автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления

На правах рукописи

НАЗАРОВ АЛЕКСЕЙ ПЕТРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ

СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО КОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО

ПЛАВЛЕНИЯ

Специальность 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Москва, 2013

005538778

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент кафедры

«Высокоэффективные технологии обработки» Тарасова Татьяна Васильевна ФБГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Технология машиностроения» Верещака Анатолий Степанович ФБГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва

кандидат технических наук, доцент кафедры «Трибологии и технологий нефтегазового оборудования»

Бурякин Алексей Владимирович

ФБГОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» г. Москва

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-

дорожный государственный технический университет (МАДИ)», г.Москва

Защита состоится «10» декабря 2013 г. в «16.00» часов на заседании диссертационного совета Д212.142.01 на базе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.1.

Ваши отзывы на автореферат, заверенные печатью учреждения (организации), просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «8» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном машиностроении жаропрочные кобальтовые сплавы прочно занимают определенную нишу благодаря своим уникальным свойствам. Как правило, кобальтовые сплавы используют в качестве жаропрочных, коррозионностойких сплавов, работающих в том числе при высоких температурах, а также износостойких сплавов, работающих в агрессивных средах и повышенных температурах. Основная масса изделий и деталей, изготавливаемых селективным лазерным плавлением из жаропрочных кобальтовых сплавов, используется в качестве медицинских приложений, хотя в современном машиностроении также существует потребность в сложнопрофильных деталях из жаропрочных кобальтовых сплавов. Примерами таких деталей могут быть лопатки, сопла, завихрители, уплотнения, кольца, вставки и прочие элементы турбин и двигателей внутреннего сгорания.

Традиционные методы формообразования не обеспечивают в полной мере эксплуатационные и технологические характеристики перечисленных изделий машиностроительной отрасли. Использование метода селективного лазерного плавления может сократить время изготовления и себестоимость сложнопрофильных деталей при единичном и мелкосерийном производстве за счет отсутствия стадии создания специального инструмента и сокращения количества технологических этапов. В отличие от традиционных технологий порошковой металлургии деталь из порошкового материала, полученная селективным лазерным плавлением, имеет 99% плотность. Сущность селективного лазерного плавления заключается в поочередном нанесении порошкового слоя материала и проплавлении его с помощью лазерного луча.

Мировыми лидерами в производстве установок селективного лазерного плавления (далее СЛП-установок) являются США, Германия и Япония. Производство СЛП-установок в России носит единичный характер. Для организации серийного производства отечественных установок необходимо повышение качества разрабатываемого в России оборудования. Немаловажную роль в повышении качества установки играет выбор компоновки. Именно поэтому стадия эскизной разработки на этапе выбора компоновки считается одной из самых ответственных при проектировании установки.

Таким образом, разработка технологического процесса получения деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления, а также разработка методики выбора наиболее рациональных компоновок для установки селективного лазерного плавления являются актуальными научно-техническими задачами.

Целью работы является разработка технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления.

Поставленная цель может быть достигнута решением следующих задач:

- провести выбор и анализ исходного порошкового материала для селективного лазерного плавления;

- определить преимущественные режимы селективного лазерного плавления для изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава на отечественной установке ПТК-ПС;

- установить влияние параметров селективного лазерного плавления и последующей термообработки на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства исследуемого сплава для изготовления сложнопрофильных деталей;

- разработать технологический процесс изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления;

- изготовить опытные образцы сложнопрофильных деталей;

- разработать методику выбора наиболее рациональных компоновок для установки селективного лазерного плавления.

Научная новизна работы заключается в:

- определении связей между параметрами селективного лазерного плавления, структурой и фазовым составом жаропрочного кобальтового сплава, а также в установлении влияния режимов селективного лазерного плавления на физико-механические свойства сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава;

- выявлении преимущественных режимов селективного лазерного плавления (мощности лазерного излучения, толщины порошкового слоя, скорости сканирования) для изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава на отечественной установке ПТК-ПС;

- установлении влияния последующей термообработки на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства жаропрочного кобальтового сплава, полученного селективным лазерным плавлением;

- разработке методики выбора наиболее рациональных компоновок для установки селективного лазерного плавления на основе качественной экспертной оценки и технико-экономического количественного сравнения по технологической стоимости изготовления типовой детали.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработке рекомендаций по проектированию оборудования для селективного лазерного плавления, предназначенных для отечественных установок (патенты на изобретение №2487779 и №2491153, патенты на полезную модель №128533 и №124607);

- разработке и реализации технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава на отечественной установке ПТК-ПС с использованием преимущественных режимов селективного лазерного плавления (мощности лазерного излучения, толщины порошкового слоя, скорости сканирования, расстояния между проходами лазерного луча, стратегии сканирования).

Методы исследований. При выполнении работы применялись методы аналитических, численных и экспериментальных исследований. В работе использованы положения физико-технических методов обработки с использованием лазерного излучения, материаловедения, линейной алгебры, а также научные основы технологии машиностроения и проектирования. Экспериментальные исследования проводились по стандартным и оригинальным методикам с использованием аттестованных приборов и контрольно-измерительной аппаратуры.

Реализация результатов. Результаты исследований, представленные в работе, были апробированы и внедрены в научно-исследовательских лабораториях ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», ОАО «НИАТ» и ПК Научно-производственная фирма «ЭКИП». По результатам проведения работы получены два патента на изобретение и два патента на полезную модель.

Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной работы были представлены и докладывались на следующих международных и всероссийских симпозиумах, конференциях и семинарах: 2-я Международная выставка изобретений и изобретателей - INVENTECO EXPO (Национальная Ассоциацией изобретателей Италии - A.N.D.I., 1-6 июня 2012, г. Катания, Италия); 8-я Международная выставка-ярмарка изобретений «INST-2012» (Тайваньский центр по развитию внешней торговли - TAITRA, исследовательский институт промышленных технологий - ITRI, центр по обслуживанию рынка технологий Тайваня - TWTM, 20 - 23 сентября 2012, г.Тайбей, Тайвань); 3-я Международная конференция инноваций и изобретений — IIIC (16 августа 2012, г. Тайбей, Тайвань); Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий - FLAMN-13 (24-28 июня 2013, Санкт-Петербург, Россия); Всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении» - ИТМ-2011 (октябрь 2011, Москва, Россия); 15-я международная научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении» (декабрь 2011, Пенза, Россия).

Публикации. По результатам работы опубликовано 12 научных трудов, которые включают два патента на изобретение, два патента на полезную модель и 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудов соискателей ученых степеней.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем - 246 страниц, включая 57 рисунков и графиков, 25 таблиц. Список литературы содержит 87 наименований. Приложения состоят из 107 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и представлена общая характеристика диссертации. Сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен аналитический обзор современного состояния технологии и оборудования для селективного лазерного плавления.

Селективное лазерное плавление является аддитивным методом лазерной обработки, который позволяет послойно изготавливать металлические детали на основе трехмерных компьютерных моделей за один технологический цикл. Сущность метода заключается в поочередном нанесении порошкового слоя материала и проплавлении его с помощью лазерного луча.

Метод селективного лазерного плавления позволяет изготавливать с высокой точностью (до ±0,05 мм) сложнопрофильные детали, не уступающие, а иногда и превышающие по своим физико-механическим характеристикам детали, полученные традиционным формообразованием (точением, фрезерованием, литьем и др.). Использование метода селективного лазерного плавления может сократить время изготовления и себестоимость сложнопрофильных деталей при единичном и мелкосерийном производстве за счет отсутствия стадии создания специального инструмента и сокращения количества технологических этапов.

Основоположниками метода селективного лазерного спекания/плавления считаются Карл Декард и Джо Биман, работавшие в «Университете штата Техас». Значительный вклад в развитие и совершенствование метода селективного лазерного спекания/плавления внесли отечественные и зарубежные ученые Шишковский И.В., Смуров И.Ю., Ядройцев И.А., JP. Kruth, К. Wissenbach, D. Buchbinder, К. Osakacia, М. Shiomi, X. Wang, Y. и др.

Детали, изготовленные селективным лазерным плавлением из порошкового материала на основе жаропрочных кобальтовых сплавов, имеют высокие механические свойства при высоких температурах и обладают хорошей износостойкостью и коррозионной стойкостью. Основная масса работ, посвященных селективному лазерному плавлению жаропрочных кобальтовых сплавов, связана с медицинскими приложениями, хотя в современном машиностроении также существует потребность в сложнопрофильных деталях из жаропрочных кобальтовых сплавов. Данных о влиянии параметров селективного лазерного плавления на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства изготавливаемых сложнопрофильных деталей

недостаточно. Отсутствуют данные о влиянии последующей термообработки на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства сложнопрофильных деталей, изготовленных селективным лазерным плавлением из порошков жаропрочных кобальтовых сплавов.

Мировыми лидерами в производстве установок селективного лазерного плавления (далее СЛП-установок) являются США, Германия и Япония. Производство СЛП-установок в России носит единичный характер. Для организации серийного производства отечественных установок необходимо повышение качества разрабатываемого в России оборудования. Немаловажную роль в повышении качества установки играет выбор компоновки. Именно поэтому стадия эскизной разработки на этапе выбора компоновки считается одной из самых ответственных при проектировании установки. В научной литературе отсутствуют работы, связанные с компоновками СЛП-установок.

Во второй главе описано оборудование, материалы и методики экспериментов.

Изготовление опытных образцов и деталей проводили на отечественной СЛП-установке ПТК-ПС (изобретение запатентовано в РФ, №2487779). Технические характеристики установки ПТК-ПС: иттербиевый волоконный лазер с длиной волны - 1070 нм, максимальная выходная мощностью лазера -200 Вт, режим работы лазера - непрерывный, скорость сканирования лазерным изучением составляет 0-7 м/с, диаметр выходного пятна лазера - 150 мкм, возможность создания защитной атмосферы (аргонной, азотной и др.), возможность нагрева рабочего пространства до температуры 100°С.

Сканирование лазерным излучением осуществлялось согласно «Двузонной» стратегии сканирования с изменением направления сканирования на 90° от слоя к слою.

В качестве исходного материала для изготовления опытных образцов и деталей был выбран порошок из жаропрочного сплава СоСгМо, полученный газовой атомизацией. Химический состав порошка: Со (60-65)%, Сг (26-30)%, Mo (5-7)%, Si и Мп менее 1%, Fe менее 0,75%, С менее 0,16%, Ni менее 0,10%.

Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили на рентгеновском

аппарате для структурного анализа ALT X'TRA (фирмы Thermo-Fisher

Scientific, Швейцария) «© - 0» методом сканирования с фокусировкой рентгеновских лучей по Бреггу-Брентано.

Износостойкость определяли с помощью высокоточного прибора kaloMAX NT (Германия). В качестве контртела использовался шар диаметром 30 мм из стали ЮОСгб (классификация по DIN). Дистанция скольжения составляла 1400 - 1500 м, нормальная нагрузка на образец - 0,54 Н. На поверхность шара периодически подавалась абразивная суспензия.

Моделирование работы образцов в условиях фреттинг-износа осуществляли на специальной установке по схеме «плоскость-шарик» (рис. 1). В качестве контртела применялся шар диаметром 12 мм из стали 111X15. С целью максимальной виброизоляции испытываемого образца механическая система установки располагалась на отдельной основе массой 300 кг. Образец вместе с тензометрической балкой крепился на отдельной основе массой 250 кг.

Режимы работы установки при проведении экспериментов были следующими: схема контакта - «шарик-плоскость», тангенциальная нагрузка -40 Н, нормальная нагрузка - 60 Н, частота возмущения - 100 Гц, количество циклов нагрузки составляло от 0 до 5000000.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для исследования динамических фрикционных явлений малоамплитудного фреттинга: 1 — основа, 2 — держатель образца, 3 - тензодатчики, 4 - образец, 5 - контртело, 6 и 7 — датчики микроперемещений, 8 - держатель контртела; 9 — пружина нагрузки; 10 -

виброгенератор

В третьей главе представлены результаты исследований по разработке технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления.

По результатам гранулометрического анализа порошка установлено, что размеры частиц порошка варьируются от 14,5 мкм до 45,9 мкм, а средний размер частиц порошка СоСгМо составляет 30,5 мкм. Частицы порошка имеют глобулярную форму и обладают высоким показателем сферичности (среднее значение 67,1%) и низким значением неровности (среднее значение 2,4%). Химический состав порошка соответствует заявленному. Выбранный порошковый материал на основе сплава СоСгМо удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для селективного лазерного плавления (далее СЛП), поскольку обеспечивает возможность получения равномерных и однородных слоев толщиной 0,05 мм.

Исходя из технических характеристик установки ПТК-ПС, точности, предъявляемой к деталям (±50 мкм), а также с целью достижения максимальной производительности были назначены следующие параметры

селективного лазерного плавления: мощность лазерного излучения - 200 Вт, режим работы лазера - непрерывный, длина волны лазерного излучения -1,06... 1,07 мкм, диаметр пятна лазера - 150 мкм, толщина порошкового слоя -50 мкм, расстояние между проходами лазера - 100 мкм. Изготовление опытных образцов и деталей проводили в среде азота. Скорость сканирования варьировалась от 150 до 550 мм/с. Длина отдельных лазерных треков составляла 15 мм. В результате проведенных экспериментов было установлено, что преимущественная скорость сканирования равна 400 мм/с, поскольку она обеспечивает формирование стабильных, плотных (отсутствуют пустоты и поры) лазерных треков, имеющих правильную геометрическую форму и хорошее сцепление с подложкой.

Таким образом, установлены преимущественные режимы селективного лазерного плавления для жаропрочного сплава СоСгМо: защитная атмосфера -азот, мощность лазерного излучения - 200 Вт, режим работы лазера — непрерывный, длина волны лазерного излучения - 1,06... 1,07 мкм, диаметр пятна лазера - 150 мкм, толщина порошкового слоя - 50 мкм, скорость сканирования - 400 мм/с, расстояние между проходами лазерного луча - 100 мкм, стратегия сканирования - «Двузонная» с изменением направления сканирования на 90° от слоя к слою.

По преимущественным режимам были изготовлены опытные образцы, сложнопрофильные детали и проведен ряд исследований.

Плотность опытных образцов составила 8,3±0,1 г/мм3, что аналогично плотности литого сплава-аналога КХС-«Д» (далее сплав-аналог).

Рентгеноструктурный анализ сплава после СЛП (рис. 2, а-б) показал, что структура сплава состоит из пересыщенного твердого раствора на основе гексагональной низкотемпературной и кубической высокотемпературной модификаций кобальта. Неравновесная структура сплава, представленная пересыщенным твердым раствором на основе гексагональной низкотемпературной и кубической высокотемпературной модификаций кобальта, может быть объяснена высокой скоростью охлаждения в присутствии легирующих компонентов (хром и молибден).

Последующий отжиг на воздухе при температуре 500°С в течение пяти часов практически не оказывает влияния на структуру сплава (рис. 2, а).

Термообработка на воздухе при 730°С в течение трех часов приводит к частичному изменению фазовых равновесий (рис. 2,а). Внутренние напряжения при этой температуре полностью не исчезают. Поверхность образцов начинает активно окисляться на воздухе, поэтому термообработку при более высоких температурах следует производить в среде защитного газа или вакууме.

После термообработки в вакууме в течение двух часов при температуре 1050°С резко изменяется структура сплава (рис. 2; а, в), снимаются внутренние

напряжения. Данная термообработка приводит к образованию в сплаве трехфазной структуры: 1) основы сплава, состоящей из твердого раствора хрома и молибдена в кобальте с кубической элементарной гранецентрированной ячейкой; 2) сложного карбида (Сг0.77Со0.15Мо0.08)2зСб; 3) фазы, соответствующей твердому раствору на основе гексагональной модификации кобальта. На микроструктуре сплава после термообработки при температуре 1050°С (рис. 2, в) хорошо видны карбидные выделения (Сго.77Соо.15Моо.о8)2зСб по границам зерен.

Kt'21) 0(002) 0(111)

<Я1)к ¡j

(422)к (002)к

(100)О N(311)

; (-»40)

: (IM)

#-ГГ1У Со -О-ГПУ Со о-ГЦКСо

к-ГЦК (С^„Со,,<Мо,.«)1,С.

0(110) 0(120) (882)!

j (.00)0 кТпот

а) б) в)

Рис. 2. Рентгенограммы сплава после селективного лазерного плавления и последующей термообработки (а): 1- без термообработки, 2 -пять часов на воздухе при температуре 500°С, 3 - три часа на воздухе при температуре 730°С, 4 — два часа в вакууме при температуре 1050°С. Микроструктура сплава после СЛП (б). Микроструктура сплава после СЛП и последующего отжига в течение двух часов в вакууме при температуре 1050°С

Изучены физико-механические свойства опытных образцов, изготовленных методом селективного лазерного плавления: твердость составляет 42±4 HRC, точность линейных размеров - ±0,06 мм, шероховатость поверхности - Ra 8±2 мкм, предел текучести - а0,г=1000±150 МПа, предел прочности - öb=1250±150 МПа, относительное удлинение - не менее 8=6%, ударная вязкость - KCU 21±1 Дж/см2. Последующая термообработка при температуре 1050°С практически не оказывает влияния на физико-механические свойства образцов.

Сравнительные испытания износостойкости показали, что коэффициент износа СЛП-образцов в 1,7 — 1,5 раза меньше, чем у образцов из литого сплава-аналога и составляет (3,3±0,2)- 10"15 м3/(м-Н). Коэффициент износа для СЛП-образцов практически не зависит от последующей термообработки.

Результаты сравнительных испытаний на фреттинг-износ показали, что литой сплав-аналог при количестве циклов нагружения до 360000 обладает более низким коэффициентом проскальзывания (рис. 3). Однако после 360000 циклов нагружения коэффициент проскальзывания для литого сплава-аналога начинает резко расти и при 5000000 циклов нагружения выравнивается с коэффициентом проскальзывания для сплава СоСгМо, полученного селективным лазерным плавлением. Данное явление объясняется меньшей

твердостью сплава-аналога, примерно, на 10 ЬЖС в сравнении со сплавом СоСгМо (36 ИКС против 46 НЯС), что приводит к более плотному контакту образца из литого сплава-аналога с контртелом при номинальной нагрузке 60 Н. Впоследствии меньшая твердость сплава-аналога отражается на его износостойкости, коэффициент проскальзывания начинает резко возрастать, что особенно заметно при смешанном фреттинг-режиме и режиме динамического сцепления-проскальзывания.

О 3000 6000 30000 60090 Э60000 2160000 3240000 4320000 5000000

Количество циклов нагрузки

Рис. 3. Кинетика разрушения номинально неподвижного фрикционного соединения в условиях фреттинг-износа: 1 — селективное лазерное плавление (сплав СоСгМо), 2 — литье (сплав-аналог КХС-«Д»)

Таким образом, образцы из сплава СоСгМо, полученные селективным лазерным плавлением, не уступают по своей износостойкости в условиях фреттинг-износа образцам из литого сплава-аналога. Детали, изготовленные селективным лазерным плавлением из сплава СоСгМо, можно рекомендовать для эксплуатации в условиях фреттинг-износа. Ресурс работы данных деталей в условиях фреттинг-износа при тангенциальной нагрузке в 40 Н и нормальной нагрузке в 60 Н составляет 5000000 циклов.

На основании рентгеноструктурного анализа и проведенных сравнительных испытаний физико-механических свойств можно рекомендовать следующую термообработку для деталей, полученных селективным лазерным плавлением из жаропрочного кобальтового сплава: отжиг в вакууме в течение двух часов при температуре 1050()С. Данная термообработка практически не влияет на физико-механические свойства деталей, однако приводит к значительному снятию внутренних напряжений, что исключает риск возникновения коробления в тонкостенных, длинномерных и/или нежестких деталях.

По преимущественным режимам селективного лазерного плавления с учетом разработанных рекомендаций на установке ПТК-ПС были изготовлены сложнопрофильные детали (рис. 4): «Сопло», «Турбина», «Сопло (исполнение 1)», «Сопло (исполнение 2)». Деталь «Сопло» (рис. 4, а) внедрена в

конструкцию роторного волнового криогенератора, разработанного в производственном кооперативе «Научно-производственная фирма «ЭКИП»».

г)

Рис. 4. Детали, изготовленные методом селективного лазерного плавления: а -«Сопло», б - «Турбина», в - «Сопло (испол. 1)», г - «Сопло (испол. 2)»

В четвертой главе описана разработка методики выбора наиболее рациональных компоновок для СЛП-установки.

Наиболее распространенные компоновки отечественных и зарубежных СЛП-установок приведены на рис. 5: рис. 5, а - компоновка СЛП-установок EOSINT М270 фирмы EOS (Германия), Phénix РМ 100 фирмы Phénix Systems (Франция), НТК-ПС ОАО «НИAT» (Россия) и др.; рис. 5, б - компоновка, экспериментальной СЛП-установки УПС, разработанной в ОАО «НИАТ» (Россия); рис. 5, в, рис. 5, е - компоновки экспериментальных СЛП-установок, изготовленных в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет»; рис. 5, г. - компоновка более поздних модификаций СЛП-установки Sinterstation HiQ фирмы 3D Systems (США); рис. 5, д. - компоновка экспериментальной СЛП-установки, изготовленной в ЮТИ (филиал) ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»; рис. 5, ж -компоновка СЛП-установки Sinterstation HiQ фирмы 3D Systems (США); рис. 5, з - компоновка СЛП-установки Concept Laser МЗ Linear фирмы Concept Laser (Германия); рис. 5, и - компоновка СЛП-установок EOSINT Р760 и EOSINT S750 фирмы EOS (Германия), работающих с неметаллическими порошками.

Выбор наиболее рациональной компоновки целесообразно проводить в два этапа: 1) провести качественное сравнение компоновок на базе экспертных оценок и тем самым сократить количество сравниваемых компоновок до 5 вариантов, 2) провести технико-экономическое количественное сравнение компоновок на основе технологической стоимости изготовления типовой детали.

Система скпниробония

Система сканирования

Система

снабжения {", порошком В[| У,

Герметичная ксмеро^ч

Механизм Г п X; розрайнибания | 13 в! порошка Й:

Гернешиннся ютера

грметцчноя камер о

Механизм ршрббнйЬоний

порошка Порошок ^

Системе {."У:

снабжения ЬИЦЙИ-а ПОЭСЧЖОМ [у N 1

Механизм оазрсЬнибан _плюшка__

Пороииок

ойочпя плоскость

Рабочая плоскость

Система снабжения пор садом

Рабочая платформа

Рабочая матформа

ИзЗелие. Рабочая платформа

Поршень^/

Система сканирования Лозер

Систано скцнчррУшт

Система снабжения порошком

Сос-пемз снабжения

Механизм разрсйнийания порошка_

ИзЭеяие

Механизм разрабнийания пиратки_

Механизм ! разрабнибония: порам» !

Рабочая плоскость

Рабочая плоскость

'обочоя плоскость

Пробой

Г I Рабочая —.плотффмс

Система снабжения порошком

Изделие РсЛочпа

Иэ&елие Росвчся пттформп.

Порошок

Поршень,

Системе скздиррОдецяг

1иатпс сшицоБон'-'я1

ПриОай

:С'рМеЩЧНОЯ консрп

Систеко ск-чицрийонця

Система сканиробония

Сернети'

Герметичная камера

Механизм оазра5нй&>

порошка Порошок

Механизм ризрабниЗпний

порошка Порошок ~

.Мехскизг* рйгаЗ-ч;Ьаьи'л.

•______гкрсш.чо

! Порошок

| Система [Г^У Зг ! сииЗжеиия ЬИ&ШЩЯ | порошком Г, И {

Рабочая плоскость "«да

Р:5Р-'СЯ плоскость

'збочая плоскость

Система снабжения парошкон1

Система снабжения . порсшком2

Система снабжения порошком

_ ИзЭерие Рсбочоя п.юттсрми

Изделие Рабичоя платформе

Г13 (Подмень] \.1!иршень 1

Поршень,

\ Рабочей /

Поршень

Поршень

Рис. 5. Наиболее распространенные компоновки отечественных и зарубежных

СЛП-установок

Качественное сравнение компоновок проводилось при помощи экспертных оценок (экспертного сравнения), поскольку данный подход позволяет наименее трудоемко определить рациональные варианты компоновок при минимальной вероятности ошибки. Для экспертного сравнения компоновок была разработана специальная система опроса, включающая в себя: опросные листы с комментариями и разъяснениями критериев сравнения компоновок, список экспертов. Опросные листы содержат: идентификационную информацию об эксперте, варианты компоновок с описанием принципа работы, преимущества и недостатки компоновок, критерии сравнения компоновок (гибкость, производительность, простота конструкции, простота создания системы управления, надежность). Цель создания опросных листов — выявление наиболее рациональных компоновок на базе экспертных оценок.

В результате экспертного сравнения, наилучшими компоновками были признаны компоновки, изображенные на рис. 5, а-б, рис. 5, ж-и. Для удобства сравнения компоновкам были присвоены следующие условные обозначения: рис. 5, а-К1, рис. 5, б -К2, рис. 5, ж-КЗ, рис. 5, з -К4, рис. 5, и-К5.

Технико-экономическое количественное сравнение компоновок проводилось по технологической стоимости изготовления типовой детали. При выборе наиболее рационального варианта компоновки необходим системный подход, использующий показатель в комплексе минимизирующий материально-энергетические и трудовые ресурсы, а также капиталовложения в СЛП-установку. Учитывая разноименный характер показателей, комплексный показатель должен быть выражен в денежной форме. Таким комплексным показателем, используемым при выборе компоновки СЛП-установки, может быть «технологическая стоимость изготовления типовой детали». Технологическая стоимость изготовления типовой детали составляет подавляющую часть цены на изготовленную деталь и учитывает наибольшую долю общественных затрат, связанных с ее изготовлением.

□ □ □ □ □ □ □ □ □

Главный вид А-А Б-Б

а)

Рис. 6. Типовая деталь, изготавливаемая методом селективного лазерного плавления: а — аксонометрический вид и главный вид, б — стратегия сканирования лазерным излучением сечений типа А-А и Б-Б

В качестве типовой детали, изготавливаемой методом селективного лазерного плавления, был выбран фильтрующий элемент, изображенный на рис. 6, а. Траектория движения лазерного луча в каждом сечении условно показана на рис. 6, б. При изготовлении типовой детали области, подверженные переплавлению, сканируются лазерным излучением со скоростью VCkah- В областях, в которых переплавление порошка не происходит, система сканирования позиционируется со скоростью холостого хода системы сканирования Гху(как правило, выше VCkah)•

Для упрощения расчета времени изготовления типовой детали примем следующие условия и допущения (рис. 6): длина, ширина и высота типовой детали одинаковы (L=B=H); сканирование слоев осуществляется согласно стратегии, изображенной на рис. 6, б; типовая деталь является симметричной; размеры всех сквозных отверстий одинаковы; типовая деталь имеет ровно половину слоев, соответствующих сечению А-А, и ровно половину слоев, соответствующих сечению Б-Б.

Учитывая принятые допущения, время изготовления типовой детали (или машинное время), необходимое для расчета технологической стоимости типовой детали, составит:

' изг

ЛДОШ \ -г г | л

' г

' -V -¡с И к

СКЛН ' XX СКАИ ы п

£ ■г./

^склн "/

•я

ТПОР )

ь

г-збоо'

(1)

где ТИзг - время изготовления детали, ч; Ь - длина детали, мм; (1П - диаметр пятна лазера, мм; ксклн — коэффициент перекрытия лазерных треков, безразмерный; кСклн' ¿п - расстояние между соседними лазерными треками, мм; Усклн ~ скорость сканирования лазерным излучением, мм/с; Ухх -скоростью холостого хода системы сканирования, мм/с; ^ — время необходимое системе сканирования для разгона от 0 до скорости Усклн, с; ТТОр - время нанесения слоя порошка, с; Z— толщина одного слоя порошка, мм.

Взаимосвязь компоновки и технологической стоимости изготовления типовой детали схематично изображена на рис. 7.

1 КшШкт&шё Цены, т кямвдекттоощае

/

Компоновка СЛИ-ус-таиовЙ! Нроюша«?«зьиос:ть Машинное время

\

/

^ 1 шюяогичгская гстошесгь / «зготозжти гнповой детйЯй

Шсхемз уйра&ченкй

Зяурвчы, связанные /

Рис. 7. Взаимосвязь компоновки и технологической стоимости изготовления

типовой детали

Технологическая стоимость изготовления типовой детали определялась по формуле:

С„и=3м,+З„и+З0б!+Зт1 + Куд„ (2)

где i — порядковый номер варианта компоновки; СтЛ — технологическая стоимость изготовления детали при /'—том варианте компоновки, руб.; ЗмЛ — затраты по расходу материальных ресурсов на деталь при /—том варианте компоновки, руб.; 3т1 — затраты по расходу трудовых ресурсов на деталь при /'— том варианте компоновки, руб.; 30Й1 - затраты на содержание и эксплуатацию технологического оборудования на деталь при /—том варианте компоновки, руб.; ЗинЛ - затраты по расходу инструмента на деталь при г—том варианте компоновки, руб.; Кудл — удельные капитальные вложения в СЛП-установку, приходящиеся на деталь при г— варианте компоновки, руб.

Результаты технико-экономического количественного сравнения компоновок приведены на рис. 8.

263 250 238 225 213 200 188 175 163 150 138 125 ИЗ 100 88 75 63 50 38 25 13

* 10000

| к?

/ К4

!/

и /• 'К?

т

4 ж

/

/ 4 *4С

/ Г /

/ 4

/V V

#

У V

{Л

А Л

Л- ГУ

-—

г»!»

и к £11£й 88»8§

5 й ¡й й Й й .Й -г -г ~ * * г £ * * * Я £ ? « 3 $ ъ 3 -а %

V?. .1*5. № # 1Л ее О* «Л УЧ кЛ хл:1УЗ' "Л V} 'Л «Л' АГ>:;<Л <Л. :4Л: >и<

$ я * « .х о- т.-т чм ^ ^ а* ■<?•■ »

^ & »Л ЧЛ. «Л г* г~ <г-<: >«< ГГ} «< Г"

& К £1 & & .к.«

!'. ад £>, ЙЗ «л <л ад

I У*« ГМ ^ ХГ <Ут. л^, -Л-

к ,-л- $ ^ # :«:■ X « И ^ % Ж * ^ ^ ^ ^

ад ад ад ад ад ад ад ад ** ад ад $ ад

— Ы т ад .рм ¿с . «к «а ** г-! ад ф & «л

и* -г-*: Ш ж* С* СМ Й 'М. ^ $$

£-ч се

■— — '—: ..........' 1 ' ' ■ ■ ' ■ ' • ' ..у ' • - {--I

Внешние размеры типовой детали (рабочей зоны СЛП-установкн), мм

Рис. 8. Результаты технико-экономического количественного сравнения

компоновок

При изготовлении типовой детали с внешними размерами до 50x50x50 мм компоновка СЛП-установки непринципиальна, т.к. компоновки К1-К5 имеют одинаковую технологическую стоимость изготовления типовой детали.

При изготовлении типовой детали с внешними размерами от 50x50x50 мм до 300x300x300 мм:

- Наименьшую технологическую стоимость изготовления типовой детали имеет компоновка К5. Данная компоновка является наиболее перспективной для развития СЛП-установок. На данный момент времени СЛП-установок с компоновкой К5, работающих с металлическими порошками, не существует.

- Наибольшую технологическую стоимость изготовления типовой детали имеет компоновка К2, поэтому К2 является наименее рациональным вариантом компоновки СЛП-установки.

- Компоновки К1 и КЗ имеют одинаковую технологическую стоимость изготовления типовой детали, поэтому наиболее предпочтительным вариантом является компоновка К1, поскольку она имеет более простую конструкцию, а значит, потенциально более надежна. Другими словами, введение дополнительной системы снабжения порошком в компоновке КЗ не несет положительного экономического эффекта, поэтому нецелесообразно, т.к. усложняет конструкцию СЛП-установки.

16

- Компоновка К4 является наиболее гибкой компоновкой, поскольку совмещает в себе возможности К1 и К2, но при этом имеет несколько большую технологическую стоимость в сравнении с К1 и КЗ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное значение для предприятий машиностроительной отрасли, заключающаяся в разработке технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления.

2. Установлены связи между параметрами селективного лазерного плавления (мощностью лазерного излучения, толщиной порошкового слоя, скоростью сканирования), структурой, фазовым составом жаропрочного кобальтового сплава и физико-механическими свойствами опытных образцов.

3. Предложена методика определения преимущественных режимов селективного лазерного плавления для изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава, которая заключается в:

- выборе порошкового материала;

- определении влияния параметров селективного лазерного плавления на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства сплава;

- выявлении влияния режимов последующей термообработки на структуру и комплекс физико-механических свойств сплава.

4. В результате проведенных исследований показано, что гранулометрические характеристики порошкового материала из жаропрочного кобальтового сплава СоСгМо обеспечивают получение равномерных и однородных слоев толщиной 0,05 мм, которые позволяют изготавливать детали с точностью линейных размеров ±0,06 мм и шероховатостью поверхности Иа 8±2 мкм.

5. Структура сплава, полученного селективным лазерным плавлением, представляет собой пересыщенный твердый раствор на основе гексагональной низкотемпературной и кубической высокотемпературной модификаций кобальта, что обеспечивает увеличение прочностных характеристик образцов в сравнении с литыми образцами.

6. Установлено, что наиболее благоприятным режимом термообработки после селективного лазерного плавления жаропрочного кобальтового сплава можно считать отжиг в вакууме в течение двух часов при температуре 1050±10 °С, приводящий к образованию в сплаве трехфазной структуры:

- основы сплава, состоящей из твердого раствора хрома и молибдена в кобальте с кубической элементарной гранецентрированной ячейкой;

- сложного карбида (Сго^Соо.нМоо.овЬзСб!

- фазы, соответствующей твердому раствору на основе гексагональной модификации кобальта.

Физико-механические свойства сплава остаются практически неизменными, при этом внутренние напряжения значительно снижаются, что позволяет рекомендовать данную термообработку для тонкостенных, длинномерных и/или нежестких деталей.

7. В работе показано, что разработанный технологический процесс можно рекомендовать для изготовления сложнопрофильных деталей, работающих в условиях повышенного износа и высоких температур. Это экспериментально подтверждено сравнительными испытаниями износостойкости:

- коэффициент износа образцов, полученных селективным лазерным плавлением (далее СЛП-образцов), в 1,7 — 1,5 раза меньше, чем у образцов из литого сплава-аналога;

- коэффициент износа для СЛП-образцов практически не зависит от последующей термообработки;

- в условиях фретгинг-износа износостойкость СЛП-образцов не уступает износостойкости образцов из литого сплава-аналога, ресурс работы СЛП-образцов из сплава СоСгМо в условиях фреттинг-износа при тангенциальной нагрузке в 40 Н и нормальной нагрузке в 60 Н составляет 5000000 циклов.

8. Разработана методика выбора наиболее рациональных компоновок для установки селективного лазерного плавления на основе качественной экспертной оценки и технико-экономического количественного сравнения по технологической стоимости изготовления типовой детали.

9. Полученные результаты и рекомендации могут быть использованы предприятиями машиностроительной отрасли (в частности, деталь «Сопло», изготовленная методом селективного лазерного плавления из жаропрочного кобальтового сплава, внедрена в конструкцию роторного волнового криогенератора, разработанного в научно-производственной фирме «ЭКИП») и в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Основные положения диссертации отражены в работах:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Назаров А. П. Перспективы быстрого прототипирования методом селективного лазерного спекания/плавления // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. №4. С. 46-51.

2. Тарасова Т.В., Назаров А.П. Исследование процессов модификации поверхностного слоя и изготовления трехмерных машиностроительных деталей посредством селективного лазерного плавления // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2013. №2 (25). С. 17-21.

3. Павлов М.Д., Тарасова Т.В., Назаров А.П., Окунькова A.A. Влияние предварительной подготовки поверхностей изделий на качество покрытий, полученных лазерной наплавкой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 12. С. 31-34

4. Назаров А. П. Особенности конструкции машин для селективного лазерного спекания // Вестник МГТУ «Станкин». 2013. № 1. С. 76-79.

5. Смуров И. Ю., Окунькова А. А., Павлов М. П., Назаров А. П. Исследование оптимальных компоновок узлов оборудования для селективного лазерного плавления // СТИН. 2013. № 1. С. 33-36.

6. Павлов М. Д., Конов С. Г., Окунькова А. А., Назаров А. П. Особенности использования средств оптического контроля при изготовлении изделий методом селективного лазерного плавления // Контроль. Диагностика. 2012. № 12. С. 45-50.

Публикации в других гаданиях:

7. Назаров А. П. Области применения технологии селективного лазерного спекания // Материалы всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении». Москва. 2011. Октябрь. С. 252-259.

8. Tarasova Т. V., Nazarov А. P. Investigation on selective laser melting of high-temperature cobalt alloys // Сборник трудов международного симпозиума «Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий» (FLAMN-13). Санкт-Петербург. 2013. 24-28 июня. С. 87-88.

9. Патент на изобретение RU 2487779 / МПК B22F3/105 (2006.01) В23К26/00 (2006.01). Установка для изготовления деталей методом послойного синтеза / Вайнштейн И.В., Обознов В.В, Васильева Г.Ф., Назаров А.П. -Опубл. 20.07.2013.

10. Патент на изобретение RU 2491153 / МПК B22F3/105 (2006.01). Устройство для изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов / Ядройцев И.А., Павлов М.Д., Тихонова Е.П., Назаров А.П., Владимиров Ю.Г., Перетягин П.Ю., Антоненкова Г.В. - Опубл. 27.08.2013.

11. Патент на полезную модель RU 128533 / B22F3/105 (2006.01). Устройство для изготовления изделий их композиционных порошкообразных материалов / Смуров И.Ю., Ядройцев И.А., Волосова М.А., Окунькова A.A., Павлов М.Д., Антоненкова Г.В., Тихонова Е.П., Назаров А.П. - Опубл. 27.05.2013.

12. Патент на полезную модель RU 124607 / B22F3/105 (2006.01). Устройство для изготовления материальных объектов из композиционных материалов / Конов С.Г., Назаров А.П., Тихонова Е.П. - Опубл. 10.02.2013.

Научное издание

Назаров Алексей Петрович

Разработка технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 08.11.2013 Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 200.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет <<СТАНКИН» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

ФГБОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

На правах рукописи

04201450216

Назаров Алексей Петрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ

СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО КОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО

ПЛАВЛЕНИЯ

_ /<*-Р

Специальность 05.02.07

Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

к.т.н., доцент Тарасова Татьяна Васильевна

Москва, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ............................................................................2

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................7

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.............................................12

1.1 Современное состояние вопроса..........................................12

1.2 Технологический процесс изготовления детали методом селективного лазерного плавления..............................................13

1.3 Параметры процесса селективного лазерного плавления............15

1.3.1 Классификация параметров селективного лазерного плавления.......................................................................15

1.4 Анализ устройства и принципа работы установок селективного лазерного плавления ведущих мировых производителей......................................................................16

1.4.1 Основные части установки селективного

лазерного плавления..........................................................16

1.5 Компоновка установки селективного лазерного плавления.........24

1.5.1 Основные определения и понятия..............................24

1.5.2 Движения формообразования в СЛП-установке............26

1.6 Примеры деталей, изготавливаемых методом селективного лазерного плавления.....................................................................29

1.7 Преимущества и недостатки метода селективного лазерного плавления............................................................................30

1.8 Кобальтовые сплавы........................................................31

1.8.1 Классификация кобальтовых сплавов..........................31

1.8.2 Жаропрочные кобальтовые сплавы...........................32

1.8.3 Селективное лазерное плавление жаропрочных кобальтовых сплавов.........................................................33

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1..................................................................35

ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ..................................................38

2.1 Установка селективного лазерного плавления ПТК-ПС................38

2.1.1 Описание устройства установки ПТК-ПС..........................38

4.1.2 Технические характеристики установки ПТК-ПС................39

4.1.3 Система управления установки ПТК-ПС............................39

2.2 Исходный порошковый материал.............................................41

2.3 Стратегия сканирования лазерным излучением...........................43

2.4 Металлографический, электронно-микроскопический, химический, микрорентгеноспектральный и

рентгеноструктурный анализы....................................................44

2.5 Термографический анализ......................................................46

2.6 Определение точности линейных размеров и

шероховатости поверхности.......................................................48

2.7 Определение плотности, твердости, предела текучести, предела прочности, относительного удлинения, ударной

вязкости...................................................................................48

2.8 Исследование теплостойкости................................................49

2.9 Методики исследования износостойкости..................................49

2.9.1 Износостойкость в условиях абразивного

изнашивания.....................................................................49

2.9.2. Изнашивание при фреттинге..........................................50

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО КОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ....................................56

3.1 Анализ порошкового материала...............................................56

3.2 Экспериментальный поиск преимущественных режимов селективного лазерного плавления...............................................58

3.2.1 Выбор параметров процесса селективного лазерного плавления.........................................................................58

3.2.2 Влияние режимов селективного лазерного плавления на точность геометрических размеров и физические

свойства образцов...............................................................60

3.3 Влияние параметров селективного лазерного плавления и последующей термообработки на структуру и фазовый состав исследуемого сплава.................................................................61

3.3.1 Металлографический и рентгеноструктурный анализы образцов, полученных селективным лазерным

плавлением.......................................................................61

3.3.2 Металлографический, рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализы образцов из литого

сплава-аналога..................................................................69

3.3.3 Термографический анализ образцов, полученных селективным лазерным плавлением........................................72

3.4 Влияние режимов селективного лазерного плавления и последующей термообработки на физико-механические

свойства опытных образцов.........................................................74

3.5 Влияние режимов селективного лазерного плавления и последующей термообработки на износостойкость...........................75

3.5.1 Износостойкость в условиях абразивного

изнашивания.....................................................................75

3.5.2 Изнашивание при фреттинге...........................................77

3.6 Технологические ограничения метода селективного лазерного плавления с точки зрения достижения сложной формы деталей...........84

3.7 Рекомендации для изготовления деталей из жаропрочных кобальтовых сплавов методом селективного лазерного плавления.......87

3.8 Изготовление сложнопрофильных деталей из жаропрочного

кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления........89

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3....................................................................92

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ВЫБОРА НАИБОЛЕЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ

КОМПОНОВОК ДЛЯ УСТАНОВКИ СЕЛЕКТИВНОГО

ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ............................................................95

4.1 Основные этапы методики выбора наиболее рациональных компоновок для установки селективного лазерного плавления............95

4.2 Качественное экспертное сравнение компоновок........................97

4.2.1 Множество вариантов компоновок..................................97

4.2.2 Опросные листы.........................................................98

4.2.3 Список экспертов........................................................99

4.2.4 Методика качественного сравнения компоновок.................100

4.2.5 Результаты качественного сравнения компоновок................100

4.3 Технико-экономическое количественное сравнение

компоновок............................................................................101

4.3.1 Выбор комплексного показателя для технико-экономического количественного

сравнения компоновок.........................................................101

4.3.2 Выбор типовой детали и расчет для нее

машинного времени............................................................103

4.3.3 Определение общих исходных условий для компоновок.......................................................................108

4.3.4 Определение индивидуальных исходных условий

для компоновок...................................................................109

4.3.5 Результаты технико-экономического количественного сравнения компоновок..........................................................125

4.3.6 Анализ результатов технико-экономического количественного сравнения компоновок..................................125

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4..................................................................127

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.....................................................................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................131

ПРИЛОЖЕНИЯ (отдельный том)

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Во всех технологически развитых странах ведутся активные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию методик и оборудования, основанных на подходе, получившем название «Аддитивное производство». В отличие от классического формообразования, где от заготовки «отсекается» все лишнее и за счет этого получается деталь, при аддитивном производстве деталь «выращивается» послойным добавлением/наложением материала. Такой подход позволяет создавать уникальные изделия и детали на основе трехмерных компьютерных моделей за один технологический цикл. Например, макеты сборочных узлов, криволинейные профили крыльев летательных аппаратов, теплообменники со сложной структурой каналов охлаждения, оснастка для изготовления корпусов двигателей и насосов, фильтрующие элементы, индивидуальные медицинские протезы и др.

Широко известны и коммерчески успешны следующие методы аддитивного производства: трехмерная печать, лазерная стереолитография, послойная заливка экструдируемым расплавом, 3-х мерная лазерная наплавка, селективное лазерное плавление. Селективное лазерное плавление является наиболее перспективным методом, поскольку обладает рядом принципиальных преимуществ: безотходностью, универсальностью, возможностью изготовления с высокой точностью (до ±0,05 мм) сложнопрофильных деталей, не уступающих, а иногда и превышающих по своим физико-механическим

свойствам детали, полученные традиционным формообразованием.

Сущность селективного лазерного плавления заключается в поочередном нанесении порошкового слоя материала и проплавлении его с помощью лазерного луча. В отличие от традиционных технологий порошковой металлургии деталь из порошкового материала, полученная селективным лазерным плавлением, имеет 99% плотность. Использование метода

селективного лазерного плавления может сократить время изготовления и себестоимость сложнопрофильных деталей при единичном и мелкосерийном производстве за счет отсутствия стадии создания специального инструмента и сокращения количества технологических этапов.

Мировыми лидерами в производстве установок селективного лазерного плавления (далее СЛП-установок) являются США, Германия и Япония. Производство СЛП-установок в России носит единичный характер. Для организации серийного производства отечественных установок необходимо повышение качества разрабатываемого в России оборудования. Немаловажную роль в повышении качества установки играет выбор компоновки. Конечно, качество установки селективного лазерного плавления зависит от всех этапов ее создания, включая проектирование и изготовление. Однако предпосылки качества закладываются при выборе компоновки. Ошибки, допущенные на этом этапе, практически нельзя уже скомпенсировать, например, тщательностью изготовления и сборки установки. Именно поэтому стадия эскизной разработки на этапе выбора компоновки считается одной из самых ответственных при проектировании СЛП-установки.

В методе селективного лазерного плавления может применяться широкий спектр строительного порошкового материала. Одними из перспективных сплавов являются жаропрочные сплавы на основе кобальта. Кобальтовые сплавы достаточно часто используют в качестве жаропрочных, коррозионностойких сплавов, работающих в том числе при высоких температурах, а также износостойких сплавов, работающих в агрессивных средах и повышенных температурах. Сложнопрофильные детали, изготовленные селективным лазерным плавлением из порошкового материала на основе жаропрочных кобальтовых сплавов, могут найти широкое применение в аэрокосмической, энергетической, машиностроительной и других отраслях точного машиностроения. Поэтому разработка технологического процесса получения деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления, а также разработка методики выбора

наиболее рациональных компоновок для установки селективного лазерного плавления являются актуальными научно-техническими задачами.

Целью работы является разработка технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления.

Поставленная цель может быть достигнута решением следующих задач:

- провести выбор и анализ исходного порошкового материала для селективного лазерного плавления;

- определить преимущественные режимы селективного лазерного плавления для изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава на отечественной установке ПТК-ПС;

- установить влияние параметров селективного лазерного плавления и последующей термообработки на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства исследуемого сплава для изготовления сложнопрофильных деталей;

- разработать технологический процесс изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления;

- изготовить опытные образцы сложнопрофильных деталей;

- разработать методику выбора наиболее рациональных компоновок для установки селективного лазерного плавления.

Поставленные в работе задачи решались методами аналитических, численных и экспериментальных исследований. В работе использованы положения физико-технических методов обработки с использованием лазерного излучения, материаловедения, линейной алгебры, а также научные основы технологии машиностроения и проектирования. Экспериментальные исследования проводились по стандартным и оригинальным методикам с использованием аттестованных приборов и контрольно-измерительной аппаратуры.

Научная новизна работы заключается в:

- определении связей между параметрами селективного лазерного плавления, структурой и фазовым составом жаропрочного кобальтового сплава, а также в установлении влияния режимов селективного лазерного плавления на физико-механические свойства сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава;

- выявлении преимущественных режимов селективного лазерного плавления (мощности лазерного излучения, толщины порошкового слоя, скорости сканирования) для изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава на отечественной установке ПТК-ПС;

- установлении влияния последующей термообработки на структуру, фазовый состав и физико-механические свойства жаропрочного кобальтового сплава, полученного селективным лазерным плавлением;

- разработке методики выбора наиболее рациональных компоновок для установки селективного лазерного плавления на основе качественной экспертной оценки и технико-экономического количественного сравнения по технологической стоимости изготовления типовой детали.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработке рекомендаций по проектированию оборудования для селективного лазерного плавления, предназначенных для отечественных установок (патенты на изобретение №2487779 и №2491153, патенты на полезную модель №128533 и №124607);

- разработке и реализации технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава на отечественной установке ПТК-ПС с использованием преимущественных режимов селективного лазерного плавления (мощности лазерного излучения, толщины порошкового слоя, скорости сканирования, расстояния между проходами лазерного луча, стратегии сканирования).

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений (отдельный том). В первой главе приведен

аналитический обзор современного состояния технологии и оборудования для селективного лазерного плавления. Во второй главе описано оборудование, материалы и методики экспериментов. В третьей главе представлены результаты исследований по разработке технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления. В четвертой главе описана разработка методики выбора наиболее рациональных компоновок для СЛП-установки. В приложениях приведена справочная информация, чертежи изготовленных сложнопрофильных деталей, расчеты приводов движений для СЛП-установки, акты внедрения и др.

Работа в значительной степени выполнена по экспериментальным данным, что способствует накоплению информации и опыта для последующей разработки технологических процессов изготовления сложнопрофильных деталей методом селективного лазерного плавления.

Основные положения работы опубликованы в 12 научных трудах, которые включают два патента на изобретение, два патента на полезную модель и 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудов соискателей ученых степеней.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Современное состояние вопроса

Основоположниками метода селективного лазерного спекания/плавления считаются Карл Декард и Джо Биман, работавшие в «Университете штата Техас» и запатентовавшие данный метод в середине 1980-х годов. Если до этого практически любая деталь формировалось за счет удаления материала (как, например, при точении или фрезеровании) или изменения формы заготовки (как, например, при ковке или штамповке), то при селективном лазерном плавлении деталь получается за счет добавления (постепенного наращивания) материала. Сущность селективного лазерного плавления заключается в поочередном нанесении порошкового слоя материала и проплавлении его с помощью лазерного луча.

Значительный вклад в развитие и совершенствование метода селективного лазерного спекания/плавления внесли отечественные и зарубежн�