Москва, Россия
УДК 621.791.9 Процессы, родственные сварке
Представлены основные возможности получения новых композиционных материалов. Благодаря высокой динамике термодеформационных процессов в расплавленной ванне тонкого слоя выращиваемой детали получаем новую структуру материала из несмешиваемых компонентов. Другим направлением получения нового композиционного материала в процессе выращивания является армирование матрицы высокопрочными элементами, которые могут присутствовать, в том числе в виде твердой фазы при расплавлении и кристаллизации материала. Это позволяет спрогнозировать заранее новые качественные свойства выращенной детали – повышение прочности, снижения массы и др. Получает развитие аддитивная технология выращивание деталей и изделий из вольфрама, молибдена, тантала, ниобия и других тугоплавких металлов, плохо обрабатываемых механическими методами. При этом применяется подогрев в процессе выращивания. Успешное применение аддитивных технологий используют в медицине при изготовлении имплантов из молибдена, тантала и их сплавов, обладающих высокой биосовместимостью и отсутствием токсичности. Возникает возможность изготовления импланта, выращенного по конкретной модели для данного индивидуума. Основными направлениями развития аддитивного производства являются создание более производительных комплексов и расширение номенклатуры используемых порошков конструкционных материалов с возможностью формирования новых композиционных материалов в процессе выращивания.
порошки, металлы, интерметаллиды, керамика, композиционный материал, аддитивная технология, селективное плавление
На кафедре «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана и в «Московском центре лазерных технологий» выполняются исследования по основным технологиям аддитивного производства: селективное лазерное плавление (СЛП), в котором лазерный луч расплавляет нанесенный тонкий слой металлического порошка, и коаксиальное лазерное плавление с подачей металлического порошка соосно лазерному лучу. Наряду с технологическими исследованиями выполняются опытно-конструкторские разработки и
выпуск оборудования для аддитивного производства [1].
Большое внимание в научных разработках уделяется изучению термодеформационных процессов при расплавлении и кристаллизации, управляя которыми можно получать
новые свойства материалов в процессе выращивания [2].
Благодаря смешиванию различных порошков во время технологического процесса расплавления удается получать сложные композиции с уникальными эксплуатационными свойствами. Особенность заключается в том, что при лазерном выращивании в процессе аддитивного производства, вследствие высокой динамики термодеформационных процессов в расплаве не успевает произойти диффузионное перераспределение элементов, и образуется микростуктура нового типа, обеспечивающая уникальные свойства изделия. Изменение состава и структуры в процессе выращивания позволяет создавать в результате аддитивного производства изделия из инновационного композиционного материала, который в условиях металлургических процессов невозможно получить вследствие отсутствия их смешивания и взаимного растворения в расплавленном состоянии. Разработка этих методов аддитивного производства предусматривает целый комплекс исследований технологических процессов, цифрового металловедения, программного обеспечения и разработки специального оборудования. Этот сложный комплекс исследований и аддитивного производства деталей и изделий сопровождается компьютерной топологической оптимизацией, обеспечивающей высокий практический результат.
В настоящее время выполнено большое количество теоретических и практических разработок, включая использование аддитивных технологий в промышленном производстве сложных и ответственных изделий [3]. Наиболее глубоко проработана технология селективного лазерного плавления основных конструкционных материалов, таких как нержавеющие и инструментальные стали, никелевые, алюминиевые, титановые и медные сплавы.
Выполнены исследования по компьютерному анализу высокодинамичных процессов нагрева и охлаждения ванны плавления. Установлен высокий градиент распределения температур в ванне плавления, достигающей порядка 104 ℃/мм и высокая скорость охлаждения при кристаллизации. Благодаря этому формируется мелкозернистая структура и повышается ее химическая однородность. Вследствие этого формируются новые свойства изделия, отличающие от процессов литья, ковки, штамповки, горячей прокатки и других процессов горячей обработки.
Значительные результаты получены при выращивании изделий из порошковых материалов на основе железа Fe. Наиболее распространены порошки из аустенитных и мартенситных сталей с содержанием хрома более
15 %. При оптимизации условий выращивания получены качественные результаты без образования трещин, пор и других дефектов структуры, характеризующиеся высокой прочностью и пластичностью, и обеспечивающие коррозийную стойкость.
Для снижения склонности к образованию трещин при выращивании изделий из порошков на основе никеля разработан процесс с подогревом подложки до высоких температур ниже 700 ℃.
Высокие показатели получены при выращивании изделий из кобальтовых сплавов с использованием в качестве упрочнителей карбидов. Это обеспечивает получение композиционных материалов с высоким сопротивлением ударно-абразивному и высокотемпературному износу в коррозийной среде [3].
При изготовлении теплообменников аддитивными технологиями используют порошки на основе медных сплавов, обеспечивающих хорошие антифрикционные и высокие антикоррозийные свойства [4, 5].
Практический интерес представляет более сложная технология выращивания изделий, которые состоят из слоев различного состава. Необходимо получить высококачественные соединения при отсутствии дефектов в контактных участках на стыке разнородных слоев. В качестве примера представлено получение режущего или штампового инструмента с повышенным теплоотводом за счет контакта слоев инструментальной стали и меди при выращивании детали. Прямая наплавка меди на сталь приводит к снижению прочности и износостойкости из-за диффузии меди к границам аустенитного зерна стали. Использование промежуточного слоя из сплава на никелевой основе между инструментальной сталью и медью обеспечивает высокое качество переходных зон, что позволяет получить композиционный материал инструментальная сталь – медь с высокими служебными характеристиками [3].
Наиболее широко используют в аддитивных лазерных технологиях выращивание деталей и изделий из алюминиевых сплавов. Высокое качество обеспечивает применение порошкового материала из отечественного сплава Ak9ч, который является аналогом зарубежного сплава AlSi10Mg. Однако этот порошок, как и другие на основе алюминиевых сплавов, обладает низкой сыпучестью, что препятствует нанесению тонкого слоя порошка. Следует отметить, что алюминиевые сплавы обладают высокой химической активностью. Поэтому процесс выращивания требует тщательной защиты поверхности расплавленного материала, что хорошо обеспечивается осуществлением процесса в камере с аргоном в качестве защитного газа.
Детали и узлы, полученные выращиванием из порошка Ak9ч, показывают высокие свойства. В значительной степени это достигается высокими механическими характеристиками материала, обеспечивающими мелкозернистой структурой благодаря высоким скоростям кристаллизации расплава.
На рис. 1, а представлена характерная микроструктура алюминиевого сплава, полученная выращиванием образцов из порошков сплава Ak9ч в сопоставлении со структурой материала, полученного литейной технологией (рис. 1, б) [3]. В результате выращивания образуется мелкозернистая структура алюминия, ячейки которого окружены эвтектикой с фазой силициума Si, тогда как в структуре литого материала крупные частицы эвтектики силициума располагаются между дендритами алюминия. Благодаря этому материал, полученный выращиванием, обладает более высокими механическими свойствами по сравнению с литым материалом.
Для повышения механических свойств предложено армирование алюминиевой основы в процессе выращивания твердыми частицами карбида титана TiC, в результате чего получается новый композиционный материал с повышенной прочностью.
Проведенные испытания композиционных образцов, выращенных из порошковой смеси AK9ч и колотых частиц TiC с размером 1…10 мкм и содержанием в
1, 3, 5, 7 % масс. показывает, что концентрация TiC до 5 % практически не влияет на увеличение пористости, а при дальнейшем увеличении содержания TiC количество пор возрастает. Оптимальная концентрация TiC (5 %) обеспечивает увеличение предела прочности на 15…20 % по сравнению с матрицей. В дальнейшем при использовании армирующих элементов с более скругленной формой следует ожидать получения еще большей результативности за счет снижения концентрации напряжений в острых углах колотых частиц. Микроструктура выращенных образцов является мелкозернистой, в том числе измельчение зерна происходит также вокруг частиц карбида титана, что связано в первую очередь с высокими скоростями охлаждения при лазерном выращивании.
Большой интерес представляет использование композиций из несмешиваемых материалов. Порошки из стали и карбида титана при их совместном расплавлении и охлаждении со скоростями порядка десятков и сотен градусов в секунду образуют границу раздела между этими двумя материалами, т. е. не удается получить единую структуру. Однако при существенно более высоких скоростях охлаждения удается получить единую структуру сплавленного материала. Именно этот эффект является основой для получения нового композиционного материала при лазерном выращивании смеси порошков стали и карбида титана. В качестве металлической матрицы использована сталь 14ХН3МА (повышенная износостойкость, повышенная усталочная прочность), в качестве фазы упрочнителя – карбид титана TiС (низкая плотность, высокая твердость, повышенная термическая стабильность, стойкость против окисления). Результаты испытаний представлены в табл. 1 для случая содержания TiС в материале порядка
50 %, что обеспечило снижение массы детали почти на 20 % при увеличении механических свойств.
Создаваемая композиция при выращивании материала из смеси порошков стали и карбида титана TiC не уступает по прочности исходной стали, но обеспечивает значительное снижение массы композиционного материала, что является актуальной задачей при изготовлении деталей летательных аппаратов (рис. 2).
Интересные результаты получены с использованием порошков TiC в сочетании с порошками никелевых сплавов [7]. Применение высокотемпературного подогрева до температуры 900 ℃ в сочетании с оптимизацией технологических параметров выращивания позволяет получить Ni-WC покрытия с высоким содержанием карбида вольфрама до
35%, что обеспечивает высокую жаростойкость, коррозийную стойкость и износостойкость.
Большую практическую перспективу представляет использование аддитивной
технологий для выращивания деталей и изделий из вольфрама, молибдена, тантала, ниобия и других тугоплавких материалов, которые плохо обрабатываются механическими
методами. Высокие показатели прочности получены при выращивании образцов
из молибденовых сплавов, превышающие
на 20…25 % значения, полученные
вакуумной электронно-лучевой и вакуумной электродуговой плавкой [6].
Особое значение имеет изготовление имплантов в медицине из молибдена, титана и их сплавов, обладающих высокой биосовместимостью и отсутствием токсичности. В связи с этим возрастает значимость изготовления индивидуальных для каждого случая имплантов, выращиваемых по конкретной модели для каждого индивидуума.
Развитие аддитивного производства наряду с изготовлением более производительных комплексов ориентируется на дальнейшие технологические разработки для выращивания изделий из широкого круга порошков конструкционных материалов, где особое место занимают возможности формирования новых композиционных материалов в процессе выращивания.
1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учебное пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2006. 664 с.
2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И., Третьяков Р.С. Лазерные аддитивные технологии в машиностроении: Учебное пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2018. 278 с.
3. Аддитивные технологии в производстве металлических конструкций: учебник / Щербаков А.В., Гапонова Д.А., Слива А.П. и др.; под ред. А.Г. Григорьянца, В.К. Драгунова. М.:Изд. МЭИ. 2022. 676 с.
4. Kaden L., Matthaus G., Ullsperger T., Seyfarth B. Nolte Selective laser melting of cooper using ultrashort laser pulses // Applied Phusics A. 2017. Vol.123. № 9. Pp. 1–6.
5. Григорьянц А.Г., Колчанов Д.С., Дренин А.А., Денежкин А.О. Влияние основных параметров процесса селективного лазерного плавления на стабильность формирования единичных дорожек на выращивания изделий из медных сплавов // Известия вузов. Машиностроение. 2019. № 6 (711). С. 20–28.
6. The Microstructure and Gracking Behaviors of Pure Molybdenum Fabricated by Selective Laser Metting / Yan[etal]. Materials, 2022.15 p.
7. Александрова А.А., Базалеева К.О., Григорьянц А.Г. Прямое лазерное выращивание композиционного материала инконель 625/TiC: влияние структурного состояния исходного порошка // Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 5. С. 498–504.
