Оценка дефектности структуры сплавов ПР-08Х15Н5ДТ и ПР-ХН55В5МБТЮ после прямого лазерного выращивания

Язык труда и переводы:
УДК:
621.373.826: 621.791.92: 621.762
Дата публикации:
17 мая 2022, 20:58
Категория:
Высокоэнергетические методы изготовления заготовок
Авторы
Жаткин Сергей Сергеевич
Самарский государственный технический университет
Щедрин Евгений Юрьевич
ПАО «ОДК-Кузнецов»
Никитин Константин Владимирович
Самарский государственный технический университет
Аннотация:
Приведены результаты исследований металлопорошковых композиций, а также макро- и микроструктуры образцов из жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ и нержавеющей стали ПР-08Х15Н5ДТ, полученных прямым лазерным выращиванием. Представлены данные по металлографическим исследованиям выращенных образцов и влияния режимов лазерного воздействия на дефектность выращенных зон. Выбраны оптимальные режимы прямого лазерного выращивания.
Ключевые слова:
аддитивные технологии, прямое лазерное выращивание, металлографический анализ, дефекты наплавки, режимы наплавки, металлопорошковые композиции
Основной текст труда

Аддитивное производство (АП) имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами изготовления, в том числе значительное сокращение сроков освоения, снижение затрат на жизненный цикл и повышение производительности [1]. Технологии АП принципиально изменили процессы проектирования и конструирования изделий и современные проектирование и производство изделий немыслимо без аддитивных технологий.  Во многих отраслях, например, в космической отрасли, альтернативы аддитивным технологиям не видно уже сегодня [2].

В ряду аддитивных технологий, развивающихся в настоящее время, является технология Direct energy deposition — прямой подвод энергии и материала (к которой следует отнести и прямое лазерное выращивание) — процесс аддитивного производства, в котором энергия от внешнего источника используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения [3]. В технологии прямого лазерного выращивания (ПЛВ) в качестве материала часто используется металлический порошок — металлопорошковая композиция (МПК).

Технология ПЛВ является сложным и многофакторным процессом с большим количеством параметров, которые влияют на окончательный результат. Характерными недостатками технологии аддитивного производства деталей является наличие многочисленных макродефектов, в частности пористости и участков несплавлений, а также повышенная вероятность формирования нежелательных вторичных фаз [4–5], что оказывает существенное отрицательное влияние на механические свойства изделий. В связи с этим контроль макро- и микроструктуры является одной из ключевых задач в аддитивном производстве изделий по технологии прямого лазерного выращивания.  

Целью  данной работы является исследование металлопорошковой композиции (МПК) используемой для ПЛВ из стали ПР-08Х15Н5ДТ и жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ, исследование и выбор  оптимальных режимов ПЛВ, обеспечивающих минимальное количество дефектов в выращенных образцах.

Методики эксперимента. В качестве наплавляемого материала при ПЛВ были использованы МПК из нержавеющей стали ПР-08Х15Н5ДТ и жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ  фракцией 40–150 мкм. Выращенные образцы имели размеры 60х15х25 мм.

Наплавка проводилась на установке прямого лазерного выращивания производства Института лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ (Россия, г. Санкт-Петербург). При этом мощность лазерного излучения (ЛИ) менялась в пределах 800–1850 Вт; скорость наплавки 8–35 мм/с. Расход транспортирующего и защитного газа (аргона) оставался неизменным и составлял 10 л/мин и 13 л/мин соответственно. Диаметр пятна лазерного излучения составлял 2,7 мм.

Морфология частиц МПК исследовалась на растровом электронном микроскопе Tescan VEGA3 LM. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе CARL ZEISS AXIO OBSERVER.

Для макро- и микроанализа изготавливались поперечные шлифы в трех сечениях по длине: на расстоянии 10 мм от краев и по центру образцов. Шлифы травились  электролитическим способом при комнатной температуре в течение 30 секунд в электролите, состоящем из 10 г  лимонной кислоты, 10 г  хлористого аммония и 1 л воды.

Результаты исследований и их обсуждение. Анализ морфологии МПК ПР-08Х15Н5ДТ показал, что порошок имеет частицы различных фракций с преобладанием частиц сферической формы. При этом на поверхности некоторых частиц наблюдаются  сателлиты, а также отмечается наличие дефектов в виде панциря.

В то же время  для МПК из ПР-ХН55В5МБТЮ установлено, что данный порошок имеет частицы более сферичной формы и одинаковую фракцию по сравнению с МПК из ПР-08Х15Н5ДТ. Также отмечается наличие сателлитов на поверхности некоторых частиц, а дефекты в виде панциря отсутствуют.

По результатам микроспектрального анализа установлено, что химический состав исследуемых МПК соответствует техническим требованиям.

При металлографическом исследовании выращенных образцов из  МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ установлено, что по длине образцов структура наплавленного материала достаточно однородна. На всех образцах обнаружены поры, микрорыхлоты, несплавления, расположенные как по границе сплавления, так и в материале валиков. Наименьшее количество и размер несплошностей наблюдается на образцах, полученных при мощности ЛИ 1850  и 1500 Вт и скорости наплавки 15 и 18 мм/с соответственно. При этом наблюдаются единичные поры и микрорыхлоты размером 0,015...0‚096 мм. При мощности ЛИ Р=1750 Вт и скорости наплавки u=35 мм/с имеются множественные несплошности в виде пор и микрорыхлоты размерами 0,015...0,38 мм.

В образце, выращенном при  Р=1300 Вт и u=18 мм/с обнаружена рыхлота размером 0,3х0,7мм, расположенная в центральной части образца. Мелкая пористость имеется по всей высоте образца в исследуемых сечениях. Аналогично в образце, выращенном при  Р=1100 Вт и u=15 мм/с,  в центральном сечении обнаружена рыхлота размером 0,4х1мм, расположенная в центральной зоне образца. Также наблюдается мелкая пористость по всем исследуемым сечениям образца.

Наибольшее количество дефектов обнаружено в образце, полученном при мощности ЛИ Р=900 Вт и скорости наплавки u=15 мм/с. Наблюдаются множественные несплошности в виде пор, микрорыхлоты, несплавлений, расположенные практически по каждому ряду валиков и по высоте, и по ширине образца. Размеры несплошностей составляют 0,040...0,51 мм.

Таким образом, с падением мощности лазерного излучения и соответственно уменьшением погонной энергии наблюдается выраженный рост дефектности зон ПЛВ при наплавке МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ. Наименьшая дефектность зон наплавки наблюдается при мощности ЛИ Р=1500 Вт и скорости наплавки u=18 мм/с.   

При  анализе макро- и микроструктуры зон наплавки сплава ПР-ХН55В5МБТЮ установлено, что по длине образцов микроструктура наплавленного материала также однородна и четкой границы между наплавленными валиками не наблюдается.

В материале образцов, полученных при мощности ЛИ 1000–1600 Вт и скорости наплавки 9–12 мм/с,  имеются единичные поры размером до 0,07 мм и несплавления, в основном, до 0,11 мм. При этом в крайнем сечении образца, выращенного при  Р=1000 Вт и u=8 мм/с, обнаружена рыхлота размером 0,19х0,27мм, а  в образце, полученном при  Р=1600 Вт и u=12 мм/с, обнаружен единичный спай длиной 0,9 мм. В зонах наплавки с Р=800 Вт и u=8 мм/с наблюдаются поры размером до 0,1 мм и спаи длиной до 0,36–0,4 мм и множественные участки с микрорыхлотой, имеющей максимальный размер 0,13х0,37мм. Наиболее оптимальным  для выращивания оказался режим с Р=1000 Вт и u=8 мм/с.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

  1. Несмотря на наличие сателлитов на поверхности частиц порошка из МПК ПР-08Х15Н5ДТ и ПР-ХН55В5МБТЮ, не допустимых по ГОСТ 57556–2017, процесс выращивания идет стабильно. При этом химические составы и размеры частиц МПК соответствуют техническим требованиям.
  2. Структура материала образцов, полученных с помощью ПЛВ, достаточно однородна. Однако в материале выращенных образцов наблюдаются поры и микрырыхлоты, расположенные как по границе сплавления, так и в материале валиков.
  3. По результатам исследованиямакро- и микроструктуры выращенных образцов выбраны наиболее оптимальные режимы прямого лазерного выращивания.  Для МПК из стали ПР-08Х15Н5ДТ это режим с мощностью ЛИ 1,5 кВт и скоростью наплавки 18 мм/с, а для МПК из жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ оптимальным является режим с мощностью ЛИ 1 кВт и скоростью наплавки 8 мм/с. В этом случае в зоне наплавки образуется наименьшее количество дефектов.
Литература
  1. Gradl P., Greene S. E., Protz Ch., Bullard B., Buzzell J. Additive manufacturing of liquid rocket engine combustion devices: A summary of process developments and hot-fire testing results. ASEE Joint Propulsion Conference. AIAA 2018-4625. Session: Additive manufacturing for propulsion systems I, Cincinnati, Ohio, USA, July 9–11, 2018. https://doi.org/10.2514/6.2018-4625
  2. Валетов В.А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы). Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 2015, 63 с.
  3. ГОСТ Р 57558–2017/ISO/ASTM 52900:2015. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения. Москва, Стандартинформ, 2020.
  4. Хакимов А.М., Жаткин С.С., Никитин К.В., Никитин В.И., Деев В.Б. Влияние технологии прямого лазерного выращивания на структуру и свойства жаропрочного никелевого сплава системы Ni–Cr–W–Mo. Известия вузов. Цветная металлургия, 2022, т. 28, № 2, с. 60–70.
  5. Быценко О.А., Чабина Е.Б., Филонова Е.В., Рогалёв А.М. Взаимосвязь дефектов структуры жаропрочного никелевого сплава, полученного методом селективого лазерного сплавления, стратегии и параметров сканирования. Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016, № 03, с. 121–132. URL: http://engineering-science.ru/doc/834903.html (дата обращения: 08.05.2022).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.