Автореферат (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов)

На правах рукописиУДК 621.375.826Ставертий Антон ЯковлевичРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫРАЩИВАНИЯОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ КОАКСИАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВСпециальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической ифизико-технической обработкиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в Московском государственном техническом университетеимени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)Научный руководитель:Григорьянц Александр Григорьевичдоктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты:Овчинников Виктор Васильевичдоктор технических наук, профессорФГБОУ ВО «Московскийполитехнический университет»Самарин Петр Евгеньевичкандидат технических наукОАО НТО «ИРЭ-Полюс», г.

ФрязиноВедущая организация:ОАО «Национальный ИнститутАвиационных Технологий»г. МоскваЗащита диссертации состоится « __ » ___________ 2017 г.на заседании диссертационного совета Д 212.141.06 в Московскомгосударственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу:105005, Москва, 2–я Бауманская ул., д. 5.Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью,просим направлять по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогогосударственного технического университета имени Н.Э. Баумана и на сайтеwww.bmstu.ruТелефон для справок 8 (499) 267–09–63.Автореферат разослан « __ » ___________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета д.т.н., доцентМихайлов В.П.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьСоздание сложных деталей для авиационного машиностроения является внастоящее время дорогостоящим по двум причинам: высокой стоимости итрудоемкости технологических процессов, а также из-за высокой стоимостиматериалов и низкой эффективности их использования.Активно развивающиеся в последние годы аддитивные технологиинаправлены, во-первых, на уменьшение числа операций по производству деталейот компьютерной модели до готового изделия, а во-вторых, на экономиюматериала, затраченного на такое производство.Лазерные аддитивные технологии направлены на выращивание деталейсложной формы из специальных материалов, трудно обрабатываемыхтрадиционными методами.

Внедрение таких технологических процессов впроизводство – сложная задача, требующая опытных данных на всех этапахпроизводства для каждого конкретного материала. Исследуемый материал –жаропрочный никелевый сплав, Инконель 718, является перспективным благодаряуникальному набору свойств прочности и пластичности при повышенныхтемпературах до 800 ºС.В настоящий момент широкое развитие получила малая авиация:беспилотные и учебные аппараты. Их развитие затруднено из-за высокойстоимости создания двигателей малой мощности и серийности.

Традиционныетехнологии производства: центробежное литье с последующей механическойобработкой, направленные на крупную серийность, приводят на малой сериидеталей к очень высокой стоимости единицы продукции. Кроме того, внедрениетаких новых деталей занимает длительное время.В отличие от технологий центробежного литья, прямое лазерноевыращивание позволяет получать детали без создания промежуточной оснастки. Вотличие от методов механической обработки, прямое лазерное нанесение являетсяаддитивным методом формирования детали не путем удаления материала (точение,фрезерование) или изменения формы (ковка, штамповка), а постепеннымнаращиванием (добавлением) материала.

Процесс заключается в нанесении слояматериала путем расплавления основы и присадочного порошкового материалалазерным лучом. Метод позволяет изготавливать по компьютерной модели изделияс геометрией, близкой к заданной, что сокращает потери материала примеханической обработке. Технология может снизить время изготовления исебестоимость детали при мелкосерийном производстве за счет отсутствия стадиисоздания пресс–штампа или литейной формы. Данное преимущество особенноценно при создании опытных изделий машиностроения. Таким образом,разработка технологии получения детали из порошкового материала методомпрямого лазерного выращивания является актуальной научно–техническойзадачей.Цель работы - разработка технологии и исследование процесса прямоголазерного изготовления объектов из никелевого сплава Инконель 718.Для достижения указанной цели решены следующие задачи:11.

Спроектирован и запущен комплекс для выращивания объектов методомкоаксиальной лазерной обработки порошкового материала.2. Проведен численный расчет взаимодействия газопорошкового потока слазерным излучением.3. Проведен численный расчет многопроходного процесса выращиваниястенок из исследуемого порошкового материала.4. Разработана стратегия выращивания объектов из материала с учетомтехнологических особенностей и требований.5. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования влияниятермических циклов многопроходной лазерной обработки на геометрические итехнологические свойства выращенных объектов.6.

Разработана система управления комплексом, обеспечивающаяуправление такими параметрами процесса, как пауза между проходами, диаметрпятна, расход сопутствующего газа.7. Проведены экспериментальные исследования для выявления особенностейформирования объектов при изменении основных технологических параметровпроцесса.8. Для выращенных согласно технологии объектов проведены испытания напрочность.Научная новизна работы:1.Разработанафизико-математическаямодельмногопроходноговыращивания объектов, учитывающая взаимодействия лазерного излучения ичастиц порошка. С помощью данной модели проведен расчет будущихгеометрических размеров объекта и эффективности использования материала впроцессе выращивания. Разработана методика модельного расчета необходимойпаузы в процессе выращивания, обеспечивающей минимальное температурноевоздействие на нижние слои обработанного металла.2.

Разработана методика разбиения геометрических объектов наэлементарные объемы с целью их сопряжения и бездефектного выращивания спомощью высококонцентрированного лазерного излучения, основанная на данныхматематического моделирования процесса. Установлено, что с помощьюпятиосевой кинематической системы возможно вырастить сложный объект,представляя его набором элементарных объектов с постоянной плоскостьювыращивания.Практическая значимость работы заключается в следующем:1. Создан первый в России самостоятельный технологический комплекс длявыращивания деталей сложной формы методом коаксиальной обработкипорошковых материалов.

Комплекс включает отечественную систему управления,и способен выращивать объекты из различных, в том числе и российских,порошковых материалов, с размером фракции от 20 до 150 мкм.2. На базе разработанного оборудования и программного обеспеченияразработана лазерная технология аддитивного изготовления деталей изжаропрочного никелевого сплава Инконель 718 по данным трехмернойкомпьютерной модели. Получены опытные объекты различной формы из2материала, от тонкостенных до полнотелых. Прочность материала не уступаетобразцам, полученным традиционными методами.3.

Подтверждена возможность выращивания объектов из жаропрочногоникелевого сплава Инконель 718 без применения защитной камеры. Длительнаяпрочность объектов после стандартной термообработки составила 1200-1400 МПадля образцов, нагруженных поперек направления выращивания объектов, и более950 МПА для образцов, нагруженных вдоль направления выращивания.Методы исследованияЭксперименты проводились в лаборатории МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Прямоелазерное выращивание объектов производилось на разработанной российскойустановке, запатентованной в ФИПС (Патент РФ №168271 от 25.01.2017 г.),оборудованной волоконным лазером с максимальной мощностью 3 кВт,пятиосевой системой перемещения и системой подачи порошка.Гранулометрический анализ порошкового материала осуществлялся назаводе-изготовителе материала, фирме Pratt&Whitney.

Поперечные шлифыполученных образцов сфотографированы на оптическом микроскопеOlympus ZS-61.Съемка газодинамики порошкового материала проводилась навысокоскоростную CMOS-камеру производства Fastvideo LAB, с оригинальнымпрограммным обеспечением для анализа изображений. Измерения распределениялазерного излучения проводились на приборе Prometec UFF100. Численный расчетдинамики частиц в поле действия лазерного излучения, а также расчетмногопроходного процесса выращивания стенок из исследуемого порошковогоматериала выполнялся на базе программного пакета Fluent (ANSYS Inc.).Испытания кратковременной прочности образцов проведены виспытательной лаборатории ИЛ КПСД ФГУП «ЦИАМ им.

П.И. Баранова»,аттестованной и аккредитованной АВИАРЕГИСТРОМ МАК и Федеральнымагентством по техническому регулированию и метрологии РФ.Достоверностьполученныхрезультатовобеспеченакорректнымиспользованием общих положений фундаментальных наук (уравнения балансаэнергии, массопереноса и теплопереноса и т.д.), проверена по известнымкритериям изучаемых процессов и подтверждена экспериментальными данными.Апробация работыРезультаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры«Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им.