Содержание к диссертации
Введение
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 1.6 Примеры деталей, изготавливаемых методом селективного лазерного плавления 29
1.7 Преимущества и недостатки метода селективного лазерного плавления 30
1.8 Кобальтовые сплавы
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
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
2.4.1.1 Технические характеристики установки ПТК-ПС 39
2.4.1.2 Система управления установки ПТК-ПС
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 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
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
- Технологический процесс изготовления детали методом селективного лазерного плавления
- Исходный порошковый материал
- Выбор параметров процесса селективного лазерного плавления
- Качественное экспертное сравнение компоновок
Введение к работе
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 - А.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.
Технологический процесс изготовления детали методом селективного лазерного плавления
Многочисленные исследования показали, что на процесс селективного лазерного плавления могут оказывать влияние до 130 различных параметров [56]. Данные параметры можно классифицировать следующим образом [56]: - параметры СЛП-установки; - параметры изготовления детали; - параметры строительного материала (порошка). В ПРИЛОЖЕНИИ № 1.3 приведены наиболее значимые параметры СЛП-установки, оказывающие влияние на качество процесса селективного лазерного плавления. В ПРИЛОЖЕНИИ № 1.4 приведены наиболее значимые параметры изготовления детали, оказывающие влияние на качество процесса селективного лазерного плавления. В ПРИЛОЖЕНИИ № 1.5 приведены наиболее значимые параметры строительного материала (порошка), оказывающие влияние на качество процесса селективного лазерного плавления.
Большое количество параметров селективного лазерного плавления и их непостоянство во время изготовления детали (например, теплопроводности исходного порошка и переплавленных областей отличаются на несколько порядков; коэффициент отражения лазерного излучения также меняется после переплавления порошка и т.д.), а также сложность самого процесса (для определенной области происходит минимум двойной фазовый переход из твердого состояния в жидкое и из жидкого в твердое; как правило, при повторном проходе лазерного луча в окрестности переплавленной области происходят повторные фазовые переходы) являются причинами отсутствия надежных теоретических моделей метода. Все разработанные на данный момент теоретические модели метода селективного лазерного плавления имеют либо крайне узкие границы применимости, либо большую погрешность вычислений, неприемлемую для практических работ. Поэтому при разработке технологического процесса изготовления детали из конкретного порошкового материала, поиск преимущественных режимов селективного лазерного плавления проводится экспериментально. Обычно варьированию одновременно подвергаются 1-3 параметра (мощность лазерного излучения, скорость сканирования, толщина порошкового слоя и др.; см. ПРИЛОЖЕНИЕ № 1.4), все остальные параметры селективного лазерного плавления выбираются заранее (т.е. являются факторами) на основании накопленного опыта при работе с данным типом порошкового материала на конкретной СЛП-установке (
Если проанализировать СЛП-установки ведущих мировых производителей, таких, как: М - 270 Xtended (EOS GmbH, Германия), Concept Laser M3 Linear (Concept Laser, Германия), PM - 100/200 (PHENIX Systems, Франция), Sinterstation HiQ (DTM, США) [50, 60, 61, 63, 70] и др., то становится очевидным общее в устройстве таких машин. СЛП-установка состоит из следующих основных частей: станочная часть с входящими в нее механизмами и устройствами, лазер с системой сканирования, система управления.
Внешний вид типовой СЛП-установки со снятыми защитными панелями и без герметичной камеры и ее основные части показаны на рис. 1.4.
Характеристики СЛП-установок ведущих мировых производителей приведены в ПРИЛОЖЕНИИ № 1.8 [77].
Внешний вид СЛП-установки (со снятыми защитными панелями и без герметичной камеры) и ее основные части: 1 - станочная часть с механизмами и устройствами; 2 - лазер; 3- система сканирования; 4 - система управления Станочная часть с входящими в нее механизмами и устройствами Станочная часть СЛП-установки реализует необходимые движения для изготовления детали, а также обеспечивает некоторые режимы метода селективного лазерного плавления (например, подогрев порошка, создание инертной атмосферы и др.). В станочную часть СЛП-установки входят следующие основные узлы и оборудование (рис. 1.5) [50]: корпус, камера ограждения, механизм разравнивания порошка, рабочая платформа, система снабжения порошком, герметичная камера, газовое оборудование и охлаждение (на рис. 1.5 не показано), электрооборудование (на рис. 1.5 не показано).
Вертикальный разрез СЛП-установки [50]: 1 - корпус; 2 - камера ограждения; 3 - механизм разравнивания порошка; 4 - рабочая платформа; 5 система снабжения порошком; 6 - герметичная камера; 7 - лазер с системой сканирования; 8 - высокоточная плита; 9 - рабочий стол; 10 - электропривод Корпус (рис. 1.5, поз. 1), закрепленный на фундаменте, является базовым узлом. Обычно выполняется в виде конструкции коробчатой формы, сваренной из металлических труб стандартного сечения или каких-либо других элементов сортамента. На корпусе закрепляются все основные узлы и детали (герметичная камера, устройство разравнивания порошка, камера ограждения и др.), поэтому он должен обладать высокой жесткостью.
Исходный порошковый материал
В качестве исходного материала для изготовления опытных образцов и деталей был выбран порошок из жаропрочного сплава СоСгМо, полученный газовой атомизацией. Химический состав порошка приведен в табл. 2.1.
Химический элемент Со Сг Мо Si,Mn Fe С Ni Порошок СоСгМо 60-65 26-30 5-7 менее 1 менее 0,75 менее 0,16 менее 0,10 Рис. 2.3. Микроскоп ОССНЮ 500папо фирмы ОССНЮ S. А. (Бельгия) для гранулометрического анализа Гранулометрический анализ проводился на специальном микроскопе для гранулометрического анализа OCCHIO 500папо фирмы ОССНЮ S. А. (Бельгия) (рис. 2.3). Гранулометрический анализ состоит из трех этапов: - распыление частиц массой 2-4 грамма по поверхности стеклянной пластины; - сканирование поверхности пластины и определение различных геометрических характеристик частиц; - статистическая обработка данных с помощью программы Callisto, поставляющейся в комплекте с микроскопом. По результатам гранулометрического анализа построены интегральная и дифференциальная (гистограмма) кривые распределения частиц порошка СоСгМо по размерам, определены такие параметры частиц, как: просевочный диаметр, сферичность и неровность. Гистограмма распределения частиц порошка показывает процентное содержание частиц данного размера. Просевочный диаметр - это диаметр наибольшего вписанного круга dp. Предполагается, что сфера, имеющая этот диаметр, пройдет через сито так же, как частица сложной формы (рис. 2.4, а) [19]. а) б) в) Рис. 2.4. Геометрические характеристики частицы: просевочный диаметр (а), сферичность (б), неровность (в) [19] Сферичность рассчитывали по формуле Jjd\HN dv), где dx - диаметр /-ой кривой вдоль профиля частицы, который меньше, чем диаметр наибольшего вписанного круга dp; N - общее число кривых, из которых состоит профиль; dp - диаметр наибольшего вписанного круга. Сферичность показывает, насколько форма частицы отлична от сферы (рис. 2.4, б).
Неровность определяли количеством материала, который можно снять с частицы, чтобы она стала полностью гладкой (рис. 2.4, в). 2.3 Стратегия сканирования лазерным излучением
Анализ работ [9, 42, 43, 54, 74] показывает, что наилучшими механическими характеристиками обладают детали, полученные с применением «Двузонной» стратегии сканирования с изменением направления сканирования на 90 от слоя к слою.
Реализация «Двузонной» стратегии состоит из следующих этапов: 1. Проплавляется необходимая область в порошковом слое при помощи одиночных лазерных векторов (или треков), причем лазерные вектора формируются параллельно друг другу с определенным шагом. Расстояние между параллельными треками получило название «шаг штриховки» (англ. терм. - «hatch distance»). Расстояние между треками обычно составляет 0,6 - 0,8 от размера диаметра пятна лазера, т.е. проплавленные треки частично перекрывают друг друга (рис. 2.5, а-б). Данный подход условно называется «Однозонная» стратегия [9]. 2. Производится смещение «Однозонной» стратегии на расстояние, равное половине «шага штриховки» (англ. терм. - «hatch distance»), и осуществляется повторное проплавление (рис. 2.5, в).
«Однозонной» стратегии, в - повторное проплавление С целью получения детали, обладающей наибольшей изотропией механических свойств, направление сканирования лазерным излучением необходимо разворачивать от слоя к слою на 90 [9]. Таким образом изготовленная деталь будет представлять из себя «слоеный пирог», состоящий из чередующихся и наложенных друг на друга слоев типа «Слой А» и слоев типа «Слой Б» (рис. 2.6).
При изготовлении образцов и деталей сканирование каждого сечения начиналось и заканчивалось отработкой контура образца или детали соответственно. Внутренние области контура «заштриховывались» согласно двузоннои стратегии сканирования лазерным излучением с изменением направления сканирования на 90 от слоя к слою.
Металлографический, электронно-микроскопический, химический, микрорентгеноспектральный и рентгеноструктурный анализы Микроструктура опытных образцов анализировалась при помощи оптического микроскопа Olimpys ВХ51 (Япония) при увеличении до х500, а также сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) VEGA 3 LM фирмы Tescan (Чехия) при увеличении до х20000. Микрорентгеноспектральный анализ, а также химический состав порошка и опытных образцов были исследованы при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) VEGA 3 LM фирмы Tescan (Чехия) со встроенным энергодисперсионным анализатором «EDX». Шлифы готовили по стандартной методике с помощью пресса горячей запрессовки Opal 460 (Германия) и шлифовально-полировочной машины SAPHIR 550 (Германия). Микроструктуры выявляли при помощи электролитического травления: состав электролита 10%-я щавелевая кислота, температура 20С, напряжение около 6 В, время травления 6 с.
Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили на рентгеновском аппарате для структурного анализа ALT X TRA (фирмы Thermo-Fisher Scientific, Швейцария) «0 - 0» методом сканирования с фокусировкой рентгеновских лучей по Бреггу-Брентано [37, 38]. Для возбуждения характеристического спектра применяли рентгеновскую трубку с медным анодом (СиКа). Для регистрации дифракционной картины предусмотрен полупроводниковый детектор Si(Li), обеспечивающий подавление белого излучения анода и Р-линии спектра рентгеновской трубки в соотношении не хуже 1/300 по отношению Ка. Работа прибора обеспечивается управляющим программным комплексом WinXRD 2.0-8с и базой данных эталонных рентгенограмм ICDD PDF-2 (2010 г). Съемку рентгенограмм производили при максимальном радиусе гониометра 520 мм, токе трубки 30 мА и ускоряющем напряжении на трубке 40 кВ. Коллимационные горизонтальные щели (ограничивающие вертикальное расхождение пучка рентгеновских лучей) имели размер 2 и 2 мм. Щели на детекторе 1,0 мм и 0,5 мм ограничивали регистрируемое излучение, обеспечивая разрешение О,1120 при регистрации дифракционных максимумов. В вертикальном направлении пучок ограничивали щели Соллера с угловым расхождением 1,5 градуса. При съемке рентгенограмм для целей фазового анализа использовали непрерывный способ движения счетчика с угловой скоростью 1,0 град/мин. в интервале углов 10 ... 120 - 20. Дополнительно получали рентгенограммы путем сканирования по точкам и временем набора импульсов в точке 4 с. Сканирование по точкам выполняли в ограниченном интервале углов с целю получения точных характеристик профилей размытых линий.
Для оценки инструментального уширения при выбранных параметрах геометрии съемки образца использовали рентгенограммы эталонного образца кремния в виде порошка 20 ... 30 мкм, подвергнутого 2-х часовому нагреву в вакууме (10 5 Па) при 800С.
Выбор параметров процесса селективного лазерного плавления
По результатам гранулометрического анализа построены интегральная и дифференциальная (гистограмма) кривые распределения частиц порошка СоСгМо по размерам (рис. 3.1).
Каждая точка на кривой соответствует сумме фракций меньше определенного диаметра. Гистограмма распределения частиц порошка показывает процентное содержание частиц данного размера. Для исследуемого порошка распределение частиц по размерам соответствует нормальному закону. На графике также приведены основные параметры фракционного состава: объемная доля частиц размером меньше d5 не превышает 5%, d95 -95%, а медиана d5o представляет собой такой размер частиц, при котором интегральная кривая распределения частиц по размерам принимает значение 50%. Средний размер частиц dcpEfl определен как математическое ожидание дифференциальной кривой распределения частиц по размерам. Установлено, что средний размер частиц порошка СоСгМо составляет dc?Ej\= 30,5 мкм.
Частицы порошка имеют глобулярную форму (рис. 3.2) и обладают высоким показателем сферичности (среднее значение 67,1%) и низким значением неровности (среднее значение 2,4%), что обеспечивает нанесение равномерного и однородного слоя. VkwOeW 230 (лп Drt SE 50 pm SEM MAG: 1 20 kx Oate(m/Ojy) 0 2 12 Установлено, что химический состав порошка соответствует заявленному (табл. 2.1). Порошок на основе сплава СоСгМо удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для селективного лазерного плавления, т.к. обеспечивает возможность получения равномерных и однородных слоев толщиной 0,05 мм. 3.2 Экспериментальный поиск преимущественных режимов селективного лазерного плавления
Исходя из технических характеристик установки ПТК-ПС (см ПРИЛОЖЕНИЕ № 2.2), диаметр пятна лазера составлял 150 мкм.
С целью достижения наибольшей производительности процесса селективного лазерного плавления, изготовление опытных образцов и деталей проводили при максимальной мощности, развиваемой лазером установки (см ПРИЛОЖЕНИЕ № 2.2) 200 Вт. Режим работы лазера - непрерывный.
Максимальные требования к изготавливаемым сложнопрофильным деталям по точности составляли ±50 мкм, по шероховатости поверхности - Ra 6,3 ... 12,5 мкм (см. ПРИЛОЖЕНИЯ № 3.1-3.4). Данные требования, как правило, обеспечиваются толщиной порошкового слоя 50 мкм [28].
Расстояние между соседними лазерными векторами (треками) выбиралось с учетом рекомендаций авторов работ [42, 54], которые установили, что оптимальное расстояние должно составлять 0,6 - 0,8 от диаметра пятна лазера. Таким образом, расстояние между соседними треками в данном случае составило 100 мкм.
Сканирование каждого сечения начиналось и заканчивалось отработкой контура детали. Внутренние области контура «заштриховывались» согласно двузонной стратегии сканирования лазерным излучением с изменением направления сканирования на 90 от слоя к слою (см. п. 2.3. Стратегия сканирования лазерным излучением), поскольку данная стратегия обеспечивает наилучшие физико-механические характеристики деталей [9, 42, 43, 54].
Порошок на основе сплава СоСгМо на воздухе при температуре, выше 700С, начинает активно окисляться, поэтому селективное лазерное плавление проводили в среде защитного газа азота.
Качественное экспертное сравнение компоновок
В смешанном фреттинг-режиме в зоне проскальзывания протекают процессы окисления и разрушения физико-механических связей, в то время как в зоне сцепления разрушение происходит за счет циклического упругопластического деформирования по механизму малоцикловой контактной усталости. Процесс разрушения локальных мест сопровождается образованием окислов металла, адсорбцией из воздуха молекул воды. Объем этих продуктов превышает объем разрушенного материала, что приводит к увеличению давления в контакте. При дальнейшем увеличении нормального давления, вследствие накопления продуктов износа, в межконтактном пространстве частицы окислов превращаются в плотные и твердые скопления, играющие роль абразива в присутствии свободных металлических участков.
С точки зрения динамики для контактной пары переход от режима частичного проскальзывания к смешанному фреттинг-режиму, а в конечном итоге переход к режиму динамического сцепления-проскальзывания характеризуется наличием определенного запаздывания силы трения (рис. 3.17, а). Данное запаздывание связано с неупругими явлениями в контакте и протеканием разрушительных процессов (рис. 3.17, б).
Дальнейшее развитие деструктивных процессов в номинально неподвижном фрикционном соединении приводит к приближению соотношения размера зоны сцепления и зоны проскальзывания до некоторого критического значения, при котором наступает момент проскальзывания по всему пятну контакта. Такое состояние характеризуется динамическим непостоянством контакта, при котором малейшее изменение любого параметра приводит к переходу в режим динамического сцепления-проскальзывания. В отличие от смешанного фреттинг-режима, наблюдающегося всегда в пределах пятна контакта, для режима динамического сцепления-проскальзывания ключевой становится характеристика трения в контакте. Границы режима динамического сцепления-проскальзывания считаются такими, при которых смещения поверхностей соизмеримы с величиной упруго-пластической деформации контакта, но не более размеров контура пятна контакта.
В процессе дальнейшего увеличения нагрузки в контакте происходит увеличение величины относительных смещений с одновременным разрушением неровностей поверхностей. При постепенном увеличении числа циклов нагружения размер пятна контакта увеличивается в направлении проскальзывания, достигая момента, когда деформированное пятно контакта полностью смещается из первоначальной зоны. Происходит интенсивный вывод продуктов износа из зоны контакта с потерей характера жесткой посадки и разрушением соединения с точки зрения его функциональности. Результаты сравнительных испытаний кинетики разрушения номинально неподвижного фрикционного соединения приведены на рис. 3.18.
Литой сплав-аналог (рис. 3.18) при количестве циклов нагружения до 360000 обладает более низким коэффициентом проскальзывания. 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 HRC в сравнении со сплавом СоСгМо (36 HRC против 46 HRC), что приводит к более плотному контакту образца из литого сплава-аналога с контртелом при номинальной нагрузке 60Н. Впоследствии меньшая твердость сплава-аналога сказывается, и коэффициент проскальзывания начинает круто расти, что особенно заметно при смешанном фреттинг-режиме и режиме динамического сцепления-проскальзывания (рис. 3.18) и выравнивается с коэффициентом проскальзывания для сплава СоСгМо, полученного селективным лазерным плавлением, при 5000000 циклов.
Таким образом, детали, полученные селективным лазерным плавлением из сплава СоСгМо, можно рекомендовать для эксплуатации в условиях фреттинга, ресурс данных деталей в условиях фреттинга при тангенциальной нагрузке в 40 Н и нормальной нагрузке в 60 Н составляет 5000000 циклов.
. Развитие деструктивных процессов в пятне контакта номинально неподвижного фрикционного соединения при изнашивании в условиях фреттинга, количество циклов нагружения от 600 до 360000 Рис. 3.20. Развитие деструктивных процессов в пятне контакта номинально неподвижного фрикционного соединения при изнашивании в условиях фреттинга, количество циклов нагружения от 2160000 до 4320000 Метод селективного лазерного плавления зачастую позволяет получать сложнопрофильные детали, которые практически невозможно изготовить традиционным формообразованием (фрезерованием, точением, литьем и др.), однако селективное лазерное плавление также имеет ряд технологических ограничений с точки зрения достижения сложной формы деталей. С целью исследования технологических возможностей изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления были получены образцы «арочной» и «консольной» формы (рис. 3.21), образцы конусной формы с «отрицательным» углом, а также изготовлена сложнопрофильная экспериментальная деталь «Завихритель». Форма детали «Завихритель» представляет из себя совокупность «арочных» и имеющих «отрицательный» угол элементов (рис.
Изготовленные образцы: а - «консольной» формы с поддерживающими структурами (размер вылета более 5 мм); б - фото поддерживающих структур в виде квадрата размером -0,6x0,6 мм и толщиной стенки -0,16 мм; в - конусной формы с «отрицательным» углом а= 45 Исходя из оптических характеристик установки ПТК-ПС (диаметр пятна лазерного луча равен 150 мкм) минимальная толщина получаемой стенки составляет 160 мкм (рис. 3.21, б), применяемой в качестве поддерживающей структуры. Это позволяет производить удаление поддерживающих структур при помощи ручного инструмента (если поддерживающие структуры не имеют значительной площади контакта с деталью). Экспериментально установлено, что для изготовления тонкостенных деталей или элементов деталей, подверженных механическим нагрузкам в процессе эксплуатации, минимальная толщина стенки должна составлять 0,3 мм. При меньшей толщине стенки не удается получить бездефектную структуру.
