ИСТИНА

Актуальность темы исследования Селективное лазерное плавление (СЛП) – инновационная технология производства изделий сложной геометрической формы посредством избирательного лазерного плавления слоя металлического порошка по CAD-моделям. С помощью СЛП создают как точные металлические детали для работы в составе узлов и агрегатов, так и неразборные конструкции. Данная технология является методом аддитивного производства и использует лазеры высокой мощности для создания трехмерных физических объектов. СЛП успешно заменяет традиционные методы производства, так как свойства изделий, построенных по технологии СЛП, зачастую превосходят свойства изделий, изготовленных по традиционным технологиям, при этом удельная плотность изделий достигает 99,9 %. В настоящее время в аддитивном производстве среди жаропрочных никелевых в основном используют сплавы Inconel 718, Inconel 625, Nimonic 263. Данные сплавы являются зарубежными, соответственно, их использование в отечественной промышленности затруднено, особенно в области авиастроения. Отечественные производители изготавливают, в основном, порошки для аддитивного производства следующих марок жаропрочных никелевых сплавов: ВЖ159, ЖС6У, ВКНА-1В и ЭП648 (ФГУП «ВИАМ»); ПР-08ХН53БМТЮ (аналог зарубежного сплава IN718, АО «Полема»); гранулы ЭП741НП, АЖК и ЖС32 (ОАО «Композит). Такую малую номенклатуру производимых порошковых материалов на никелевой основе для аддитивного производства, а именно для технологии селективного лазерного плавления, производители объясняют сложностью получения порошкового материала заданного состава. Следовательно, с целью расширения применения марок жаропрочных никелевых сплавов для аддитивного производства в отечественной промышленности, необходимо проводить комплексные исследования с разработкой готовых технологических решений и обоснования преимущества их применения в производстве для основных потребителей: авиапромышленности и аэрокосмической отрасли. Одним из широко используемых жаропрочных никелевых сплавов, применяемых в самолетостроении, является деформируемый сплав ХН62ВМЮТ-ВД (ЭП708). Из данного сплава производят изделия с широкой номенклатурой. Применение сплава ЭП708 для изготовления изделий методом селективного лазерного плавления требует полной разработки технологии получения изделий. Оптимизация данной технологии позволит сократить временные и экономические затраты на производство изделий со сложной геометрией. Целью работы является исследование структуры и свойств сплава ЭП708, полученного методом селективного лазерного плавления и разработка технологии производства изделий сложной формы из сплава ЭП708 методом СЛП. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи: – проведение сравнительных структурных исследований и выявление взаимосвязи со свойствами материала образцов сплава ЭП708, полученных методом СЛП, в зависимости от вида термической и термодеформационной обработки; – разработка технологии получения изделий с заданными характеристиками из сплава ЭП708 методом селективного лазерного плавления с использованием моделирования процессов плавления порошкового слоя и коробления изделия. Научная новизна 1. Установлено, что для никелевых сплавов с содержанием углерода 0,3 – 0,5 % вес. в процессе селективного лазерного плавления при скоростях кристаллизации микрообъемов металла порядка 104 К/с, происходит ликвация легирующих элементов, на границы зерен, что приводит к выделению в процессе последующей термической и термодеформационной обработки карбидов типа М23С6 по границам зерен и определяет уровень механических свойств материала. 2. Установлено, что при использовании процесса горячего изостатического прессования для никелевых сплавов типа ЭП708 с содержанием углерода 0,3 – 0,5 % вес., полученных методом СЛП, при нагреве до температур 1140 °С, характерных для термообработки проката, происходит выделение карбидов типа M23C6 в виде пластин, расположенных по границам зерен, что резко снижает уровень механических свойств, и в первую очередь пластичность при повышенных температурах и усталостную выносливость при знакопеременных нагрузках. Для данного типа никелевых сплавов необходимо использовать температуру ГИП, при которой происходит равномерное выделение компактных карбидов типа М6С по всему объему. Для сплава ЭП708 эта температура составляет 1095 °С. 3. Расчетным методом изучены особенности фазовых трансформаций в условиях равновесной и неравновесной кристаллизации для сплава ЭП708. Теоретически обоснован вывод о характере выделения карбидов типа М23С6 и М6С в процессе термообработки сплава ЭП708, полученного методом СЛП, при различных температурах. При температуре 1140 ºС, характерной для термообработки проката из данного сплава, за счет неполного выделения в процессе СЛП карбидов в условиях высоких скоростей кристаллизации, при температуре отжига 1140 ºС происходит выделение карбидов типа М23С6 преимущественно по границам зерен. Чтобы избежать этого, необходимо использовать температуру термической обработки, совмещенной с ГИП, 1075 ºС, при которой происходит равномерное выделение компактных карбидов типа М6С. 4 Экспериментальными методами получены температурные зависимости релаксации напряжений после пластической деформации (в интервале от 600 до 1100 °С), вязкости расплава (от 1370 до 1650 °С), теплопроводности (от 300 до 1000 °С), упругих констант (от 20 до 1100 °С) и теплоемкости (от 100 до 950 °С) для образцов из сплава ЭП708, изготовленных методом селективного лазерного плавления. С использованием полученных данных проведено моделирование процессов плавления порошкового слоя, распределения остаточных напряжений и коробления изделия типа «Элемент камеры сгорания» в процессе СЛП с использованием программы конечно-элементного моделирования ESI Additive Manufacturing (ESI Group). Практическая значимость 1. Установлены параметры технологического процесса селективного лазерного плавления, при которых обеспечивается получение сложнопрофильных изделий из сплава ЭП78 методом селективного лазерного плавления с уровнем остаточной пористости не более 1% при использовании порошка никелевых сплавов с фракцией 40-80 мкм, полученного методом плазменного центробежного распыления. Плотность подводимой к порошковому слою толщиной 60 мкм энергии должна составлять 80-90 Дж/мм3 что соответствует следующим параметрам: мощность лазера: 250 Вт, скорость сканирования: 600 мм/с, расстояние между треками: 80 мкм. При этом необходимо обеспечить повторное переплавление слоя или за счет уменьшения расстояния между траекториями лазера в соседних валиках, или же путем повторного прохода лазера в слое между образованными валиками. При заданных параметрах и последующих обработках (ГИП, термической обработки) достигается уровень механических свойств сплава ЭП708 согласно ТУ 14-1-1018-98. 2. Структура и свойства сплава ЭП708, полученных методом СЛП, существенно зависят от технологических параметров производства изделий. Оптимальными параметрами получения изделий из сплава ЭП708 для фракционного состава исходного порошка от 40 до 80 мкм достигается при использовании следующих параметров: мощность лазера 250 Вт, скорость движения 600 мм/с, расстояние между треками 80 мкм. При заданных параметрах и последующих обработках (ГИП, термической обработки) достигается уровень механических свойств сплава ЭП708 согласно ТУ 14-1-1018-98. 3. Определен оптимальной режим горячего изостатического прессования изделий из сплава ЭП708, полученных методом селективного лазерного плавления: 1075 °С, 2 час, 150 МПа в атмосфере аргона. При данном режиме происходит выделение карбидов компактной формы по всему объёму образца, что приводит к оптимальным механическим свойствам. 4. Создана база данных физических и физико-механических свойств сплава ЭП708, которая позволяет осуществлять численное моделирование процесса плавления порошкового слоя в результате воздействия лазерного луча с определением температурных полей и образования пор (моделирование на микроуровне) и процесса выращивания изделия с определением термических напряжений и коробления в процессе СЛП до и после снятия изделия с платформ построения (моделирование на макроуровне). Адаптирована и опробована в промышленных условиях модель получения изделий типа «Элемент камеры сгорания» методом СЛП с использованием созданной базы данных