Для проведения экспериментальных исследований газодинамических процессов переноса порошка была использована высокоскоростная камера Citius Centurino C100 и камера высокого разрешения Basler acA-2000gm. Проведена серия экспериментальных исследований по изучению влияния параметров режима выращивания на ширину газопорошковой струи. Для автоматизации обработки изображений было разработано программное обеспечение в среде программирования LabVIEW 2012. Для формирования газопорошковой струи использовались некоаксиальные сопла с диаметром выходного отверстия 1–2 мм и некоаксиальное щелевое сопло с шириной щели в интервале 0,2–1 мм.
В качестве материала для выращивания использовали порошковый жаропрочный сплав EuTroLoy16625G.04 производства Castolin Eutectic (Inconel 625). Внешний вид порошка приведен на рис.2, а химический состав – в таблице. Фракционный состав 53–150 мкм, форма частиц – сферическая.
Металлографические исследования выращенных изделий были проведены на микроскопе DMI 5000 (Leica) с программным обеспечением Tixomet. Исследования химического состава и распределения химических элементов выполнены на сканирующем электронном микроскопе Phenom ProX и микроскопе Mira Tescan с использованием приставки Oxford INCA Wave 500. Для определния микротвердости наплавляемых покрытий был использован микротвердомер Micromet 5103, Buehler. Для определения механических характеристик выращенных изделий были проведены испытания на одноосное растяжение. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z250 серии Allround. Были испытаны плоские образцы, вырезанные из выращенных из сплава Inconel 625 в исходном состоянии и после термической обработки (отжиг для снятия напряжения при температуре 1000°C, 3 часа, воздушная атмосфера).
Результаты исследований и их обсуждение
Разработка технологии прямого лазерного выращивания требует комплексных теоретических и экспериментальных исследований, тщательного подбора технологических параметров, детального изучения фазово-структурного состояния получаемых слоев и изделий, а также сравнительного анализа механических и эксплуатационных характеристик. В первую очередь необходимо понимание хода газодинамических и тепловых процессов в газопорошковой струе при падении на подложку, величина которой существенно превышает размер наплавляемого валика. Следующий этап – установление оптимальных режимов наплавки одиночных валиков, отвечающих установленным требованиям и их комплексный анализ, включающий структурные исследования [14]. При переходе от наплавки одиночных слоев к прямому лазерному выращиванию, задача полета металлических частиц в потоке несущего газа усложняется уменьшением удельной площади поверхности, на которой происходит рост изделия (предыдущий слой). Теория процессов, происходящих в газопорошковой струе при ее падении на подложку с учетом нагрева и частичного плавления порошинок лазерным излучением, была разработана авторами данной работы [15] на основе совместного решения задач о разбиении струи о преграду и переноса порошинок в струе. Построенная на основе разработанной теории математическая модель процесса переноса порошка [16] позволила установить связь структуры газопорошковой струи с расходом транспортного газа, размерами сопла и параметрами частиц порошка. Экспериментальные исследования также были направлены на подбор параметров технологического процесса, которые обеспечили максимальный коэффициент использования порошка и получение гетерофазной природы процесса с неполным плавлением металлических частиц, что обеспечивает повышение механических свойств изделий по сравнению с литьем и SLS/SLM-технологиями.
Прямое лазерное выращивание
При изучении процесса прямого лазерного выращивания необходимо учитывать, что сопло – это важная часть технологического инструмента [13, 17]. Оно формирует газопорошковую струю и, таким образом, оказывает определяющее влияние на технологический процесс роста. Газопорошковые сопла можно разделить на два класса по наличию осевой симметрии относительно оси лазерного луча: осесимметричные (или коаксиальные) и осенесимметричные (боковые или некоаксиальные). Технологические головки, оснащенные боковыми соплами, несимметричны относительно направления движения инструмента, при их использовании процесс наращивания валика зависит от направления движения. Поэтому при использовании некоаксиальных головок выращивание необходимо проводить без изменения направления движения инструмента относительно изделия. Для технологических экспериментов было использовано некоаксиальное сопло с выходным отверстием круглого сечения диаметром 2 мм (рис.3а). На рис.3б,в приведены примеры выращиваемых изделий при использовании указанного сопла.
Газопорошковая струя, сформированная таким соплом, обладает простой структурой, является симметричной относительно оси канала и расходится с углом расхождения порядка 8–10°. Ширина струи определяется диаметром канала, что ограничивает минимальную ширину, так как при уменьшении диаметра канала увеличивается скорость газа и порошинок, что, после некоторого порога, негативно влияет на устойчивость процесса за счет деформации поверхности в зоне выращивания под действием газовой струи.
Эксперименты показали, что использование некоаксиального сопла позволяет изготавливать тела вращения с минимальным диаметром 6 мм, а также выращивать изделия сложной геометрии, но с осевой симметрией. Толщина стенки выращиваемых изделий варьируется в диапазоне 0,6–3 мм, при этом шероховатость поверхности изделия не превышает 50 мкм. Для изготовления изделий сложной формы требуется применение более сложных коаксиальных сопел.
Технологические головки, оснащенные коаксиальными соплами, характеризуются независимостью параметров выращивания от направления движения инструмента. Это позволяет использовать сложные траектории обработки и получать изделия более сложной геометрии. Наиболее распространенные конструкции коаксиальных сопел представлены на рисунке 4 [18, 19].
Струйное сопло является дальнейшим развитием идеи бокового сопла. Для обеспечения изотропии процесса наплавки относительно направления движения используется 3–4 боковых сопла, которые располагаются симметрично относительно оси лазерного луча. При обработке область пересечения струй располагается вблизи ванны жидкого металла, которая формируется лазерным лучом, проходящим через центральное отверстие сопла. При использовании струйного сопла формируется широкая перетяжка (3–6 мм). Кольцевые сопла являются более технологичными. Газопорошковая струя подается через зазор между двух конусных поверхностей, которые направляют и фокусируют ее. Угол схождения составляет 40–70°, ширина щели – от 100 мкм, диаметр кольцевой щели на нижнем срезе сопла – 10–20 мм. Перетяжка газопорошковой струи имеет в среднем размер от 1,5 до 6 мм и зависит не только от конструкции сопла, но и от его геометрии.
За счет равномерного распределения порошка по окружности кольцевого сопла достигается высокая степень симметричности и соответственно изотропии относительно направления движения. Для создания равномерного распределения в конструкцию сопла вводится коллектор, который равномерно распределяет газопорошковую струю по окружности и гасит тангенциальную составляющую скорости порошинок Основными параметрами, определяющими ширину перетяжки газопорошковой струи, являются ширина кольцевого канала и расстояние от нижнего среза сопла до перетяжки. Для экспериментального исследования поведения газопорошковой струи внутри канала была проведена серия модельных экспериментов. Сопло с кольцевым каналом заменили на сопло с плоским, щелевым, каналом (рис.5) с варьируемой шириной щели, что позволило упростить экспериментальную установку и процесс регистрации формы газопорошковой струи. При этом площадь сечения сопла подбиралась таким образом, чтобы получить схожие скорости при протекании через нее несущего газа.
Одной из важных характеристик сопла для прямого лазерного выращивания является формируемая им геометрия газопорошковой струи в области роста. Основное влияние на производительность и устойчивость процесса выращивания при использовании коаксиального сопла оказывают: угол сходимости, ширина перетяжки и равномерность распределения порошка относительно оси лазерного луча.
Для изучения влияния расхода порошка и транспортного газа на пространственную структуру газопорошковой струи была проведена серия экспериментов с использованием щелевого сопла (рис.6а). В ходе исследований расход подаваемого порошка менялся в пределах от 5 до 20 г/мин при неизменной ширине щели (400 мкм) и постоянном расходе несущего газа (8 л/мин). Результаты показали, что ширина газопорошковой струи практически не зависит от расхода порошка, что хорошо согласуется с теорией [19]. Объемная доля порошка в газопорошковой струе составляет 0,3% при расходе 20 г/мин и 8 л/мин для порошка и газа соответственно. Таким образом, в первом приближении взаимодействием между частицами можно пренебречь, и расход порошка практически не оказывает влияния на геометрию газопорошковой струи.
Для определения влияния объемного расхода транспортного газа на ширину газопорошковой струи была проведена серия экспериментов с расходами от 3 до 10 л/мин. Они показали, что геометрия струи слабо зависит от расхода газа. Это можно объяснить тем, что скорость отдельных частиц на выходе из сопла растет при увеличении расхода транспортного газа только до определенного значения (5 м/с для порошинок с плотностью порядка 7–9 г/см3). Для выбранного диапазона расходов транспортного газа 3–10 л/мин при ширине щели 400 мкм скорость транспортного газа на выходе из сопла составляет от 6 до 20 м/с и скорость порошинок запирается на максимальном уровне в 4,5–5,5 м/с. Таким образом, в первом приближении влиянием расходов металлического порошка и транспортного газа на ширину газопорошковой струи можно пренебречь.
Основным фактором, влияющим на ширину газопорошковой струи после выхода из сопла, является ширина щели сопла. Во время движения по каналу сопла порошинки испытывают соударения со стенками канала, при которых теряют часть нормальной по отношению к стенке скорости. За счет многократного переотражения частиц формируется их направленное движение, и после выхода из сопла струя имеет направленную структуру с малым углом расхождения. На рис. 6 показаны примеры полученных изображений газопорошковых струй.
Обработка данных показала, что струя имеет нормальное распределение в поперечном сечении, начиная с расстояния порядка двойной ширины сопла. На рис.7 представлены экспериментально измеренные значения ширины газопорошковой струи на расстоянии в 5; 7,5 и 10 мм от среза сопла, в зависимости от ширины щели. Видно, что ширина струи монотонно возрастает при увеличении ширины зазора.
Так как толщина струи линейно растет с увеличением расстояния от среза сопла, был измерен угол расхождения струи (рис.8). Угол монотонно растет при увеличении ширины щели сопла, имея минимальное значение при ширине щели 200 мкм.
С точки зрения технологии прямого лазерного выращивания уменьшение ширины перетяжки газопорошковой струи дает определенные преимущества: увеличивается коэффициент использования порошка, так как увеличивается его концентрация и большая часть попадает в зону роста; увеличивается производительность процесса за счет повышения скорости движения инструмента при неизменной толщине наплавляемого валика; повышается устойчивость процесса, так как увеличивается градиент плотности порошка вдоль оси струи в области перетяжки; упрощается процесс изготовления тонких стенок и мелкомасштабных элементов.
Исходя из проведенных экспериментальных исследований для крупногабаритных изделий сложной формы, рекомендованы следующие технологические параметры: ширина щели 250–300 мкм, угол схождения конуса сопла 60°, расстояние от среза сопла до области газопорошковой перетяжки 9–10 мм. При таком наборе параметров расчетная перетяжка газопорошковой струи составит ~2 мм. При этом используются широко доступные фракции порошков, сопло пригодно для работы с большими мощностями лазерного излучения (до 5 кВт), высокими расходами порошка, и обеспечивает приемлемую концентрацию и градиент металлического порошка.
На установленных технологических параметрах процесса были выращены тела вращения из жаропрочного сплава Inconel 625. Поперечное сечение стенки выращенного изделия приведено на рис.9.
Пористость на исследуемых образцах не превышает 0,05% по объему, отсутствуют трещины, неметаллических включений не обнаружено. Таким образом, установлено, что в процессе прямого лазерного выращивания не протекают интенсивные процессы окисления. Микроструктура преимущественно литая, продольный размер дендритов варьируется в интервале 50–250 мкм, размер отдельных дендритов достигает 500 мкм. Слоистой структуры с выраженными границами между различными наплавленными слоями, которые можно увидеть в изделиях, изготовленных с помощью SLM-технологии [20], не обнаружено. Формирование литой структуры может быть также связано с исходной структурой используемого порошка, который получен методом газовой атомизации. На рис.10 приведена микроструктура используемого порошка (а) и образца, выращенного при мощности 0,75 кВт (б).
Исходя из результатов микрорентгеноспектрального спектрального анализа и картирования выделенной области, серя область – γ-твердый раствор на основе никеля, белая сетка по границам зерен – карбиды ниобия и молибдена, черные точки являются мелкодисперсными оксидами кремния, алюминия и марганца [21,22]. Выращенные образцы обладают наследственной микроструктурой используемого порошка, происходит некоторое растворение карбидной сетки и последующее выделение в виде отдельных включений, дисперсность которых составляет 0,5–2 мкм, размер и форма оксидов в процессе прямого лазерного выращивания не изменяются.
Для оценки влияния микроструктуры выращенных изделий на механические свойства была проведена термическая обработка – отжиг для снятия напряжения при Т = 1000°C, 3 часа. Результаты испытаний на растяжение приведены на рис.11.
Механические свойства сплава до проведения термической обработки: предел прочности в среднем составляет 866 МПа, предел текучести – 488 МПа, относительное удлинение – 28%. Механические свойства после проведения термической обработки: предел прочности в среднем составляет 855 МПа, предел текучести – 479 МПа, относительное удлинение – 27%. Данные значения соответствуют справочным данным по уровню свойств сплава INCONEL 625 в состоянии проката: предел прочности – 827–1103 МПа, предел текучести – 414–758 МПа, относительное удлинение – 60–30%. Для оценки типа разрушения проведены фрактографические исследования, результаты которых приведены на рис.12.
На фотографиях видно большое количество фасеток со следами пластической деформации, что говорит о вязком характере излома. Стоит отметить мелкозернистую структуру фасеток даже в образцах без термической обработки. В образцах после термической обработки также присутствует большое количество фасеток со следами пластической деформации, что также говорит о вязком характере излома.
При сравнении микроструктуры в полированных и травленых образцах (рис.13) до и после термообработки стоит отметить мелкозернистую структуру в обоих случаях. В структуре присутствуют области с мелкими и крупными зернами, что свидетельствует о некоторой неравномерности. После термической обработки размер карбидных и оксидных включений не изменяется, как и размер зерен. Механические свойства остаются на уровне проката, поэтому можно утверждать, что процесс прямого лазерного выращивания позволяет изготавливать изделия с удовлетворительными эксплуатационными характеристиками. Дальнейшая термообработка не требуется.
Выводы
Технология прямого лазерного выращивания является сложным и многофакторным процессом с большим количеством параметров, влияющих на конечный результат. Поэтому для понимания взаимосвязей между параметрами процесса и оптимизацией технологии получения изделий с заданными характеристиками, а также для снижения материально-временных затрат и рисков получения отрицательных результатов, исследования необходимо проводить комплексно. Это означает, что экспериментальным исследованиям должны предшествовать теоретические исследования и математическое моделирование, а затем их результаты должны проверяться экспериментально.
Построенный исследовательский стенд для экспериментальных исследований газодинамических процессов переноса порошка позволил изучить влияние геометрии сопла, расхода транспортного газа, расхода и фракционного состава порошка на пространственную структуру газопорошковой струи с использованием методов высокоскоростной съемки и различных вариантов лазерной подсветки. Результаты экспериментальных исследований газодинамических процессов переноса порошка хорошо согласуются с результатами математического моделирования, что подтверждает физическую адекватность разработанной математической модели. Рекомендованы следующие технологические параметры: ширина щели 250–300 мкм, угол схождения конуса сопла 60°, расстояние от среза сопла до области газопорошковой перетяжки 9–10 мм.
Результаты исследования структуры и свойств выращенных изделий показали, что механические свойства сплава до и после проведения термической обработки находятся на уровне металлического проката: предел прочности в среднем составляет 850–900 МПа, предел текучести – 470–490 МПа, относительное удлинение – 28%. Микроструктура образцов сплава EuTroLoy 16625G.04, полученных методом прямого лазерного выращивания, характеризуется равноосным зерненным строением с выделением вторых фаз (в основном карбидов) по границам зерен, а также является наследственной от металлического порошка, используемого для выращивания. Фрактограммы излома имеют выраженный ямочный характер, свойственный материалам с достаточно высокой пластичностью. Проведенные испытания на малоцикловую усталость показали, что усталостная прочность образцов, выращенных из сплава EuTroLoy 16625G.04 составляет 271 MPa при 2 · 106 циклов, что превышает усталостную прочность отливок из этого сплава.
Результаты проведенных исследований показали, что разработанная технология прямого лазерного выращивания, несмотря на свою технологическую сложность, может заменить используемые ныне технологии, обеспечив многократное повышение производительности и экономию материала. Изделия, изготовленные методом прямого лазерного выращивания, не требуют дополнительного изостатического прессования или термической обработки, что существенно сокращает время их изготовления в сравнении как с SLS/SLM – технологиями, так и с технологиями, основанными на литье и последующей термической и механической обработке.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки Российской Федерации, уникальный идентификатор проекта ПНИЭР – RFMEFI5814X0010.
Литература
1. D. Gu. New metallic materials development by laser additive manufacturing. – Laser Surface Engineering, 2015, p. 163–180.
2. Murr L. E., Gaytan S. M., Ramirez D. A., Martinez E., Hernandez J., Amato K.N. and et al. Metal Fabrication by Additive Manufacturing Using Laser and Electron Beam Melting Technologies. – Journal of Materials Science & Technology, 2012, v. 28, № 1, p. 1–14.
3. Туричин Г.А., Земляков Е.В., Климова О.Г., Бабкин К.Д., Шамрай Ф.А., Колодяжный Д.Ю. Прямое лазерное выращивание – перспективная аддитивная технология для авиадвигателестроения. – Сварка и Диагностика, 2015, № 3, c. 54–57.
4. Dutta B., Palaniswamy S., Choi J., Song L.J., Mazumder J. Additive manufacturing by direct metal deposition. – Advanced Materials&Processing, 2011, v.169 (5), p. 33–36.
5. Santos E.C., Shiomi M., Osakada K., Laoui T. Rapid manufacturing of metal components by laser forming, 2006, v. 46, p. 1459–1468.
6. Kianiana B., Tavassolib S., Larsson T.C. The Role of Additive Manufacturing Technology in Job Creation: An Exploratory Case Study of Suppliers of Additive Manufacturing in Sweden. – Procedia CIRP, 12th Global Conference on Sustainable Manufacturing – Emerging Potentials, 2015, v. 26, p. 93–98.
7. Агеев Р.В., Кондратов Д.В., Маслов Ю.В. Применение аддитивных технологий при проектировании и производстве деталей аэрокосмических объектов. – Полет. Общероссийский научно-технический журнал, 2013, № 6, c. 35–39.
8. Wilson J. M., Piya C., Yung C. Shin, Fu Zhao, Karthik Ramani. Remanufacturing of turbine blades by laser direct deposition with its energy and environmental impact analysis. – Journal of Cleaner Production, 2014, v. 80, № 1, p. 170–178.
9. Дорохов А.Ф., Абачараев М.М. Аддитивные технологии в производстве корабельной энергетики. – Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер. Морская техника и технология, 2015, № 2, c. 42–47.
10. Сафин Д.Ю. Будущее машиностроения России. – Сборник трудов Всеросс. конф. молодых учёных и специалистов. Москва, 28 сентября – 01 октября 2011, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.
11. Olakanmi E.O., Cochrane R.F., Dalgarno K.W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties. – Progress in Materials Science, 2015, v. 74, p. 401–477.
12. SLM Solutions focuses on aviation repair. – Metal Powder Report, 2015, v. 70, № 2, p. 94.
13. Thompsona S.M., Bianc L., Shamsaeia N., Yadollahi A. An overview of Direct Laser Deposition for additive manufacturing; Part I: Transport phenomena, modeling and diagnostics. – Additive Manufacturing, 2015, v. 8, p. 36–62.
14. Turichin G.A., Zemlyakov E.V., Pozdeeva E.Yu., Tuominen J., Vuoristo P. Technological possibilities of laser cladding with the help of powerful fiber lasers. – Metal Science and Heat Treatment, 2012, v. 54, № № 3–4, p. 139–144.
15. Туричин Г.А., Валдайцева Е.А., Поздеева Е.Ю., Земляков Е.В. Влияние аэродинамических сил на перенос порошка к плоской подложке при лазерном напылении, В сборнике: BEAM TECHNOLOGY & LASER APPLICATION Proceedings of the six international scientific and technical conference/Edited by Prof. G. Turichin. – Saint-Petersburg, 2009, с. 42–47.
16. Turichin G.A., Somonov V.V., Klimova O.G. Investigation and modeling of the process of formation of the pad weld and its microstructure during laser cladding by radiation of high power fiber laser. – Applied Mechanics and Materials, v. 682, p.160–165
17. Leyens C., Beyer E. 8 – Innovations in laser cladding and direct laser metal deposition. – Laser Surface Engineering, 2015, p. 181–192.
18. Ocyloka S., Alexeeva E., Manna S., Weisheita A., Wissenbacha K., Kelbassa I. Correlations of Melt Pool Geometry and Process Parameters During Laser Metal Deposition by Coaxial Process Monitoring. – Physics Procedia, 2014, v. 56, p. 228–238.
19. Laser cladding and additive manufacturing: nozzles.: Materials of Fraunhofer Institute Material and Beam technology IWS. – Dresden, 2015.
20. Shuai Li, Qingsong Wei, Yusheng Shi, Zicheng Zhu, Danqing Zhang, Microstructure Characteristics of Inconel 625 Superalloy Manufactured by Selective Laser Melting. – Journal of Materials Science & Technology, 2015, Vol.31, Iss. 9, 2015, p. 946–952.
21. Shamsaei N., Yadollahi A., Bian L., Thompson S.M. An overview of Direct Laser Deposition for additive manufacturing; Part II: Mechanical behavior, process parameter optimization and control. – Additive Manufacturing, 2015, v. 8, p. 12–35.
22. Reed R.C. The Superalloys Fundamentals and Applications. – Cambrige.
Интенсивное развитие аддитивных технологий в последние годы позволяет значительно усовершенствовать методы изготовления и обработки изделий [1–6]. Технологии выращивания приходят на смену классическим методам литья с последующей механической обработкой, в ходе которых возможно удаление до 90% материала заготовки. Замена технологий литья и механической обработки на технологию выращивания позволяет значительно снизить себестоимость детали, что оказывается особенно актуальным в таких отраслях, как газотурбинное двигателестроение, авиация, космонавтика [7–9].
К моменту написания статьи уже доведены до практического применения технологии выращивания, основанные на селективном лазерном спекании и селективном лазерном плавлении (SLS/SLM-технологии) [10–12]. Несмотря на большое количество исследований, проводимых в этой области и положительный опыт промышленного применения SLS/SLM-технологий, потенциал технологий выращивания до сих пор реализован не полностью. Основной проблемой в развитии аддитивных технологий является необходимость существенного увеличения их производительности при сохранении требуемого качества выращиваемого изделия.
Наиболее перспективной технологией высокоскоростного изготовления изделий является прямое лазерное выращивание. Метод предполагает формирование изделия из порошка, подаваемого сжатой газопорошковой струей непосредственно в зону выращивания. Причем газопорошковая струя может быть как коаксиальной, так и не коаксиальной сфокусированному лазерному лучу, который обеспечивает нагрев, частичное плавление порошка и подогрев подложки [3, 4, 8, 13]. При этом существует возможность непосредственно в ходе процесса выращивания вводить в подающую струю смеси порошков, изменять состав подаваемых порошков, обеспечивая высокоскоростное формирование изделий с градиентными свойствами.
В данной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса прямого лазерного выращивания металлических изделий из порошковых материалов.
Материалы и методика исследований
Экспериментальные исследования процессов прямого лазерного выращивания проводились в Институте лазерных и сварочных технологий СПбПУ (ИЛИСТ) на лабораторных стендах на базе волоконных лазеров ЛС-15 и ЛС-5 мощностью 15 и 5 кВт, соответственно (рис. 1).
При проведении технологических экспериментов по лазерному выращиванию варьированию подвергались мощность лазерного излучения, скорость роста слоев, определяемая скоростью вращения подложки и скоростью постепенного подъема фокусирующей головки для наложения следующего слоя, расход порошка, диаметр пятна лазерного излучения, угол ввода порошка. Для проведения экспериментальных исследований газодинамических процессов переноса порошка была использована высокоскоростная камера Citius Centurino C100 и камера высокого разрешения Basler acA-2000gm. Проведена серия экспериментальных исследований по изучению влияния параметров режима выращивания на ширину газопорошковой струи. Для автоматизации обработки изображений было разработано программное обеспечение в среде программирования LabVIEW 2012. Для формирования газопорошковой струи использовались некоаксиальные сопла с диаметром выходного отверстия 1–2 мм и некоаксиальное щелевое сопло с шириной щели в интервале 0,2–1 мм.
В качестве материала для выращивания использовали порошковый жаропрочный сплав EuTroLoy16625G.04 производства Castolin Eutectic (Inconel 625). Внешний вид порошка приведен на рис.2, а химический состав – в таблице. Фракционный состав 53–150 мкм, форма частиц – сферическая.
Металлографические исследования выращенных изделий были проведены на микроскопе DMI 5000 (Leica) с программным обеспечением Tixomet. Исследования химического состава и распределения химических элементов выполнены на сканирующем электронном микроскопе Phenom ProX и микроскопе Mira Tescan с использованием приставки Oxford INCA Wave 500. Для определния микротвердости наплавляемых покрытий был использован микротвердомер Micromet 5103, Buehler. Для определения механических характеристик выращенных изделий были проведены испытания на одноосное растяжение. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Zwick/Roell Z250 серии Allround. Были испытаны плоские образцы, вырезанные из выращенных из сплава Inconel 625 в исходном состоянии и после термической обработки (отжиг для снятия напряжения при температуре 1000°C, 3 часа, воздушная атмосфера).
Результаты исследований и их обсуждение
Разработка технологии прямого лазерного выращивания требует комплексных теоретических и экспериментальных исследований, тщательного подбора технологических параметров, детального изучения фазово-структурного состояния получаемых слоев и изделий, а также сравнительного анализа механических и эксплуатационных характеристик. В первую очередь необходимо понимание хода газодинамических и тепловых процессов в газопорошковой струе при падении на подложку, величина которой существенно превышает размер наплавляемого валика. Следующий этап – установление оптимальных режимов наплавки одиночных валиков, отвечающих установленным требованиям и их комплексный анализ, включающий структурные исследования [14]. При переходе от наплавки одиночных слоев к прямому лазерному выращиванию, задача полета металлических частиц в потоке несущего газа усложняется уменьшением удельной площади поверхности, на которой происходит рост изделия (предыдущий слой). Теория процессов, происходящих в газопорошковой струе при ее падении на подложку с учетом нагрева и частичного плавления порошинок лазерным излучением, была разработана авторами данной работы [15] на основе совместного решения задач о разбиении струи о преграду и переноса порошинок в струе. Построенная на основе разработанной теории математическая модель процесса переноса порошка [16] позволила установить связь структуры газопорошковой струи с расходом транспортного газа, размерами сопла и параметрами частиц порошка. Экспериментальные исследования также были направлены на подбор параметров технологического процесса, которые обеспечили максимальный коэффициент использования порошка и получение гетерофазной природы процесса с неполным плавлением металлических частиц, что обеспечивает повышение механических свойств изделий по сравнению с литьем и SLS/SLM-технологиями.
Прямое лазерное выращивание
При изучении процесса прямого лазерного выращивания необходимо учитывать, что сопло – это важная часть технологического инструмента [13, 17]. Оно формирует газопорошковую струю и, таким образом, оказывает определяющее влияние на технологический процесс роста. Газопорошковые сопла можно разделить на два класса по наличию осевой симметрии относительно оси лазерного луча: осесимметричные (или коаксиальные) и осенесимметричные (боковые или некоаксиальные). Технологические головки, оснащенные боковыми соплами, несимметричны относительно направления движения инструмента, при их использовании процесс наращивания валика зависит от направления движения. Поэтому при использовании некоаксиальных головок выращивание необходимо проводить без изменения направления движения инструмента относительно изделия. Для технологических экспериментов было использовано некоаксиальное сопло с выходным отверстием круглого сечения диаметром 2 мм (рис.3а). На рис.3б,в приведены примеры выращиваемых изделий при использовании указанного сопла.
Газопорошковая струя, сформированная таким соплом, обладает простой структурой, является симметричной относительно оси канала и расходится с углом расхождения порядка 8–10°. Ширина струи определяется диаметром канала, что ограничивает минимальную ширину, так как при уменьшении диаметра канала увеличивается скорость газа и порошинок, что, после некоторого порога, негативно влияет на устойчивость процесса за счет деформации поверхности в зоне выращивания под действием газовой струи.
Эксперименты показали, что использование некоаксиального сопла позволяет изготавливать тела вращения с минимальным диаметром 6 мм, а также выращивать изделия сложной геометрии, но с осевой симметрией. Толщина стенки выращиваемых изделий варьируется в диапазоне 0,6–3 мм, при этом шероховатость поверхности изделия не превышает 50 мкм. Для изготовления изделий сложной формы требуется применение более сложных коаксиальных сопел.
Технологические головки, оснащенные коаксиальными соплами, характеризуются независимостью параметров выращивания от направления движения инструмента. Это позволяет использовать сложные траектории обработки и получать изделия более сложной геометрии. Наиболее распространенные конструкции коаксиальных сопел представлены на рисунке 4 [18, 19].
Струйное сопло является дальнейшим развитием идеи бокового сопла. Для обеспечения изотропии процесса наплавки относительно направления движения используется 3–4 боковых сопла, которые располагаются симметрично относительно оси лазерного луча. При обработке область пересечения струй располагается вблизи ванны жидкого металла, которая формируется лазерным лучом, проходящим через центральное отверстие сопла. При использовании струйного сопла формируется широкая перетяжка (3–6 мм). Кольцевые сопла являются более технологичными. Газопорошковая струя подается через зазор между двух конусных поверхностей, которые направляют и фокусируют ее. Угол схождения составляет 40–70°, ширина щели – от 100 мкм, диаметр кольцевой щели на нижнем срезе сопла – 10–20 мм. Перетяжка газопорошковой струи имеет в среднем размер от 1,5 до 6 мм и зависит не только от конструкции сопла, но и от его геометрии.
За счет равномерного распределения порошка по окружности кольцевого сопла достигается высокая степень симметричности и соответственно изотропии относительно направления движения. Для создания равномерного распределения в конструкцию сопла вводится коллектор, который равномерно распределяет газопорошковую струю по окружности и гасит тангенциальную составляющую скорости порошинок Основными параметрами, определяющими ширину перетяжки газопорошковой струи, являются ширина кольцевого канала и расстояние от нижнего среза сопла до перетяжки. Для экспериментального исследования поведения газопорошковой струи внутри канала была проведена серия модельных экспериментов. Сопло с кольцевым каналом заменили на сопло с плоским, щелевым, каналом (рис.5) с варьируемой шириной щели, что позволило упростить экспериментальную установку и процесс регистрации формы газопорошковой струи. При этом площадь сечения сопла подбиралась таким образом, чтобы получить схожие скорости при протекании через нее несущего газа.
Одной из важных характеристик сопла для прямого лазерного выращивания является формируемая им геометрия газопорошковой струи в области роста. Основное влияние на производительность и устойчивость процесса выращивания при использовании коаксиального сопла оказывают: угол сходимости, ширина перетяжки и равномерность распределения порошка относительно оси лазерного луча.
Для изучения влияния расхода порошка и транспортного газа на пространственную структуру газопорошковой струи была проведена серия экспериментов с использованием щелевого сопла (рис.6а). В ходе исследований расход подаваемого порошка менялся в пределах от 5 до 20 г/мин при неизменной ширине щели (400 мкм) и постоянном расходе несущего газа (8 л/мин). Результаты показали, что ширина газопорошковой струи практически не зависит от расхода порошка, что хорошо согласуется с теорией [19]. Объемная доля порошка в газопорошковой струе составляет 0,3% при расходе 20 г/мин и 8 л/мин для порошка и газа соответственно. Таким образом, в первом приближении взаимодействием между частицами можно пренебречь, и расход порошка практически не оказывает влияния на геометрию газопорошковой струи.
Для определения влияния объемного расхода транспортного газа на ширину газопорошковой струи была проведена серия экспериментов с расходами от 3 до 10 л/мин. Они показали, что геометрия струи слабо зависит от расхода газа. Это можно объяснить тем, что скорость отдельных частиц на выходе из сопла растет при увеличении расхода транспортного газа только до определенного значения (5 м/с для порошинок с плотностью порядка 7–9 г/см3). Для выбранного диапазона расходов транспортного газа 3–10 л/мин при ширине щели 400 мкм скорость транспортного газа на выходе из сопла составляет от 6 до 20 м/с и скорость порошинок запирается на максимальном уровне в 4,5–5,5 м/с. Таким образом, в первом приближении влиянием расходов металлического порошка и транспортного газа на ширину газопорошковой струи можно пренебречь.
Основным фактором, влияющим на ширину газопорошковой струи после выхода из сопла, является ширина щели сопла. Во время движения по каналу сопла порошинки испытывают соударения со стенками канала, при которых теряют часть нормальной по отношению к стенке скорости. За счет многократного переотражения частиц формируется их направленное движение, и после выхода из сопла струя имеет направленную структуру с малым углом расхождения. На рис. 6 показаны примеры полученных изображений газопорошковых струй.
Обработка данных показала, что струя имеет нормальное распределение в поперечном сечении, начиная с расстояния порядка двойной ширины сопла. На рис.7 представлены экспериментально измеренные значения ширины газопорошковой струи на расстоянии в 5; 7,5 и 10 мм от среза сопла, в зависимости от ширины щели. Видно, что ширина струи монотонно возрастает при увеличении ширины зазора.
Так как толщина струи линейно растет с увеличением расстояния от среза сопла, был измерен угол расхождения струи (рис.8). Угол монотонно растет при увеличении ширины щели сопла, имея минимальное значение при ширине щели 200 мкм.
С точки зрения технологии прямого лазерного выращивания уменьшение ширины перетяжки газопорошковой струи дает определенные преимущества: увеличивается коэффициент использования порошка, так как увеличивается его концентрация и большая часть попадает в зону роста; увеличивается производительность процесса за счет повышения скорости движения инструмента при неизменной толщине наплавляемого валика; повышается устойчивость процесса, так как увеличивается градиент плотности порошка вдоль оси струи в области перетяжки; упрощается процесс изготовления тонких стенок и мелкомасштабных элементов.
Исходя из проведенных экспериментальных исследований для крупногабаритных изделий сложной формы, рекомендованы следующие технологические параметры: ширина щели 250–300 мкм, угол схождения конуса сопла 60°, расстояние от среза сопла до области газопорошковой перетяжки 9–10 мм. При таком наборе параметров расчетная перетяжка газопорошковой струи составит ~2 мм. При этом используются широко доступные фракции порошков, сопло пригодно для работы с большими мощностями лазерного излучения (до 5 кВт), высокими расходами порошка, и обеспечивает приемлемую концентрацию и градиент металлического порошка.
На установленных технологических параметрах процесса были выращены тела вращения из жаропрочного сплава Inconel 625. Поперечное сечение стенки выращенного изделия приведено на рис.9.
Пористость на исследуемых образцах не превышает 0,05% по объему, отсутствуют трещины, неметаллических включений не обнаружено. Таким образом, установлено, что в процессе прямого лазерного выращивания не протекают интенсивные процессы окисления. Микроструктура преимущественно литая, продольный размер дендритов варьируется в интервале 50–250 мкм, размер отдельных дендритов достигает 500 мкм. Слоистой структуры с выраженными границами между различными наплавленными слоями, которые можно увидеть в изделиях, изготовленных с помощью SLM-технологии [20], не обнаружено. Формирование литой структуры может быть также связано с исходной структурой используемого порошка, который получен методом газовой атомизации. На рис.10 приведена микроструктура используемого порошка (а) и образца, выращенного при мощности 0,75 кВт (б).
Исходя из результатов микрорентгеноспектрального спектрального анализа и картирования выделенной области, серя область – γ-твердый раствор на основе никеля, белая сетка по границам зерен – карбиды ниобия и молибдена, черные точки являются мелкодисперсными оксидами кремния, алюминия и марганца [21,22]. Выращенные образцы обладают наследственной микроструктурой используемого порошка, происходит некоторое растворение карбидной сетки и последующее выделение в виде отдельных включений, дисперсность которых составляет 0,5–2 мкм, размер и форма оксидов в процессе прямого лазерного выращивания не изменяются.
Для оценки влияния микроструктуры выращенных изделий на механические свойства была проведена термическая обработка – отжиг для снятия напряжения при Т = 1000°C, 3 часа. Результаты испытаний на растяжение приведены на рис.11.
Механические свойства сплава до проведения термической обработки: предел прочности в среднем составляет 866 МПа, предел текучести – 488 МПа, относительное удлинение – 28%. Механические свойства после проведения термической обработки: предел прочности в среднем составляет 855 МПа, предел текучести – 479 МПа, относительное удлинение – 27%. Данные значения соответствуют справочным данным по уровню свойств сплава INCONEL 625 в состоянии проката: предел прочности – 827–1103 МПа, предел текучести – 414–758 МПа, относительное удлинение – 60–30%. Для оценки типа разрушения проведены фрактографические исследования, результаты которых приведены на рис.12.
На фотографиях видно большое количество фасеток со следами пластической деформации, что говорит о вязком характере излома. Стоит отметить мелкозернистую структуру фасеток даже в образцах без термической обработки. В образцах после термической обработки также присутствует большое количество фасеток со следами пластической деформации, что также говорит о вязком характере излома.
При сравнении микроструктуры в полированных и травленых образцах (рис.13) до и после термообработки стоит отметить мелкозернистую структуру в обоих случаях. В структуре присутствуют области с мелкими и крупными зернами, что свидетельствует о некоторой неравномерности. После термической обработки размер карбидных и оксидных включений не изменяется, как и размер зерен. Механические свойства остаются на уровне проката, поэтому можно утверждать, что процесс прямого лазерного выращивания позволяет изготавливать изделия с удовлетворительными эксплуатационными характеристиками. Дальнейшая термообработка не требуется.
Выводы
Технология прямого лазерного выращивания является сложным и многофакторным процессом с большим количеством параметров, влияющих на конечный результат. Поэтому для понимания взаимосвязей между параметрами процесса и оптимизацией технологии получения изделий с заданными характеристиками, а также для снижения материально-временных затрат и рисков получения отрицательных результатов, исследования необходимо проводить комплексно. Это означает, что экспериментальным исследованиям должны предшествовать теоретические исследования и математическое моделирование, а затем их результаты должны проверяться экспериментально.
Построенный исследовательский стенд для экспериментальных исследований газодинамических процессов переноса порошка позволил изучить влияние геометрии сопла, расхода транспортного газа, расхода и фракционного состава порошка на пространственную структуру газопорошковой струи с использованием методов высокоскоростной съемки и различных вариантов лазерной подсветки. Результаты экспериментальных исследований газодинамических процессов переноса порошка хорошо согласуются с результатами математического моделирования, что подтверждает физическую адекватность разработанной математической модели. Рекомендованы следующие технологические параметры: ширина щели 250–300 мкм, угол схождения конуса сопла 60°, расстояние от среза сопла до области газопорошковой перетяжки 9–10 мм.
Результаты исследования структуры и свойств выращенных изделий показали, что механические свойства сплава до и после проведения термической обработки находятся на уровне металлического проката: предел прочности в среднем составляет 850–900 МПа, предел текучести – 470–490 МПа, относительное удлинение – 28%. Микроструктура образцов сплава EuTroLoy 16625G.04, полученных методом прямого лазерного выращивания, характеризуется равноосным зерненным строением с выделением вторых фаз (в основном карбидов) по границам зерен, а также является наследственной от металлического порошка, используемого для выращивания. Фрактограммы излома имеют выраженный ямочный характер, свойственный материалам с достаточно высокой пластичностью. Проведенные испытания на малоцикловую усталость показали, что усталостная прочность образцов, выращенных из сплава EuTroLoy 16625G.04 составляет 271 MPa при 2 · 106 циклов, что превышает усталостную прочность отливок из этого сплава.
Результаты проведенных исследований показали, что разработанная технология прямого лазерного выращивания, несмотря на свою технологическую сложность, может заменить используемые ныне технологии, обеспечив многократное повышение производительности и экономию материала. Изделия, изготовленные методом прямого лазерного выращивания, не требуют дополнительного изостатического прессования или термической обработки, что существенно сокращает время их изготовления в сравнении как с SLS/SLM – технологиями, так и с технологиями, основанными на литье и последующей термической и механической обработке.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки Российской Федерации, уникальный идентификатор проекта ПНИЭР – RFMEFI5814X0010.
Литература
1. D. Gu. New metallic materials development by laser additive manufacturing. – Laser Surface Engineering, 2015, p. 163–180.
2. Murr L. E., Gaytan S. M., Ramirez D. A., Martinez E., Hernandez J., Amato K.N. and et al. Metal Fabrication by Additive Manufacturing Using Laser and Electron Beam Melting Technologies. – Journal of Materials Science & Technology, 2012, v. 28, № 1, p. 1–14.
3. Туричин Г.А., Земляков Е.В., Климова О.Г., Бабкин К.Д., Шамрай Ф.А., Колодяжный Д.Ю. Прямое лазерное выращивание – перспективная аддитивная технология для авиадвигателестроения. – Сварка и Диагностика, 2015, № 3, c. 54–57.
4. Dutta B., Palaniswamy S., Choi J., Song L.J., Mazumder J. Additive manufacturing by direct metal deposition. – Advanced Materials&Processing, 2011, v.169 (5), p. 33–36.
5. Santos E.C., Shiomi M., Osakada K., Laoui T. Rapid manufacturing of metal components by laser forming, 2006, v. 46, p. 1459–1468.
6. Kianiana B., Tavassolib S., Larsson T.C. The Role of Additive Manufacturing Technology in Job Creation: An Exploratory Case Study of Suppliers of Additive Manufacturing in Sweden. – Procedia CIRP, 12th Global Conference on Sustainable Manufacturing – Emerging Potentials, 2015, v. 26, p. 93–98.
7. Агеев Р.В., Кондратов Д.В., Маслов Ю.В. Применение аддитивных технологий при проектировании и производстве деталей аэрокосмических объектов. – Полет. Общероссийский научно-технический журнал, 2013, № 6, c. 35–39.
8. Wilson J. M., Piya C., Yung C. Shin, Fu Zhao, Karthik Ramani. Remanufacturing of turbine blades by laser direct deposition with its energy and environmental impact analysis. – Journal of Cleaner Production, 2014, v. 80, № 1, p. 170–178.
9. Дорохов А.Ф., Абачараев М.М. Аддитивные технологии в производстве корабельной энергетики. – Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер. Морская техника и технология, 2015, № 2, c. 42–47.
10. Сафин Д.Ю. Будущее машиностроения России. – Сборник трудов Всеросс. конф. молодых учёных и специалистов. Москва, 28 сентября – 01 октября 2011, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.
11. Olakanmi E.O., Cochrane R.F., Dalgarno K.W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties. – Progress in Materials Science, 2015, v. 74, p. 401–477.
12. SLM Solutions focuses on aviation repair. – Metal Powder Report, 2015, v. 70, № 2, p. 94.
13. Thompsona S.M., Bianc L., Shamsaeia N., Yadollahi A. An overview of Direct Laser Deposition for additive manufacturing; Part I: Transport phenomena, modeling and diagnostics. – Additive Manufacturing, 2015, v. 8, p. 36–62.
14. Turichin G.A., Zemlyakov E.V., Pozdeeva E.Yu., Tuominen J., Vuoristo P. Technological possibilities of laser cladding with the help of powerful fiber lasers. – Metal Science and Heat Treatment, 2012, v. 54, № № 3–4, p. 139–144.
15. Туричин Г.А., Валдайцева Е.А., Поздеева Е.Ю., Земляков Е.В. Влияние аэродинамических сил на перенос порошка к плоской подложке при лазерном напылении, В сборнике: BEAM TECHNOLOGY & LASER APPLICATION Proceedings of the six international scientific and technical conference/Edited by Prof. G. Turichin. – Saint-Petersburg, 2009, с. 42–47.
16. Turichin G.A., Somonov V.V., Klimova O.G. Investigation and modeling of the process of formation of the pad weld and its microstructure during laser cladding by radiation of high power fiber laser. – Applied Mechanics and Materials, v. 682, p.160–165
17. Leyens C., Beyer E. 8 – Innovations in laser cladding and direct laser metal deposition. – Laser Surface Engineering, 2015, p. 181–192.
18. Ocyloka S., Alexeeva E., Manna S., Weisheita A., Wissenbacha K., Kelbassa I. Correlations of Melt Pool Geometry and Process Parameters During Laser Metal Deposition by Coaxial Process Monitoring. – Physics Procedia, 2014, v. 56, p. 228–238.
19. Laser cladding and additive manufacturing: nozzles.: Materials of Fraunhofer Institute Material and Beam technology IWS. – Dresden, 2015.
20. Shuai Li, Qingsong Wei, Yusheng Shi, Zicheng Zhu, Danqing Zhang, Microstructure Characteristics of Inconel 625 Superalloy Manufactured by Selective Laser Melting. – Journal of Materials Science & Technology, 2015, Vol.31, Iss. 9, 2015, p. 946–952.
21. Shamsaei N., Yadollahi A., Bian L., Thompson S.M. An overview of Direct Laser Deposition for additive manufacturing; Part II: Mechanical behavior, process parameter optimization and control. – Additive Manufacturing, 2015, v. 8, p. 12–35.
22. Reed R.C. The Superalloys Fundamentals and Applications. – Cambrige.
Отзывы читателей
