Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 15

Выявлена высокая степень соответствия результатовмоделирования и лазерного процесса. Экспериментальные валики имеютвнешний вид, представленный на Рисунке 4.8. Видно, что при совпадениигеометрическихразмеровнаблюдаетсяотличиевформеваликов:смоделированные валики на втором проходе имеют более острую форму.Данное обстоятельство объясняется тем, что модель не учитывает103«налипания» частиц порошка сбоку.

Однако качественное соответствиедостигнуто, и провести расчет термических циклов и геометрическихразмеров валика с помощью данной модели возможно.а) 1-й проход, поперечныйметаллографический шлифб) 1-й проход,смоделированный валикв) 2-й проход, поперечныйметаллографический шлифг) 2-й проход,смоделированный валикРисунок 4.8.Выращивание объекта «стенка», проведенное на режиме №1104а) 1-й проход, поперечныйметаллографический шлифб) 1-й проход,смоделированный валикв) 2-й проход, поперечныйметаллографический шлифг) 2-й проход,смоделированный валикРисунок 4.9.Выращивание объекта «стенка», проведенное на режиме №34.6.3.

Геометрические параметры валиковВ результате моделирования установлены характерные параметрываликов для первого, второго и последующего проходов: ширина, высота иКИП. Геометрические размеры и «поперечные шлифы» валиков, полученныхпо математической модели, представлены в Таблице 15. КИП рассчитывалсякак соотношение массы валика, выращенной за единицу времени, к массепорошка, высыпанного за эту же единицу времени.Как и в экспериментальном процессе, ширина валика изменяетсянезначительно, однако высота валика изменяется не только при изменениискорости, но и от прохода к проходу. Коэффициент использования порошказависит от скорости и от прохода.

Первый проход в данном случае не являетсяпоказателем. Следующие проходы позволяют рассчитать средний КИП,который мало отличается от КИП на втором валике.105Таблица 15.Параметры валиков, нанесенных с различной скоростью процесса,согласно режимам 1, 3 и 51-й проход5 мм/сПараметрываликов попроходам, мм:B1=1,25;H1=1,03;КИП1=0,45;B2=1,46;H2=1,72;КИП2=0,89.7,5 мм/сПараметрываликов попроходам:B1=1,16;H1=0,60;КИП1=0,37;B2=1,24;H2=0,88;КИП2=0,58.10 мм/сПараметрываликов попроходам:B1=1,26;H1=0,53;КИП1=47;B2=1,28;H2=0,70;КИП2=64.2-й проход1064.6.4.

Температурные циклыПрограмма позволяет рассчитать процесс многократного нагрева иохлаждения любой точки металла от всех проходов лазерного луча. Полученытермические циклы точек на оси выращивания для металла Инконель 718 приразличных температурах подложки в процессе. Показано влияние паузымежду проходами на термические циклы. С помощью модельной задачи быланайдена такая скорость процесса и такая длительность паузы после каждогопрохода выращивания, которая обеспечивает необходимую температуруметалла для исключения образования дефектов в закристаллизовавшемсяметалле.Термический цикл процесса без пауз представлен на Рисунок 4.10.Термический цикл процесса с паузами представлен на Рисунок 4.11.Рисунок 4.10.Термический цикл в точке на оси выращивания стенки согласно режиму №1,без паузы107Рисунок 4.11.Термический цикл в точке на оси выращивания стенки согласно режиму №1,с паузой в 1 секундуРисунок 4.12.Термический цикл в точке на оси выращивания стенки согласно режиму №2,с паузой в 1 секунду108Из графиков видно, что в течение 2 секунд после прохождения лазерноголуча металл успевает остыть до температуры ниже 600 ºС.

Время пребыванияпри температуре активного окисления в данном случае составляет не более 1.2секунды.При введении паузы продолжительностью в 1 секунду, времяпребывания при температуре выше 600 ºС составляет уже менее 1 секунды.В случае предварительного подогрева подложки процесс охлаждениязамедлен. Время пребывания металла при температуре выше 600 ºС составляетболее 2 секунд в случае выращивания без паузы, и более График позволяетустановить требуемую длительность паузы, необходимую чтобы металл послеповторного прохода находился при температуре выше 600 ºС не дольше 1секунды даже при самой малой из указанных скоростей: 5 мм/с.Поскольку в случае с предварительным подогревом, температура падаетмедленнее, чем увеличивается время паузы, то необходим итерационныйрасчет длительности паузы.

Расчетная модель позволяет построить сериюэкспериментов в достаточно быстрое время, при этом внося минимальныекоррективы в начальные условия задачи. Алгоритм расчета паузы в данномметоде выглядит следующим образом:1. Берем рассчитанный теоретически режим обработки.2. Вводим параметры в программу моделирования3.

Строим термические циклы по результатам расчета4. Оцениваем необходимую длительность паузы для охлажденияметалла между проходами графическим методом5. Вносим скорректированный режим в расчетную модель6. Строим термические циклы по результатам скорректированногорасчета.109Выводы по главе 4В результате проведенного расчета установлен ряд зависимостей.Установлена взаимосвязь размеров валиков и скорости процесса, а также ихзависимость от температуры предварительного подогрева подложки.1. Геометрические параметры выращенных объектов.Наразработанноймоделибылипроведенытестовыерасчетывыращивания одиночных валиков и их совмещения при многопроходномпроцессе.

Получены геометрические размеры валиков в зависимости отпараметров процесса, совпадающие с данными эксперимента.2.Минимальная допустимая пауза между проходами в зависимостиот скорости процесса.Установлено, что при выращивании без предварительного подогрева исоздании паузы между проходами, составляющей 2 секунды для стенкиразмером 20 мм, время пребывания металла при температуре активногоокисления составит менее 1 секунды, и не вызовет значительного окисленияметаллавыращенногообъекта.Введениеподогреваувеличиваетнеобходимую паузу до 5 секунд.

Это значит, что металл не испытаетзначительного окисления в процессе выращивания и не накопит дефектов.3.Установлены оптимальные режимы выращивания объектов типа«стенка», позволяющие получить в будущем технологическом процессетребуемые геометрические размеры без дефектов и скоплений напряжений.110Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫРАЩИВАНИЯ СЗАДАННЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ5.1. Постановка задачиПроизводство турбинных колес для газотурбинных двигателей являетсясложным и дорогостоящим технологическим процессом.

Стандартнаятехнология - литье под давлением, является трудоемкой и длительной.Производство одного литейного комплекта при современном уровнетехнологий достигает не менее 1-2 недель и требует целого рядатехнологическихопераций,выполняемыхна различныхучасткахиустановках. Стоимость таких колес недопустимо высока, особенно длямелкосерийного производства. Кроме стоимости существует другая проблема:высокая доля брака в производстве заготовок данным методом.

Она достигаетдля турбинных колес 30-40%.Рассматриваемая деталь – диск компрессора газотурбинного двигателяМГТД-250. Двигатель используется в малой авиации, в оснащениибеспилотных летательных аппаратов. Работает при температурах до 800градусов Цельсия, испытывая нагрузки от вращения до 55000 оборотов вминуту. Высокая стоимость и малый ресурс детали снижают эффективностьпроизводства данного типа агрегатов и повышают стоимость целого классаперспективных и необходимых для авиации летательных аппаратов.Полученныевработеэкспериментальныеданныепозволяютпредположить повышение свойств готовой детали, полученной новойтехнологией. В качестве опытной детали принята деталь «Диск», являющаясяответственной в конструкции малоразмерного газотурбинного двигателя,устанавливаемого на учебных и беспилотных летательных аппаратах.Внешний вид диска представлен на Рисунке 5.1. Условия работы дискапредставлены в Таблице 16.

Действующая технология производства данногоузла – литье под давлением, – является дорогостоящей, и не позволяет111применять ее для малой серийности выпускаемых изделий. Разрабатываемаятехнология, помимо снижения стоимости, должна повысить параметрыизделия, а именно – мощность газотурбинного двигателя за счет болеевысоких параметров прочности материала. Параметры конечного изделия, вкотором установлена деталь, представлены в Таблице 17.Рисунок 5.1.Колесо газотурбинного двигателяТаблица 16.Условия работы деталиПараметрЕд. измеренияЗначениеЧастота оборотовОб/мин55000Температура работыГрадусы Цельсия800Износ-абразивный112Таблица 17.Характеристики двигателя МГТД-250НаименованиеРазработчикСтадия разработкиМощность, л.с.Удельный расходтоплива, кг/л.с.•чЧасовой расход топлива, кгМасса двигателя, кгМежремонтный ресурс, часНазначенный ресурс, часСтоимость серийногообразца, млн руб.МГТД-250ЦИАМЭскизныйпроект3600,3133,5452 5007 5001,3Основными критериями при создании перспективных двигателейявляются стоимость эксплуатации, назначенный межремонтный ресурс итопливная эффективность, которые в совокупности определяют расходы налетный час.

Проведенные расчеты показали, что для двигателей такого классастоимость летного часа должна быть не более 500 рублей за час полета (безучета стоимости ГСМ), технический ресурс должен составить не менее 8000часов. При таких показателях стоимость жизненного цикла составит около 3,2млн рублей.5.2.

Описание материалаНикелевый суперсплав Inconel 718 (российский аналог ХН45МВТЮБРГОСТ 5632) - жаропрочный сплав, проявляющий отличную комбинациюсвойств, включающую хорошую коррозионную стойкость и стойкость кгорячему окислению, хорошую высокотемпературную прочность (до 650градусов С), высокие значения предела ползучести и прочности, так же как ивысокую свариваемость.

Указанные свойства достигаются благодаря высокоймикроструктурнойстабильностииустойчивостикусталостному113растрескиванию при температурах до 650 ºС. [60..62]. Наиболее важныймеханизм упрочнения – упрочнение при старении, которое возникаетблагодаря наноразмерным тетрагональным ОЦК частицамγ''-фазы: γ''-Ni3Nb иГЦК частицамγ'-фазы:γ'-Ni3(Ti,Al). Между тем, наиболее важный элемент всплаве – ниобий. Он принимает участие в упрочении, как в γ'' фазе, так и в γ'фазе. Степень упрочнения зависит от размера и объема доли двухкомпонентов.Технологичностьсплаваопределяетсяегомеханическойобрабатываемостью и свариваемостью.