Новости

Дата публикации: 29/12/2015

Проведены исследования и успешные испытания порошка сплава ЭП648
производства «ВИАМ» для се­лективного лазерного синтеза.

блок

Аддитивные технологии в отечественной авиационной промышленности является одним из важнейших направлений стратегии развития материалов и технологий на ближайшие полтора десятка лет, но их широкое внедрение во многом сдерживается отсутствием порошков отечественного производства. Стоимость деталей газотурбинных двигателей, в особенности ответственного назначения, весьма высока, а сокращение сроков изготовления, исключение трудоемкого изготовления оснастки представляет несомненный интерес при разработке и освоении производства новых изделий.

Наибольший интерес получения конечной детали из металлического порошка на данный момент представляет технология селективного лазерного сплавления (SLS, SLM). В этой области ряд зарубежных фирм предлагает целую линейку установок от высокоточных, с малыми рабочими камерами, до крупных промышленных машин. Рядом исследователей уже проводились исследования условий формирования микроструктуры и оценка свойств синтезированных заготовок, однако все они связаны с использованием импортных порошковых материалов фирм-производителей, поставляющих их вместе с установками. Влияние газостатического прессования на свойства синтезированного металла мало изучено. Настоящая работа посвящена исследованию влияния горячего изостатического прессования на микроструктуру и свойства синтезированных заготовок, полученных из отечественного порошка высокохромистого сплава ЭП648, производства ФГУП "ВИАМ".

В качестве объекта исследования был выбран порошок жаропрочного высокохромистого сплава на никелевой основе марки ЭП648-ВИ гранулометрического состава 10—40 мкм. Исследование фракционного состава полученных порошков проводили на лазерном анализаторе размеров частиц Amalizette 22 фирмы Fritsch. Исследование структуры гранул — на растровом электронном микроскопе JSM 840.

Отработку технологических параметров лазерного сплавления проводили в установке Concept Laser М2 Cusing (Германия), оснащенной Yb:YAG (алюмо-иттриевый гранат, легированный иттербием) оптоволоконным лазером с диодной накачкой, максимальной мощностью 400 Вт и длиной волны 1069 нм. В системах Concept Laser применяется запатентованный принцип построения объектов, называющийся технологией стохастического экспонирования.

В качестве инертной среды для синтеза использовали аргон газообразный высшего сорта по ГОСТ 10157.

Термическую обработку СЛС-образцов проводили по стандартному для сплава ЭП648 режиму. Высокотемпературную газостатическую обработку проводили в газостате "Quintus-16" фирмы ASEA (Швеция) ФГУП "ВИАМ", имеющем молибденовый двухзонный нагреватель (размеры горячей зоны D200х600 мм), по режиму, разработанному ФГУП "ВИАМ".

Исследование пористости проводили на нетравленых шлифах на металлографическом комплексе фирмы "Olympus".

Испытание (продувка) осевого завихрителя проводили по инструкции и на стенде ОАО "Авиадвигатель".

Исследование исходного материала порошка сплава ЭП648, полученного во ФГУП "ВИАМ", на установке HERMIGA 10/100VI, показало, что в основной массе частицы гранулометрическим составом 10—40 мкм имеют сферическую форму с незначительным количеством сателлитов и дефектных частиц неправильной формы.

На поверхности образца наблюдаются треки, формирующие "островки" разгрузочной штриховки — меандры. В зонах сплавления "островков" (по сторонам ячеек) выраженных дефектов усадочного происхождения не наблюдается, однако на отдельных участках видна усадочная пора в месте касания вершин (углов) соседних меандров.

На поперечном шлифе хорошо видны ячейки — поперечные срезы сплавленных лазером дорожек (треков). Структура характеризуется дисперсными выделениями эвтектики и карбидов. В объеме некоторых ячеек имеются трещины. При больших увеличениях в объеме треков видны дисперсные толщиной около 300 нм частицы светлой фазы, вероятно, эвтектического состава.

Исследование пористости показало, что средняя объемная доля пор в SLM-металле составляет 0,07 %, что соответствует лучшим результатам, полученным при использовании порошков импортного производства. Поры внутри треков имеют преимущественно сферическую (или округлую) форму. На отдельных полях зрения отмечается пористость усадочного происхождения, расположенная вдоль линии сплавления треков (вероятно, на границе сплавления отдельных "островков").

После газостатирования трещин в объеме треков не обнаружено, а средняя объемная доля пор снизилась в 3 раза (до 0,02 %).

В объеме зерна в результате частичного подстаривания в процессе охлаждения с температуры ГИП формируются дисперсные (1—2 мкм) участки твердого раствора на основе а-хрома. Старение после газостатирования приводит к наиболее полному выделению частиц на основе a-хрома неправильной формы и дополнительному выделению частиц, представляющих собой конгломераты первичных карбидов типа (Ti, Nb)6C, на подложках которых выделяются частицы a-фазы,, что подтверждается распределением элементов при визуализации энергодисперсионных спектров и анализе спектрограмм включений при проведении локального микрорентгеноспектрального анализа. Выделение этих конгломератов происходит в основном по границам зерен. Распределение частиц в объеме зерен весьма равномерное, их размер практически одинаков и составляет 2—3 мкм.

Предел прочности в состоянии СПС находится близко к верхнему пределу значений для литого материала по паспорту, а по относительному удлинению металл СПС почти в 4 раза превосходит литой. После проведения полной термической обработки (включающей старение) по стандартному режиму предел прочности повышается примерно на 25 %, что может быть связано с более тонкой "литой" структурой синтезированного материала и. более равномерным выделением избыточных (упрочняющих) фаз. Пластические характеристики металла СЛС после термической обработки снижаются незначительно по сравнению с СЛС-состоянием.

Газостатическая обработка способствует резкому (почти в 1,5 раза) повышению пластичности синтезированного металла, что очевидно, связано с залечиванием (сращиванием) отдельных имеющихся трещин. Предел текучести при этом весьма низок (на 13 % ниже нижнего уровня по паспорту). Последующее старение повышает предел прочности и текучести до рекордных значений (1205 и 770 МПа соответственно; пластические характеристики при этом остаются на высоком уровне, превышая литой материал более чем в 3 раза.

Таким образом, можно сделать вывод, что для сплава ЭП648, полученного методом селективного лазерного сплавления, применение горячего изостатического прессования и последующего старения является необходимыми операциями технологического цикла, повышающими его механические свойства до исключительно высоких значений.

По отработанной технологии селективного лазерного сплавления из сплава ЭП648 были получены опытные образцы деталей камеры сгорания перспективного двигателя ПД-14.

Таким образом, порошок сплава ЭП648 производства ФГУП "8ИАМ" удовлетворяет всем требованиям для получения деталей методом селективного лазерного синтеза. Наличие ~35 % фракции 10—20 мкм не препятствует нормальному формированию слоя и не снижает сыпучести порошка. Применение газодинамической сепарации обеспечивает высокую эффективность удаления наиболее дисперсных частиц (остаточное содержание гранул размером менее 10 мкм не превышает 5 %).

Отработанный режим сплавления порошка сплава ЭП648 обеспечивает получение плотных деталей со средней объемной долей пористости 0,07 %, что соответствует лучшим результатам работ с порошками импортного производства, а применение последующего горячего изостатического прессования обеспечивает дополнительное снижение пористости в 2-—2,5 раза и полное залечивание несвязанных с поверхностью трещин.

Применение термической обработки (старения) после горячего изостатического прессования способствует значительному повышению прочностных характеристик при незначительном снижении пластичности синтезированного металла, что связано дополнительным упрочнением частицами на основе α-хрома и конгломератами на основе первичных карбидов и частиц σ-фазы.



Статьи по теме:

страницы: 1