THE STUDY OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF PARTS MADE OF HEAT-RESISTANT AND STAINLESS STEEL ALLOYS OBTAINED BY DIRECT LASER DEPOSITION

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Существует множество разновидностей аддитивных технологий, но в настоящее время в международном сообществе, а также и в России устоявшейся классификации аддитивных технологий пока не принято. [1, С.11] Одной из множества разновидностей является технология ПЛВ. В технологии ПЛВ материал подается непосредственно в место подведения энергии и построения в данный момент фрагмента детали [2; 1, С.12]. Производственный цикл изготовления крупногабаритных корпусных деталей ГТД традиционным методом может составлять порядка 6-9 месяцев, но применение технологии ПЛВ позволяет сократить цикл более чем в 10 раз. Также при изготовлении деталей по технологии ПЛВ выше КИМ и не требуется изготовление дополнительной оснастки. До настоящего времени в России технология ПЛВ из металлопорошковых композиций еще не внедрена в авиационное двигателестроение. Целью работы является проведение исследования особенностей технологии ПЛВ с использованием отечественных МПК нержавеющего ПР-08Х15Н5ДТ и жаропрочного ПР-ХН55В5МБТЮ сплавов, для последующего внедрения технологии в авиационное двигателестроение. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Для проведения исследований выращивание образцов проводили на стальных подложках толщиной 5 мм. Жертвенный слой образца, по которому производилась отрезка образца от подложки, составляет 10 мм. Под жертвенным слоем понимается часть высоты выращенного образца расположенная возле подложки. В жертвенном слое обычно располагаются трещины, которые образуются в начале процесса выращивания из-за разницы температур и значений КТЛР материала подложки и материала выращиваемого образца. Выращенные образцы имеют размеры 15х60х15…25мм. В качестве расходного материала для прямого лазерного выращивания образцов были использованы МПК из нержавеющего ПР-08Х15Н5ДТ и жаропрочного ПР-ХН55В5МБТЮ сплавов отечественного производства АО «Полема» г.Тула фракцией 40-150 мкм. Выращивание образцов производилось на установке технологической лазерного выращивания УТЛВ отечественного производства ИЛиСТ ФГБОУ ВО СПбГМТУ. УТЛВ предназначена для изготовления крупногабаритных корпусных деталей с максимальным размером до Ø2000мм из нержавеющих и жаропрочных сплавов. Схема процесса ПЛВ представлена на рис. 1. Морфология частиц МПК и растровая электронная микроскопия проводилась на растровом электронном микроскопе Tescan VEGA3 LM c модулем Oxford instruments X-Max. Зерновой состав исходных МПК определялся методом просеивания через сита 016, 014, 004. Металлографическое исследование проводилось при помощи оптического микроскопа CARL ZEISS AXIO OBSERVER Макро- и микроанализ проводились на поперечных (относительно длины образцов) шлифах, изготовленных в трех сечениях: на расстоянии 10мм от края и по центру образцов. Травление шлифов проводилось электролитическим способом при комнатной температуре в течение 30 секунд в электролите следующего состава: 10г лимонной кислоты + 10г хлористого аммония +1л воды. Химический анализ выращенных образцов был выполнен оценочно на портативном рентгеновском анализаторе GRN ProSpector, так как погрешность прибора составляет 30%. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ При исследовании морфологии установлено что, МПК из нержавеющего сплава ПР-08Х15Н5ДТ имеет частицы различных фракций. Основной объем частиц имеет сферическую форму. На поверхности некоторых частиц незначительное наличие сателлитов. Также отмечается наличие дефекта в виде панциря. Результаты исследований МПК из нержавеющего сплава ПР-08Х15Н5ДТ при различных увеличениях представлены на рис. 2. При исследовании морфологии МПК из жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ и сравнении с МПК из нержавеющего сплава ПР-08Х15Н5ДТ установлено, что данный порошок имеет более сферичную форму и одинаковую фракцию (рис. 3). Также отмечается наличие сателлитов на поверхности некоторых частиц. Оболочка в виде панциря отсутствует. На поверхности прослеживается дендритная структура. Результаты исследований МПК из жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ при различных увеличениях представлены на рис.3 а-в. Согласно ГОСТ 57556-2017 «Материалы для аддитивных технологических процессов. Методы контроля и испытаний» такие дефекты как сателлиты и панцирь на поверхности частиц не допускаются. При микроисследовании МПК из нержавеющего сплава ПР-08Х15Н5ДТ наблюдаются сплавленные частицы в объеме 37% от всей массы (рис. 4 а, б), мелкие частицы, налипающие на более крупные в результате соударения в процессе газовой атомизации (сателлиты) (рис. 4, в). Средний размер частиц составляет ~45-69 мкм. При микроисследовании МПК из жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ также наблюдаются сплавленные частицы в объеме 12% от всей массы (рис.5, а) и частично присутствуют сателлиты (рис.5, б). Средний размер частиц составляет ~42-62мкм. Поры в микроструктуре частиц всех марок материала отсутствуют. Результаты микроспектрального анализа представлены в табл. 1,2. По результатам микроспектрального анализа химический состав МПК из нержавеющего ПР-08Х15Н5ДТ и жаропрочного ПР-ХН55В5МБТЮ сплавов по проверенным данным соответствуют требованиям, указанным в технических требованиях. Результаты определения зернового состава представлены в табл. 3. Размер частиц основной фракции 40-150мкм. Допускаемые отклонения от основной фракции: плюсовая фракция - не более 5 %, минусовая фракция - не более 10 %. Режимы прямого лазерного выращивания МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ представлены в табл. 4. ПЛВ производилось с локальной защитой через наплавочное сопло. При металлографическом исследовании выращенных образцов из МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ установлено: - по длине образцов структура наплавленного материала достаточно однородна; - на всех образцах обнаружены поры, микрорыхлота, несплавления, расположенные как по границе сплавления валиков, так и в материале валиков. Наименьшее количество и размер несплошностей наблюдается на образцах №3 и 7, наибольшее - на образце №4 (Рис. 6); - на образце №3 наблюдаются единичные поры и микрорыхлоты размером 0,015...0‚096мм (рис.7, а); - на образце №2 (рис.7 б) имеются множественные несплошности в виде пор и микрорыхлоты размером 0,015...0,38мм и обнаружено единичное несплавление длиной 0,15мм. В образце обнаружены также локальные участки инородного материала размером Ø0,08мм‚ 0,07х0,15мм и 0,16х0‚19мм; - в образце №7 мелкая пористость у верхней поверхности наблюдается только в крайнем сечении; - в образце №6 в крайнем сечении обнаружена рыхлота размером 0,3х0,7мм, расположенная в центральной части образца ближе к основанию на расстоянии 9мм от верхней поверхности. Мелкая пористость имеется с одного края на всю высоту образца в двух исследуемых сечениях; - в образце №5 в центральном сечении имеется рыхлота размером 0,4х1мм, расположенная в центральной зоне на расстоянии 6,5мм от верхней поверхности. Наблюдается мелкая пористость с одной стороны образца по всем исследуемым сечениям; - на образце №4 (рис.7 е) наблюдаются множественные несплошности в виде пор, микрорыхлоты, несплавлений, расположенные практически по каждому ряду валиков и по высоте, и по ширине образца. Размер несплошностей составляет 0,040...0,51 мм; По местам инородных включений был проведен микроспектральный анализ и картирование. При картировании дефектных мест наблюдается коагуляция Ti в местах непроплава (рис. 8). Из табл. 5 видно, что инородные включения - это, возможно, расплавленные частицы МПК из сплава на основе титана, попавшего при плохой очистке камеры при смене материала распыления. Вид и максимальный размер дефектов, обнаруженных на образцах, приведены в табл. 6. Полученные оценочные результаты определения химического состава представлены в табл. 7. Режимы ПЛВ из МПК марки ПР-ХН55В5МБТЮ представлены в табл. 8. Макроструктура и микроструктура выращенных образцов приведена на рис. 9, 10. При анализе макро- и микроструктуры установлено: - по длине образцов микроструктура наплавленного материала однородна. Четкой границы между наплавленными валиками не наблюдается; - в материале образцов №1,2,3,4 имеются единичные поры размером до 0,07мм, несплавления, в основном, до 0,11мм (рис. 9, а-д). В крайнем сечении образца №2 имеется рыхлота размером 0,19х0,27мм (рис.9, в, рис.10, б). В крайнем сечении образца №4 обнаружен единичный спай длиной 0,9мм, расположенный на расстоянии ~2мм от верхней поверхности; - в материале образца №5 имеются поры размером до 0,09мм, спаи длиной до 0,36мм и множественные участки с микрорыхлотой, имеющей максимальный размер 0,13х0,37мм (рис.10, г). Полученные оценочные результаты определения химического состава выращенных образцов представлены в табл. 9. При анализе полученных данных установлено, что в химическом составе материала образцов после ПЛВ обнаружено существенное отличие от данных технических требований по содержанию железа (Fe) у образцов №3,4. ВЫВОДЫ На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Все металлопорошковые композиции имеют сферическую форму и, несмотря на наличие сателлитов на поверхности частиц порошка, не допустимых по ГОСТ 57556-2017, процесс выращивания идет стабильно. При этом фракция исследованных порошков соответствует техническим требованиям 40-150 мкм. 2. По результатам микроспектрального анализа установлено, что химические составы порошков из нержавеющего сплава ПР-08Х15Н5ДТ и жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ соответствуют техническим требованиям. 3. По длине полученных прямым лазерным выращиванием образцов структура наплавленного материала однородна. Однако, в материале выращенных образцов наблюдаются поры и микрырыхлоты, расположенные как по границе сплавления, так и в материале валиков. 4. На основе исследования макро-и микроструктуры наплавленных материалов подобраны наиболее оптимальные режимы лазерного выращивания из представленных МПК. Для нержавеющего сплава ПР-08Х15Н5ДТ это режим, использованный для образца №7 (мощность ЛИ 1,5 кВт и скорость наплавки 18 мм/с). В этом случае в зоне наплавки образуется наименьшее количество дефектов. При выращивании из МПК жаропрочного сплава ПР-ХН55В5МБТЮ оптимальным является режим, использованный для образца №2 (мощность ЛИ 1 кВт и скорость наплавки 8 мм/с). 5. Для качественного выращивания деталей с использованием МПК из сплавов ПР-08Х15Н5ДТ и ПР-ХН55В5МБТЮ требуются дальнейшие исследования свойств материалов, полученных по технологии ПЛВ. Рис. 1. Схема процесса ПЛВ Рис. 2. Морфология МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ: а - х100; б - х500; в - х1000 Рис. 3. Морфология МПК марки ПР-ХН55В5МБТЮ: а - х100; б - х500; в - х1000 Рис. 4. Микроисследование МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ, х500: а, б - участки со сплавленными частицами; в - участок с сателлитами Рис. 5. Микроисследование МПК марки ПР-ХН55В5МБТЮ, х500: а - участок со сплавленными частицами; б - участок с сателлитами Таблица 1. Результаты микроспектрального анализа МПК ПР-08Х15Н5ДТ Таблица 2. Результаты микроспектрального анализа МПК ПР-ХН55В5МБТЮ Таблица 4. Режимы прямого лазерного выращивания из МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ Рис. 6. Пористость материала образцов после ПЛВ из МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ, х2: а - образец №3, б - образец №2, в - образец №7, г - образец №6, д - образец №5, е - образец №4 Таблица 3. Результаты определения зернового состава металлопорошковых композиций Рис. 7. Микроструктура образцов после ПЛВ из МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ, х25: а - образец № 3, б - образец № 2, в - образец № 7, г - образец № 6, д - образец № 5, е - образец № 4 Рис. 8. Картирование дефектных мест Таблица 7. Результаты определения химического состава выращенных образцов из МПК марки ПР-08Х15Н5ДТ Таблица 5. Картирование дефектных мест Таблица 6. Вид и максимальный размер дефектов Таблица 8. Режимы ПЛВ из МПК марки ПР-ХН55В5МБТЮ Рис. 9. Макроструктура образцов после ПЛВ из МПК марки ПР-ХН55В5МБТЮ в поперечном сечении, х3: а - образец № 1, б - образец № 2, в - образец № 2 (крайнее сечение), г - образец № 3, д - образец № 4, е - образец № 5 Рис. 10. Микроструктура образцов после ПЛВ из МПК марки ПР-ХН55В5МБТЮ, х200: а - образец №1, б - образец №2, в - образец №4, г - образец №5 Таблица 9. Результаты определения химического состава выращенных образцов из МПК марки ПР-ХН55В5МБТЮ

About the authors

Alexey Munirovich Khakimov

PJSC «Kuznetsov»; Samara State Technical University

Email: alexeykhakimov@yandex.ru
Head of the Laboratory of Additive Technologies of UGS PJSC «Kuznetsov», Post-Graduate Student of the Department of Foundry and High-Efficient Technologies (SamSTU) Samara

Sergey Sergeevich Zhatkin

Samara State Technical University

Email: laser@samgtu.ru. sergejat@mail.ru
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Foundry and High-Efficient Technologies (SamSTU)

Evgeny Yur'evich Shedrin

PJSC «Kuznetsov»

Email: ugs@kuznetsov-motors.ru
Chief Welder of PJSC «Kuznetsov» Samara

References

Supplementary files