Moskva, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moskva, Moscow, Russian Federation
Manufacturing stainless steel and copper alloy bimetallic structures with the aid of domestic plant KLP-400 made at the small-scale enterprise PC “Moscow Center of laser technologies” of Bauman STU of Moscow for coaxial laser fusion is considered. A metallographic analysis of the structure of samples grown and which has shown high structural-sensitive properties is carried out.
additive technologies, coaxial laser fusion, copper alloy, stainless steel, bimetallic structures functional-gradient material
Введение
В настоящее время усиленными темпами идет разработка подходов для реализации аддитивных технологий при изготовлении ответственных деталей ракетно-космических двигателей. На ряде предприятий Госкорпорации «Роскосмос» были изготовлены и испытаны макеты элементов изделий ракетно-космической техники методом селективного лазерного плавления (СЛП). Проведенные работы показали, что при изготовлении сложных элементов применение аддитивных технологий имеет существенные преимущества.
По сравнению с традиционными технологиями, возможно снижение количества составляющих деталей, времени и себестоимости изготовления, а также уменьшение веса изделия. Так, по оценкам сотрудников California Institute of Technology, Pennsylvania State University, NASA использование аддитивных технологий позволит уменьшить время изготовления ракетного двигателя в 10 раз, а затраты ‒ на 50 %.
В 2017 г. специально для изготовления вкладыша камер сгорания ракетных двигателей специалистами этого исследовательского центра был создан и изготовлен порошок на медной основе GRCo-84. Вкладыш, выращенный методом СЛП, с применением этого порошка имеет более 200 охлаждающих каналов. Для его изготовления потребовалось 8255 слоев.
В Российской Федерации работы в этом направлении ведутся с 2015 г. РКК «Энергия» совместно с СПбПУ провели комплекс исследований по созданию внутренних оболочек камеры сгорания ЖРД с «закрытыми» каналами тракта охлаждения методом СЛП. Специально для этого была разработана отечественная промышленная технология получения высококачественного порошка жаропрочного медного сплава БрХЦрТВ с частицами сферической формы заданных размеров и плотности [1].
Дальнейшим развитием применения аддитивных технологий для изготовления элементов отечественных конструкций летательных аппаратов является технология получения функционально-градиентных материалов методом коаксиального лазерного плавления [2, 3].
Функционально-градиентные материалы – это новый класс материалов, у которых наблюдается плавное изменение механических свойств или химического состава по объему изделия. Технология селективного лазерного плавления имеет ограничения, связанные с использованием только одного типа порошкового материала, используемого при синтезе изделия.
Известен ряд исследований, в которых применялись предварительно подготовленные композиции и смеси порошковых материалов для выращивания методом селективного лазерного плавления, однако гибкое управление функционально-градиентным переходом в процессе синтеза биметаллического изделия очень сложно в осуществлении.
Применение метода коаксиального лазерного плавления открывает перспективу получения биметаллических элементов изделий ракетно-космической техники методами аддитивных технологий с функционально-градиентными переходами [4]. Благодаря возможности подачи нескольких различных материалов в различном соотношении с последующим совместным плавлением с помощью коаксиального лазерного плавления можно создавать новые классы материалов с недостигнутыми ранее свойствами.
Другими словами, для определенного применения может быть спроектирован и изготовлен специальный материал, обладающий конкретными уникальными свойствами [5]. Различные элементы детали могут быть изготовлены из различных материалов с целью обеспечения необходимых свойств [6].
В работе проведено исследование применимости метода коаксиального лазерного плавления для получения биметаллических структур из нержавеющей стали и сплавов меди.
Изготовление образцов методом коаксиального лазерного плавления металлических порошков производили на лазерном технологическом комплексе КЛП-400. КЛП-400 является одной из первых отечественных установок для коаксиального лазерного плавления изготовлена на малом предприятии МГТУ им. Н.Э. Баумана ООО «Московский центр лазерных технологий» [7]. Внешний вид этой установки приведен на рис. 1.
Рис. 1
Данная установка может изготавливать детали габаритом 400х400х400 мм, весом около
Разработанный комплекс достаточно прост в управлении и позволяет быстро производить перенастройку на новую деталь. Для контроля процесса выращивания используется встроенный в ЧПУ датчик измерения расстояний. Также в составе комплекса использована система оперативного изменения диаметра пятна от 0,5 до
Исследования проводили применительно к детали, состоящей из разных материалов: нержавеющая сталь – бронзовый сплав. Формирование стальной части осуществляли переплавом порошка 316L, размером 53…150 мкм (табл. 1).
Табл. 1
Одним из важных технологических аспектов КЛП технологии является стратегия обхода порошка лазерным излучением. Характер стратегии оказывает влияние на свойства материала получаемой детали, такие как плотность, остаточные напряжения, микроструктура, склонность к трещинам, отслоения и др.
При получении образцов переплавом порошка 316L методом КЛП использовали несколько стратегий выращивания:
‒ продольное расположение формообразующих валиков;
‒ чередование продольного и поперечного расположения формообразующих валиков.
Для проведения исследований, на оптимальных режимах получения единичного валика [8], были получены объемные образцы. Металлографический анализ структуры выращенных образцов показал, что стратегия выращивания оказывает влияние на формирование наплавленного металла.
Структура металла образцов состоит из большого количества наплавленных валиков (рис. 2, а), между которыми при кристаллизации устанавливается прочная металлическая связь. Оплавленные элементы первичной структуры предыдущих валиков служат центрами затвердевания при кристаллизации последующих (рис. 2, б). Во всех случаях структура имеет ячеистое или ячеисто-дендритное направленное строение, что свидетельствует о возможной анизотропии свойств.
Рис. 2
При увеличении расстояния между наплавленными валиками возможно появление дефектов, возникающих из-за нарушения качества их сплавления и порообразования. Наибольшее количество дефектов наблюдается для образца, выращенного с шагом 0,45 мм при чередовании продольного и поперечного расположения формообразующих валиков.
Для оценки анизотропии механических свойств металла при однонаправленном выращивании были проведены металлографические исследования, а также измерения микротвердости. Замер микротвердости осуществляли на шлифах, вырезанных из образцов в поперечном, продольном и послойном направлениях. Работы проводили на твердомере Виккерса DuraScan 20 производства компании Emco Test. Для каждого сечения микротвердость измеряли в 10-ти точках при нагрузке на инденторе 0,1 кг (HV0,1). Выдержка под нагрузкой составляла 15 с. Начальная точка выбиралась произвольно в центральной части шлифа, далее измерения проводились с шагом 200 мкм в две линии по 5 точек в каждой, расстояние между линиями 200 мкм.
Результаты представлены на рис. 3. Несмотря на сравнительно небольшое отклонение результатов измерения микротвердости по различным направлениям, статистическая оценка измерений с использованием непараметрического U-критерия Манна‒Уитни показывает, что вероятное различие микротвердости в разных сечениях составляет не менее 95 % . Полученные данные свидетельствуют об анизотропии свойств наплавленного металла.
Рис. 3
Особенно анизотропия свойств проявляется в условиях разной стратегии выращивания. Так, металл, сформированный продольными формообразующими валиками, имеет предел прочности почти в два раза выше, чем металл образца, выращенный поперечными валиками.
Часть детали, состоящей из бронзы, формировали порошком ПР-БрХ, размером 40… 100 мкм. Химический состав порошка приведен в табл. 2.
Табл. 2
Исследование структуры металла выращенного образца показало, что при лазерном переплаве бронзового порошка формируется монолитная структура, состоящая из большого количества слоев (рис. 4 а, б). Прочная металлическая связь между наплавленными валиками устанавливается в процессе кристаллизации последующего слоя (рис. 4, в).
Рис. 4
Стык сталь‒бронза, сформированный методом КЛП, представляет собой функционально-градиентный материал. Трудности, связанные с получением перехода от одного материала к другому, состоят в высокой вероятности появления трещин. Если процесс выращивания объема металла, содержащего переходную зону сталь–медный сплав происходит на сравнительно высоких погонных энергиях, в стали у линии сплавления возможно образование трещин (рис. 5). Их возникновение наблюдается как при наплавке бронзы на сталь (рис. 5, а), так и стали на бронзу (рис. 5, б).
Рис. 5
Проблема получения соединения из сплавов на медной основе со сталью связана с низкой растворимостью меди в железе, а также с существенной разницей температур плавления. Согласно диаграмме состояния, при комнатной температуре медь растворяется в α-Fe в количестве до 0,3 %, а железо в меди ‒ до 0,2 %. Температура плавления железа, равная 1539 0С, намного превышает температуру плавления меди ‒ 1083 °С.
В результате при контакте медного сплава со сталью возможны два варианта строения зоны сплавления. Если сталь, с сформировавшимся аустенитным зерном, при образовании контакта с медным сплавом находилась в твердом состоянии, то у линии сплавления часто наблюдается возникновение трещин по границам зерен и проникновение по ним жидкого материала на основе меди (рис. 6).
Рис. 6
Для избежания таких дефектов рекомендуют наносить подслой из сплава на никелевой основе между сталью и бронзой. Это связано с тем, что диаграмма состояния медь‒никель представляет собой систему с непрерывным рядом твердых растворов с практически неограниченной растворимостью.
Другим направлением борьбы с трещинообразованием может служить минимизация термического воздействия на основной металл. Достижения желаемого эффекта можно добиться выбором оптимальных режимов лазерного воздействия в процессе формирования объема металла.
Примером первого способа борьбы с трещинообразованием может служить получение композиции «инструментальная сталь – медь» [9]. Подложкой являлся металл, полученный путем переплава порошка состава 4Х5МФ1С. В слое из инструментальной стали формируется направленная ячеисто-дендритная структура без видимых изменений между отдельными составляющими слоями.
В зоне сплавления инструментальной стали с никелевым сплавом от оплавленных элементов первичной структуры подложки происходит рост металла аустенитного состава в виде ячеистых дендритов (рис. 7, а). Также как и в инструментальной стали, в прослойке из металла на никелевой основе, происходит рост наплавленного металла в виде ячеистых дендритов от оплавленных элементов первичной структуры подложки (рис. 7, б). На границе сплавления «никелевый сплав ‒ медь» дефекты в виде проникновения меди в подложку отсутствуют (рис. 7, в). Это свидетельствует о высоком качестве переходной зоны. Наплавленный слой из меди имеет типично литую структуру, строение которой при переходе из слоя в слой не имеет существенных различий (рис. 7, г).
Рис. 7
В случае если процесс выращивания происходит на сравнительно высоких погонных энергиях, образуется общая ванна расплава. Переходная зона формируется иначе.
Исследования структуры проводили на образцах, полученных при наплавке стального порошка 316L на бронзу ПР-БрХ и бронзы на сталь. На границе сплавления бронза‒сталь не обнаружено дефектов литого происхождения. Линия сплавления между сталью и бронзой имеет резко выраженный характер, с включениями фаз, обогащенных железом и медью различного размера (рис. 8). В том и другом случае, в литом металле бронзы у линии сплавления имеются глобулярные выделения стали. Однако, при наплавки стали на бронзу участки, обогащенные железом, могут иметь вытянутую форму. Обнаруженное явление связано с ограниченной растворимостью меди в железе.
Рис. 8
Между разнородными слоями, также как и при формировании однородной структуры, устанавливается прочная металлическая связь, выражающаяся в продолжение роста первичной структуры от оплавленной подложки. Полученный переходный слой должен иметь высокие структурно чувствительные свойства.
Заключение
Одна из первых отечественных установок КЛП-400 для коаксиального лазерного плавления, изготовленная на малом предприятии МГТУ им.
Н.Э. Баумана ООО «Московский центр лазерных технологий», применима для получения биметаллических структур из нержавеющей стали и сплавов меди.
Металлографический анализ структуры биметаллических образцов, выращенных порошками 316L и ПР-БрХ, показал, что при изготовлении объемных деталей методом коаксиального лазерного плавления, формируется металл, включая переходный слой, имеющий высокие структурно чувствительные свойства.
1. Artyomov, A.L., Dyadchenko, V.Yu., Lukiyashko, A.V., Novikov, A.N., Popovich, A.A., Rudskoy, A.I., Svechkin, V.P., Skoromnov, V.I., Smolentsev, A.A., Sokolov, B.A., Solntsev, V.L., Sufiyarov, V.Sh., Shachnev, S.Yu. Optimization of design and technological solutions for manufacturing the inner shell prototypes of a combustion chamber in a multi-functional liquid jet propulsion using additive technologies // Aerospace Equipment and Technologies. - 2017. - No.1(16). - pp. 50-62.
2. Novichenko, D.Yu., Grigoriyants, A.G., Smurov, I.Yu. Laser additive technology for manufacturing coatings and composite parts // College Proceeding. Mechanical Engineer-ing. - 2011. - No.7. - pp. 12-24.
3. Panchenko, V.Ya., Vasiltsov, V.V., Grezev, A.N., Ga-lushkin, M.G., Yegorov, E.N., Ilyichyov, I.N., Pavlov, M.N., Soloviyov, A.V., Misyurov, A.I. Metal powder laser sintering for manufacturing engineering products with gradient proper-ties // Engineering Technique, - No. 11, - 2011, - pp. 10-14.
4. Mazumder J., Schifferer A., Choi J. Direct materials deposition: designed macro and microstructure // Mater. Res. Innov. 1999. Vol. 3, № 3. P. 118-13.
5. Mazumder J. A crystal ball view of direct-metal deposi-tion // Jom. 2000. Vol. 52, № 12. P. 28-29.
6. Grigoriyants, A.G., Lukiyanov, M.V., Shiganov, I.N., Tretiyakov, R.S., Shelestova, A.K., Alexandrova, A.A. In-crease of operating characteristics in composite products based on heat-resistant alloy manufactured by laser additive technol-ogy // Proceedings of the II-d Inter. Conf. Additive Technolo-gies: Present and Future, 2016, FSIP VIAM.
7. Grigoriyants A.G., Staverty A.Ya., Tretiyakov P.C. Five-coordinate complex for parts growth by method of co-axial laser fusion of powder materials // Engineering Technique. - 2015. - No.10. - pp. 22-29.
8. Grigoriyants, A.G., Funtikov, V.A., Savkin, A.N., Tre-tiyakov, R.S. development of fiber laser optical system for parts laser polishing // Science Intensive Technologies in Me-chanical Engineering. - 2016. - No. 9(63). - pp. 16-23.
9. Grigoriyants, A.G., Misyurov, A.I., Tretiyakov, R.S. Impact analysis of coaxial laser weld deposition parameters upon roller formation // Engineering Technique. - 2011. - No.11(113). - pp. 19-21.
10. Grigoriyants, A.G., Misyurov, A.I., Shiganov, I.N., Krotkikh, A.D. Technological peculiarity investigation of laser volume deposition // Proceedings of the V-th Inter. Scientif.-Tech. Conf. “Beam Technologies and Laser Use”, Saint-Petersburg, 2006. - pp. 137-142.
11. Mazumder J., Schifferer A., Choi J. Direct materials deposition: designed macro and microstructure // Mater. Res. Innov. 1999. Vol. 3, № 3. P. 118-13.
