Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 16

Сплав является высоколегированными имеет ряд превращений в процессе кристаллизации и повторных нагревов.Наиболее частые дефекты при обработке сплава – образование горячихтрещин в ОШЗ. Их возникновение объясняется вытеснением легкоплавкихсоставляющих элементов из сплава к границам зерен. Растягивающиенапряжения, возникающие при их охлаждении, вызывают микронадрыв полиниисплавления. Дляснижениявероятностиобразованиятрещиннеобходимо снижать время пребывания сплава при высоких температурах впроцессе кристаллизации.Никелевые жаропрочные сплавы наиболее часто разрушаются попричинеобразованиягорячихтрещин.Вызваныонивыделениемлегкоплавких элементов по границам зерен в третьем интервале хрупкости, винтервале температур от 1200 до 800 ºС.

В результате сплав проявляеткатастрофически низкую пластичность в интервале температур 700..800градусов С.Согласно [63], боридная эвтектика предотвращает образование горячихтрещин благодаря увеличению жидкой фазы на последней стадиикристаллизации металла. Это снижает трудности скольжения вдоль границ иконцентрацию напряжений в точках контакта трех зерен, согласно механизмуЗинера. Жидкий металл перемещается из промежутков между сходящимисякристаллитамииперетекаетвпромежутокмеждурасходящимися114кристаллитами.

Таким образом, чем больше жидкого металла в твердожидкомсостоянии, и, кроме того, чем больше он перемещается в междендритномпространстве, тем ниже вероятность появления трещин.С одной стороны, если в сплаве присутствует высокое содержаниениобия, возникает вероятность образования фазы Лавеса, типа (Ni, Cr, Fe)2(Nb,Mo, W). Кроме химического состава сплава, на склонность к образованиютрещин в околошовной зоне (возле выращенного валика), определяетсяметодом производства материала: чистотой его от таких примесей, каккислород, азот и неметаллические включения.

Так, выделения нитридов икарбонитридов по границам зерен приводят к повышению вероятноститрещинообразования.С другой стороны, тот же элемент ниобий повышает жаропрочностьсплава. В используемом материале содержится 5,02% ниобия.По результатам литературных данных установлено, что исследуемыйсплав имеет широкие перспективы для лазерной обработки: высокуютехнологичность и возможность повышения свойств после термообработки.Материал широко применяется при производстве нагруженных элементовконструкций,испытывающихкоррозионноеивысокотемпературноевоздействие. Наиболее часто из данного материала производят такие детали,как лопатки турбин, сопла, элементы трубопроводов АЭС с перегретой водой.По сравнению с традиционным производством деталей из сплава Inconel718 посредством механической обработки заготовок или поковок, лазерноеаддитивное производство, как и ремонт – альтернатива, которая предполагаетзначительную экономию материала, труда, электроэнергии и времени.

Скоммерческой точки зрения, это выражается как в конечной себестоимости,так и в гибкости производства деталей сложной формы. В процессепроизводства материал подается чаще всего в виде порошка или проволоки.По сравнению с проволокой, порошковый материал имеет несколько заметныхпреимуществ:- более низкую энергию, необходимую для плавления материала,115- лучшую стабильность толщины наплавленной поверхности,- более простую защиту зоны обработки [64],- меньшее количество дефектов в выращенном объеме материала.Однако, для лазерной технологии существует ряд особенностей впроцессе выращивания:- усиленное окисление материала при температуре выше 700 ºС приводит кразупрочнению выращенных заготовок;-значительныевыращиваниятермическиеиз-занапряжения,возникающиетемператур,приводятразностиквпроцессенеобходимойтермообработке.

Помимо снятия остаточных напряжений, термическаяобработка позволяет повысить свойства металла до свойств, полученных притрадиционных методах обработки.Бороться с высокотемпературным окислением материала можно двумяосновными способами:- защитой заготовки с помощью инертного газа, например, аргона;- снижением времени пребывания выращенного слоя при температуреинтенсивного окисления выше 700 ºС.Первый метод достаточно трудоемкий: необходимо организоватькамеру с защитной атмосферой, чтобы остывающий металл, вплоть дотемпературы 500 градусов не испытывал контакта с воздухом. Выращиваниедеталей сложной формы на комплексе с пятиосевой системой перемещенияподразумевает различные по ориентации стартовые плоскости выращивания иподходы технологической головы к заготовке. В связи с этим созданиелокальной газовой защиты зоны выращивания значительно затруднено.

В тоже время, создание общей газовой камеры для выращивания детали целикомза один установ – очень дорогостоящая задача. Для того, чтобы организоватьгазовую защиту, необходимо и время, и специальное исполнение системы, иповышенный расход защитного газа.116Недостатоквторогометода–необходимостьпринудительногоохлаждения заготовки.

Поскольку никелевый сплав, обладающий низкойтеплопроводностью, накапливает теплоту и не успевает остыть междупаузами, необходимыми для подъема головы на новый слой. Принудительнаяпауза может решить эту проблему, но время выращивания поднимется внесколько раз. Однако, если речь идет о выращивании не отдельной лопатки,а цельного блиска, то возможно создание такой стратегии, которая обеспечитостывание слоя без простоя технологической головы: например, выращиваниелопаток блиска парами: в то время, пока один слой остывает, технологическаяголова по программе выращивает слой на соседней лопатке.Такая стратегия выращивания представляется наиболее перспективной,и не привязана к размерам камеры.5.3.

Подготовка образцов для испытанийДля выращивания объектов по стратегии с охлаждением объема металламежду проходами, в массивной детали не требуется дополнительныхтехнологических мер по охлаждению материала. Учет размеров объектапроведен на стадии проектирования процесса – с помощью математическогомоделирования. Однако, для подтверждения свойств объектов из данногосплава, выращенных методом лазерного осаждения, необходимо выраститьмалые объекты – имитаторы: образцы стандартной формы для проведениямеханических и циклических испытаний. Чтобы подтвердить свойстваматериала, получаемые при выращивании коаксиальной лазерной обработкой,необходимо обеспечить условия теплоотвода, максимально близкие кусловиям выращивания заготовки.Дляподтвержденияудовлетворительныхсвойствобъектов,выращенных с помощью лазерного излучения, необходимо провести комплексиспытаний на прочность образцов-имитаторов. Методом прямого лазерноговыращивания были подготовлены образцы объектов из порошковогоматериалаInconel718.Химическийигранулометрическийсоставы117использованного порошка представлены в Таблицах 18 и 19 соответственно.В качестве материала для выращивания объектов исследований был выбранпорошок сплава, изготовленный фирмой Pratt & Whitney.Кратковременнаяпрочностьнарастяжениеприкомнатнойиповышенной температурах были проведены на образцах-имитаторах.

Чертежобразца для испытаний на разрыв представлен на Рисунке 5.2..Рисунок 5.2.Чертеж образца для испытаний на разрыв118Таблица 18.Химический состав используемого порошкаЭлементNiCrNb Mo TiAlMn SiCBСодержание,% 52,7 18,7 5,02 3,1 1,12 0,50 0,02 0,10 0,04 0,005Таблица 19.Гранулометрический состав порошкаРазмер частиц,мкмДоля порошка винтервале, %Напервомэтапе<4545..90>903970экспериментальныхисследований,согласноизложенной методике, проведено выращивание объектов для проведенияметаллографических испытаний рассчитанного математической модельюрежима.

Установлено (Рисунок 5.3.), что технология обеспечивает высокуюсплошность материала и равномерность формирования объектов. Дефектоввиде пор и несплавлений не обнаружено. «Завалы» сформированного металлана боковых гранях объекта вызваны отсутствием оконтуривания привыращивании данного объекта.Рисунок 5.3.Металлографический шлиф объекта из Inconel 718119Заготовки образцов для испытаний на растяжение представляли собойпрямоугольные бруски (8 штук) размером ~80х80х15мм. Из каждого брускабыло нарезано по 3 прямоугольных стержня для последующего изготовленияиз них образцов для испытаний.

Причем нарезка 4 брусков проводилась вдольи 4 брусков - поперек направления выращивания. Половина заготовокподвергалась стандартной для сплава In718 термообработке, остальныезаготовки были предназначены для испытаний без термообработки.Дефекты размерного соответствия в объектах устранялись с помощьюпрограммыподготовкитраекторииобхода.Оконтуриваниекаждоговыращиваемого слоя устраняло скругления, проявляющиеся на ребрахвыращиваемых объектов. Разработанная траектория выращивания образцовдля испытаний учитывает данные, полученные в моделировании процессавыращивания, и предусматривает не только паузу между слоями дляостывания, но и паузу между отдельными валиками, для стабилизациитемпературы по длине коротких (20 мм) площадок образцов. Кроме того,стратегия выращивания образца вдоль длинной стороны (для случая образца,выращиваемоговдольнагрузки),предусматриваетярковыраженноеповышение температуры валиков при приближении к краю образца.

Тампаузы между проходами были увеличены.На Рисунке 5.4 - 5.5 показаны заготовки образцов, вырезанные поперекнаправления процесса выращивания (12 штук) с маркировкой «С». НаРисунках 5.6-5.7 показаны заготовки образцов вырезанные вдоль направленияпроцесса выращивания (12 штук) с маркировкой «Л». В Таблице 20 указанрежим термообработки для сплава, использованный в подготовке образцов.120Таблица 20.Режим термообработки№№ Вид ТОп/п1Диффузионныйотжиг2Старение 13Старение 2Температура, Продолжитель˚Сность, ч950…9801Охлаждение72086208В печи, вплотьдо Т=55 ˚СНа воздухеНа воздухе5.4.

Анализ полученных образцовИспытания образцов проведены в испытательной лаборатории ИЛКПСД ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», аттестованной и аккредитованнойАвиарегистромМАКиФедеральнымагентствомпотехническомурегулированию и метрологии РФ.Подготовленные образцы были обработаны для получения заготовок состандартными размерами.Рисунок 5.4.Заготовки образцов, вырезанные вдоль направления процесса выращивания,маркировка «СБ»121Рисунок 5.5.Заготовки, образцов вырезанные поперек направления процессавыращивания, маркировка «СМ»Рисунок 5.6.Заготовки образцов, вырезанные вдоль направления процесса выращивания,маркировка «ЛБ»122Рисунок 5.7.Заготовки образцов, вырезанные вдоль направления процесса выращивания,маркировка «ЛМ»Выращенные образцы исследованы по ряду параметров:- рентгеновская дефектоскопия;- кратковременная прочность на растяжение при комнатной (20 °С) иповышенной (650 °С) температурах.- исследование твердости материала образцов;- фрактографический анализ.5.4.1.

Рентгеновская дефектоскопияДля установления наличия скрытых дефектов материала заготовки иобразцы были просвечены на рентгеновской установке. Как видно изрентгеновских исследований заготовок и образцов на растяжение (Рисунок5.8-5.9), материал однородный, без видимых дефектов в виде полостей ивключений.123Рисунок 5.8.Результаты рентгеновской дефектоскопии заготовокРисунок 5.9.Результаты рентгеновской дефектоскопии образцов124На Рисунке 5.10 приведена фотография готового образца для испытанийна кратковременную прочность.Рисунок 5.10.Образец для испытаний на растяжениеХарактеристики кратковременной прочности по результатам испытанийна растяжение 12 образцов приведены в Таблице 21.