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, %:
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.
