Аддитивные технологии спекания металлических порошков

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СПЕКАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

При лазерном переплаве порошков можно вырастить заготовку с однородной мелкозернистой структурой, получение которой при традиционных технологиях литья невозможно. Представлена отечественная установка для аддитивных технологий спекания различных материалов.

Установка базируется на мощном (до 2,5 кВт) волноводном СО2-лазере, обеспечивающем уникальное по однородности распределение плотности мощности излучения на мишени. Приведены результаты спекания жаропрочных сплавов на никелевой основе марок BKHA-1BP, ВЖЛ 12У и ВЖ159. Порошки разработаны для создания сложно-профильных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) методом послойного лазерного сплавления и для ремонта сложно-профильных деталей ГТД методом лазерной газопорошковой наплавки.

ВВЕДЕНИЕ

Активное развитие технологии лазерного синтеза объемных изделий стало особенно заметным в последние годы. Эта технология обладает рядом существенных преимуществ, одно из которых - сокращение сроков проектирования и создания макетов новой техники. Эти технологии могут быть востребованы металлургической, авиакосмической, автомобильной и другими отраслями промышленности.

Экспериментальные исследования подтверждают перспективность использования метода послойного селективного лазерного спекания (СЛС) объемных изделий из порошков. В опреде­ лении метода под селективностью понимается возможность    сканирования лазерным лучом свободной поверхности порошкового материала по заданному контуру с учетом дозировки лазерного   излучения в каждой точке, либо непосредственная подача   порошкового материала в зону действия лазерного луча (рис.1-3). Благодаря широкому выбору порошковых материалов можно изготавливать изделия, имеющие высокие эксплуатационные свойства.

Технологии СЛС активно развиваются в последние   годы в технологически    развитых    странах. Несмотря   на   накопленный    значительный    опыт теоретических и экспериментальных    исследований, в России   практически отсутствует серийное производство промышленного оборудования в области СЛС. Стоимость единицы приобретаемого зарубежного оборудования превышает 800 тыс. евро. Селективное лазерное спекание порошков позволяет изготавливать изделия из, достаточно, широкого спектра материалов (металлы, керамика, порошкообразные пластики и др.).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Целью исследований стало изучение возможностей выращивания заготовок с однородной мел­ ко-зернистой структурой при лазерном переплаве металлических порошков из жаропрочных сплавов на никелевой основе, разработанных для изготовления сложно-профильных деталей методом послойного лазерного сплавления. В эксперименте была проведена наплавка материалов из порошков BKHA-1BP, ВЖЛ 12У и ВЖ 159. Они имеют следующий химический состав, %:

  • ВКНА 1BP основа Ni; Al: 8-9; Cr: 5-6; Hf: 0,4-0,6; Мс: 2,5- 4,5; Ti: 1-2; W: 2-4; Si: s 0,4; Fe: s0,5;
  • ВЖЛ 12У основа Ni; Со: 5-14,5; Cr: 9-10; Al: 5,1- 5,7; Ti: 4,2-4,7; L1 0: 2,7-3,4; V: 0,5-1; Nь: 0,5-1; W: 1-1,8;
  • ВЖ 159 Основа Ni; Al: 1,25-1,55; Мо: 7-8; Nь: 2,5-3,5; Si: s 0,8; В: s0,005; Fe: s3,0; Р: s 0,013; Mn: s 0,5; Mg: s0,03.

Эти порошки предназначены для изготовления сложнопрофильных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) методом послойного лазерного сплавления и для ремонта сложнопрофильных деталей ГТД методом лазерной газопорошковой наплавки. По мнению специалистов ВИАМ, при лазерном переплаве разработанных порошков можно вырастить заготовку с однородной мелко­-зернистой структурой, получение которой традиционными технологиям и литья невозможно.

Анализ макрошлифов показывает, что на указанных режимах (рис.6) наблюдается удовлет­ ворительное формирование отдельных наплавленных валиков. В качестве примера на рис.7. представлены поперечные сечения валиков, полученных при переплаве порошка ВКНА -1ВР. С увеличением скорости наплавки уменьшается ширина и высота наплавленных валиков, глубина подплавления основы растет, а протяженность зоны термического влияния (ЗТВ) уменьшается.

Второй и каждый последующий наплавленный валик формируются за счет перемешивания расплавленного   металла   предыдущего слоя с металлом, полученным при плавлении порошка. Поэтому по мере увеличения количества валиков их химически й состав стабилизируется. Для лазерной наплавки выравнивание состава происходит после выполнения 3-5 слоев. Исходя из этих соображений, анализ микроструктуры проводили, изучая структуру из трех валиков.

В литом наплавленном металле наблюдается ячеистая или ячеисто-дендритная транскристал­ литная структура (рис.8). Рост кристаллов происходит в направлении от подложки к поверхности. В микроструктуре литого металла многопроходного слоя не наблюдается существенных отличий от единичного валика.

Рост твердой фазы начинается от оплавленных элементов структуры предыдущего наплавлен ­ ного слоя. На линии сплавления между отдельными наплавленными валиками наблюдается рост твердой фазы от оплавившихся элементов первичной структуры, что говорит об установлении прочной металлической связи между наплавленным металлом предыдущего и последующего валиков. При соблюдении оптимальных режимов в многослойных наплавках не наблюдается сни­ жения травимости зон сплавления последующего и предыдущего наплавленных валиков. Кроме того, в месте контакта наплавленных валиков микротвердость не изменяется (рис.9). Это свидетельствует о том, что в зоне термического влияния последующего валика диффузионные процессы не успевают развиваться из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения при лазерном воздействии.

С увеличением скорости наплавки происходит измельчение элементов первичной  структуры и появление ячеистых дендритов  (рис.10).

Это свидетельствует о возрастании термоконцентрационного переохлаждения, что полностью согласуется    с   современными    представлениями о формировании   первичной   структуры в неравновесных условиях. Анализ литой структуры позволяет предположить повышение структурно-чувствительных свойств с ростом скорости наплавки, что связано с измельчением и "дендритизацией" первичной структуры.

Из-за уменьшения расхода порошка вызывает некоторое    укрупнение    первичной     структуры и отклонение ее от ячеистого строения в сторону ячеистых дендритов (рис.11). Значительного порообразования на металлографических   шлифах не наблюдается.  Первичная структура наплавленного металла имеет ячеисто-дендритное строение.

Исследование структуры металла, полученного переплавом порошка ВЖЛ 12У, и анализ макро- шлифов наплавленных валиков показывает, что, так же, как и при использовании порошка ВКНА 1ВР, наплавленные образцы имеют три ярко выраженные зоны. С увеличением скорости наплавки уменьшается ширина и высота наплавленных валиков, а глубина подплавления основы растет. При наплавке единичного валика на подложку наблюдается укрупнение структуры в ЗТВ. С увеличением скорости наплавки протяженность ЗТВ уменьшается.

Исследование структуры металла, полученного переплавом порошка ВЖ 159, показало следу­ ющее. При изменении скорости наплавки порошком ВЖ 159 наблюдаются те же тенденции, что и при использовании порошков ВКНА 1ВР и ВЖЛ 12У. Точно так же наплавленные образцы имеют три ярко выраженные зоны: литую зону, металл, подвергшийся    термическому           влиянию (ЗТВ), и основной металл, не испытавший теплового воздействия. С повышением скорости наплавки уменьшается ширина и   высота   наплавленных валиков, а глубина подплавления основы растет. При наплавке единичного валика на подложку наблюдается укрупнение структуры в ЗТВ, а с увеличением скорости наплавки протяженность ЗТВ уменьшается.

 ВЫВОДЫ

Таким образом, при лазерном переплаве порошков из жаропрочных сплавов на никелевой основе марок ВКНА -1ВР, ВЖЛ 12У и ВЖ 159 образуется прочноплотная структура, строение которой позволят прогнозировать высокие структурно-чувствительные свойства. В литом металле отсутствуют поры и трещино-подобные дефекты. В микроструктуре литого металла многопроходного слоя нет существенных отличий по сравнению с единичным валиком.

В распределении микротвердости по толщине наплавленного валика в ЗТВ наблюдается провал пластичности.  Это может свидетельствовать о сравнительно мощном термическом воздействии на подложку в процессе наплавки, что следует учитывать при назначении режимов лазерной обработки в случае выращивания объемной детали. Поэтому в дальнейшем необходимо про­ вести исследования для уточнения параметров лазерного излучения. При выборе режима наплавки в будущем следует провести оптимизацию параметров процесса лазерной наплавки, так как наблюдается некоторое противоречие между объемом наплавленного металла, а следовательно, и производительностью процесса, и предполагаемыми свойствами литого металла.

 

 

Вернуться к списку