Горячее изостатическое прессование для аддитивного производства

Горячее изостатическое прессование для аддитивного производства

Введение

Аддитивные технологии (АТ) представляют собой способы производства деталей сложной формы, которые заключаются в последовательном соединении отдельных слоев материала и формировании готового изделия по компьютерной 3D-модели для применения в машиностроении и, в частности, в ракетно-космической и авиационной технике [1-5]. Аналогичные АТ-подходы легко усмотреть в строительной отрасли, когда из отдельных небольших кирпичиков по заданным чертежам создаются огромные объекты. В качестве «кирпичиков» в АТ обычно применяются порошки металлов или сплавов, при расплавлении которых формируются слои создаваемого объекта.

 

Получение порошков

Порошки сплавов для АТ обычно получают двумя основными методами: газового распыления (Gas Atomization, GA) [6, 7] и плавления плазмой вращающегося электрода (Plasma Rotating Electrode Process, PREP, гранульная металлургия в отечественной классификации) [8-12]. Сравнение характеристик показывает, что для АТ предпочтительны порошки сплавов, получаемые методом гранульной металлургии: микрослитки-гранулы имеют сферическую форму без сателлитов и явных признаков пористости, обладают приемлемыми размерами [12].

 

Способы формирования слоев из порошков

Наибольший интерес для изделий ракетно-космической техники представляют порошки металлических и интерметаллидных сплавов, в том числе жаропрочных на основе Ni и Ti. Для формирования объектов из данных порошков используются два основных варианта АТ: технология прямого лазерного осаждения материала (Direct Deposition, DD) [2] и технология плавления порошка на подложке (Bed Deposition, BD).

В настоящее время среди АТ группы Bed Deposition лидирующее место занимают селективное лазерное сплавление (СЛС) и селективное электронно-лучевое сплавление (СЭЛС) [2, 4]. При реализации этих технологий становится возможным получение деталей с характеристиками, не доступными для других методов обработки, например, с криволинейными отверстиями или внутренними пустотами.

 

Дефекты слоистых структур

Формирование композиционного слоистого объекта методами АТ включает процессы последовательного расплавления/кристаллизации слоев материала. При соединении слоев между ними возникает граница раздела, которая является структурным дефектом аддитивного объекта и может содержать несплошности технологического характера. Технологическими дефектами являются также неполное расплавление частиц порошка, наличие наследственных границ порошка в слое и некоторые другие. Кроме этого, при затвердевании слоя расплава может возникать усадочная микропористость, поскольку для металлических сплавов удельный объем жидкой фазы всегда больше объема твердой фазы, и разница объемов компенсируется образованием микропор.

Структурные дефекты могут оказывать существенное влияние на механические свойства и эксплуатационные характеристики аддитивных объектов. Влияние пор и несплошностей в аддитивных объектах может быть аналогичным тому, которое оказывает усадочная пористость на свойства литейных сплавов. Известным способом уплотнения литой структуры за счет минимизации усадочной пористости в литейных сплавах на основе никеля, титана и алюминия является горячее изостатическое прессование (ГИП) [13-15], поэтому представляется целесообразным использование ГИП и для обработки аддитивных объектов.

При оценке эффективности применения метода следует иметь в виду, что не все виды пор и несплошностей могут быть ликвидированы с помощью ГИП. В наименьшей степени влиянию ГИП подвержены газовые поры, расположенные в объеме объекта, и несплошности, выходящие на открытую внешнюю поверхность (открытая пористость).

В работе [16] представлены результаты подробного исследования дефектов, формирующихся в аддитивных объектах из традиционного титанового сплава Ti‑6Al‑4V, полученных аддитивными методами СЛС и СЭЛС.
Показано, что одним из основных видов дефектов в слоистых структурах является пористость, на образование которой влияют технологические факторы. Пористость в аддитивных объектах может быть газовой и вакуумной [17], то есть при воздействии ГИП следует ожидать удаления только вакуумной пористости.

 

Горячее изостатическое прессование — эффективный способ повышения качества слоистых композиционных структур

Если в АТ придавать особое значение качеству каждого из нанесенных слоев, легко усматривается близость АТ с традиционными технологиями нанесения на поверхность деталей защитных слоев, например, плакированием. Различие заключается лишь в том, что при плакировании на подготовленную поверхность детали наносится один или несколько слоев защитного покрытия, а в АТ изделие формируется из множества последовательно нанесенных слоев. В некоторых методах нанесения защитных покрытий на поверхность используются технологические приемы, характерные для современных АТ: лазерное и электронно-лучевое плакирование. Указанная технологическая близость говорит о возможности использования большого опыта, накопленного при плакировании (cladding), для повышения качества АТ-объектов.

 

Защитные покрытия на поверхности жаропрочных никелевых сплавов

При эксплуатации в условиях воздействия повышенных температур и нагрузок поверхность деталей из жаропрочных никелевых сплавов, как и любых других материалов, повреждается. Температура эксплуатации жаропрочных никелевых сплавов естественным образом ограничена температурой плавления, которая обычно не превышает 1350÷1450°C. В то же время температура газов в горячей зоне современных газотурбинных двигателей (ГТД) может превышать 1450°C. Поэтому для защиты от разрушения поверхностного слоя лопаток ГТД обычно используются жаростойкие алюминидные покрытия [18-20].
Универсальным способом повышения качества лопаток ГТД с защитными покрытиями является ГИП [21,22]. Установки газостатической обработки материалов показаны на рис. 1.

      

Рис. 1. Установки газостатической обработки материалов

ТЕМПЕРАТУРА ПРЕССОВАНИЯ
от 1400°С до 2000°С
РАБОЧЕЕ ДАВЛЕНИЕ
до 200 МПа

 

В работе [21] в качестве защитного покрытия использовали сплав марки СДП-ТВГ системы легирования Ni-Cr-Al-Ta-W‑Hf-Si-Y, который наносили методом электродугового катодного напыления на поверхность монокристальных образцов из сплава ЖС32 (аналог подложки в АТ). Для получения комбинированного покрытия алитирование проводили в газовой среде, содержащей галогениды алюминия, при температуре 1000°C. Таким образом, на поверхности лопаток создавался слой защитного композиционного покрытия, основными дефектами которого являлись микропоры, обычно расположенные на границе раздела покрытия с подложкой (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура композиционного покрытия на наружной поверхности пера лопатки с порами [21]

 

При исследовании характеристик до и после ГИП было установлено, что в слое покрытия в исходном состоянии наблюдаются поры размером до 8 мкм. Применение ГИП уменьшает максимальный размер пор до ~ 1,5 мкм, при этом полностью залечивается мелкая пористость размером < 0,5 мкм.

Залечивание пор и микротрещин в зоне защитного покрытия с помощью ГИП, повышение адгезии покрытия с пером лопатки сопровождаются улучшением усталостной прочности лопаток (рис. 3). Полученные результаты позволили разработать технологию ГИП для уплотнения защитного жаропрочного покрытия на готовых лопатках, которая применяется на предприятии ОАО «ММП им. Чернышева» в серийном производстве лопаток с монокристаллической структурой из сплава ЖС32.

 


Рис. 3. Зависимость усталостной прочности монокристальных лопаток из жаропрочного сплава ЖС32 с композиционным покрытием от числа циклов испытаний: 1 — без ГИП; 2 — после ГИП [21]

 

Аддитивные структуры

Прогнозируя влияние ГИП на структуру и свойства материала, следует иметь в виду, что в процессе ГИП в материале могут происходить как позитивные, так и негативные изменения с точки зрения эксплуатационных характеристик. Опыт ГИП литейных сплавов на основе цветных металлов показывает [13, 14, 15, 21], что позитивным является как полное, так и частичное удаление усадочных и технологических закрытых вакуумных пор. В результате происходит существенное повышение усталостной прочности материала (рис. 3).

Однако в процессе ГИП при высоких температурах и нагрузках может происходить огрубление исходной микроструктуры, например, рост зерен в поликристалле. Рост зерен в матрице сплава может вызывать уменьшение кратковременной прочности и усталости. Поэтому оптимальный режим ГИП аддитивного материала должен обеспечивать залечивание пористости при минимальных негативных изменениях микроструктуры.

В работе [23] исследовано влияние ГИП на механические свойства образцов титанового сплава Ti‑6Al‑4V, полученных с помощью аддитивных технологий прямого лазерного спекания и технологии плавления порошка на подложке СЛС. Исходным материалом служили порошки размером меньше 80 мкм. Оценивались плотность, механические свойства (при испытаниях на растяжение и усталость) образцов в двух состояниях: без обработки, сразу после изготовления и подвергнутых ГИП; дополнительно проводили металлографическое исследование поперечных сечений образцов. Подготовленные по обеим технологиям образцы для испытаний подвергали ГИП по режиму 920°С — 100 МПа — 2 часа.

В данной работе, во‑первых, в исходном состоянии не обнаружено большого различия в механических свойствах аддитивных образцов, изготовленных с помощью использованных вариантов аддитивных технологий. Например, после ГИП для DD технологии получили σв = 986 МПа, δ = 22 %; для технологии СЛС σв = 980 МПа, δ = 22 %. Во‑вторых, было установлено, что ГИП обеспечивает значительное улучшение усталостной прочности, при этом механические свойства при кратковременных испытаниях изменяются незначительно (табл. 1).

Таблица 1. Влияние ГИП на механические свойства образцов титанового сплава Ti‑6Al‑4V, полученных с помощью аддитивной СЛС-технологии [23]
Состояние Без ГИП После ГИП
Свойства
Плотность > 99 > 99
σв, МПа 1176 980
δ, % 14 22
Предел усталости, МПа 300 (Nf > 107 ) 580 (Nf > 107 )

 

В обобщенном виде влияние ГИП на механические свойства аддитивных материалов на примере образцов титанового сплава Ti‑6Al‑4V показано на рис. 3 (из работы [24] со ссылкой на S. Leuders [25]). Полученные результаты показывают, что наиболее существенное влияние ГИП оказывает на характеристики усталости аддитивных образцов в полном соответствии с тем эффектом, который наблюдается в литейных жаропрочных сплавах с защитным композиционным покрытием (рис. 2).

Сравнительное исследование влияния термической обработки и ГИП на микроструктуру и кратковременные механические свойства аддитивных образцов (СЛС) жаропрочного никелевого сплава IN625 проведено в работе [26]. Термическую обработку (ТО) проводили по режимам 980°C — 1 час и 1040°C –1 час с охлаждением в воде, параметры ГИП составляли 1120°C — 100 MPa — 4 часа. В исходном состоянии аддитивные образцы имели столбчатую зеренную структуру (средний размер зерен ~ 25 мкм в поперечном направлении), которая сохраняла свой направленный характер после ТО. Однако при ГИП формировалась равноосная зеренная структура с размером зерен 40÷50 мкм. Установлено, что исходные образцы имеют наибольшие показатели кратковременной прочности и наименьшие значения пластичности в ряду «исходное состояние — ТО — ГИП», хотя следует отметить высокую пластичность сплава IN625 в любых состояниях. Авторы [26] заключают, что ГИП и ТО при 1040°C аддитивных образцов жаропрочного сплава IN625 позволяют повысить пластичность за счет некоторой потери прочности.

а)                                                                                                 б)

Рис. 4. Влияние ГИП на механические свойства аддитивных образцов титанового сплава Ti-6Al-4V: а) кривые растяжения образцов в различных состояниях, б) усталостная прочность [25]

 

В аддитивных (СЛС) образцах жаропрочного никелевого сплава Rene88DT в исходном состоянии наблюдали микротрещины, образующиеся в зонах перекрытия соседних слоев при сплавлении [27]. При формировании аддитивной структуры возникали два вида трещин: короткие длиной 100÷300 мкм и длинные — 3÷10 мм. В результате ГИП по режиму 1160°C — 200 MPa — 2 часа с последующей стандартной для данного сплава термической обработкой происходило полное залечивание коротких и частичное — длинных трещин. В работе [27] показано, что механические свойства аддитивных образцов сплава Rene88DT после ГИП и термической обработки приближаются к свойствам данного сплава, полученного методом порошковой металлургии:
σв = 1420 МПа, δ = 17 %.

Заключение

Технология ГИП представляет собой универсальный способ уплотнения пористых структур. Универсальность ГИП определяется термодинамической природой процесса уплотнения: при наложении давления всестороннего сжатия при ГИП происходящие самопроизвольные процессы должны способствовать повышению плотности системы в результате заваривания пор. Однако следует иметь в виду, что с помощью ГИП могут быть ликвидированы только закрытые вакуумные поры и трещины. В порошковой металлургии пористые порошковые структуры изолируют от внешней среды с помощи специальных вакуумированных капсул. Аналогичным образом для удаления открытой пористости в аддитивных объектах их так же следует защитить от воздействия внешней среды в газостате.

Механизмами заваривания технологической пористости являются пластическая деформация и диффузия; последняя обеспечивает как вакансионное растворение микропор, так и диффузионную сварку стенок пор, состыкованных деформацией [28]. Для активизации механизмов уплотнения объект необходимо нагреть до некоторой температуры ТГИП и выдержать в течение времени tГИП. Очевидно, что в условиях ГИП могут происходить не только полезные процессы заваривания пор, но и другие структурные изменения, которые необходимо контролировать. Например, при ГИП в слоистых аддитивных структурах может происходить рост зерен [26], и это явление трудно устранить впоследствии методами термической обработки. Огрубление зеренной структуры при ГИП особенно неблагоприятно для сплавов, склонных к охрупчиванию, например, интерметаллидных сплавов на основе NiAl. ■

 

Свяжитесь с нами, чтобы получить «Руковдоство по использованию ГИП в Аддитивном производстве».

 

Литература

  1. Gibson I., Rosen D., Stucker B. Additive manufacturing technologies: rapidprototyping to direct digital manufacturing. New York: Springer, 2009. — 484 p.
  2. Зленко М. А., Попович А. А., Мутылина И. Н. Аддитивные технологии в машиностроении. Изд-во СПбГУ, 2013. — 221 с.
  3. Логачева А. И. Аддитивные технологии для изделий ракетно-космической техники: перспективы и проблемы применения//Технология легких сплавов. 2015. № 3. С. 39–45.
  4. Логачева А. И., Сентюрина Ж. А., Логачев И. А. Аддитивные технологии производства ответственных изделий из металлов и сплавов. Перспективные материалы. 2015. № 4. С. 5–16.
  5. Sames W. J., List F. A., Pannala S., Dehoff R. R., Babu S. S. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing. International Materials Reviews. 2016. http://dx.doi.org/10.1080/09506608.2015.1116649.
  6. Yolton C. F. Gas atomized titanium and titanium aluminide alloys, in: F. H. Froes (Ed.), P/M in Aerospace and Defense Technologies, v. 1, MPIF, Princeton, NJ, 1990. Р. 123–131.
  7. Froes F. H. Titanium powder metallurgy: developments and opportunities in a sector poised for growth.Powder metallurgy review. Winter 2013. Inovar Communications Ltd. 2013. P. 27–41.
  8. Белов А. Ф. Металлургия гранул — новый путь повышения качества конструкционных материалов. Вестник АН СССР. 1975, № 5. C. 74–84.
  9. Lowenstien P. Specialty metal powders by the rotating electrode process. Prog. Powder. Metall. 37 (1982).
  10. Гарибов Г. С. Металлургия гранул в авиадвигателестроении. Технология легких сплавов. 2001, № 5–6. C. 138–148.
  11. Фаткуллин О. Х. Современное состояние металловедения быстрозакаленных жаропрочных сплавов. Технология легких сплавов. 2005, № 1–4. C. 24–31.
  12. Логачева А. И. Комплексная технология изготовления трубчатых тонкостенных элементов различной конфигурации методом порошковой металлургии для производства деталей из конструкционных и функциональных сплавов на основе титана и никеля для изделий ракетно-космической техники. Дисс. на соиск. уч. ст. докт. тех. наук, Москва, ИМЕТ, 2016. — 407 с.
  13. Береснев А. Г. Влияние горячего изостатического прессования на структуру и свойства литых поликристаллических лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов. Металлы. 2012, № 3. C. 48–56.
  14. Береснев А. Г., Маринин С. Ф., Разумовский И. М., Бутрим В. Н., Тихонов А. А.  Горячее изостатическое прессование отливок из титановых сплавов. Литейное производство. 2012, № 7. C. 20–24.
  15. Береснев А. Г., Тихонов А. А., Маринин С. Ф., Бутрим В. Н., Дубровский В. А., Переславцев В. А.  Опыт повышения качества и работоспособности отливок сложной конфигурации из сплава АК9ч. Литейщик России. 2012, № 2. C. 24–26.
  16. Gong H., Rafi K., Gu H., Starr T., Stucker B. Analysis of defect generation in Ti‑6Al‑4V parts made using powder bed fusion additive manufacturing processes. Additive Manufacturing. 2014, № 1–4. P. 87–98. dx.doi.org/10.1016/j.addma.2014.08.002.
  17. Huang S., Li Z., Xiong B., Zhang Y., Li X., Liu H., Yan H., Yan L. Microstructure and Porous Defects of a Spray-Formed and Hot Worked 7000 Aluminum Alloy. Materials Science Forum. 2017, v. 879. P. 1778–1782. doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.879.1778.
  18. Абраимов Н. В., Елисеев Ю. С.  Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. Москва: Интермет Инжиниринг, 2001. — 622 с.
  19. Арзамасов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов в активизированных газовых средах. Москва: Машиностроение, 1979. — 224 с.
  20. Тамарин Ю. А. Жаростойкие диффузионные покрытия лопаток ГТД. Москва: Машиностроение, 1979. — 136 с.
  21. А. Г. Береснев А. Г., Маринин С. Ф., Разумовский И. М., Бутрим В. Н.  Тихонов А. А. Горячее изостатическое прессование монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей с защитными композиционными покрытиями. Конструкции из композиционных материалов. 2014, № 2. C. 20–23.
  22. Падалко А. Г. Практика горячего изостатического прессования неорганических материалов//М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. — 267 с.
  23. Morokoshi S., Masao H., Yagura H., Yamomoto Y., Fujikawa T. Mechanical Properties of Ti‑6Al‑4V Materials Prepared by Additive Manufacturing Technology and HIP Process. In.: Proc. 11th Int. Conf. on Hot Isostatic Pressing. 2014, Stockholm. P. 398–404.
  24. Hjärne J., Ahlfors М. Hot Isostatic Pressing for AM parts. Västerås, Sweden, May 2016, Quintus Technologies. P. 1–5.
  25. Leuders F. On the mechanical performance of structures manufactured by Selective Laser Melting: Damage initiation and propagation. University of Paderborn, Germany, as presented at AMPM2014, MPIF, USA.
  26. Kreitcberg A., Bralovski V., Tu-rene S., Chanal C., Urelea V. Influence of Thermo and HIP Treatments on the Microstructure and Mechanica Properties of IN625 Alloy Parts Produced by Selective Laser Melting: A Comparative Study. Materials Science Forum. 2017, v. 879.
  27. P. 1008–1013. doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.879.1008.
  28. Zhao X., Lin X., Chen J., Xue L., Huang W. The effect of hot isostatic pressing on crack healing, microstructure, mechanical properties of Rene88DT superalloy prepared by laser solid forming. Mater. Sci. Eng. A. 2009, 504.P. 129–134.
  29. Береснев А. Г., Разумовский И. М., Маринин С. Ф., Тихонов А. А., Бутрим В. Н. Технологические принципы горячего изостатического прессования монокристальных лопаток авиационных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов. Цветные металлы. 2011, № 12. C. 84–88.
No Comments

Post A Comment

Подпишитесь на рассылку новостей
Аддитивного Производства, чтобы быть
профессионалом в современных
промышленных технологиях

You have successfully subscribed to the newsletter

There was an error while trying to send your request. Please try again.

СМАРТПРИНТ - Прямое Цифровое Производство will use the information you provide on this form to be in touch with you and to provide updates and marketing.