Исследование процессов изготовления многоматериальных изделий с использованием методов аддитивных технологий

С развитием технологий и усложнением конструкций деталей машин и агрегатов появилась потребность в изготовлении деталей сложной геометрии с неоднородными физико-механическими свойствами.

Таким образом, существует необходимость в изготовлении неоднородных деталей, где к отдельным частям одной детали одновременно предъявляются различные требования, связанные с эксплуатационными характеристиками и физико-механическими свойствами, с учетом общих требований, предъявляемых на всю деталь в целом.

Изготовление такого рода многоматериальных изделий является сложной технологической задачей, и при использовании традиционных технологических решений возникает ряд проблем, связанных с изготовлением данных изделий. К таким проблемам можно отнести трудоемкий технологический процесс, стоимость изготовления и качество полученных деталей.

В связи с этим возникает потребность в применении новых методов и технологий. Новым технологическим решением для изготовления многоматериальных изделий является аддитивное производство, в частности лазерная коаксиальная наплавка, позволяющая изготавливать многоматериальные детали сложной конфигурации с неоднородным составом [1–3].

В данной работе рассматривается конкретная научно-техническая задача, заключающаяся в изготовлении биметаллической детали типа «Корпус» комбинированным методом с применением лазерной наплавки.

Биметаллическая деталь «Корпус» представляет собой корпусную отливку из литой стали марки 25Л ГОСТ 977 со сложной внутренней конфигурацией (рис. 1). Отливка изготавливается методом литья по выжигаемым/ выплавляемым моделям (ЛВМ – традиционная технология изготовления точных отливок). К корпусу припаивается молибденовая пластина марки ВМ1, полученная методом порошковой металлургии. Пластина припаивается с помощью медного припоя, пайка проходит в вакуумных печах в специальной оснастке. Режим пайки: нагрев Т = 1200 °C, выдержка в течение 10 минут.

Изготовление данной детали имеет большое количество технологических операций. Для сокращения материальных и временных затрат предлагается изготавливать данную деталь по комбинированной технологии. Корпус выполнять методом ЛВМ с последующим наращиванием слоя тугоплавкого материала коаксиальной лазерной наплавкой. Стоить отметить, что были рассмотрены и другие методы изготовления биметаллической детали «Корпус»: селективное лазерное плавление (СЛП – послойный синтез металлического порошкового материала, один из самых распространенных методов аддитивного производства) с последующей лазерной наплавкой молибденового слоя.

На установке EOS 280 (Германия) методом СЛП из стального порошка марки 316L была отработана технология изготовления Корпуса (рис. 2).

При подробном сравнении двух технологий получения стального корпуса ЛВМ и СЛП были выявлены ряд преимуществ и недостатков этих технологий. ЛВМ имеет больше технологических операций, но при изготовлении партии деталей более 10 штук становится значительно дешевле метода СЛП. СЛП более мобильный, имеет меньший производственный цикл, но главный минус этой технологии – высокая стоимость оборудования и применяемых материалов. Учитывая, что литой корпус соответствовал предъявляемым требованиям, был более экономически выгоден и большинство предприятий оснащены технологией ЛВМ, изготовление биметаллической детали по предложенной схеме (СЛП с последующей наплавкой) далее не рассматривалось ввиду отрицательного экономического эффекта в существующих реалиях. Однако в перспективе, с дальнейшим развитием аддитивных технологий, возможно, данный метод окажется более предпочтительным.

Требования к эксплуатационным характеристикам детали «Корпус»: наплавленный слой должен обладать износостойкими и антифрикционными свойствами, сопротивлению эрозии в среде отходящих газов при высоких температурах. Материал наплавки должен иметь низкий коэффициент теплового расширения. С учетом этих требований для лазерной наплавки необходимо выбрать молибденовый порошок с минимальным количеством примесей.

В качестве порошковых материалов для наплавки были рассмотрены молибденовые порошки марок ПМ-М и ПМС-М99,9 производства ПМХ «Полема» (г. Тула). Для подтверждения соответствия исходного порошка требуемым параметрам, а также проверки параметров, заявленных производителем, был проведен входной контроль порошкового материала. Основными показателями качества порошковых материалов для лазерной наплавки являются их гранулометрический и химический состав [4][5].

Химический состав рассматриваемых молибденовых порошков марок ПМ-М и ПМС-М99,9 представлен в таблице 1.

По результатам проведенного гранулометрического анализа порошков марок ПМ-М и ПМС-М99,9 построены интегральные и дифференциальные кривые распределения частиц порошка по размерам (рис. 3).

Каждая точка на кривой соответствует сумме фракций меньше определенного диаметра. Гистограмма распределения частиц порошка демонстрирует процентное содержание частиц определенного размера. В данном случае распределение размеров частиц порошка описывается законом нормального распределения Гаусса [6].

Установлено, что средний размер частиц порошка марки ПМ-М составляет d_сред = 53,55 мкм, а суммарное содержание частиц, не соответствующих размеру основной фракции, заявленной производителем (от 20 до 63 мкм), составляет 24,65 %. Форма частиц порошка осколочная.

Средний размер частиц порошка марки ПМС-М99,9 составляет d_сред = 76,79 мкм, а суммарное содержание частиц, не соответствующих размеру основной фракции, заявленной производителем (от 40 до 100 мкм), составляет 9,75 %. Форма частиц порошка сферическая с высоким показателем сферичности, более 90 %.

Согласно полученным данным, молибденовый порошок марки ПМ-М не отвечает требованиям, рекомендуемым для лазерной коаксиальной наплавки, порошок марки ПМС-М99,9 полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к металлопорошковым материалам для лазерной наплавки, и способствует обеспечению получения равномерных и однородных слоев при наплавке [7].

Для определения режимов лазерной наплавки в качестве имитации материала детали «Корпус» использовали стальные подложки из литой стали марки 25Л. Стальные подложки представляют собой пластины 100×100 мм, толщиной 10 мм с шероховатостью Ra 6,3. Для исключения факторов, влияющих на результаты лазерной наплавки, подложки были изготовлены из стали одной плавки. Химический состав подложек приведен в таблице 2 и соответствует марке сплава 25Л по ГОСТ 977.

С целью определения оптимальных режимов наплавки молибденового порошка на стальную подложку была проведена наплавка опытной партии образцов с различными параметрами скорости и мощности. Схема установки для лазерной наплавки показана на рисунке 5.

На рисунке 6 изображены внешний вид и поперечное сечение сформированных треков при различных скоростях наплавки, от 300 до 700 мм/мин (шаг 50 мм/мин), мощность лазерного излучения P = 400 Вт.

Анализируя внешний вид и поперечное сечение полученных единичных треков, а также их геометрические характеристики: ширину, высоту и глубину проплавления, выбрали оптимальные режимы наплавки. Скорость наплавки V = 350 мм/мин, мощность лазерного излучения P = 400 Вт.

В продолжении эксперимента была проведена наплавка валиков с разным шагом наплавки (расстояние между осями двух соседних валиков) для выбора оптимального режима наплавки первого слоя.

Шаг наплавки варьировали в пределах от 0,7 до 2,0 мм, скорость наплавки и мощность лазерного излучения постоянные.

Расстояние между осями двух соседних валиков, равное 2,0 и 1,5 мм является недостаточным для получения монолитного и равномерного первого слоя.

При шаге наплавки 0,7 мм первый слой монолитный, но не равномерный, также при таком расстоянии между валиками обнаружены дефекты в виде трещин, выходящих на поверхность.

Для наплавки необходимого объема материала данный шаг наплавки не оптимальный как с технологической, так и с производственной точки зрения, т.к. слой имеет дефекты, повышенную шероховатость, кроме этого, наплавлять необходимо с большим припуском под механическую обработку для выравнивания поверхности, что негативно сказывается на коэффициенте использования материала (КИМ).

Наиболее оптимальным является шаг наплавки 1,0 мм (рис. 7), при котором удалось получить равномерную поверхность. На первом валике обнаружены дефекты из-за напряжений, возникших при градиенте температур. Данные дефекты устраняются при двузонной стратегии сканирования (повторный проход лазером с меньшей мощностью излучения без подачи порошка) [8].

Выбранные режимы: скорость наплавки V = 350 мм/мин, мощность лазерного излучения P = 400 Вт, шаг наплавки 1,0 мм являются преимущественными для лазерной наплавки молибденового порошка марки ПМС-М99,9 на литую сталь 25Л. Указанные режимы могут быть рекомендованы к применению при изготовлении биметаллической детали «Корпус».

Как упоминалось ранее, традиционный способ изготовления детали «Корпус» подразумевал вакуумную пайку для соединения молибденовой пластины и стального корпуса с применением медного припоя.

На рисунках 8 и 9 показаны микроструктуры слоев при пайке и лазерной наплавке. Микроструктура паяного соединения состоит из смеси твердых растворов на основе меди (ε-фаза) и железа (α-фаза) (рис. 8). Рабочая температура в процессе эксплуатации детали (1740 °C) превышает температуру плавления меди, и паяный слой частично плавится, что приводит к разрушению покрытия в процессе эксплуатации.

Этот недостаток устраняется с помощью лазерной наплавки. На рисунке 9 показана микроструктура наплавленного слоя в поперечном сечении на границе зоны плавления и стальной подложки. Видно, что в наплавленном слое и на границе зоны плавления отсутствуют дефекты структуры (трещины и поры).

В таблице 3 представлены значения твердости молибденовой пластины после пайки и слоя молибдена, полученного лазерной наплавкой.

Сравнительный анализ твердости слоев Mo, полученных двумя методами, показал преимущество лазерной наплавки. Твердость слоя, полученного лазерной наплавкой, значительно выше (табл. 3). Это объясняется тем, что при пайке происходит отжиг молибденовой пластины, что сопровождается повышением пластичности и снижением твердости. В процессе лазерной обработки реализуется режим закалки из жидкого состояния, что приводит к повышению твердости. Учитывая, что, как показано выше, основными требованиями к эксплуатационным характеристикам детали являются износостойкость и сопротивление эрозии в среде отходящих газов, лазерная наплавка обеспечит лучшие эксплуатационные свойства.

На рисунке 10 показаны этапы изготовления биметаллической детали «Корпус» традиционным способом и лазерной наплавкой.

Учитывая значительное сокращение технологических операций, таких как механическая обработка накладки, накладки-припоя, корпуса детали и сокращение подготовительных операций для пайки, включая проектирование и изготовление оснастки, замена технологии пайки на лазерную наплавку является экономически целесообразной. Время изготовления детали «Корпус» по предложенной технологии сократится ориентировочно на 20 %.

Стоимость материалов и оборудования для вакуумной пайки сопоставима со стоимостью материалов и оборудования для наплавки при изготовлении биметаллической детали «Корпус». В таблице 4 представлены результаты расчета стоимости изготовления детали «Корпус» по двум технологиям: традиционной (пайки) и предложенной (лазерной наплавки) в условиях АО «МКБ «Факел».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

• сравнительный анализ морфологии поверхности частиц порошков (осколочная и сферическая) марок ПМ-М и ПМС-М99,9 показал, что предпочтительнее для коаксиальной лазерной наплавки сферическая форма порошка;
• установлено, что молибденовый порошок марки ПМС-М99,9 соответствует требованиям, предъявляемым к порошкам для лазерной наплавки, и способствует получению качественных слоев;
• определены преимущественные режимы наплавки молибденового порошка на литую сталь 25Л: скорость наплавки V = 350 мм/мин, мощность лазерного излучения P = 400 Вт, шаг наплавки 1,0 мм;
• проведены сравнительные исследования микроструктуры и твердости наплавленных слоев и нанесенных с помощью пайки. Показано, что наплавленные слои имеют гомогенную структуру и более высокую твердость;
• для изготовления многоматериальной детали типа «Корпус» рекомендован комбинированный технологический процесс, заключающийся в изготовлении литой заготовки традиционным способом и наплавлении молибденового слоя методом коаксиальной лазерной наплавки.