Сравнительные металлографические исследования образцов, полученных технологией прямого лазерного выращивания

в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме «Создание технологии высокоскоростного изготовления деталей и компонентов авиационных двигателей методами гетерофазной порошковой металлургии».

Цель разрабатываемой технологии состоит в формировании изделия из порошка, подаваемого сжатой газопорошковой струей непосредственно в зону выращивания, причем газопорошковая струя может быть как коаксиальной, так и не коаксиальной сфокусированному лазерному лучу, обеспечивающему нагрев и частичное плавление порошка и подогрев подложки [11, 12]. На рис. 1 представлены крупногабаритные детали турбины, выбранные в качестве пилотных по данному проекту – кольцо наружное 4 ступени (рис. 1 а), корпус выходной (рис. 1 б). Эксплуатация данных деталей характеризуется высокой температурой – до 650 0С, силовой нагрузкой до 15 тонн, существенной разницей давления на входе и выходе, а также агрессивной рабочей средой – смеси продуктов сгорания топлива с воздухом. Изготовление крупногабаритных деталей турбины сопровождено длительным производственным циклом, высокой трудоемкостью изготовления, низким коэффициентом использования материала, и, вследствие этого, высокой себестоимостью изготовления.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Изготовление образцов проводилось с использованием технологии прямого лазерного выращивания методом гетерофазной порош-

Рис. 1 . Детали турбины двигателя НК-36СТ: кольцо наружное 4-ой ступени (а); корпус выходной (б)

ковой металлургии на лабораторном комплексе на базе промышленного робота Fanuc в Институте лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Схема выращивания образцов показана на рис. 2. Для изготовления образцов методом прямого лазерного выращивания для проведения исследовательских испытаний с использованием прецизионных цилиндрических слитков-электродов получены порошки из никелевого жаропрочного сплава ЖС6У ОСТ 1 9012685. Изготовление порошков проводилось путем плазменного центробежного распыления вращающегося слитка-электрода на установке УЦР-6. Скорость вращения слитка-электрода 14000 об/ мин. Образцы выращивались по следующим режимам: мощность излучения – 400 Вт, диаметр пятна 0,8…1,4 мм, расход несущего газа 5…10 л/мин, атмосфера – аргон. Термообработку проводили в вакууме при максимальной температуре 1210 ºС, время выдержки составляло 3,5…4 часа, скорость охлаждения до 1000 ºС не менее 45 ºС в минуту. Химический состав сплавов ЖС6У ОСТ 1 90126-85 и ХН60ВТ ГОСТ 5632-77 представлен в табл. 1, 2.

На оборудовании ФГАОУ ВО «СПбПУ» и НИТУ «МИСиС» выполнены металлографические исследования и механические испытания выращенных образцов из жаропрочных никелевых сплавов. Проведено сравнение полученных микроструктур до и после термообработки.

Рис. 2 . Схема процесса прямого лазерного выращивания

Таблица 1. Жаропрочный сплав ЖС6У ОСТ 1 90126-85

Fe

C

Si

Mn

Ni

S

Cr

Ce

Mo

W

Co

Nb

Ti

Al

Zr

-

о

см о ю о

о о

о о

СМ чо to Ю

о о о

m о< со

СМ о о о

см см

m о<

m О Ох

см со о

Оч СМ см

чо СП

о О О

Я CQ О О о 2

Таблица 2. Жаропрочный сплав ХН60ВТ ГОСТ 5632-77

Fe	C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	W	Ti	Al
^ о	о о	со о о	LT) о о	см ьо о со о LT)	to о о о	ю о о о	LO 40 см LO to см	40 to	о to о	LO о о

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На рис. 3 представлены структуры образцов, полученных методом прямого лазерного выращивания, до (а) и после термической обработки (б). В структуре присутствуют локальные области с мелкими и крупными зернами, что связано с неравномерностью воздействия лазерного излучения на материал и перемешиванием в жидкой фазе. Проведен анализ микропористости полученных образцов. Результаты анализа представлены в табл. 3.

Рис. 3 . Структуры образцов, полученных прямым лазерным выращиванием, до (а) и после термической обработки (б), х5000

Таблица 3. Результаты определения микропористости полученных образцов

№	Показатель	Ед. изм.	Значение
			До термообработки	После термообработки
1	Число частиц	шт.	119	236
2	Доля	%	0,4	0,4
3	Удельная поверхность	1/мкм	0,002	0,003
4	Средняя хорда	мкм	8,2	6,2
5	Межчастичное расстояние	мкм	1,8*103	1,8*103

Рис. 4. Структуры образцов из сплава ЖС6У в состоянии «выращивание»: а – х200, б – х500, в – х1000

Рис. 5. Структуры образцов из сплава ЖС6У в состоянии «выращивание + термообработка»: а – х200, б – х500, в – х1000

В результате анализа представленных в табл. 3 данных определено, что количественные значения микропористости для образцов до и после термической обработки равны между собой, несмотря на то, что вид структур различен. При этом малый размер пор (6-10 мкм) позволяет предположить, что они образовались в шлифе в том месте, где были неметаллические включения, предположительно оксиды марганца, кремния, алюминия, которые выкрошились в процессе полировки поверхности шлифа. На рис. 4 представлены структуры полученных образцов из сплава ЖС6У, имеющих дисперсное дендритное строение никелевого твердого раствора, внутри которых расположены фазы различных интер-металлидов, на основе титана и хрома. Также в структуре присутствуют микропоры и частицы оксидов. Для оценки влияния термообработки на структуру полученных образцов были проведены металлографические исследования образцов после отпуска. Структуры образцов в состоянии «выращивание + термообработка» приведена на рисунке 5. После термической обработки дендритное строение микроструктуры сплава отсутствует, наблюдается мелкозернистое строение никелевого твердого раствора, а фазы интер-металлидов расположены преимущественно по границам зерен. Выявлено наличие в структуре небольшой микропористости и некоторых частиц оксидов.

ВЫВОДЫ

В результате выполненного анализа определено, что микропористость образцов, полученных с применением технологии прямого лазерного выращивания, имеет удовлетворительное значение, причем поры после термической обработки становятся мельче, а распределение их более равномерно. Размер дендритной ячейки и зерна образцов из сплава ЖС6У, полученных методом прямого лазерного выращивания меньше, чем у изготовленных по традиционной технологии литых образцов, что указывает на значительный потенциал технологии лазерного выращивания для получения повышенного уровня механических свойств в изделиях.

Имеются перспективы совершенствования разрабатываемой технологии прямого лазерного выращивания. При проведении опытно-технологических работ целесообразно выполнение сравнительных исследований структур образцов, полученных с применением разрабатываемой технологии, и литых образцов, а также проведение усталостных испытаний и испытаний на разрыв выращенных образцов.