Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления заготовок моноколес ГТД из титановых сплавов селективным лазерным сплавлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Агаповичев Антон Васильевич

• Агаповичев Антон Васильевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Агаповичев Антон Васильевич

применяемые материалы

1.3 Использование аддитивных технологий при изготовлении моноколес ГТД

1.4 Селективное лазерное сплавление. Основные технологические параметры

1.4.1 Параметры лазера

1.4.2 Параметры сканирования

1.4.3 Параметры материала

1.4.4 Параметры атмосферы

1.5 Математическое моделирование процесса СЛС, определение области рациональных технологических параметров

1.6 Математическое моделирование процесса СЛС, определение уровня остаточных напряжений и компенсация их влияния на точность изготавливаемых деталей

1.7 Проектирование технологических процессов СЛС деталей ГТД

Заключение по главе

2 РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ СЛС СЛОЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПОРОШКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНА РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СКАНИРОВАНИЯ

2.1 Описание процесса СЛС и постановка задачи моделирования. Анализ титанового порошка сплава ВТ6

2.2 Разработка цифровой модели СЛС слоя металлического порошка. Уравнение теплопроводности. Граничные условия и модель источника тепла. Постановка численного эксперимента

2.3 Измерение пространственно-энергетических параметров и характеристик лазерного излучения. Экспериментальное определение геометрических размеров ванн расплав

2.4 Определение коэффициента адаптации. Результаты численного моделирования процесса нагрева и плавления слоя металлического порошка титанового сплава ВТ6. Статистическая обработка данных

численного эксперимента

Заключение по главе

3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА, ПОЛУЧЕННОГО ТЕХНОЛОГИЕЙ СЛС ИЗ ПОРОШКА ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6

3.1 Оборудование и методика, используемые для проведения экспериментов

3.2 Исследование влияния технологических параметров сканирования на плотность образцов

3.3 Определение рациональных технологических параметров сканирования титанового сплава ВТ6 путем проведения испытаний на одноосное растяжение пропорциональных плоских образцов

3.4 Определение механических свойств образцов, изготовленных технологией СЛС из порошка титанового сплава ВТ6 с использованием рациональных технологических параметров сканирования

3.5 Металлографические исследования структуры титанового сплава ВТ6, синтезируемого технологией СЛС

3.6 Исследование влияния технологических параметров сканирования на шероховатость поверхностей образцов

Заключение по главе

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК МОНОКОЛЕС ГТД ТЕХНОЛОГИЕЙ СЛС

4.1 Основные этапы проектирования технологических процессов изготовления заготовок деталей технологией СЛС

4.2 Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления заготовок моноколес ГТД технологией СЛС

4.3 Разработка рекомендаций к проектированию типовых геометрических элементов заготовок деталей, получаемых технологией СЛС

Заключение по главе

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ КРЫЛЬЧАТКИ КОМПРЕССОРА МАЛОРАЗМЕРНОГО ГТД

5.1 Анализ технологичности крыльчатки компрессора малоразмерного

ГТД

5.2 Компоновка детали на платформе построения

5.3 Технико-экономическое обоснование выбора технологии СЛС для получения заготовки крыльчатки компрессора МГТД

5.4 Разработка заготовки детали

5.5 Дополнительная оптимизация заготовки детали

5.6 Изготовление заготовки крыльчатки компрессора технологией СЛС

5.7 Разработка технологической инструкции по СЛС

Заключение по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Варианты последовательностей сплавления слоев

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Результаты испытаний цилиндрических образцов

на одноосное растяжение

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Результаты измерения шероховатости поверхностей образцов

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Действительные размеры отверстий образцов

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Действительные размеры отверстий каплевидной формы

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Технологическая инструкция по назначению режимов технологического процесса селективного лазерного сплавления заготовок деталей из порошка титанового сплава марки ВТ6

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления заготовок моноколес ГТД из титановых сплавов селективным лазерным сплавлением»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Совершенствование и дальнейшее развитие газотурбинных двигателей (ГТД), вызвало необходимость применения деталей ажурных конструкций, изготавливаемых из труднообрабатываемых материалов, повышения требований к точности исполнения отдельных элементов деталей и сборочных единиц, а это в свою очередь определило основные направления совершенствования технологических процессов производства ГТД, важнейшим из которых является создание новых и совершенствование традиционных методов получения и обработки заготовок.

Повышение требований к современным ГТД, направленных на увеличение тягово-экономических характеристик, повышение надежности и эффективности двигателя, снижение количества и трудоемкости изготовления деталей, а также уменьшение веса двигателя привело к необходимости применения моноколес, особенно в конструкциях малоразмерных ГТД (МГТД), используемых на беспилотных летательных аппаратах. Масса компрессора и турбины составляет 60...70% от массы всего двигателя, поэтому они должны иметь минимально возможные массу и габариты. Использование в роторе любого типа моноколес позволяет повысить частоту его вращения до 50...80 тыс. об/мин и снизить массу конструкции до 25% от исходной величины.

Производство моноколес для ГТД является сложным и дорогостоящим технологическим процессом (ТП). В соответствии с существующими технологиями, заготовки моноколес обычно штампуют в закрытых штампах или получают литьем. На современных отечественных предприятиях в основном используют два метода обработки межлопаточных каналов моноколес ГТД - это фрезерная обработка штампованных заготовок на пятиосевых станках с ЧПУ, а также их комбинированная электрохимическая и/или электроэрозионная обработка. Недостатками данных методов являются высокая трудоемкость изготовления, обусловленная необходимостью

удаления большого количества материала из межлопаточных каналов, и затрудненная инструментальная доступность.

К перспективному направлению, обеспечивающему снижение трудоемкости и стоимости изготовления моноколес ГТД, следует отнести применение на заготовительных операциях технологии селективного лазерного сплавления (СЛС), что позволит получить геометрию моноколес ГТД, максимально приближенную к требуемой, с минимальным припуском под последующие доводочные операции.

Однако эта технология не всегда гарантирует получение требуемых прочностных свойств деталей, если процесс синтеза материала осуществлялся с использованием нерациональных технологических параметров. В настоящее время процесс определения рациональных технологических параметров является сложной, трудоемкой задачей требующей проведения значительного количества натурных экспериментов. В этой связи конечно-элементное моделирование сплавления металлопорошковых композиций (МПК) для определения диапазона рациональных технологических параметров процесса является актуальной задачей.

Анализ современного технического уровня аддитивных технологий (АТ) показал, что использование технологии СЛС для изготовления заготовок моноколес является экономически выгодным и позволит значительно повысить эффективность производства целого класса перспективных ГТД. Поэтому разработка методики проектирования технологических процессов изготовления заготовок моноколес ГТД СЛС является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. Разработкой и применением методов лазерной обработки в технологических процессах изготовления деталей, а также изучением процессов СЛС занимались многие отечественные и зарубежные ученые: В.М. Довбыш, М.А. Зленко, М.Д. Кривилев, С.П. Мурзин, А.П. Назаров, А.А. Попович, А.А. Сапрыкин, И.Ю. Смуров,

В.Ш. Суфияров, Е.В. Харанжевский, И.В. Шишковский, В.Г. Смелов, А.В. Сотов, И.А. Ядроитцев, C.D. Boley, Chee Kai Chua, C. Coddet, A.V. Gusarov, Kai Zeng, S.A. Khairallah, J.P. Kruth, Maarten Van Elsen, T. Ozel, A. Riemer, A.M. Rubenchik, J. Sienz, E.M. Weissman, Xiaoze Du и другие.

К сожалению, в научно-технической литературе крайне мало работ, содержащих материалы, посвященных разработке и применению методик проектирования ТП изготовления заготовок деталей ГТД технологией СЛС. Активные исследования в этой области проводятся специалистами компании GE Power (J. Schurb, M. Hoebel, H. Haehnle и др.), а также ученными из университета KU Leuven (B. Vrancken, K. Kempen и др.). Следует отметить, что в известных исследованиях по этой теме детально не описаны основные этапы проектирования ТП, а даны общие рекомендации, не позволяющие реализовать ТП с получением требуемых механических свойств синтезируемого материала и геометрии заготовки.

Проведенный обзор литературы свидетельствует об недостаточной разработанности данной темы. Она обусловлена:

1. Недостаточным для практического применения ранее проведенных исследований процесса СЛС применительно к изготовлению заготовок моноколес ГТД.

2. Отсутствием апробированных методик проектирования ТП изготовления заготовок моноколес ГТД технологией СЛС, включающих алгоритм проектирования, определения рациональных технологических параметров и коррекции геометрии заготовок, необходимой для компенсации деформаций от воздействия остаточных напряжений.

3. Сложностью экспериментального определения рациональных технологических параметров.

Цель работы: снижение трудоемкости и стоимости моноколес ГТД за счет разработки ТП изготовления их заготовок технологией СЛС из металлических порошков титановых сплавов в условиях мелкосерийного производства.

Задачи работы:

1. Разработать верифицированную цифровую модель (симулятор) плавления слоя металлического порошка в условиях его нагрева лазером с использованием конечно-элементного программного обеспечения и калибровочных характеристик объемного источника тепла для получения достоверных данных о распределении температурных полей в объеме материала.

2. Определить диапазон рациональных технологических параметров сканирования луча лазера при сплавлении отечественного порошка титанового сплава, обеспечивающих минимально необходимое перекрытие между слоями, путем статистической обработки результатов численного эксперимента по распределению температурных полей в объеме сплавляемого материала.

3. Исследовать влияние основных технологических параметров сканирования (мощности лазерного излучения и скорости сканирования) на плотность, предел прочности и шероховатость поверхностей образцов из титанового сплава ВТ6 и путем статистической обработки данных определить рациональные технологические параметры сканирования, обеспечивающие максимальную плотность и прочность материала, исследовать анизотропию свойств образцов из титанового сплава ВТ6 в зависимости от угла их наклона относительно платформы построения и дозатора.

4. Разработать методику проектирования ТП СЛС заготовок моноколес ГТД, включающую алгоритм проектирования, определение рациональных технологических параметров и коррекцию геометрии заготовок. Разработать рекомендации по проектированию геометрических элементов заготовок, изготавливаемых технологией СЛС.

5. Разработать ТП изготовления заготовки крыльчатки компрессора МГТД технологией СЛС из отечественного порошка титанового сплава ВТ6.

Изготовить заготовку крыльчатки компрессора, удовлетворяющую заданным параметрам качества.

Объект и предмет исследования. Объект исследования - заготовка крыльчатки компрессора малоразмерного ГТД. Предмет исследования - ТП изготовления заготовок моноколес ГТД с применением технологии СЛС.

Научная новизна работы:

1. Разработана цифровая модель для определения геометрических размеров ванны расплава слоя металлического порошка при СЛС, отличающаяся от существующих учетом пространственно-энергетических параметров процесса (формы, размеров и характера распределения энергии в пятне лазерного луча, шаге сканирования) для области сплавления.

2. На основе разработанной и экспериментально верифицированной модели был проведен полный факторный численный эксперимент по исследованию влияния мощности теплового источника, скорости его перемещения и температуры платформы построения на ширину и глубину ванны расплава, по результатам которого были получены соответствующие регрессионные зависимости, позволяющие определить рациональные технологические параметры сканирования металлического порошка.

3. Методом регрессионного анализа были определены рациональные технологические параметры сканирования, обеспечивающие максимальную плотность, прочность материала при допустимом значении шероховатости, а также исследована анизотропия свойств образцов из титанового сплава ВТ6 в зависимости от угла их наклона относительно платформы построения и дозатора.

4. Впервые разработана комплексная методика проектирования ТП СЛС заготовок моноколес ГТД, включающая алгоритм проектирования, определения рациональных технологических параметров и коррекции геометрии заготовок, необходимую для компенсации деформаций от воздействия остаточных напряжений.

5. Разработан ТП изготовления заготовки крыльчатки компрессора МГТД технологией СЛС из отечественного порошка титанового сплава ВТ6, отличающийся тем, что при его разработке была использована комплексная методика проектирования ТП СЛС заготовок моноколес ГТД для определения рациональных условий процесса.

Теоретическая значимость работы заключается: в разработке цифровой модели для определения геометрических размеров ванны расплава слоя металлического порошка при СЛС, учитывающей пространственно-энергетические параметры процесса в зоне сплавления; в получении регрессионных зависимостей влияния технологических параметров сканирования на геометрические размеры ванны расплава; в получении регрессионных зависимостей влияния основных технологических параметров сканирования на плотность, предел прочности и шероховатость поверхностей образцов из титанового сплава ВТ6.

Практическая значимость результатов работы заключается: в разработке методики проектирования ТП СЛС заготовок моноколес ГТД, включающей алгоритм проектирования, определение рациональных технологических параметров и коррекцию геометрии заготовок, обеспечивающей снижение трудоемкости и стоимости изготовления моноколес ГТД; получение рекомендаций по проектированию элементов конструкций заготовок, изготавливаемых технологией СЛС; в разработке и реализации ТП изготовления заготовки крыльчатки компрессора МГТД из отечественного порошка титанового сплава ВТ6. .

Результаты исследований нашли практическое применение при выполнении следующих работ:

- «Создание и опытная отработка аддитивных технологий для предприятий региона» (в рамках подпрограммы «Развитие инновационного территориального аэрокосмического кластера Самарской области» на 2015 -2018 годы государственной программы Самарской области «Создание

благоприятных условий для инвестиционной и инновационной деятельности в Самарской области» на 2014 - 2018 годы, договор № 93-4 от 07.11. 2016 г.).

- «Разработка новой методологии создания малоразмерных газотурбинных двигателей (этапы 1 и 2)» (в рамках реализации программы повышения конкурентоспособности Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» среди ведущих мировых научно-образовательных центров, шифр темы 05-Р001-402).

Методы исследований. Общий подход к решению задач исследования базируется на математическом и цифровом моделировании процесса СЛС. Для решения поставленных задач использовались элементы теории теплопроводности и плавления твердых тел, метод регрессионного анализа с применением цифровой модели, созданной в программных продуктах Simufact Welding и Simufact Additive, а также теория применения полнофакторного эксперимента.

Натурные эксперименты проводились на современном сертифицированном оборудовании с использованием аттестованных средств измерений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Цифровая модель для определения геометрических размеров ванны расплава слоя металлического порошка при СЛС реализованная в известном коммерческом программном продукте Simufact Welding компании MSC Software, предназначенном для моделирования и оптимизации сварочных процессов и адаптированном для расчета зоны плавления материала путем учета пространственно-энергетических параметров процесса.

2. Методика проектирования ТП СЛС заготовок моноколес ГТД, включающая алгоритм проектирования, определение рациональных технологических параметров СЛС и коррекцию геометрии заготовок.

3. Регрессионные зависимости влияния мощности теплового источника, скорости его перемещения и температуры платформы построения на геометрические размеры ванны расплава (ширину и глубину).

4. Регрессионные зависимости влияния основных технологических параметров сканирования на плотность, предел прочности и шероховатость поверхности образцов из титанового сплава ВТ6.

5. ТП изготовления технологией СЛС заготовки крыльчатки компрессора МГТД из отечественного порошка титанового сплава ВТ6.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы доложены на 4-ой международной научно-технической конференции «Металлофизика, механика материалов и процессов деформирования» (Самара, сентябрь 2015 г.); международном семинаре «Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий» (Томск, декабрь 2016 г.); IV Международном технологическом форуме «ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ. ПРОИЗВОДСТВО» (Рыбинск, апрель 2017 г.), VI международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Томск, ноябрь 2017 г.); международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, сентябрь 2018 г.); IV семинаре «Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий» (Томск, октябрь 2018 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных статей, из них 5 статей - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 4 - в журналах, индексируемых в базе данных Scopus. Получен 1 патент на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 133 наименований и шести приложений. Общий объем диссертации составляет 212 страниц, 107 рисунков и 24 таблицы.

Автор благодарит коллектив кафедры технологий производства двигателей Самарского университета за ценные советы в процессе выполнения работы.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Особенности применения моноколес

Каждое новое поколение авиационных ГТД характеризуется комплексом вновь созданных, реализованных в производстве и внедренных в эксплуатацию технологий [1]. На сегодняшний день основными требованиями к ГТД пятого поколения являются: увеличение тягово-экономических характеристик, повышение надежности и эффективности двигателя, снижение количества деталей и снижение веса двигателя на 20...30%.

Авиационное двигателестроение, базирующееся на наиболее передовых технологиях, стимулирует развитие тех отраслей промышленности, где требуются компактные, мобильные и хорошо управляемые источники энергии: наземный и водный транспорт; теплоэнергетика; газоперекачка; технологии сушки, очистки, пожаротушения и т.п. [1, 2].

На сегодняшний день широкое распространение получили беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Многие ведущие авиастроительные предприятия и научно-исследовательские институты занимаются разработкой БПЛА различного назначения. Сценарии применения современных БПЛА обуславливают применение ГТД, которые являются более энергоэффективными с точки зрения расхода топлива по сравнению с поршневыми и электрическими двигателями [2].

Международные компании, такие как Microturbo, Teledyne, Hamilton Sundstrand, JetCat и Williams International являются лидерами в производстве малоразмерных ГТД различной тяги для БПЛА [3].

За последние 30.40 лет широкое применение для БПЛА различного назначения (мишени, фоторазведчики, корректировщики боевых действий, ракеты и т.д.) получили маломощные ТРД и ТВД. Большинство из указанных БПЛА являются аппаратами одноразового применения, что обусловливает

специфические требования к двигателю, причем основным из них следует считать низкую стоимость [4].

При создании ГТД одноразового применения особое внимание при разработке технологических процессов уделяется уменьшению объема механической обработки деталей и узлов, а также тщательному проектированию производственной оснастки, что обеспечит снижение до минимума амортизационных расходов [2, 4].

При разработке и изготовлении наиболее дорогостоящей части короткоресурсных ГТД - его турбокомпрессора - необходимо основываться на концепции максимальной экономии. При этом допускается малый ресурс двигателя [2, 4].

Для новых поколений ГТД характерной особенностью является замена традиционно используемых дисков с лопатками на моноколеса, которые, наряду с крыльчатками давно используются при производстве малых ГТД (в вертолетах, в бизнес-авиации, в приводах для газокомпрессорных установок и т.п.). В последние годы их начали применять в военной и гражданской авиации [5].

Решение задачи повышения удельных параметров, с одновременным созданием компактных конструкций ГТД, привело к тому, что несколько осевых ступеней компрессора стали заменять одним широкохордным моноколесом или крыльчаткой. Это позволило увеличить угловую скорость вращения ротора (до 50.. .80 тыс. об/мин) и напорность ступеней [6].

Использование центробежного компрессора вместо многоступенчатого осевого возможно, когда коэффициент полезного действия (КПД) ступени центробежного компрессора при пк*= 6.8 достигает п* = 0,82.0,83, т.е. приближается к КПД осевых многоступенчатых компрессоров. Более целесообразно применение центробежных компрессоров в двигателях малых размеров [7].

1.2 Технология производства крыльчаток компрессора ГТД и применяемые материалы

В современных малоразмерных ГТД и турбокомпрессорах в основном используются центробежные ступени компрессора. Основной деталью центробежного компрессора является крыльчатка.

Точность обработки отдельных поверхностей крыльчатки и их взаимного расположения характеризуется следующими величинами [8, 9]:

- посадочные поверхности и лабиринтные пояски - 6.10 квалитеты;

- наружный диаметр - 8.10 квалитеты;

- остальные поверхности - 11.12 квалитеты;

- допуск на ширину крыльчатки - 0,2 .0,3 мм;

- биение наружного диаметра и торцов относительно посадочных поверхностей - 0,02.0,03 мм;

- угловое смещение лопаток от номинального положения - 5.10'.

Шероховатость лопаток крыльчаток - Ra 0,16.2,5 мкм.

Шероховатость посадочной поверхности - Ra 1,25.2,5 мкм.

Открытые и полузакрытые крыльчатки, как правило, изготавливают из алюминиевых деформируемых сплавов, однако при температуре эксплуатации, большей 250°С, используют титановые сплавы [8].

Применяемые в настоящее время в отечественных ГТД монолитные колеса, несмотря на относительно небольшую номенклатуру, значительно отличаются конструктивным исполнением. Для их изготовления в основном применяются титановые сплавы: ВТ3-1, ВТ5-1, ВТ6, ВТ8, ВТ25 и др., а также алюминиевые сплавы АК4-1, АК-6, ВД-17 [10]. На западе для изготовления крыльчаток компрессора малоразмерного ГТД применяются алюминиевые и титановые сплавы, в том числе титановый сплав Ti-6AL-4V (аналог ВТ6) [11], в связи с его высокой механической и усталостной прочностью, а также хорошими пластическими свойствами в сочетании с низкой плотностью материала [12].

В серийном производстве заготовки открытых и полузакрытых крыльчаток обычно получают в закрытых штампах, для единичного производства - свободной ковкой. Форму заготовки штампованной крыльчатки стремятся приблизить к форме готовой детали, поэтому иногда можно встретить заготовки с углублениями между лопатками и в центре. Однако при малых промежутках между лопатками и их большой высоте, особенно в открытых крыльчатках, углубления получаются небольшими, что увеличивает припуск на обработку [8]. Обработка заготовок обычно проходит три этапа: черновой, чистовой и окончательный.

Традиционный ТП изготовления открытых и полузакрытых крыльчаток компрессора, как правило, состоит из следующих операций:

- заготовительная (литье, штамповка, сварка лопаток с диском);

- черновое точение (формируется установочная база - плоскость опорного торца поковки), сверление и растачивание (обрабатывается направляющая база - цилиндрическая поверхность отверстия в ступице диска);

- черновое точение (обрабатывается наружный контур крыльчатки, Ra 6,3 мкм);

- чистовое точение (обрабатывается наружный контур крыльчатки, Ra 3,2 мкм);

- термообработка (стабилизирующий отпуск);

- фрезерная обработка с ЧПУ межлопаточных каналов включает в себя следующие переходы: черновая обработка лопаток и рассекателей; чистовая обработка лопаток, ступицы, скруглений лопаток, скруглений рассекателей;

- окончательное точение (обрабатывается наружный контур крыльчатки, Ra 1,6 мкм);

- полирование поверхностей лопаток и рассекателей;

- балансировка (статическая);

- окончательный контроль.

В зависимости от способа передачи крутящего момента с вала на крыльчатку компрессора в ТП могут быть внесены дополнительные операции по обработке шлицов, внутренней резьбы, сверления отверстий и т.д.

В отечественном производстве применяют два основных метода обработки межлопаточных каналов монолитных колес ГТД [10, 13, 14]:

- фрезерование на пятикоординатных станках с ЧПУ различных моделей;

- комбинированная электрохимическая и электроэрозионная обработка.

На НПО «Сатурн» для обработки межлопаточных каналов крыльчаток компрессора используют пятикоординатные станки следующих моделей: C600U/C800U (фирмы Hermle, Германия); UCP710 (Mikron, Швейцария); SX-051, ZT-1000 (Starragheckert, Швейцария) [9]. Отечественные пятикоординатные фрезерные станки ДФ-224Р, ДФ-966, МА-655С5Н, имеющие угол поворота инструмента ±22,5°, позволяют обрабатывать монолитные колеса с простой формой межлопаточных каналов. Фрезерование лопаток монолитных колес, имеющих сложную форму межлопаточных каналов, на таких станках с достаточной технологической точностью невозможно [10]. Минимальная толщина лопаток может достигать 0,9 мм, что значительно влияет на жёсткость технологической системы и требует продуманного выбора технологических переходов при обработке.

Финишная обработка проточной части моноколес включает следующие переходы [9]:

- полирование поверхностей спинки и корыта лопаток моноколеса;

- полирование радиусов и переходов от лопатки к ступице;

- безразмерное полирование всей проточной части.

Как правило, выполняют как статическую, так и динамическую балансировку крыльчатки. Статическое равновесие крыльчатки достигается за счет снятия материала по наружной поверхности. Динамическую

балансировку, в ходе которой металл снимается со спинки лопаток, проводят для всего ротора в сборе.

Главной особенностью изготовления моноколес крыльчаток компрессора является то, что на черновой и получистовой операциях необходимо удалять практически весь объем материала из межлопаточного пространства. На этих операциях снимается от 60 до 70% от величины припуска [9]. Также применяемая на отечественных предприятиях отрасли технология изготовления монолитных колес содержит значительный объем ручных операций, которые негативно влияют на точность изготовления и состояние поверхностного слоя лопаток и способствуют появлению волнистости, прижогов и надрезов [10].

1.3 Использование аддитивных технологий при изготовлении моноколес ГТД

Наибольший интерес к применению аддитивных технологий (АТ) наблюдается в аэрокосмической отрасли при создании прототипов, проведении испытаний и в производстве функциональных деталей. Согласно проведённым исследованиям, на аэрокосмическую отрасль приходится до 12,3% рынка АТ. В течение ближайших 20 лет планируется увеличение объемов рынка АТ с 1,5 до 100 млрд. долларов [15].

ФГУП «ВИАМ», совместно с АО «ОДК», в 2017 году утвердили концепцию развития аддитивного производства в АО «ОДК». Согласно этой концепции, был определен перечень деталей ГТД, планируемых к изготовлению по АТ, который включает лопатки турбины, лопатки компрессора высокого давления, детали камеры сгорания, элементы опоры, обвязку и механизацию двигателя. Также, согласно этой концепции, зафиксированы пять материалов для внедрения в серийное производство, в том числе сплав ВТ6 для изготовления деталей компрессора и обвязки ГТД [16].

Специалистами ФГУП «ВИАМ» методом СЛС был изготовлен малоразмерный газотурбинный двигатель (МГТД) для беспилотных летательных аппаратов (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - МГТД-10 [17]

Использование метода СЛС при изготовлении деталей МГТД позволило [16]:

- сократить сроки изготовления опытного образца двигателя (без учета затрат времени на разработку и изготовление технологической оснастки) с трех месяцев до 10 дней;

- снизить массу двигателя на 15% (с 1300 до 1100 г);

- снизить стоимость изготовления опытного образца МГТД по разработанной технологии в 2,5.3 раза (с 1600 до 500 тыс. руб.).

Проведены успешные испытания двигателя на специально разработанном во ФГУП «ВИАМ» демонстрационном стенде с выходом вращения ротора двигателя на 100 000 об/мин при температуре газа 640°С на выходе из турбины, что наглядно продемонстрировало как работоспособность разработанных материалов, так и высокую эффективность новой технологии изготовления [18].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Агаповичев Антон Васильевич, 2020 год

источника тепла

Рисунок 2.10 - Схематическое изображение модели источника тепла

Для получения достоверных данных о распределении температурных полей при моделировании нагрева и плавления слоя металлического порошка необходимо первоначально провести калибровку характеристик объемного конического источника тепла. Результаты экспериментальных работ показывают, что наибольшая точность моделирования достигается тогда, когда размер и форма объемного источника тепла совпадают с размерами и формой ванны расплава, определенными экспериментально [104-106]. Поэтому объемный источник тепла калибруется с использованием двух наборов параметров:

1) геометрические размеры объемного конического источника тепла (ги, Г1, 7и, 71), которые назначаются в соответствии с геометрическими размерами ванны расплава, определенными в результате проведения металлографических исследований;

2) коэффициент адаптации п, полученный в серии расчетов, в которых добиваются совпадения расчетных геометрических параметров ванны расплава с натурным экспериментом путем его варьирования.

Постановка численного эксперимента

Проведение численного исследования с использованием многофакторного эксперимента, связанного с поиском диапазона рациональных технологических параметров сканирования, осуществлялось в соответствии с моделью полного факторного эксперимента.

План полного факторного эксперимента осуществлялся при варьировании следующих переменных: мощности лазерного излучения P, Вт (Х1), скорости сканирования V, мм/с (Х2) и температуры подогрева платформы построения Т, °С (Х3). Зависимыми переменными являлись ширина ванны расплава W, мкм и глубина ванны расплава D, мкм ^2).

Литературный обзор показал, что зависимость параметров оптимизации ^ и Y2) от исследуемых факторов имеет нелинейный характер, поэтому варьирование факторов ^ и X2) осуществлялось на трех уровнях. Варьирование фактора Xз осуществлялось на 2 уровнях. Так как при проведении численного исследования отсутствует воздействие случайных параметров на функцию отклика (конечный результат эксперимента), дублирование опытов не проводилось. Значения факторов в натуральном масштабе представлено в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Уровни факторов

Факторы X! (Мощность лазерного излучения, Вт) Х2 (Скорость сканирования, мм/с) Хз (Температура подогрева платформы построения, °С)

Уровень 1 100 500 0

Уровень 2 200 750 -

Уровень 3 300 1000 180

Интервал варьирования ДXi 100 250 180

План эксперимента в виде матрицы полного факторного эксперимента в кодовом и натуральном масштабах представлен в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - План эксперимента

№ опыта Кодовый масштаб Натуральный масштаб

X1 X2 X3 Мощность лазерного излучения P, Вт (Х1) Скорость сканирования V, мм/с (Х2) Температура подогрева платформы построения T, °С (Хэ)

1 1 1 1 100 500 0

2 1 1 2 100 500 180

3 1 2 1 100 750 0

4 1 2 2 100 750 180

5 1 3 1 100 1000 0

6 1 3 2 100 1000 180

7 2 1 1 200 500 0

8 2 1 2 200 500 180

9 2 2 1 200 750 0

10 2 2 2 200 750 180

11 2 3 1 200 1000 0

12 2 3 2 200 1000 180

13 3 1 1 300 500 0

14 3 1 2 300 500 180

15 3 2 1 300 750 0

16 3 2 2 300 750 180

17 3 3 1 300 1000 0

18 3 3 2 300 1000 180

2.3 Измерение пространственно-энергетических параметров и характеристик лазерного излучения. Экспериментальное определение геометрических размеров ванн расплав

Для калибровки параметров объёмного источника тепла на платформе построения была сплавлена серия треков с использованием технологических параметров сканирования, представленных в таблице 2.3. Исследование треков осуществлялось с применением растрового электронного микроскопа Tescan Vega.

Перед сплавлением было проведено измерение пространственно-энергетических параметров и характеристик лазерного излучения аддитивной установки БЬМ 280нь. Измерения производились согласно ГОСТ Р ИСО 11146-1-2008 «Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 1. Стигматические (гомоцентрические) и слабоастигматические пучки».

Измерения были проведены с использованием измерителя мощности лазерного излучения Focus-Beam-Profiler ЕВР-1^ производства компании Cinogy (рисунок 2.11). FBP-1KF - это компактный прибор, позволяющий проводить измерение пространственно-энергетических параметров сфокусированного лазерного луча от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона. Процесс измерения осуществлялся в автоматическом режиме с использованием программного обеспечения CINOGY RayCi. Метод измерения мощности излучения лазеров основан на преобразовании мощности лазерного излучения, распространяющегося на выходе из волоконно-оптического кабеля, в электрический сигнал с последующей его регистрацией [107].

Рисунок 2.11 - Измеритель мощности излучения в камере построения

аддитивной установки SLM280HL

Установка SLM280HL оснащена лазером марки YLR-400SM компании IPG Photonics, который представляет собой иттербиевый волоконный лазер с диодной системой накачки и водяным охлаждением. Вид излучения -инфракрасный с длиной волны (1075±5) нм. Тип излучения - одномодовый TEM00. Заявленная выходная мощность излучения - 400 Вт, с диапазоном регулирования в пределах 40.400 Вт с максимальной скоростью перемещения по поверхности 10 м/с. Оптоволоконная система расположена в металлическом корпусе.

Исследуемый лазер был установлен на режим накачки 10%, 25% и 100% от заявленной выходной мощности. Результаты измерения пространственно-энергетических параметров лазерного излучения представлены в таблице 2.4 и на рисунке 2.12.

* Y [mm]

Рисунок 2.12 - Параметры распределения пучка в режиме накачки 100% от заявленной максимальной мощности

Таблица 2.4 - Пространственно-энергетические параметры лазерного излучения

Параметры лазерного излучения Режим накачки в% от максимальной мощности

10% 25% 100%

Наименование Обозначение

Мощность Заданная Р, Вт 40 100 400

Фактическая 13,61 80,3 412,2

Местоположение перетяжек пучка 70, мм -0,094 -0,296 -0,929

Диаметр пучка в перетяжке ёа0, мм 0,0774 0,0772 0,0767

Рэлеевское расстояние мм 3,971 3,956 3,918

Произведение параметров пучка ВВР, мммрад 0,374 0,374 0,373

Коэффициент распространения пучка М2 1,098 1,097 1,094

По результатам измерения пространственно-энергетических параметров и характеристик лазерного излучения была произведена калибровка настроек лазера аддитивной установки БЬМ 280нь с тем, чтобы мощность лазера, задаваемая оператором установки, соответствовала фактической.

На рисунке 2.13 представлены треки, полученные при использовании мощности лазерного излучения 300 Вт (№ опыта 13, 15, 17). На рисунке 2.14 представлены треки, полученные при использовании мощности лазерного излучения 200 Вт (№ опыта 7, 9, 11). Представленные треки имеют равномерный и непрерывный характер.

Рисунок 2.13 - Треки, изготовленные при мощности лазерного излучения 300 Вт

На рисунке 2.15 представлены треки, полученные при мощности лазерного излучения 100 Вт (№ опыта 1, 3, 5). При использовании данной мощности лазерного излучения не происходит формирование равномерного характера трека, а наблюдается подплавление отдельных частичек между собой и платформой построения.

Для определения геометрических размеров ванны расплава были подготовлены шлифы поперечного сечения полученных треков с использование шлифовально-полировального станка Metkon GRIPO 1V. Микроструктуру образцов выявляли путем травления в течение 120 минут в теплом растворе состоящим из H2O - 180 см3, HCl - 180 см3, HNO3 - 120 см3, HF - 30 см3.

500 мм/с

750 мм/с

1000 мм/с

Мощность лазерного излучения 200 Вт

.ГКЮмкм

Рисунок 2.14 - Треки, изготовленные при мощности лазерного излучения 200 Вт

Рисунок 2.15 -Треки, изготовленные при мощности лазерного излучения 100 Вт

Согласно литературным данным, плавление металлов классифицируется двумя режимами: режим проводимости и режим с образованием канала проплавления (плавление с глубоким проплавлением) [108, 109]. Согласно результатам исследования авторов E.W. Eagar и N.S. Tsai [110, 111] поперечное сечение ванны расплава, сформированное в режиме проводимости, примерно полукруглое.

На рисунке 2.16 представлены результаты экспериментального определения геометрических размеров ванн расплава, формируемых в результате применения различных технологических параметров сканирования.

Рисунок 2.16 - Экспериментальное определение геометрических

параметров ванн расплава

Из рисунка видно, что применение высокой скорости сканирования в сочетании с мощностью лазерного излучения 200 Вт приводит к образованию близкой к полукруглой форме ванны расплава, что может свидетельствовать о плавлении материала в режиме проводимости. Формы

ванн расплава, формируемых при применении более низких скоростей сканирования, в сочетании с мощностью лазерного излучения 200 Вт, демонстрируют возрастающую тенденцию к переходу плавления материала в режим с глубоким проплавлением. Такой режим, из-за избыточного количества тепла, подаваемого на материал, может привести к появлению пор в результате плавления материала в режиме «замочной скважины». Увеличение мощности лазерного излучения до 300 Вт, в сочетании со скоростями сканирования 1000 и 750 мм/с, приводит к плавлению материала в режиме с глубоким проплавлением. При дальнейшем уменьшении скорости сканирования до 500 мм/с плавление материала происходило в режиме «замочной скважины». Глубина залегания пор при этом составила 263 мкм, и, соответственно, сплавление следующего слоя или даже повторная переплавка текущего не сможет устранить эти поры.

По результатам экспериментального определения геометрических размеров ванн расплава бала проведена калибровка геометрических размеров объемных конических источников тепла используемых при моделировании процесса СЛС. Для опытов № 1, 3, 5 калибровка осуществлялась в соответствии с данными о геометрических размерах ванн расплава полученными зарубежными авторами для мощности лазерного излучения 100 Вт [112].

2.4 Определение коэффициента адаптации.

Результаты численного моделирования процесса нагрева и плавления слоя металлического порошка титанового сплава ВТ6.

Статистическая обработка данных численного эксперимента

Для адекватного моделирования процессов нагрева и плавления слоя металлического порошка титанового сплава ВТ6 в условиях его нагрева лазерным потоком тепла были определены значения коэффициента адаптации п в зависимости от применяемой мощности лазерного излучения (100, 150, 200, 300 Вт). Путем варьирования п в серии тепловых расчетов

добивались совпадения расчетных геометрических размеров ванн расплава с результатами натурных экспериментов. В результате была получена зависимость изменения коэффициента адаптации от мощности лазерного излучения (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 - Зависимость коэффициента адаптации п от мощности лазерного излучения

Далее было проведено численное моделирование процесса нагрева и плавления слоя металлического порошка титанового сплава ВТ6 в соответствии с планом эксперимента, представленным в таблице 2.3.

Распределение температуры (при использовании следующих технологических параметров сканирования: мощности лазерного излучения 100 Вт, скорости сканирования 500 мм/с и температуры подогрева платформы построения 180°) в продольном сечении модели и на ее поверхности в различные моменты времени движения лазерного луча представлено на рисунках 2.18 и 2.19.

По результатам моделирования видно, что при использовании всех технологических параметров, указанных в таблице 2.3, в зоне воздействия лазерного излучения формируется область с температурами, превышающими температуру солидуса (для титанового сплава ВТ6 температура солидуса составляет 1590°С, температура ликвидуса 1650°С [113]).

Temperature [°С]

■ 2000.00

■ 1960 00

1920 00

1880.00

1840.00

1800 00

1760.00

1720.00

1680.00

1640 00

1_ 1600.00

max 2000 00

min: 1600 00

' и-. •■U 'л Г' 'л

• .-».ч л.4 0 01? О ООО "iC?Тл'лт*гл и 'Л"и'Лгл гл '*ТАТЛ К ОЬ^^Я

"чвящяяввваттавввяяявввввяавяяяввяявввввиавваяяив

^В1ймв1й1в1аа»1и1и1а1ававввв!ав1ввввв1вввввв1в1вв1ввввввввввв811|в1вя1ввв

вввваввввввввввивввшш ******************

ввввв *****

***** *****

Рисунок 2.18 - Распределение температуры в продольном сечении модели в разные моменты времени (мощность лазерного излучения 100 Вт, скорость сканирования 500 мм/с, температура подогрева платформы построения 180°С)

Результаты измерения геометрических параметров ванны расплава, полученных в результате численного моделирования процесса СЛС порошка титанового сплава ВТ6, представлены в таблице 2.5. Технологические параметры сканирования, используемые при численном моделировании процесса СЛС в опытах 1, 2, 3, 4, 5, 6, признаются нерациональными, так как при их использовании глубина образующейся ванны расплава меньше 1,5 толщин слоя (75 мкм).

Анализ данных, полученных в результате численного исследования диапазона рациональных технологических параметров сканирования, осуществлялся в программном продукте STATISTICA.

Для зависимой переменной У1 (ширина ванны расплава W, мкм), при доверительной вероятности 95%, коэффициенты Ь22, Ь3, Ь12, Ь13, Ь23 оказались статистически незначимыми, и они были исключены из регрессионной

модели. В разработанной регрессионной модели были учтены взаимодействия факторов второго порядка.

Таблица 2.5 - Результаты численного моделирования ванны расплава

№ опыта Мощность лазерного излучения Р, Вт Скорость сканирования V, мм/с Температура подогрева платформы построения Т, °С <У1> Ширина W, мкм <У2> Глубина D, мкм

1 100 500 0 120,40 67,50

2 100 500 180 125,25 70,15

3 100 750 0 99,04 56,02

4 100 750 180 101,80 58,70

5 100 1000 0 81,70 34,00

6 100 1000 180 82,35 34,65

7 200 500 0 160,20 126,20

8 200 500 180 165,75 129,50

9 200 750 0 137,80 90,58

10 200 750 180 139,10 92,45

11 200 1000 0 118,50 83,40

12 200 1000 180 123,30 84,73

13 300 500 0 222,90 378,60

14 300 500 180 227,15 385,30

15 300 750 0 211,00 193,30

16 300 750 180 215,90 196,70

17 300 1000 0 202,00 177,00

18 300 1000 180 205,85 179,30

Значения статистически значимых коэффициентов регрессии представлены ниже:

Ьо = 155,399; Ь = -0,219; Ьп = 0,002; Ь2 = -0,069.

Таким образом, регрессионная модель влияния технологических параметров сканирования на ширину ванны расплава, для некодированных значений уровней факторов, выглядит следующим образом: У1 = 155,399 - 0,219Р + 0,002 Р2 - 0,069 У2.

Коэффициент детерминации (Я2 = 98,34%) говорит о хорошем соответствии модели результатам численного эксперимента. Также хорошее соответствие модели экспериментальным данным можно увидеть на графике

наблюдаемых и предсказанных значений (рисунок 2.20, а). На рисунке 2.21 представлена карта Парето значимых эффектов для Уь

Рисунок 2.19 - Распределение температуры на поверхности порошкового слоя в разные моменты времени (мощность лазерного излучения 100 Вт, скорость сканирования 500 мм/с, температура подогрева платформы построения 180°С)

Для зависимой переменной У2 (глубина ванны расплава D, мкм), при доверительной вероятности 95%, коэффициенты Ьцэ, Ь223 оказались статистически незначимыми, и они были исключены из регрессионной модели. В разработанной регрессионной модели были учтены взаимодействия факторов второго порядка.

Значения статистически значимых коэффициентов регрессии представлены ниже:

Ь0 = 573,35; Ь = - 8,936; Ь2 = - 0,933; Ьп = 0,037; Ь22 = 0,0003; Ь = 0,026; Ь12 = 0,017; Ь122 = - 0,000009; ЬП2 = - 0,000076; ЬШ2 = 0,00000004;

Ь13 = 0,000059; Ь23 = - 0,000031.

Таким образом, регрессионная модель влияния технологических параметров сканирования на глубину ванны расплава, для некодированных значений уровней факторов, выглядит следующим образом:

У2 = 573,35 - 8,936-Р + 0,037 Р2 - 0,933-V + 0,0003 V2 + 0,026-Т + + 0,017 Р^ - 0,000009 Р^2 - 0,000076 Р2^ + 0,00000004 Р2^2 +

+ 0,000059 Р Т - 0,000031 У Т .

Коэффициент детерминации (Я2 = 99,99%) говорит о хорошем соответствии модели экспериментальным данным, что также наглядно подтверждается графиком наблюдаемых и предсказанных значений (рисунок 2.20, б). На рисунке 2.22 представлена карта Парето значимых эффектов для У2.

Графическая интерпретация регрессионной модели влияния технологических параметров сканирования на зависимую переменную Y1 (ширина ванны расплава W, мкм) представлена на рисунке 2.23. Наибольшее влияние на ширину ванны расплава оказывают мощность лазерного излучения и скорость сканирования. С увеличением мощности лазерного излучения и уменьшением скорости сканирования происходит увеличение ширины ванны расплава. Полученная регрессионная модель в дальнейшем будет использована для выбора шага сканирования при назначении технологических параметров сканирования.

Графическая интерпретация регрессионной модели влияния технологических параметров сканирования на зависимую переменную Y2 (глубина ванны расплава D, мкм) представлена на рисунке 2.24.

Наибольшее влияние на глубину ванны расплава оказывают мощность лазерного излучения и скорость сканирования. С увеличением мощности лазерного излучения и уменьшением скорости сканирования происходит увеличение глубины ванны расплава. Температура подогрева платформы построения влияет на глубину ванны расплава незначительно. Технологические параметры сканирования, в результате воздействия которых образуется ванна расплава глубиной менее 1,5 толщин слоя, признаются нерациональными, так как не позволяют получить хорошую зону перекрытия между слоями.

240

з

н 220

л

<и

К 200

к

и

Р го 180

—

и 160

На

К

Я 140

сз

со

М 120

и

ЬГ

и

Рч 100

С

ео

60

О О ^

) О

о

) 5

60 80 100 120 140 160 180 200 Наблюдаемые значение, мкм

220

240

260

а

450 400 §350 У 300

в

С!

и 200

Я 150

сс

о

05

«100

Й и

а, 50

С

-50

уУ

вР

■V

о® <9 0

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Наблюдаемые значение, мкм

б

Рисунок 2.20 - График наблюдаемых и предсказанных значений: а - наблюдаемые и предсказанные значения для зависимой переменной У1 (ширина ванны расплава W, мкм); б - наблюдаемые и предсказанные значения для зависимой переменной У2 (глубина ванны расплава Э, мкм)

Рисунок 2.21 - Диаграмма Парето для Y1 (ширина ванны расплава,

Рисунок 2.22 - Диаграмма Парето для Y2 (глубина ванны расплава, D)

Рисунок 2.23 - Зависимость ширины ванны расплава от технологических параметров сканирования

Рисунок 2.24 - Зависимость глубины ванны расплава (О) от технологических параметров сканирования

Оценка результатов численного моделирования процесса нагрева и плавления слоя металлического порошка титанового сплава ВТ6 (рисунок 2.25 и 2.26) показывает хорошее соответствие результатов моделирования экспериментальным данным в широком наборе скоростей и мощностей

сканирования.

IV, мкм

500 750 1000 V. мм/с Рисунок 2.25 - Результаты численного моделирования и экспериментального измерения ширины ванн расплава

500 750 1000 К мм/с

Рисунок 2.26 - Результаты численного моделирования и экспериментального измерения ширины ванн расплава

Отклонение результатов численного моделирования от результатов экспериментального измерения ширины ванн расплава составляет менее 10%. Отклонение результатов численного моделирования от результатов экспериментального измерения глубины ванн расплава составляет менее 15%. При этом более высокие отклонения характеры для высоких мощностей лазерного излучения.

Как уже говорилось выше, поперечное сечение ванны расплава, сформированное в режиме проводимости, примерно полукруглое (см., например, рисунок 2.16, - ванна расплава, полученная при мощности лазерного излучения 200 Вт и скорости сканирования 100 мм/с). То есть глубина ванны расплава должна примерно равняться его ширине. В ряде исследований [69, 111] переход плавления материала в режим «замочной скважины» определялся путем выявления ванн расплава, глубина которых была намного больше, чем половина их ширины. Поэтому, на основании данных численного эксперимента, было предложено использовать коэффициент типизации формы (КЗС), значение которого характеризует форму ванны расплава при применении тех или иных значений технологических параметров сканирования (рисунок 2.27).

Рисунок 2.27 - Значение коэффициента КЗС в зависимости от применяемых технологических параметров сканирования

Значение коэффициента, близкое к 1, указывает на полукруглую форму ванны расплава, а значение коэффициента, близкое к 0 указывает на вытянутую форму, при которой возникает вероятность возникновения дефектов в виде пор в результате перехода плавления материала в режим «замочной скважины».

Заключение по главе 2

1. Описание технологического процесса СЛС и проведение литературного обзора позволили выделить основные технологические параметры сканирования, влияющие на плотность синтезируемого материала. Было установлено, что получение треков, хорошо прикрепленных к платформе построения или нижележащему слою, а также имеющих достаточное перекрытие с соседними треками, является необходимым и достаточным условием для синтеза материала с минимальной пористостью.

2. Исследование формы и гранулометрического состава порошка в состоянии поставки показало, что порошковый материал имеет явно выраженную сферическую форму с диапазоном рассеивания частиц от 0 до 55 мкм, и основная фракция частиц по диаметрам лежит в пределах 22.50 мкм (70,25%). Распределение удельной массовой доли частиц по размерам показывает, что основную массу (87,7%) составляют частицы в диапазоне от 27 до 50 мкм.

3. Разработана цифровая (конечно-элементная) модель процесса нагрева и плавления слоя металлического порошка, равномерно нанесенного на платформу построения в условиях его нагрева лазерным потоком тепла, отличающаяся от существующих учетом пространственно-энергетических параметров процесса для зоны сплавления.

4. Экспериментальное определение геометрических размеров ванн расплава показало, что при использовании технологических параметров сканирования мощности лазного излучения 200 и 300 Вт и скорости сканирования в диапазоне от 500 до 1000 мм/с формируются треки, имеющие равномерный и непрерывный характер. При использовании мощности лазерного излучения 100 Вт формирование треков не происходит.

5. Результаты экспериментального определения геометрических размеров ванн расплава показали, что с увеличением мощности лазерного излучения и уменьшением скорости сканирования форма ванн расплава демонстрирует тенденцию к плавлению материала в режиме с глубоким проплавлением. При увеличении мощности лазерного излучения до 300 Вт и уменьшения скорости сканирования до 500 мм/с плавление материала происходило в режиме «замочной скважины». Ванна расплава, полученная при сочетании данных технологических параметров сканирования, содержит дефекты в виде пор, глубина залегания которых составляет 263 мкм.

6. Для адекватного моделирования нагрева и плавления слоя металлического порошка титанового сплава ВТ6 в условиях его нагрева лазерным потоком тепла была получена зависимость изменения коэффициента адаптации п от мощности лазерного излучения.

7. Проведено численное моделирования процесса нагрева и плавления слоя металлического порошка титанового сплава ВТ6. Определены геометрические размеры ванн расплава значения которых были использованы для определения диапазона рациональных технологических параметров сканирования путем статистической обработки данных. Анализ результатов численного моделирования процесса нагрева и плавления слоя металлического порошка титанового сплава ВТ6 показывает хорошее соответствие результатов моделирования экспериментальным данным в широком наборе скоростей и мощностей сканирования. Отклонение результатов численного моделирования от результатов экспериментального измерения ширины ванн расплава составляет менее 10%, а глубины ванн расплава менее 15%.

8. Предложено использовать коэффициент типизации формы (КЗС) значение которого характеризует форму ванны расплава при применении тех или иных значений технологических параметров сканирования, и характеризует вероятность перехода плавления материала в режим «замочной скважины».

3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА, ПОЛУЧЕННОГО ТЕХНОЛОГИЕЙ СЛС ИЗ ПОРОШКА ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6

3.1 Оборудование и методика, используемые для проведения экспериментов

Изготовление образцов для исследования структуры и механических свойств титанового сплава ВТ6 производилось на аддитивной установке SLM 280HL производства компании SLM Solutions.

Исследование плотности образцов производилось в соответствии с ГОСТ 20018-74 (СТ СЭВ 1253-78, ИСО 3369-75) «Сплавы твердые спеченные. Метод определения плотности» с использованием лабораторных весов с погрешностью взвешивания не более 0,001 г, штангенциркуля, мерного стаканчика и пикнометра.

Исследования механических свойств образцов производились на универсальной испытательной машине модели INSTRON 8802. Исследование шероховатости образцов проводилось на высокоточном и высокоскоростном профессиональном профилографе-профилометре БВ-7669.

Металлографические исследования проводили с использованием растрового электронного микроскопа Tescan Vega. Подготовка шлифов осуществлялась абразивным методом в 3 перехода с использованием шлифовально-полировального станка Metkon GRIPO 1V. Микроструктуру образцов выявляли путем травления в течение 4-5 минут в холодном растворе, состоящим из H2O - 180 см3, HCl - 180 см3, HNO3 - 120 см3, HF - 30 см3.

Статистический анализ данных, полученных в результате экспериментов, осуществлялся в коммерческом программном продукте STATISTICA. В общем случае эксперимент, в котором реализуются все

возможные сочетания уровней факторов, называют полным факторным. От числа уровней варьирования факторов зависит количество экспериментов, которое можно определить согласно зависимости [114]:

N = ,

где к - число факторов; 5 - число уровней варьирования факторов.

Полный факторный эксперимент вида позволяет построить математическую модель, которая в общем случае имеет следующий вид

[114]:

где индексы а, Р,..., ю у номера фактора означают а, Р,..., ю раз по 1, 2, ..., к.

При обработке результатов эксперимента строилась матрица планирования, в каждой строке которой по результатам дублирования опытов т определялось среднее арифметическое значение измеряемой

величины У для каждого опыта [114]:

У"" у

у _

• .

(3.1)

где Пц - арифметическое значение дублей и-го опыта; У11д - результат я - го

повторения и-го опыта.

Для того, чтобы опыт считался воспроизводимым, дисперсия выходного параметра должна быть однородна в каждой точке

факторного пространства. Поэтому для каждой серии параллельных опытов была выполнена оценка дисперсии при равномерном дублировании [114]:

-

(Пц-1)

(3.2)

Проверка однородности рядов построчных дисперсий проводилась при помощи расчета величины критерия Кохрена, по следующей формуле [114]:

^расч _ -^Уц тах (3 3)

где тах - наибольшая в ряду дисперсия.

Полученное значение критерия Кохрена сравнивают со значением G -критерия, взятом из таблиц [115], в зависимости от уровня значимости а,

числа степеней свободы [ = 71. — 1 и числу опытов N. Если Срасч < (7табл, гипотеза об однородности дисперсий принимается, в противном случае -отвергается.

Расчет коэффициентов уравнения регрессии производится по следующей формуле [114]:

где I - номер фактора; Уи - экспериментальные значения Y в и-м опыте. Затем рассчитывалась дисперсия воспроизводимости [115];

-V::: = " — = _ (3.5)

Проверка статистической значимости коэффициентов проводилась путем сравнения абсолютной величины коэффициента с его доверительным интервалом, который рассчитывался по следующей формуле [115]:

д = к - (3.6)

где 1кр - критическое значение ^критерия из таблиц распределения Стьюдента [115]; число степеней свободы рассчитывается по формуле / = N -{т -1); 3{Ь} - дисперсия оценки коэффициента Ь которая рассчитывается по формуле [115]:

*{Ь}2 ^в2ос. (3.7)

N - т

Коэффициент уравнения регрессии считается статистически значимым, когда его абсолютная величина больше доверительного интервала или равна ему, т.е. [115]

' >Д. (3.8)

Проверка адекватности полученной эмпирической модели проводилась с использованием критерия Фишера. Для этого рассчитывалась дисперсия адекватности [115]

где d - количество значимых коэффициентов уравнения регрессии;

: .-.:-: 1:, t:значения отклика в u-м опыте, соответственно рассчитанные по уравнению регрессии и определенные экспериментально.

Расчетное значение критерия Фишера ^расч вычислялось по формуле

[115]:

(3.10)

Критическое значение F^ выбирается из таблиц распределения

Фишера. Модель считается неадекватной, если выполняется условие F •> F

рас^ кр •

3.2 Исследование влияния технологических параметров сканирования

на плотность образцов

Плотность деталей, изготавливаемых СЛС зависит от применяемых технологических параметров сканирования. Основные технологические параметры сканирования рассмотрены в разделе 1.4.

В деталях, изготовленных технологией СЛС, возможно образование трех видов пористости [116]:

- газовая, представляет собой сферические поры диаметром не более 50 мкм, которые возникают при выделении водорода из материала в процессе нагрева и расплавления лазерным лучом;

- усадочная, характеризуется наличием пор сложной морфологии, возникающих во время кристаллизации ванны расплава;

- пористость, возникающая от неполного расплавления гранул металлопорошковой композиции, при недостаточном тепловложении в процессе СЛС.

В соответствии с ГОСТ Р 57910-2017 «Материалы для аддитивных технологий. Методы контроля и испытаний металлических материалов сырья и продукции» определение плотности должно выполнятся в соответствии с ГОСТ 20018-74 (СТ СЭВ 1253-78, ИСО 3369-75) «Сплавы твердые спеченные. Метод определения плотности».

Исследование влияния технологических параметров сканирования на плотность образцов осуществлялось в соответствии с моделью полного факторного эксперимента. План полного факторного эксперимента осуществлялся при варьировании следующих переменных: мощности лазерного излучения Р, Вт (Х1) и скорости сканирования V, мм/с (Х2). Изготовление образцов осуществлялось с применением зигзагообразной стратегии сканирования. В качестве зависимой переменной была выбрана плотность образцов р, г/см3 (У). Варьирование каждого фактора (к = 2) осуществлялось на трех уровнях N = 32 = 9. Каждый опыт повторяли 3 раза.

Измерение плотности осуществлялось на образцах размерами 10*10*5 мм. В таблице 3.1 представлены матрица полного факторного эксперимента в кодовом и натуральном масштабах, а также результаты определения плотности образцов во всех, трижды повторенных, 9 опытах. Для каждого

опыта по формуле 3.2 рассчитана построчная дисперсия 5уи.

Для проверки однородности рядов построчных дисперсий рассчитали величину критерия Кохрена по формуле (3.3). В данном случае

При / = 3 — 1 = 25 числе опытов N = 9 и а = 0,05 табличное значение С-

гчабл _ Л /17 С т-г ртасч. ^ гтабл

критерия: ь — и ,4-/о Поскольку условие " - и выполняется, ряд дисперсий можно считать однородным. Дисперсия воспроизводимости рассчитанная по формуле (3.5) 5В20С = 1,760 ■ 10 4.

Таблица 3.1 - Матрица планирования и результаты эксперимента

№ опыта Х1 Х2 Х1 (Р, Вт) Х2 (V, мм/с) Параллельные опыты Среднее значение 5г х 10-4

У1 (р, г/см3) У2 (Р, г/см3) Уэ (Р, г/см3) <У> (р, г/см3)

1 -1 -1 250 755 4,409 4,417 4,410 4,412 0,190

2 -1 0 250 805 4,370 4,383 4,385 4,379 0,663

3 -1 1 250 855 4,374 4,350 4,351 4,358 1,843

4 0 -1 275 755 4,437 4,428 4,432 4,432 0,203

5 0 0 275 805 4,426 4,436 4,427 4,430 0,303

6 0 1 275 855 4,365 4,359 4,403 4,376 5,693

7 1 -1 300 755 4,400 4,375 4,409 4,395 3,103

8 1 0 300 805 4,356 4,378 4,371 4,368 1,263

9 1 1 300 855 4,345 4,345 4,373 4,354 2,613

Для проверки гипотез Н0: Ъ0 = 0 и Н0: Ъ1 = 0, Ъ2 = 0, Ъ11 = 0, Ъ22 = 0 был использован расчетный уровень значимости р для свободного члена

уравнения и Х1, Х2, Хц, Х22. Ели Р * Я, то гипотеза Но отклоняется; если

:: ■:";', то гипотеза Н0 принимается.

Для зависимой переменной Y (плотность образцов р, г/см3), при доверительной вероятности 95%, коэффициенты Ь1; Ь22 оказались статистически незначимыми, и они были исключены из регрессионной модели. Значения статистически значимых коэффициентов регрессии представлены ниже:

Ьо = 4,389; Ьп = 0,0173; Ь2 = - 0,0251. Таким образом, уравнение регрессии для некодированных значений уровней факторов имеет вид:

р = 4,389 + 0,0173-Р2 - 0,0251-V. (3.11)

Коэффициент детерминации (Я2 = 77,52%) говорит о хорошем соответствии модели результатам численного эксперимента. Также хорошее соответствие модели экспериментальным данным можно наблюдать на графике наблюдаемых и предсказанных значений (рисунок 3.1). На рисунке 3.2 представлена карта Парето значимых эффектов для У.

4,43 4,42 4,41 4,40 4,39 4,38 4,37 4,36 4,35 4,34

а о --б о

о о

оо

о о о

о о о о

о о

4,33 4,34 4,35 4,36 4,37 4,38 4,39 4,40 4,41 4,42 4,43 4,44 4,45

Наблюдаемые значегаш. г/см3

Рисунок 3.1 - График наблюдаемых и предсказанных значений

С помощью уравнения регрессии (3.11) были определены значения отклика. Дисперсия адекватности, рассчитанная по формуле (3.9)

Расчетное значение критерия Фишера = 2,089. При уровне значимости а = 0,05 табличное значение = 4,32.

Поскольку < Ркр, гипотеза об адекватности модели при 5%-ном уровне значимости не отвергается.

Рисунок 3.2 - Диаграмма Парето для Y (плотность образцов р, г/см3)

Графическая интерпретация регрессионной модели влияния технологических параметров сканирования на зависимую переменную Y (плотность изготовленных образцов р, г/см3) представлена на рисунке 3.3.

Наибольшее влияние изучаемых факторов на плотность изготовленных образцов р, г/см3, для выбранных в работе интервалов их изменения, оказывает скорость сканирования (V, мм/с). В этих интервалах оказалось заметно слабым влияние на плотность изготовленных образцов мощности лазерного излучения (Р, Вт), а также соотношение между факторами второго порядка.

Рисунок 3.3 - Зависимость плотности изготовленных образцов (р) от технологических параметров сканирования

Справочная плотность для титанового сплава ВТ6 составляет 4,43 г/см3 [117]. Это значение достигается при использовании следующих сочетаний технологических параметров сканирования: мощность лазерного излучения 250... 300 Вт и скорости сканирования 755.. .815 мм/с.

3.3 Определение рациональных технологических параметров сканирования титанового сплава ВТ6 путем проведения испытаний

на одноосное растяжение пропорциональных плоских образцов

Для экономии времени и материальных ресурсов, определение рациональных технологических параметров сканирования целесообразно проводить на пропорциональных плоских образцах размерами 70* 10*2 мм.

Исследование влияния технологических параметров сканирования на механические свойства синтезируемого материала осуществлялось в соответствии с моделью полного факторного эксперимента. В качестве варьируемых параметров были выбраны: мощность лазерного излучения Р (Х1) и скорость сканирования V (Х2). Изготовление образцов осуществлялось с применением зигзагообразной стратегии сканирования и шага сканирования 0,12 мм. В качестве зависимой переменной был выбран предел прочности ав, МПа (У). Варьирование каждого фактора (к = 2) осуществлялось на трех уровнях N = 32 = 9. Каждый опыт повторяли 3 раза.

Пропорциональные плоские образцы были изготовлены на платформе построения размерами 100*100*20 мм. Пропорциональные плоские образцы после изготовления представлены на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Пропорциональные плоские образцы для определения рациональных технологических параметров сканирования

титанового сплава ВТ6

В таблице 3.2 представлены матрица полного факторного эксперимента в кодовом и натуральном масштабах, а также результаты определения предела прочности (ов) образцов во всех трижды повторенных 9 опытах. Для каждого опыта по формуле 3.2 рассчитана построчная дисперсия .

Для проверки однородности рядов построчных дисперсий рассчитали величину критерия Кохрена по формуле 3.3. В данном случае = 75945,67; = 27862,33; поэтому Ср™ = 0,367. При

f = 3 - 1 = 2, числе опытов N = 9 и а = 0,05 табличное значение G-

/"■табл _ Л /17О т-г грасч гтабл

критерия: о- — и**/о. Поскольку условие <; ^ выполняется, ряд дисперсий можно считать однородным. Дисперсия воспроизводимости, рассчитанная по формуле (3.5) б£ос = 8438,40.

Для проверки гипотез Н0: Ь0 = 0 и Н0: Ъ\ = 0, Ь2 = 0, Ъц = 0, Ь22 = 0, Ъц2 = 0, Ь]22 = 0, Ьп22 = 0 был использован расчетный уровень значимости р для свободного члена уравнения и Х1, Х2, Хц, Х22, Х1Х2, Х1Х22, Х12Х2, Х12Х22. Если р < а, то гипотеза Но отклоняется; если р > а, то гипотеза Но принимается.

Таблица 3.2 - Матрица планирования и результаты эксперимента

№ опыта Х1 Х2 Х1 (Р, Вт) Х2 (V, мм/с) Параллельные опыты Среднее значение 52

У1 (ав, МПа) У2 (ав, МПа) Уэ (ав, МПа) <У> (ав, МПа)

1 -1 -1 225 755 947,00 738,00 915,00 866,66 12672,33

2 0 -1 275 755 919,00 923,00 728,00 856,66 12420,33

3 1 -1 325 755 718,00 400,00 647,00 588,33 27862,33

4 -1 0 225 805 456,00 453,00 446,00 451,66 26,33

5 0 0 275 805 985,00 978,00 1020,00 994,33 506,33

6 1 0 325 805 431,00 615,00 711,00 585,66 20245,33

7 -1 1 225 855 609,00 655,00 629,00 631,00 532,00

8 0 1 275 855 403,00 451,00 438,00 430,66 616,33

9 1 1 325 855 569,00 513,00 570,00 550,66 1064,33

Для зависимой переменной Y (предел прочности образцов Ов, МПа), при доверительной вероятности 95%, коэффициенты b1, b12, b22 оказались статистически незначимыми, и они были исключены из регрессионной модели. Значения статистически значимых коэффициентов регрессии представлены ниже:

b0 = 661,740; bu = 74,111; b2 = -116,555, Ьш = 78,333, Ьш = -72,333, bn22 = 122,791.

Таким образом, уравнение регрессии для некодированных значений уровней факторов имеет вид:

Ов = 661,740 + 74,111 P2 - 116,555-V + 78,333 PV2 -

- 72,333 P2 V + 122,791 P2 V2. (3.12)

Коэффициент детерминации (R2 = 80,74%) говорит о хорошем соответствии модели результатам численного эксперимента. Также хорошее соответствие модели экспериментальным данным можно наблюдать на графике наблюдаемых и предсказанных значений (рисунок 3.5). На рисунке 3.6 представлена карта Парето значимых эффектов для Y.

900 850 800

I 750

№

i 700

Kj

Z 650

-С

Ü 600

t¿

5 550

a

С

500 450 400

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Наблюдаемые значения, МПа

Рисунок 3.5 - График наблюдаемых и предсказанных значений для Y

Рисунок 3.6 - Диаграмма Парето для Yl (предел прочности Ов, МПа)

С помощью уравнения регрессии (3.12) были определены значения отклика. Дисперсия адекватности рассчитывалась по формуле (3.9) = 19 292Д. Расчетное значение критерия Фишера Fpa<:xí = 2,286. При

уровне значимости а = 0,05 табличное значение = 3,16.

Поскольку < гипотеза об адекватности модели при 5%-ном

уровне значимости не отвергается.

Графическая интерпретация регрессионной модели влияния технологических параметров сканирования на зависимую переменную Y (предел прочности ов, МПа) представлена на рисунке 3.7.

Наибольшее влияние изучаемых факторов на предел прочности образцов, для выбранных в работе интервалов их изменения, оказывает квадратичное взаимодействие мощности лазерного излучения и скорости сканирования. В этих интервалах оказалось заметно слабым влияние на предел прочности мощности лазерного излучения.

На рисунке 3.8 представлены профили предсказанных значений и функции желательности.

Рисунок 3.7 - Зависимость предела прочности (ав, МПа) от технологических параметров сканирования

Мощность лазерного излучения Р, Вт

1200,0

786,74