Параметры камер ракетных двигателей, полученных методом выборочного лазерного сплавления

К изделиям ракетно-космической отрасли предъявляются повышенные требования по качеству. На всех этапах создания двигателей летательных аппаратов (ДЛА) оценка параметров проводится по эффективности проектных решений, качеству используемых материалов, конструкторской отработке опытных образцов, результатам испытаний изделий при производстве и эксплуатации [1].

Развитие аддитивных технологий (АТ) по сравнению с традиционным производством в перспективе позволит существенно снизить время и стоимость изготовления изделий в результате повышения технологичности, сокращения количества деталей узлов, получения конструкционных материалов с улучшенными свойствами [2]. Уже выявлены отличия свойств материалов деталей, полученных с помощью аддитивных технологий и изготовленных традиционным методом литья. В настоящее время использование 3D-печати при производстве ракетных двигателей сдерживается недостаточной отработкой параметров технологии.

Целью исследований является изучение свойств материала, полученного методом SLM печати, экспериментальная отработка режимов печати и выявление управляемых параметров, влияющих на физико-механические характеристики изделий, работающих при высоких температурах.

Описание технологии выборочного лазерного сплавления металлов

В Сибирском государственном университете науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева совместно с индустриальным партнером ООО «Полихром» проводятся исследования по разработке технологии изготовления камеры ракетного двигателя малой тяги методом выборочного лазерного сплавления (Selective laser melting – SLM) из материала Инконель 718.

Инконель 718 – жаропрочный высококачественный сплав, был разработан для надежной эксплуатации изделий при температурных режимах, достигающих 980 °C. Практически сразу же после создания он стал пользоваться повышенным спросом и на его долю уже в 70-е гг. прошлого века в США приходилось более 50 % всего валового производства промышленных термопрочных сплавов. В настоящее время Инконель 718 считается одним из самых востребованных материалов группы Инконель.

Этот сплав до температуры 900 °С имеет высокую ударную вязкость и прочность, а при низкой температуре (–78 °С) у Инконеля отсутствует чувствительность к надрезам. Сплавы Инконель обладают стойкостью к окислению и коррозии. При нагреве Инконель формирует тонкую стабильную пассивирующую оксидную пленку, предохраняющую поверхность от дальнейшего разрушения. Инконель сохраняет прочность в широком диапазоне температур, поэтому является универсальным материалом и применяется во многих отраслях промышленности.

Первоначально проводились эксперименты по выявлению управляемых параметров лазера и отработке режимов печати принтера из порошка Inconel 718 марки ПР08-ХН53БМТЮ. Затем для определения пористости, химического состава, механических свойств полученного материала печатались экспериментальные образцы (рис. 1).

Рис. 1. Образцы для механических испытаний

Fig. 1. Samples for mechanical testing

Часть образцов была изготовлена без термообработки. Часть образцов прошла термообработку по режиму: закалка при 980 ± 10 °C, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе (аргон), старение при 720 ± 10 °C, выдержка 8 ч, охлаждение в печи до 620 °C 2 ч, далее выдержка при 620 ± 10 °C, 8 ч, охлаждение на воздухе (аргон). Полученные образцы подверглись исследованиям по определению химического состава, структуры, механических свойств материала. Плотность сплава Inconel 718 равна 8,19 г/см3.

По содержанию легирующих элементов, материал образцов соответствует марке Инконель 718. По структуре материал образцов обладает повышенной пористостью [3; 4]. Поверхность образцов имеет повышенную шероховатость.

Для исследования механических характеристик проводились испытания материала стандартных образцов камеры-демонстратора на растяжение и определение микротвердости по методу Виккерса. В результате исследований были получены значения предела текучести, прочности, деформаций при разрыве и твердости материала [5].

После обработки результатов испытаний получены значения остаточных деформаций материала и модулей упругости для термообработанных образцов и образцов без термообработки (табл. 1).

Таблица 1

Результаты испытаний сплава Inconel 718 при комнатной температуре

№ образца	Модуль упругости (E), МПа	Остаточная деформация при разрыве (δост), %
1. С термообработкой	0,214·105	5,27
2. С термообработкой	0,209·105	5,38
3. С термообработкой	0,176·105	5,95
4. С термообработкой	0,156·105	6,95
5. Без термообработки	0,139·105	6,51
6. Без термообработки	0,139·105	6,43
7. Без термообработки	0,116·105	8,7
8. Без термообработки	0,113·105	5,23

Термообработка образцов привела к увеличению их прочностных характеристик, твердости, снижению упругости и пластичности. Полученные характеристики по напряжениям близки с результатами работы [6], а по деформациям существенно меньше (табл. 2).

Механические свойства сплава Inconel 718 при комнатной температуре

Таблица 2

Свойства	Inconel 718 (после т/о)
	С термообработкой	Без термообработки
Предел прочности σв, МПа	1400	1380
Предел текучести σ0,2, МПа	1150	1240
Относительное удлинение δ, %	15	18

Затем были напечатаны две камеры и смесительные головки ракетного двигателя (рис. 2).

а

б

Рис. 2. Напечатанные камера ( а ) и смесительная головка ракетного двигателя ( б )

Fig. 2. Printed rocket engine chamber ( а ) and mixing head ( b )

Для подтверждения их работоспособности проведен целый комплекс испытаний. Сначала успешно были проведены виброиспытания камер. Затем испытания на прочность и герметичность с использованием специального приспособления.

Согласно технологическим требованиям к приспособлениям для испытаний, испытательная оснастка должна обеспечить герметичность, моделировать и выдерживать нагрузки, которые испытывает изделие в режиме реальной работы. Для проведения испытаний на прочность и герметичность камеры двигателя, было спроектировано специальное приспособление (рис. 3). Его изготовило предприятие ООО «Вариант-999».

Рис. 3. Приспособления для испытаний

Fig. 3. Test devices

Согласно ОСТ 92-4291–75 были выбраны следующие виды испытаний: на прочность методом опрессовки (с использование дистиллированной воды), на герметичность методом «аквариума» (с использование воздуха). Испытание на герметичность производится сразу после испытания на прочность с использованием того же специального приспособления. Были разработаны режимы испытаний (табл. 3).

Параметры режимов испытаний на герметичность

Таблица 3

Параметр	Прочность	Герметичность
Давление опрессовки, кг/см2	11,2	12,65
Время опрессовки, мин	5	5
Давление испытания, кг/см2	12,75	11,5
Время испытания, мин	5	3

К приспособлениям для испытаний предъявляют главное требование – они должны обеспечивать герметичность и выдерживать нагрузки, которые испытывает изделие в режиме реальной работы. Поэтому все элементы приспособления, работающие под нагрузками, были спроектированы на основе проведенных расчетов из условия прочности. Схема приспособления для испытаний представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема приспособления для испытаний:

1 – камера; 2 – кольцо упорное; 3 – прижим; 4 , 5 , 8 – уплотнительные кольца;

6 – шток; 7 – фланец; 9 – шпилька; 10 – штуцер

Fig. 5. The scheme of the device for testing: 1 – chamber; 2 – thrust ring; 3 – clamp; 4 , 5 , 8 – sealing rings; 6 – rod; 7 – flange; 9 – hairpin; 10 – fitting

Рабочее тело для испытаний подается в полость «А» через входной штуцер 10 и удаляется через выходной. Герметичность полости обеспечивается уплотнительными кольцами 4 , 5 , 8 . Поэтому к сопрягаемым поверхностям камеры-демонстратора 1 , а также фланца 7 и прижима 3 с кольцами предъявляются особые требования по шероховатости и точности размеров. Для равномерного прижатия уплотнительного кольца 8 к поверхностям фланца 7 и камеры-демонстратора 1 используются шесть шпилек 9 , расположенных равномерно по окружности. Прижим уплотнительных колец 4 и 5 со стороны критического сечения обеспечивается при помощи штока 6 . Прочностной расчет нагруженных элементов приспособления показал необходимый для испытания запас по прочности.

При испытаниях камеры двигателя на герметичность была обнаружена повышенная пористость и негерметичность материала камер.

Анализ выявленных параметров технологии выборочного лазерного сплавления

В результате отработки технологи печати образцов и камер ракетного двигателя на конкретном принтере выявлены следующие особенности [7]:

• –    напечатанные изделия обладают изотропными механическими свойствами;

• –    невысокая скорость печати;

• –    внутренняя пористость полученного изделия;

• –    наличие усадки изделия после термообработки [8];

• –    возможность коробления изделия после термообработки;

• –    необходимость постобработки поверхности изделия для снижения шероховатости [9–14];

• –    ограничение размеров изделия габаритами пространства печатающего устройства;

• –    высокая стоимость порошка.

В дальнейшем, изменяя режимы печати камер двигателя, были достигнуты удовлетворительные результаты по повышению качества и надежности изделий при проведении испытаний на прочность и герметичность.

По результатам проведенных работ можно выделить четыре группы управляемых параметров SLM печати, влияющих на свойства получаемого материала изделия:

• 1.    Характеристики лазера F л :

• –    мощность лазера N _л;

• –    температура пятна печати T ;

• –    размер пятна печати d _л;

• 2.    Свойства сплавляемого слоя F с :

F л ( N л , T , d л ).

• –    зернистость порошка d _з;

• –    высота сплавляемого слоя порошка h [15];

• –    величина наложения краев луча при печати следующим проходом лазера в слое Δ _d ;

• 3.    Временные параметры печати F t :

  – скорость движения лазера при печати v ;

  – время возврата лазера при печати следующим проходом в слое t ;

• 4.    Геометрические параметры изделия F _г :

F с ( d з , h , Δ d ).

F_t ( ν , t ).

• –    поперечный размер изделия b ;

• –    толщина стенки изделия δ;

• –    угол в горизонтальной плоскости между изделием и направлением движения луча лазера α ;

F r ( b , δ , α ) .

Заключение

По результатам проведенных исследований можно сформулировать следующие выводы:

• –    экспериментально отработана технология подбора параметров принтера для SLM печати, позволяющая получать изделия с необходимыми механическими свойствами материала;

• –    разработаны рекомендации по проведению контрольных испытаний изделий, изготовленных методом 3D-печати;

• –    исследованы свойства изделий, изготовленных методом 3D-печати и выявлены отличия от изделий, изготовленных традиционными методами;

• –    систематизированы управляемые параметры SLM печати, влияющие на свойства получаемого материала изделия.

Для внедрения новой технологии в производство необходимо исследовать степень влияния различных факторов на отдельные физические и механические свойства материалов в виде функциональных или статистических зависимостей Fi (Fл, Fс, Ft, Fr). В первую очередь это относится к таким характеристикам принтеров, как возможность управления параметрами лазера, формой и размерами печатаемого изделия. Это позволит разработать теоретические основы новых технологий производства, значительно сократив экспериментальную отработку технологии изготовления каждого нового изделия [16–18].