Определение оптимальных параметров селективного лазерного сплавления титанового сплава TiAl6V4 углекислотным лазером

Селективное лазерное сплавление (SLM) является видом технологий, относящимся к аддитивным, и характеризуется возможностью получения изделий, практически не нуждающихся в финишной обработке. На сегодняшний день SLM широко используется в аэрокосмической отрасли [1–3] и медицине [4–5] при производстве деталей сложной формы, таких как топливные форсунки, охлаждаемые камеры сгорания, хирургические и стоматологические импланты [6–8]. Обладание комплексом свойств, к которым относятся низкая плотность, высокая прочность, коррозионная стойкость и биосовместимость [9–11], обуславливает широкое применение титанового сплава TiAl6V4 в селективном лазерном сплавлении. В последние годы большое количество работ посвящалось исследованию селективного лазерного сплавления данного сплава [12–16] при использовании оптоволоконного лазера. В то же время использование углекислотного лазера в SLM при работе с TiAl6V4 требует отдельного исследования. Коэффициент абсорбции энергии лазера металлическим порошком зависит от длины волны. Для титанового сплава коэффициент абсорбции энергии углекислотного лазера ниже, чем коэффициент абсорбции энергии оптоволоконного лазера [17]. Целью работы было определение параметров SLM, позволяющих получить детали с низкой пористостью при использовании углекислотного лазера.

Экспериментальная часть

Для исследования влияния параметров селективного лазерного сплавления на пористость получаемого материала использовалась установка SINTERSTATION® Pro DM125 SLM System. Установка оснащена 200-ваттным углекислотным лазером, системой поддержания защитной инертной (аргон) атмосферы в рабочей камере и системой нагрева рабочего стола. Диаметр пятна лазера на поверхности порошка – 35 мкм.

С использованием различных режимов сплавления были изготовлены 9 кубических образцов с размерами 10 × 10 × 10 мм. Расстояние между соседними координатами остановки лазера (point distance (PD)), ширина штриха (hatch space (HS)) и толщина слоя порошка (layer thickness (LT)) при каждом режиме составляли 50 мкм. Содержание кислорода в рабочей камере составляло 500 ppm. Нагрев рабочего стола не применялся. Изменяемые параметры: мощность лазера (laser power (P)) и время выдержки лазера в координате (exposure time (ET)) (см. таблицу). В каждом режиме использовалась стратегия сканирования, при которой направление движения лазера при сплавлении последующего слоя изменялось на 90° [18].

Параметры селективного лазерного сплавления

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9
P , Вт	200	200	200	150	150	150	100	100	100
ET , мкс	100	50	150	100	50	150	100	50	150

В работе исследовался порошок титанового сплава TiAl6V4 с размером частиц от 20 мкм до 63 мкм (производитель – MTT Technologies GmbH). Средний размер частиц – 44 мкм. Средняя сферичность по параметру ISO Roundness 63,74 %. Для определения размера частиц и сферичности порошка использовался оптический анализатор Occhio 500nano. Текучесть порошка – 19 с (ГОСТ 20899-98), насыпная плотность – 2482 кг/м3 (56,2 %).

Снимки порошка, полученные на электронном микроскопе, представлены на рис. 1. Из рисунка видно, что большинство частиц порошка имеет сферическую форму.

Рис. 1. Снимок порошка TiAl6V4, полученный на электронном микроскопе

Пористость определялась методом исследования шлифа на оптическом микроскопе [19]. Изготавливались 2 шлифа: совпадающий с направлением выращивания образца и перпендикулярный направлению выращивания. Каждый образец заливался бакелитом, затем шлифовался, полировался и подвергался травлению. Для определения пористости использовался программный комплекс GIMP 2.8.22.

Результаты и обсуждение

Образцы, полученные методом селективного лазерного сплавления порошка титанового сплава TiAl6V4, представлены на рис. 2. Все образцы имеют плотную структуру и удовлетворительное качество поверхности.

На рис. 3 показана пористость образцов, полученных SLM при различных режимах.

Образец № 8 имеет наибольшую пористость – 22,6 %. Режиму сплавления № 8 соответствует наименьшая мощность лазера и наименьшее время выдержки лазера в координате. Поры в данном случае имеют неправильную форму и большой размер. В зарубежных источниках такие поры называются «keyhole pores», причина их возникновения ‒ недостаток энергии для полного плавления слоя порошка [16].

Рис. 2. Образцы, полученные методом селективного лазерного сплавления порошка титанового сплава TiAl6V4

С увеличением времени выдержки лазера в координате (режим № 7) и мощности лазера (режим № 5) изменяется количество пор, но их размер и морфология практически не меняются. При дальнейшем увеличении времени выдержки лазера в координате и мощности лазера (режимы № 1, 2, 4, 6 и 9) количество «keyhole pores» уменьшается, появляются поры сферической формы и меньших размеров. Такие поры называются «металлургическими» и обусловлены газами, растворенными в расплаве [18].

Образец № 3 имеет наименьшую пористость (около 0,5 %) и характеризуется наличием «металлургических» пор. Для уменьшения «металлургической» пористости необходимо использовать порошки с пониженным содержанием растворенных газов.

Рис. 3. Пористость образцов, полученных при различных режимах SLM

Вывод

В работе исследовалось применение 200-ваттного углекислотного лазера в селективном лазерном сплавлении порошка титанового сплава TiAl6V4. С использованием 9 различных режимов сплавления были изготовлены образцы размерами 10 × 10 × 10 мм. Все полученные образцы имеют плотную структуру и удовлетворительное качество поверхности. Наименьшая пористость изделия – 0,5 %.

Исследования проводились при финансовой поддержке Министерства образования и науки

Российской Федерации в рамках гранта Президента Российской Федерации (№ МК-1881.2017.8).