Исследование процесса и разработка технологии изготовления деталей двигательной установки с применением аддитивных технологий из отечественной металлопорошковой композиции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шустова Людмила Александровна

• Шустова Людмила Александровна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Шустова Людмила Александровна

Список сокращений и обозначений

Введение

Глава 1. Современные подходы к применению аддитивных технологий

1.1 Понятие аддитивных технологий

1.2. Направления развития аддитивных технологий

1.3. Проблемы, связанные с аддитивными технологиями

1.4. Цели и задачи

Глава 2. Используемое оборудование для аддитивного выращивания в отечественных условиях

2.1. Основное оборудование для изготовления образцов

2.2. Характеристики основного оборудования, используемого в эксперименте (КЛП-400 и СЛП-250)

2.3. Дополнительное оборудование, используемое в эксперименте

2.4. Выводы по главе

Глава 3. Технологический процесс отработки режимов изготовления деталей

3.1. Постановка задачи

3.2. Порошковый материал для выращивания

3.3. Методика проведения экспериментов

3.3.1. Метод коаксиального лазерного плавления

3.3.1.1. Металлографическая пробоподготовка

3.3.1.2. Исследование пористости

3.3.1.3. Трещины и несплавления

3.3.1.4. Исследование структуры наплавленного металла

3.3.1.5. Результаты измерения микротвердости наплавленного металла

3.3.2. Метод селективного лазерного плавления

3.3.2.1. Исследование формирования кубиков

3.3.2.2. Исследование пористости

3.3.2.3. Трещины и несплавления

3.3.2.4. Исследование структуры наплавленного металла

3.3.2.5. Результаты измерения микротвердости на образцах

3.4. Модель оценки деформаций и напряжений

3.4.1. Метод моделирования со слабой связью

3.4.2. Тепловая модель

3.4.3. Механическая модель

3.4.4. Многомасштабное моделирование на уровне детали

3.4.4.1. Подготовка САПР детали

3.4.4.2. Параметры процесса для моделирования

3.4.4.3. Создание сетки и решение

3.4.4.4. Результаты анализа

3.5. Отработка технологии выращивания заготовок деталей

3.6. Выводы по результатам экспериментов по главе

Глава 4. Производственное использование результатов работы на предприятии

4.1 Преимущества аддитивной технологии перед традиционной

4.2 Техническая база для внедрения

4.3 Проведение огневых стендовых испытаний в комплекте «Крышка» и

«Камера»

4.3.1. Результаты лабораторно-стендовых испытаний

4.4 Натурный пуск изделия

4.4.1. Результаты испытаний

4.4.2. Выводы по результатам испытаний по главе

4.5. Сравнение традиционного метода изготовления деталей с аддитивными (СЛП и КЛП) (трудоёмкость, цикл изготовления)

Стр.

Общие выводы и заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса и разработка технологии изготовления деталей двигательной установки с применением аддитивных технологий из отечественной металлопорошковой композиции»

Введение

Сфера лазерных технологий сегодня является одной из наиболее активно развивающихся в науке. В последние годы были сделаны значительные открытия в создании совершенно новых видов лазеров, характеризующихся высокой эффективностью, простотой использования и надежностью. Такие лазеры оказались очень полезными в различных отраслях промышленности, они значительно расширили возможности лазерной техники. Увеличение производительности и повышение качества традиционных лазерных процессов обработки сопровождаются внедрением новых методов производства, которые способствуют совершенствованию как теории, так и практики в области машиностроения. Как результат этих усилий - возникла потребность в подытоживании последних достижений в сфере лазерной технике и технологий, проведении их научного анализа, а также с целью подготовки квалифицированных специалистов [1, 2].

Аддитивные технологии, ранее известные как «быстрое прототипирование», сегодня представляют собой одно из самых динамично развивающихся направлений в данной отрасли. Они способствуют ускорению производственных работ и решению задач, связанных с подготовкой производства, а также находят применение в изготовлении продукции раз. Многочисленные аддитивные технологии имеют одну общую черту: они все как бы строят модель, постепенно добавляя подходящий материал, в отличие от традиционных методов, где деталь создается путем удаления избыточного материала. Быстрое развитие этой сферы в развитых странах, особенно в США, Европе, Китае и Японии, свидетельствует об огромном интересе к данной технологии [3, 4, 5, 6, 7-11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. Однако отечественная практика развития

технологий и оборудования механической и физико-технической обработки нуждается в собственных технологических наработках. Данное исследование является попыткой восполнить имеющийся научный пробел.

Цель работы: Рaзработкa тeхнологии и исслeдованиe процeссa выращивaния дeтaлeй двигaтeльнoй устaнoвки (ДУ) мeтодoм сeлeктивногo лaзернoго плaвлeния и кoaксиальногo лaзeрногo плaвлeния из метaллoпорoшковой гамшзиции 28X3CHMBФA (CП28).

Для реализации этой цели потребовалось разрешить нижеследующие задачи:

1. Рaзрaботкa технических условий на металлопорошковую композицию (МПК) деталей ДУ;

2. Разработка технологии выращивания изделий методом коаксиального лазерного плавления (КЛП) на отечественном оборудовании из отечественной МПК;

3. Разработка технологии выращивания изделий методом селективного лазерного плавления (СЛП) на отечественном оборудовании из отечественной МПК;

4. Проведение моделирования и использование модели оценки напряжений и деформаций;

5. Проведение испытаний (прочность, герметичность, огневые стендовые);

6. Изготовление деталей ДУ сложной конфигурации методом КЛП и СЛП.

Научная новизна зaключаeтся в слeдующeм:

1. Устaнoвленo, что для вырaщивaния дeталeй ДУ, слeдует использoвaть МПК 28Х3СНМВФА с рaзмерoм чaстиц в дтапазоте 63-100 мкм для кoaксиальногo лaзeрного плaвления и с рaзмерoм чaстиц в диапaзонe 10-40 мкм для сeлeктивного лазeрногo плaвления.

2. Установлено, что для изготовления образцов из МПК 28X3СНMВФ A необходимо соблюдать параметры режима, которые должны варьироваться

в пределах удeльнoй этергии для кoaксиальногo лaзерногo плaвлeния от 238 до 261 Дж/мм3 и для селективного лазерного плавления от 89 до 94 Дж/мм3, основываясь на экспериментальных исследованиях, а также компьютерном моделировании.

3. Технология СЛП позволяет достичь более высокой точности полученных изделий («20 мкм) по сравнению с КЛП («80 мкм), однако уступает по производительности (СЛП - 30 см3/час, КЛП - 400 см3/час).

Практическая ценность рaботы зaключается в слeдующем: Рaзработанa и рeaлизовaна технoлoгия вырaщивания дeталeй ДУ метoдoм сeлeктивнoго лaзерногo плaвлeния и кoaксиальногo лaзерногo плaвления из металлoпорошкoвoй кoмпoзиции 28X3CHMВФА. Выявлены наилучшие параметры и стратегии плавления, обеспечивающие производство ответственных деталей сложной конфигурации.

из МПК 28Х3СНМВФА для коаксиального лазерного плавления -мощность лазерного излучения 660 Вт, скорость обработки 400 мм/мин, подача порошка 12 г/мин, шaг то вeртикали 0,7 мм, шaг штрихoвки 0,9 мм и для сeлeктивногo лазерного плaвления - мoщность лaзерногo излучeния 250 Вт, скoрoсть oбрaбoтки 722,5 мм/сек, шаг штрихoвки - 92 мкм, высота слоя 40 мкм, так как данные режимы обеспечивают наименьшее значение пор, трещин и несплавлений вблизи подложки. Эти параметры обеспечивают отсутствие пористости на 99,5%.

Методы исследования. Поставленные задачи решались с истользованием теоретичeских и экспeриментальных методов исслeдования. В данной работе использовался метод моделирования, в котором первоначально исследуется история нагрева, а ее результаты используются в качестве файла тепловой нагрузки для последующего моделирования механической реакции напряженно-деформированного состояния. Используя отечественное оборудование для коаксиальной лазерной наплавки (КЛП-400) и селективного лазерного плавления (СЛП-250), были выращены единичные сплавленные дорожки, единичные слои,

кубические образцы, подпорки, образцы на механические испытания и заготовки деталей.

Достоверность полученных результатов исследований прошли апробацию на всероссийских и международных конференциях, опубликованы в рецензируемых научных журналах, что подтверждает их научную новизну и практическую значимость. Методология исследований разработана с учетом современных достижений в области лазерной техники и математического моделирования, что позволило сократить время проведения экспериментов и повысить эффективность исследований, а также обеспечивает высокую точность полученных данных. Апробация работы:

1. Всероссийская школа-конференция с международным участием «Аддитивные технологии в цифровом производстве. Металлы, сплавы, композиты». (Москва, 2019).

2. VI Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее». (Москва, 2020).

3. Всероссийская научно-техническая конференция студентов. Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии. (Москва, 2022).

4. Всероссийская научно-техническая конференция студентов. Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии. (Москва, 2023).

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ ПРИМЕНЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1 Понятие аддитивных технологий

В настоящее время использование аддитивных технологий (АТ) представляет собой одну из ведущих тенденций в мировой инженерной индустрии. Инновационная технология дает возможность развивающимся промышленным компаниям применять новые методы при создании и изготовлении деталей. Эти методы значительно сокращают время, необходимое для последующей обработки, и в то же время повышают качество продукции. Они также способны производить детали, близкие по форме к исходной компьютерной модели [19].

В 1991 году появилась аддитивная технология производства металлических изделий, представленная новыми 3D-принтерами. Эти устройства способны создавать более сложные и крупные объекты благодаря разнообразию металлических порошков и их сплавов. Это позволило изготавливать детали, которые ранее создавались исключительно методами механической обработки или литья.

Аддитивные технологии открывают новые горизонты в проектировании и производстве сложных геометрических форм, оптимизации конструкций по весу и функциональности. Это особенно важно для космической, транспортной и т.д., где каждый грамм имеет значение. Кроме того, аддитивные технологии позволяют развивать моделирование различной техники нового поколения. Ввиду очевидных широких перспектив использования АТ исследование эксплуатационных характеристик авиационного двигателя (АД) является актуальной задачей для ученых всего мира, которые разрабатывают АД по целому ряду направлений [20, 21, 22].

Однако как в России, так и в мире унифицированной классификация АТ пока не существует, есть их сортировка по различным признакам [23, 24, 25, 26].

Всего около 30 лет назад на рынке появились первые аддитивные машины. С тех пор созданы сотни синтезированных металлических инструментов и деталей для авиалайнеров, спутников, подводных лодок, а также десятки тысяч протезов, имплантов и ювелирных изделий. Эти достижения представляют собой значительный сдвиг в технологическом прогрессе и свидетельствуют о потенциале аддитивных технологий в качестве стратегически важных направлений развития машиностроения. Аддитивные технологии представляют собой настоящий прорыв сразу в нескольких практически несмежных отраслях человеческой деятельности, Такие технологии приносят пользу в нескольких различных областях, которые ранее казались далекими друг от друга, и тем не менее, их объединяет одно серьезное достоинство - возможность построить максимально точную модель детали с меньшими затратами по времени, а зачастую и материала. В связи с этим технология набирает все большую популярность в производстве деталей, к которым предъявляются высокие требования контроля качества соответствия, долговечности и общей востребованности.

1.2. Направления развития аддитивных технологий

Процесс аддитивного производства сложен и состоит из нескольких этапов. Решающее значение имеют характеристики и технические требования, предъявляемые к конечному продукту. С учетом этих требований создается специализированный сплав, который затем перерабатывается в мелкодисперсный металлический порошок. Этот порошок проходит ряд подготовительных этапов, обеспечивающих формирование высококачественного изделия.

Затем происходит послойное нанесение металлического порошка и сплавление частиц по заданной траектории в атмосфере инертного газа. В итоге мы получаем полноценное изделие, готовое к дальнейшему применению.

Современные технологии предполагают послойное изготовление прототипов или конечных изделий путем сплавления или соединения слоев материала, как идентичных, так и различных, с помощью таких методов, как наплавка, спекание или синтез, при этом руководствоваться необходимо цифровым чертежом [27].

Применение этих передовых методов значительно упрощает производственный процесс. Для достижения оптимального результата необходимо учитывать множество факторов, начиная от выбора аддитивной технологии и заканчивая постобработкой полученных деталей. Использование специального обеспечения для моделирования позволяет оптимизировать конструкцию и выявить потенциальные проблемы на ранних этапах проектирования. Это, в свою очередь, способствует снижению затрат и повышению качества конечного продукта. Технологии аддитивного производства решают эти задачи путем послойного изготовления компонентов на основе цифровой модели. Аддитивное производство вышло за рамки простого прототипирования, позволяющего проводить визуальную и функциональную оценку, испытания и создавать мастер-модели для последующего литья. Теперь она включает в себя возможность производства полностью функциональных конечных продуктов [29].

В современном мире аддитивные технологии имеют огромные преимущества, и прежде всего это гибкость процесса производства. Изменение размеров изделия, его увеличение или уменьшение, - задача, которая традиционно требует полной перестройки производственного процесса. Однако при использовании аддитивного производства эта задача элегантно упрощается. Можно легко изменить размеры изделия в цифровой

модели системы управления и скорректировать необходимые параметры, избежав полной замены технологического процесса [30].

На основе проводимых исследований в области аддитивного производства (АП) ученые разрабатывают различные методики, которые смогли бы учесть все необходимые факторы получения готового изделия из металла с заданными свойствами.

На текущий момент известны несколько десятков методик АП. Среди распространенных технологий в этой области - лазерная стереолитография, изготовление слоистых объектов, экструзия термопластов, 3D-печать с помощью струйной головки и нанесения порошкового слоя, а также селективное лазерное плавление/спекание. Для нашего исследования важны прежде всего две методики - КЛП и СЛП. Каждая из них имеет и свои достоинства, и недостатки, и при этом их объединяет общий принцип действия.

Несмотря на сложность процесса для изготовления изделий аддитивными лазерными технологиями установки достаточно просты в использовании, а соответственно, очень эффективны на производстве. С помощью сканирования поверхностного слоя изделия лазерным лучом с инжекцией используемого порошка появляются слои формируемого объекта [31].

Для полноценной работы таких установок необходим специализированный металлический порошок. Для получения исходного материала - металлического порошка - используются такие известные методы, как вакуумное, газовое и центробежное распыление, осуществляемое на специализированном оборудовании, называемом атомизаторами. При газовом распылении металл сжижается в камере, заполненной инертным газом, на специализированном оборудовании. Затем расплавленный металл под высоким давлением выводится через сопло распылителя. Попадая в высокоскоростную струю инертного газа,

металл разбивается на мелкие капли, которые под действием поверхностного натяжения застывают в сферические частицы.

Кoaксиальнoе лaзерное плaвлениe (КЛП) являeтся oднoй из вoстребoвaнных тeхнолoгий aддитивногo прoизводствa на сoвременнoм рынке метеллических издeлий. Онa пoзволяeт сoздавaть слoжные мeталлическиe детвли и узлы. Лaзeрный луч нaпрaвляeт порошковый мaтериaл в рв6очую зону, экрвнироввнную потоком инертного шзв. Под воздействием тепла лазерa порошок рaсплaвляeтся, образуя слой за слоем сплошной металл, при этом лазерная головка перемещается относительно базовой платформы.

КЛП отличается высокой производительностью и возможностью создания деталей с различными свойствами за счет динамического изменения скорости подвчи порошга из рвзличных бункеров. Рaзмeр детали, которую можно изготовить, oгрaничиваeтся только возможностями системы перемещения. Одтако к нeдoстаткaм КЛП можно отнести более низкую точность по срввтонию с другими вддитивными технологиями, гачество конечного продукта в знaчительнoй степени зввисит от конкретных пaрaметрoв про^ссв и геометрии гаждого слоя, а также то, что технология требует сложного и дорогостоящего оборудования.

Селективное лазерное плавление и спекание (SLM и SLS) - это передовые производственные процессы, имеющие сходство со стереолитографией. Однако их способность использовать металлические и керамические порошки позволяет изготавливать не только прототипы, но и полнофункциональные изделия конечного потребления. Эти технологии были впервые применены Карлом Декардом в 1989 году и с тех пор стали основой оборудования, выпускаемого различными компаниями. Осознав потенциал этой технологии, многие фирмы примерно в одно и то же время начали разрабатывать свои версии и оборудование для обработки металлических порошков. В 1995 г. немецкий институт Фраунгофера

получил патент на SLM, а немецкая компания EOS (Electro Optical Systems) запатентовала метод DMLS (Direct Metal Laser Sintering) [32].

Изнaчaльнo мeтaллoпoрoшковая ^мшзиция нaгревaется в гeрмeтичнoй KaMepe дo oпрeдeлeннoй тeмпеpaтуpы, кoтoрaя зaвисит oт мaтepиaлa и ipe6yeMbix услoвий oбpaбoтки. Цифpoвoй чepтeж дeтaли paзбиваeтся нa слoи тoчнoй толщины, что пoзвoляeт oбeспeчить тoчнoсть и эффeктивнoсть пpoизводствa. Oпpеделяeтся oптимальнoe paзмещениe однoй или нескoльких дeталей на платформе сборки. Чтобы учесть возможную усадку порошка, платформа опускается на глубину, немного превышающую толщину слоя. Одновременно поднимается платформа подачи порошка, и ролик или лопатка р aвномеpнo paспpеделяeт пopошoк по зоне обpабoтки. Зaтeм пopoшoк пoслойнo нaплaвляeтся или спeкaeтся, слeдуя кoнтуpам мoдeли, дo тех пop, пoка дeтaль не будeт гoтoва. Пoсле этого излишки пopoшкa удaляются пылeсoсoм, и дeталь пepeносится в пeчь для ^следующей теpмooбpабoтки в тeчeниe четыpeх чaсов при тeмпepатуpe oколo 450°C.

Ключевoe пpeимуществo SLM и SLS пepeд CLM и анaлогичными технoлoгиями зaключаeтся в тoм, чтo детaль пoмещаeтся в слoй пopoшкa, шгретого чуть нижe тeмпepaтуpы плaвления. Это oбеспечивaeт пoстепеннoe и paвномepнoe oхлаждениe, что знaчительнo снижaeт риск кopoблeния и дeфopмaции. Хoтя скopoсть сбopки мoжeт быть нижe, тoчнoсть и кaчeствo кoнeчнoго пpoдуктa oстaются та высoком уpовнe. Переналадка таких станков для производства новых изделий не представляет сложности, особенно если материал остается неизменным, а корректировки производятся исключительно с помощью программного обеспечения. В современных станках особое внимание уделяется оптимизации процесса смены материала, что позволяет свести к минимуму время простоя.

Для получения высококачественной продукции очень важно поддерживать низкие термические напряжения, которые могут привести к

короблению, трещишм и другим дeфeктaм. Анэлизируя термический цикл и рaспредeлeниe тeмпeрaтуры нэ прaтяжeнии всего процесса, можно предвидеть свойствэ и шпряжения, которые появятся в конечном продукте. Тeмпeрaтурный профиль зэвисит от геометрии детали, нaпримeр толщины стенки, грэницы рaзделa между плотной детБлью и окружэющим порошком или сердцевины плотного учэсткэ. Тонкэя нэстройкэ пaрaметрoв протоссэ и стрaтeгии сборки для рэзличных стэндэртных сцeнaриев позволяет оптимизировэть процесс создэния прaктически любого изделия, рэз6ив его нэ фундaмeнтaльныe блоки.

Аддитивные технологии в настоящее время нельзя выделить в самостоятельную бесконтрольную отрасль, поскольку весь процесс должен контролироваться на каждом этапе, подбираться наиболее оптимальные состояния материал-производство-постобработка-изделие. Каждый из данных этапов должен быть отдельно рассмотрен именно в контексте аддитивной технологии, но с обязательным учетом ранее допускаемых ошибок и неточностей.

1.3. Проблемы, связанные с аддитивными технологиями

Путь аддитивных технологий в сферу индустриального производства достаточно сложный, здесь возникает много проблем. Главная проблема аддитивного производства - это расходы на него (на предварительную и постобработку, оборудование и материалы), а также высокая стоимость материалов.

Еще одной проблемой, с которой сталкиваются многие производители, является качество изделий (дефекты, степень прочности, внешний вид и т. д.).

Также стоит упомянуть достаточно медленный процесс внедрения этих технологий в производство. В то время, как некоторые отрасли уже давно используют эту технологию, другие пока находятся на начальной

стадии. Это связано с тем, что некоторые отрасли государственного значения (такие как здравоохранение и авиакосмическая индустрия) требуют для своей работы только сертифицированные материалы или экспертной оценки их качества.

Кроме того, существуют и производственные сложности. Так, при мощностях выше 990 Вт наблюдается перегрев ванны расплава и выплеск порошка. Выявление возможности образования дефектов из-за неравномерной подачи порошка из сопел часто требует проведения целой серии экспериментов по выращиванию тонкостенных колец с различной величиной расхода газа, наряду со сменой сопел на новые, с более узким пятном фокусировки собранного порошка. При правильных параметрах режимов обработки обеспечивается формирование наплавленного слоя при различных тепловых условиях, и, соответственно, скоростях кристаллизации.

Такая постановка эксперимента на основе имеющегося опыта наплавки позволяет определить максимальную производительность процесса, при котором из данного материала можно получать объемы с высоким качеством [33].

Одной из основных проблем при реализации аддитивных технологий является возниковение дефектов в виде трещин, пор и несплавлений вблизи подложки.

Образование трeщин и нeсплaвлeний связан с oсoбeннoстями технoлoгичeских свoйств мaтeриaла. ^рвью, гак прaвилo, вызвaны исчeрпаниeм зaпaсa плaстичнoсти при дефoрмирoвaнии в выcoкoтeмпeрaтурнoй oблacти, oднaкo вoзможнo oбрaзoвaниe трeщин другой прирoды, пoэтoму исслeдoвaние технoлoгичeскoй прoчнoсти пoрoшкoвых мaтериaлoв при вырaщивaнии являeтся вaжной зaдaчeй. Кaк прaвилo, вoзмoжнo устaнoвить тaкиe интeрвaлы пaрaметрoв рeжимoв, в кoтoрых их oбрaзoвaниe мaлoверoятнo.

Несплавления образуются между слоями и связаны с недостаточным энерговложением. Вблизи подложки их возникновение обусловлено теплоотводом в неё. Для борьбы с ними в случае, если режим обеспечивает качественное формирование слоя и необходимый уровень свойств, целесообразно использовать подогрев подложки.

Также отметим, что при наплавке формируется неоднородная структура преимущественно дендритного и полиэдрического типов, с глубоким вытравливанием междендритных областей, что говорит о химической неоднородности наплавленного металла на микроуровне. В целом, для сварочных и родственных им процессов такая картина является типичной. В отдельных участках наблюдается направленная дендритная структура с углом срастания дендритов около 90°, которая не является типичной и связана, вероятно, с условиями теплоотвода в конкретной части изделия.

Дефекты чаще всего концентрируются по границам слоёв. Образование пор по границам слоёв может быть нивелировано дополнительным отжигом порошка в инертной атмосфере в тех случаях, когда оно связано с качеством порошкового материала.

В целом, неравномерность твердости может быть вызвана неоднородностью химического состава металла.

В этой связи требуются механические испытания с получением партиий образцов, геометрия которых соответствовала бы заданной в техническом задании, после чего эти заготовки должны быть направлены на механическую доработку и испытания для оценки свойств, входящих в допустимый, согласно техническому заданию, диапазон требований.

В идеале сочетание параметров режимов должно обеспечить получение требуемой геометрии изделия при выращивании, в частности, образцов для механических испытаний, оптимальное соотношение производительности и пористости при отсутствии трещин и несплавлений.

По мере появления новых материалов возможности аддитивного производства будут только расширяться. Эти технологии позволяют увеличить количество производимых деталей, они открывают действительно невероятные возможности.

1.4. Цели и задачи исследования

Ввиду того, что сегодня наибольший интерес в развитии современных аддитивных технологий выращивания металлических изделий - повышение производительности процесса и сокращение времени производства от создания компьютерной модели до получения детали, основной практической целью данного исследовании является возможность использования полученных результатов при разработке и организации технологических процессов изготовления деталей металлопорошковой композиции из высокопрочной стали с применением аддитивной технологии.

Основная научная задача исследования - установление закономерностей и режимов аддитивной технологии с последующей термической обработкой на структуру и свойства заготовок путем дефектации металлографических исследований и соответствующих испытаний.

Предполагается впервые на отечественном оборудовании для коаксиального лазерного плавления КЛП-400 отработать и реализовать технологию выращивания заготовок деталей ДУ. Результат работы должен показать принципиальную возможность качественного изготовления заготовок деталей ДУ методом коаксиального лазерного плавления из отечественной металлопорошковой композиции стали 28Х3СНМВФА.

Планируется проведение исследование свойств МПК для оценки её применимости для технологии КЛП.

Также планируется oтрaботaть рeжимы вырaщивaния, изготовить и исслeдoвaть зaдaнные oбрaзцы и дoкaзaть, что сталь 28Х3СНМВФА в

целом подходит для процессов КЛП, а тaкже выделить оптимальный режим с отсутствием дефектов.

В перечень задач данного исследования также входит выращивание образцов для механических испытаний заготовки «Камера» для последующей механической обработки и верификация того, что готовое изделие может успешно пройти огневые испытания и тем самым подтвердить, что лазерные аддитивные технологии имеют дальнейшую перспективу развития в данной области.

Предполагается вырастить заготовки изделий «Крышка» методом СЛП для последующей механической обработки, а также заготовки изделия «Камера», что показывало бы универсальность результатов исследования режимов выращивания в рамках одного материала.

Следует установить, что сталь 28Х3СНМВФА в целом подходит для процессов коаксиального лазерного плавления и селективного лазерного плавления на установленных режимах. Данные режимы должны обеспечить получение требуемой геометрии изделия, оптимальное соотношение производительности и допустимую пористость при отсутствии трещин и несплавлений.

Предполагается также, что технология селективного лазерного плавления лучше подходит для выращивания деталей «Камера» и «Крышка».

Для достижения укэзанной цели и подтверждения гипотезы плaнируeтся решить следующие звдвчи:

- исслeдoвaть принцип действия МПК и СЛП;

- рaзрaбoтaть технологии вырвщиввния изделий методом КЛП нэ отечественном оборудовэнии из отечественней МПК;

- рaзрaбoтaть технологии изготовления изделий методом СЛП нэ отечественном оборудовании из отечественной МПК;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шустова Людмила Александровна, 2025 год

■ - _

я- -см О • о

Ст

Рис. 2.11.

Внешний вид измерителя шероховатости TR110.

Таблица 12.

Технические характеристики измерителя шероховатости TR110

Измеряемые параметры шероховатости Яа,

Длина трассы сканирования 6 мм

Скорость перемещения щупа 1.0 мм/с

Значения отсечек шага 0,25 мм/ 0.8 мм/ 2,5 мм

Длина оценки значений параметров шероховатости 1.25 мм/ 4.0 мм/ 5.0 мм

Диапазон измерений по параметрам Яа: 0.05 - 10.0 мкм

0.1 - 50 мкм

Допускаемая основная погрешность ± 15%

Повторяемость результатов измерений < 12%

Тип фильтра аналоговый резистивно-емкостный

Тип датчика пьезоэлектрический

Радиус кривизны и угол вершины щупа алмазная игла с радиусом: 5 ± 1 мкм

угол: 90°(+ 5° или - 10°)

Диапазон рабочих температур от 0 до 40 °С

Относительная влажность воздуха < 80%

Диапазон температур при хранении от - 25 до 60 °С

Степень точности класс 3

Электрическое питание литий-ионный аккумулятор х 3.6 В

Зарядное устройство 6 В постоянного тока, 3 часа (время перезарядки)

Габаритные размеры 110 х 70 х 24 мм

Масса электронного блока 200 г

8. DWSE 2235T ATEX22 (Взрывобезопасный пылесос)

Для удаления порошковых остатков и уборки камеры после завершения процесса выращивания применяется промышленный пылесос. Оптимальным выбором для этой цели является модель DWSE 2235Т АТЕХ22 (Рис. 2.12). Основные параметры данного устройства приведены в Таблице 13.

Рис. 2.12.

Внешний вид взрывобезопасного промышленного пылесоса DWSE 2235Т АТЕХ22.

Таблица 13.

Технические характеристики взрывобезопасного промышленного пылесоса DWSE 2235Т АТЕХ22

МОДЕЛЬ Б1№8Е 2235Т АТЕХ 22

Мощность, кВт. 2,2

Параметры подключения 380-400 V 50-60 Н

Система очистки фильтра Полуавтоматическая электрическое управление

Класс фильтрации М

45 Продолжение Таблицы 13.

Воздушный поток, м3/ч 320

Разряжение номинальное, тВаг. 220

Разряжение МАХ, тВаг. 320

Объем бака, л. 35

Вес, кг. 72

Размеры, см. 62х50хН127

2.4. Выводы по главе 2

Сегодня на рынке представлен широкий выбор установок для селективного и коаксиального лазерного плавления металлических порошков, отличающихся конструкцией, характеристиками обработки, размерами создаваемых объектов и перечнем обрабатываемых материалов.

При подборе оборудования важно принимать во внимание аспекты, негативно сказывающиеся на формировании сплавленного слоя и процессе выращивания в целом. Необходимо минимизировать воздействие этих аспектов, если это возможно с учетом конструкции выбранной установки.

Качественные результаты технологического процесса аддитивного производства обеспечивают комплексы КЛП-400 и СЛП-250, используемые в сочетании с представленным дополнительным оборудованием.

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ОТРАБОТКИ РЕЖИМОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

3.1. Постановка задачи

Создание компонентов ДУ - это трудоемкий и затратный технологический цикл. Более детально изучим механизм симулятора, применяемый в составе тренажеров для подготовки и обучения специалистов. В состав механизма симулятора входят камера сгорания, сопловый узел и электрическое соединение. В передней части механизма вдоль оси закреплен зажим, направленный фиксаторами вперед, а внутри камеры находятся электрозапал, запальное устройство и основной заряд пускового двигателя. Данная конструкция расширяет возможности тренажерного комплекса и обеспечивает всестороннюю адаптацию операторов к выполнению задач. Тренажерный комплекс включает в себя имитаторы, выполненные в виде установки, в которой размещены макет изделия и двигательная установка. По требованиям эксплуатации, подготовка имитатора двигательной установки должна осуществляться в реальных условиях. Эти имитаторы позволяют осуществлять обнаружение цели, ее захват, отслеживание и практический запуск макета изделия с воспроизведением физических факторов: вылет макета из установки, сопровождающийся визуальными и акустическими эффектами работы двигателя.

Актуальность данного исследования связана с необходимостью получения деталей сложной конфигурации из металлопорошковой композиции 28Х3СНМВФА, изготовление которой позволяет снизить время производства и объем последующей обработки заготовки до получения детали и изделия в целом. Данная металлопорошковая композиция выбрана близкой к материалу деталей ДУ.

Новая технология на основе аддитивных методов позволяет сделать процесс изготовления деталей более точным, почти ювелирным, что решит задачу экономии производственых ресурсов.

В частности, планируется отработка и внедрение данной технологии на предприятии АО «НПК «КБМ» - это значимый научно -производственный и конструкторский центр, специализирующийся на всесторонней разработке техники по различным направлениям, включая проектирование, производство, испытания и комплексную отладку.

На данном предприятии аддитивные технологии серийно пока не внедрялись, по ним только проводятся научно-исследовательские работы (НИР). Однако благодаря полученным результатам по НИРам, к числу которых принадлежит и данное диссертационное исследование, планируется в ближайшем будущем открыть новое направление деятельности, закупать оборудование, делать чертежи на основе аддитивных технологий и разрабатывать технологические процессы под 3Д принтеры.

В рамках описываемого эксперимента ключевую роль играет научная база, а именно, Московский Центр лазерных технологий (МЦЛТ). Этот центр, являющийся результатом сотрудничества между кафедрой «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана и другими организациями, представляет собой передовой научно -инжиниринговый комплекс, концентрирующий в себе новейшие разработки в сфере лазерных технологий.

С момента основания центра приоритетное внимание уделяется перспективным лазерным технологиям, включая аддитивные. Активно ведутся научные изыскания и конструирование оборудования для таких процессов, как селективное лазерное плавление (СЛП) и коаксиальное лазерное плавление (КЛП). Одной из основных целей стало проектирование и создание прототипа отечественной промышленной установки, предназначенной для реализации этих технологий.

Технологии аддитивного производства демонстрируют как значительные достоинства, так и определенные ограничения, нуждающиеся в углубленном изучении и, что особенно важно, в налаживании серийного выпуска оборудования для применения в промышленности. В настоящий момент эти технологии активно совершенствуются и находят широкое применение в различных отраслях. Важно отметить, что аддитивные технологии представляют собой цифровую производственную модель, которая в ближайшем будущем трансформирует многие существующие производственные процессы.

Развитие цифрового производства приведет к уменьшению необходимости в масштабном заводском оборудовании, что, в свою очередь, сократит потребность в обширных производственных площадях. Это создаст условия для формирования более компактных, децентрализованных и мобильных производственных единиц. Цифровое производство может упразднить необходимость в содержании крупных складских помещений, логистических центров и значительных инвестициях в инфраструктуру, а также в производство специальной оснастки и инструментов.

Таким образом, производство продукции непосредственно в месте ее потребления предоставляет преимущества для региональных предприятий. По сути, это представляет собой промышленную революцию нового технологического уклада. Аддитивные технологии обладают потенциалом для существенного изменения структуры занятости и распределения трудовых ресурсов в глобальном масштабе.

Традиционная технология изготовления двигательной установки является трудоемкой и длительной (подробнее об этом в пятой главе). Поэтому в соответветсвии с технологическими возможностями существующиих аддитивных комплексов, было принято решение о изготовлении двигательной установки, а именно деталей «Камера» методом КЛП на установке КЛП-400 (глава 2) и «Крышка» методом СЛП

на установке СЛП-250 (глава 2). Также предварительные расчеты показывают, что переход с традиционной технологии на аддитивные позволяют существенно сократить производственный цикл изготовления деталей, проработать бионический дизайн (в том числе уменьшить весовое совершенство), что является немаловажным фактором в изготовлении изделия в целом.

Деталь «Камера» и «Крышка» изготавливаются из высокопрочной стали, поэтому было принято решение подобрать порошок наиболее близкий по своим свойствам к основному материалу заготовки. В качестве такого порошка были предложены композиции, которые более подробно рассмотрены в параграфе 3.2.

3.2.1. Порошковый материал для выращивания

В основе аддитивных технологий лежит применение качественных порошков, о чем говорилось выше. В качестве материала для исследований была выбрана и разработана металлопорошковая композиция МПК-ПР-28Х3СНМВФА (фракционный состав 63-100 мкм), так как данный состав подходит для метода КЛП и (10-40 мкм), который необходим для метода СЛП. Данная МПК является конструкционной высокопрочной сталью, обладает хорошими технологическими свойствами и широко используется в промышленности.

Однако, так как деталь имеет важное значение в изделии, необходимо провести исследование МПК на химический состав. Для осуществления данных процессов необходимо использование ряда приборов, осуществляющих контроль качества порошка.

Для определения химического состава МПК-ПР-28Х3СНМВФА применялся портативный рентгенофлуорисцентный анализатор Olympus Vanta (глава 2) и металлургический инвертированный микроскоп

Olympus GX-51 (глава 2). Химический состав порошка представлен в Таблице 14.

Таблица 14.

Химический состав МПК-ПР-28Х3СНМВФА

Средство контроля Хим. анализатор Olympus

28Х3СНМ ВФА Элемент (масс %)

Fe Cr Ni Mo V W Mn Si C S P N

Сертификат Основа 2,83,2 0,81,2 0,350,5 0,050,15 0,81,2 0,50,8 0,81,2 0,260,31 <0,01 <0,01 -

Измерение фракция 63-100 Основа 3,0 1,23 0,32 0,045 1,01 0,68 0,98 - - - -

Измерение фракция 10-40 Основа 2,99 1,02 0,38 0,1 0,95 0,63 1,09 0,26 0,005 0,004 -

Исходя из проверки МПК на химический состав можно сделать вывод, что представленный порошок мало отличается от сертифицированного и в целом подходит для дальнейшей работы.

Однако, практика применения аддитивных технологий демонстрирует, что ключевое значение для обеспечения высокого качества процесса послойного наращивания имеют характеристики используемого порошка. В частности, размер частиц и их сферическая форма должны соответствовать заданным параметрам с высокой точностью.

Для исследования гранулометрического состава порошка использовался анализатор НапЬа ЬА-350 (глава 2). В соответствии с полученными результатами данного анализатора можно сделать вывод, что оптимальное значение МПК-ПР-28Х3СНМВФА (63-100 мкм) имеет средний диаметр 99,68 мкм, а МПК-ПР-28Х3СНМВФА (10-40 мкм) средний диаметр составляет 36,68 мкм. Расчет среднего диаметра на данном анализаторе осуществляется в предположении, что порошок имеет сферическую форму. На (Рис. 3.1) и (Рис. 3.2) представлен гранулометрический состав порошка.

0.100 1.000 10.00 100 0 1000

Диаметр(мкм)

Рис. 3.1.

Гистограмма распределения размера частиц по показаниям анализатора МПК - ПР-28Х3СНМВФА (63-100 мкм).

0100 1 000 1000 1000 1000

Диаистр(и1см)

Рис. 3.2.

Гистограмма распределения размера частиц по показаниям анализатора МПК - ПР-28Х3СНМВФА (10-40 мкм).

Однако, опыт производства порошков показывает, что они не всегда отвечают этим условиям и для того, чтобы оценить уровень отклонений, были проведены исследования с помощью оптического микроскопа Olympus GX-51 (глава 2). Оптический анализ показал, что в составе порошка имеются вытянутые несферические частицы, которые образуются при производстве порошка и не поддаются сепарации от основной массы порошка имеющимися у производителя методами. Короткий размер частиц вписывается в диапазон 63-100 мкм, однако по длинной стороне размер может достигать свыше 200 мкм (Рис. 3.3), а также короткий размер частиц

вписывается в диапазон 10-40 мкм, однако по длинной стороне размер может достигать свыше 50 мкм (Рис. 3.4), что вносит ошибку в результат измерений анализатора.

Рис. 3.3.

Внешний вид используемого порошка (63-100 мкм).

Рис. 3.4.

Внешний вид используемого порошка (10-40 мкм) темное поле.

Общая картина морфологии частиц позволяет заключить, что отклонения от размеров и сферичности не являются критичными, однако стоит отметить, что данные параметры обеспечивают равномерность расплавления в процессе формирования изделия методом коаксиального лазерного плавления и селективного лазерного плавления, а имеющиеся отклонения могут приводить к возникновению локальных дефектов. При отработке режимов технологии необходимо это учитывать.

Для дальнейшего исследования приступаем к методике и экспериментальной части.

3.3. Методика проведения экспериментов

3.3.1. Метод коаксиального лазерного плавления

Современные аддитивные методы представляют собой одно из наиболее многообещающих направлений в развитии производственных процессов (детали в первой главе). В области лазерных аддитивных технологий особое внимание уделяется двум распространенным методам: селективному лазерному спеканию, в котором лазер направляется на определенный участок порошкового слоя, обеспечивая высокую точность, но характеризуется небольшой скоростью производства; и коаксиальной лазерной наплавке, при которой материал подается в зону обработки одновременно с лазерным излучением.

Следует подчеркнуть, что, несмотря на значительную скорость, последний метод отличается трудностью в обеспечении устойчивой геометрии формируемых слоев. Выбор процесса КЛП обусловлен его эффективностью нанесении слоев и незначительным термическим влиянием на основной материал изделия. К достоинствам КЛП относятся:

- значительное ускорение производства детали;

- уменьшение отходов материала при механической обработке.

В процессе КЛП порошковый материал плавится под воздействием лазерного луча. Расплавленный материал переносится на подложку, где он сплавляется с поверхностью, формируя наплавленный слой. Благодаря высокой скорости перемещения лазерного луча обеспечивается оперативное охлаждение подложки посредством теплоотвода

Для создания детали требуется выполнить комплекс исследовательских работ на тестовых образцах и подобрать оптимальные параметры для последующего производства. Обычно, процесс начинается с малого: с создания качественного единичного валика за один проход

лазера в пределах слоя. Под качеством подразумеваются следующие характеристики: ровная поверхность валика, отсутствие колебаний высоты, полное сплавление порошка по всей длине, предотвращение образования шариков из жидкого металла. На данном этапе потребовалась настройка системы управления. Была выполнена синхронизация сигналов включения-выключения лазерного излучения с началом и окончанием ускоренного движения зеркал сканатора, что позволило избежать перегрева порошка в начале и конце движения, который мог бы привести к дефектам геометрии валика на этих участках. На стабильное формирование сплавленной дорожки влияют скорость и мощность лазерного луча, при соблюдении условий чистоты газовой среды, качества порошка и правильной подготовки к процессу [32]. В ходе исследования, были получены единичные дорожки варьированием следующих параметров - скорость процесса (Ууаг=200..1500 мм/мин), мощность излучения (Руаг=500.. .1500 Вт) и количество подаваемого порошка (Wvar=9..25 г/мин) (Рис. 3.5).

Рис. 3.5.

Отработка единичных дорожек. Оценив качество валиков, был выбран режим (Ууаг=250..1300 мм/мин), мощность излучения (Pvar=540...990 Вт) и количество подаваемого порошка (Wvar=9..21 г/мин), так как на данных режимах

получался наиболее равномерный валик. Был проведен тщательный анализ внешней формы валика.

Также хотелось бы отметить, что при мощностях выше 990 Вт наблюдается перегрев ванны расплава и выплеск порошка практически при любой подаче. На мощности ниже 540 Вт энергии не хватает для полноценного переплавления порошка. Скорость обработки выше 1300 мм/мин приводит к нарушению геометрии дорожки, так как ванна расплава срывается, и материал собирается в капли. На скорости ниже 250 мм/мин наблюдается перегрев и выплески материала.

На финальной стадии были изготовлены кубические модели образцов (Рис. 3.6).

Рис. 3.6.

Единичные слои квадратной формы дорожек на различных режимах.

Образцы выращивались на подложке толщиной 5 мм из МПК 28Х3СНМВФА, образцы под номерами серий с 1 по 6 представлены на (Рис. 3.7).

Рис. 3.7.

Внешний вид образцов - расположение кубиков на подложке и внешний вид наплавленных образцов.

Параметры режимов обработки выбирались таким образом, чтобы обеспечить формирование наплавленного слоя при различных тепловых условиях. По этому показателю, в соответствии с теорией процесса наплавки, серии можно ориентировочно расположить в следующем порядке: 1, 2, 3, 6, 4, 5. Такая постановка эксперимента на основе имеющегося опыта наплавки позволяет определить максимальную производительность процесса, при котором из данного материала можно получать объемы с минимальным количеством дефектов. Параметры режимов обработки приведены в Таблице 15.

Таблица 15.

Параметры режимов обработки

Параметр Режим № 1 Режим № 2 Режим № 3 Режим № 4 Режим № 5 Режим № 6

Мощность излучения, Вт 660 540 750 870 990 750

Скорость обработки, мм/мин 400 250 650 1000 1300 800

Подача порошка, г/мин 12 9 15 18 21 15

Шаг по вертикали, мм 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7

Шаг перекрытия, мм 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9

Для выявления возможности образования дефектов из-за неравномерной подачи порошка из сопла была проведена серия экспериментов по выращиванию тонкостенных колец (Рис. 3.8) с различной величиной расхода газа, а также произведена смена сопел на новые, с более узким пятном фокусировки собранного порошка.

Рис. 3.8.

Выращивание кольцевых элементов.

Для оптимизации режима были проведены серии экспериментов с различной величиной коэффициента перекрытия между валиками (Таблица 16), а также скорректирована оптимальная высота подъема головы между слоями для равномерного формирования слоя. Если расстояние будет слишком большим, то формируемый слой будет расти слишком быстро, при фиксированном объеме подаваемого порошка качество получаемого материала будет низким, а геометрия слоя вытянется относительно компьютерной модели. Дальнейшее увеличение скорости подъема нарушит формирование геометрии, материал не будет успевать равномерно распределяться на подложке или предыдущих слоях. Если расстояние будет слишком маленьким, то перегрев материала также негативно скажется на качестве. Также возможен риск слишком быстрого роста высоты слоя и столкновение с соплом. (Рис. 3.9, Таблица 17).

Значения перекрытий валиков

№ Перекрытие валиков, %

1 80

2 65

3 50

4 35

5 20

Таблица 17.

Значения подъема головы и высота валиков

Высота подъема головы, Ожидаемая высота Реальная высота

мм изделия, мм изделия, мм

0,4 5 2,2

0,7 5 3,4

0,9 5 4,1

1,2 5 5,1

Наиболее равномерное формирование слоя наблюдалось при перекрытии 65% (расстояние между валиками 0,9 мм).

В ходе формирования слоя из серии единичных валиков с перекрытием высота слоя на выходе получается больше, чем при формировании одиночного валика, соответственно определена высота подъема головы, при которой реальный рост изделия будет соответствовать заданному (Рис. 3.9) и составляет 0,7 мм.

Рис. 3.9. Отработка подъема головы.

Выращена серия образцов с разным подъемом головы. Слишком быстрый подъем (слева) вызывает чрезмерный рост образца, нарушение геометрии и качества сплавления. Слишком медленный подъем (справа) не позволяет формироваться геометрии слоя по высоте, чрезмерно перегревая материал.

Далее, на выращенных кубиках, которые показаны на (Рис. 3.7), проводилась металлографическая пробоподготовка.

3.3.1.1. Металлографическая пробоподготовка

Подготовка металлографических образцов включала ряд последовательных операций: вырезка заготовок, помещение в пресс-форму, абразивная обработка, полирование поверхности и химическое травление.

Все исследования проводились на оборудовании, описанном в главе 2.

После закрепления вырезанных образцов в оправку выравнивание осуществлялось на алмазных дисках зернистостью 120 и 220, черновое шлифование - на дисках зернистостью 600. Шлифовка осуществлялась на дисках Struers Alegro с использование 9 мкм поликристаллической алмазной суспензии, черновая полировка - на шелковых дисках с использованием поликристаллической алмазной суспензии с размером зерна 3 мкм, полировка - на ворсовом диске с использованием алмазной суспензии с зерном 1 мкм. Травление осуществлялось в 4 %-ом растворе азотной кислоты в этиловом спирте с добавлением перед использованием в реактив пикриновой кислоты.

Внешний вид образцов серий с 1 по 6 (данные образцы описаны в п.3.3.1, (Рис.3.7.)) после полировки представлен на (Рис.3.10). Верхние образцы в оправке - с нечетным номерами, диаметр оправки 40 мм.

Рис. 3.10.

Слева направо: образцы, выполненные по режимам с 1 по 6.

Полученные образцы отличаются режимами и были исследованы с применением оптических микроскопов и универсального твердомера Виккерса, которые представлены во второй главе. Свойства образцов изучены далее.

На (Рис. 3.11) приведён вид поперечных сечений кубиков, выполненных с применением режимов с 1 по 6. Видно, что геометрия образцов в целом выдерживается при всех режимах обработки. Завышение краев на практике нивелируется небольшим снижением погонной энергии.

В исследованных образцах обнаружены дефекты в виде трещин, пор и несплавлений вблизи подложки.

Результаты исследования пористости оптическим методом приведены в пункте 3.3.1.2.

Трещины и несплавления рассмотрены в пункте 3.3.1.3.

На некоторых снимках слева или справа от образцов наблюдаются дорожки, использованные для проверки режима наплавки. В рамках данного исследования они игнорировались.

д е

Рис. 3.11.

Шлифы поперечных сечений образцов. Образцы выполнены по режимам: a- № 1; б - № 2; в - № 3; г - № 4; д - № 5; е - № 6.

3.3.1.2. Исследование пористости

Исследование пористости осуществлялось оптическим методом с применением металлографического инвертирующего микроскопа Olympus GX51 (глава 2) в светлом поле по освещению при

увеличении х 50. Примеры снимков с порами, выполненных для наименее и наиболее пористых участков образца № 5 представлены на (Рис. 3.12).

а б

а - средняя часть шлифа, пористость 0,05 %; б - верхняя часть шлифа, пористость 2,19 %

Рис. 3.12.

Измерение пористости в различных зонах на примере образца, выполненного по режиму № 5.

Пористость образцов измерялась в 9 зонах. В каждой части измерения проводились у левого и правого краёв шлифа, а также по середине. Оценивалась средняя пористость в верхней, средней и нижней частях наплавленных образцов, среднее значение по всему образцу, а также максимальное значение по результатам измерения в 9 зонах. Графически полученные данные о пористости в исследованных образцах представлены на (Рис. 3.13 и 3.14).

Рис. 3.13.

Результаты измерения пористости в различных зонах исследованных образцов.

Рис. 3.14.

Результаты определения средней и максимальной пористости в исследованных образцах.

Анализ представленных результатов показывает, что при более жестких с точки зрения термических циклов и режимах наплавки пористость несколько выше. Однако, анализ шлифов показывает, что

определяющее влияние оказывает количество относительно крупных пор, которое для данного порошка в пределах исследованных диапазонов параметров режимов обработки изменяется незначительно и не имеет выраженной закономерности. Высокие значения пористости в верхних частях обусловлены именно наличием в них крупных пор, таких, как представлены на (Рис. 3.15).

а, б - примеры крупных пор, образец № 5, верхняя часть шлифа, увеличение х100

Рис. 3.15.

Крупные поры.

В целом, пористость для данного материала не является главным дефектом. Распределение пор неоднородно, наибольшее их количество сосредоточено вблизи подложки, что связано с дополнительным повышением скорости кристаллизации и охлаждения в связи с теплоотводом в подложку. Для случая выращивания, это не представляет проблемы, поскольку нижние слои срезаются при удалении изделия с подложки. При наплавке, когда требуется обеспечить адгезию наплавленного металла к основному, необходимо добиться минимального дефектообразования во всех частях. В исследованных образцах наиболее крупные поры встречались в верхних слоях, в нижних наблюдались дефекты, которые скорее следует отнести к несплавлениям.

3.3.1.3. Трещины и несплавления

В исследованных образцах преобладают вертикальные трещины (Рис. 3.16).

а б

а - режим № 4; б - режим № 5 Рис. 3.16.

Вертикальные трещины в наплавленных слоях.

Несплавления образуются между слоями и связаны с недостаточным энерговложением. Вблизи подложки их возникновение обусловлено теплоотводом в неё. Пример несплавлений показан на (Рис. 3.17). Для борьбы с ними в случае, если режим обеспечивает качественное формирование слоя и необходимый уровень свойств, целесообразно использовать подогрев подложки.

а б в

а - режим № 2; б - режим № 3; в - режим № 6

Рис. 3.17.

Несплавления в наплавленных слоях.

Встречаемость различных дефектов представлена в Таблице 18.

Таблица 18.

Встречаемость различных дефектов в наплавленных образцах

Тип дефекта Режим № 1 Режим № 2 Режим № 3 Режим № 4 Режим № 5 Режим № 6

Трещины нет нет нет да да нет

Несплавления нет да да нет нет да

Средняя пористость, % 0,18 0,16 0,40 0,33 0,67 0,44

3.3.1.4. Исследование структуры наплавленного металла

После анализа металлографических образцов в пп.3.3.1.1 - 3.3.1.3 были скорректированы параметры процесса для сглаживания термического цикла, что привело к отсутствию трещин и минимальному наличию пор. Для исследования формируемой структуры при выращивании методом КЛП из материала 28Х3СНМВФА был изготовлен образец при следующих параметрах режимов обработки: мощность лазерного излучения 660 Вт, скорость обработки 400 мм/мин, подача порошка 12 г/мин, шаг по вертикали 0,7 мм, шаг штриховки 0,9 мм (режим №1 Таблица 15). Это сочетание параметров режимов должно обеспечить получение требуемой геометрии детали при выращивании, в частности, образцов для механических испытаний, оптимальное соотношение производительности и пористости при отсутствии трещин и несплавлений.

Снимок поперечного сечения образца при увеличении х 6,7, полученный через слой спирта на микроскопе Olympus SZ61, показан на (Рис. 3.18). Видно, что в данном образце наблюдаются дефекты в виде мелких пор, других достаточно крупных дефектов не обнаружено.

Рис. 3.18.

Поперечное сечение образца для исследования структуры (образец перевернут, подложка слева).

Перед травлением, было произведено измерение микротвердости наплавленного металла в средней части по ширине на глубине примерно 50 мкм от верхней поверхности, примерно в середине по высоте и на расстоянии около 0,2 мм от подложки, результаты которого приведены в пункте 3.3.1.5. Травление производилось с целью визуализации первичной структуры металла, а также формирования валиков.

Для обеспечения высокой сплошности металла, соседние валики перекрывают друг друга примерно на 50 %, это в сочетании с малым шагом по высоте также обеспечивает формирование достаточно ровной поверхности для нанесения последующего слоя и возможности выращивания высоких изделий, например, образцов для испытаний механических свойств.

На снимках, приведенных на (Рис. 3.19) видно, что при наплавке формируется неоднородная структура преимущественно дендритного и полиэдрического типов, с глубоким вытравливанием междендритных областей, что говорит о химической неоднородности наплавленного металла на микроуровне (Рис. 3.19, в). В целом, для сварочных и родственных им процессов такая картина является типичной. В отдельных участках наблюдается направленная дендритная структура с углом

срастания дендритов около 90°, которая не является типичной и связана, вероятно, с условиями теплоотвода в конкретной части изделия (Рис. 3.19, г). На (Рис. 3.19, а и 3.19, б) приведены примеры типичного расположения дефектов, как видно, они концентрируются по границам слоёв. Образование пор по границам слоёв может быть нивелировано дополнительным отжигом порошка в инертной атмосфере в тех случаях, когда оно связано с качеством порошкового материала.

а - форма валиков, х 100; б - дефекты, х100; в - типичная структура, х500; г - направленная дендритная структура, х 500

Рис. 3.19. Структура наплавленного металла.

3.3.1.5. Результаты измерения микротвердости наплавленного металла

Микротвердость измерялась с применением поверенного универсального твердомера Виккерса ЕшсоТеБ1 БигаБсап 20 (глава 2). Результаты измерений представлены в Таблице 19.

Таблица 19.

Результаты измерения микротвердости наплавленного металла

Расположение зоны Индивидуальные значения, НУ Среднее значение, НУ

В середине ширины, глубина около 0,05 мм 440;445;463;474;473 459,0

В центральной части шлифа 291; 287; 279; 284; 297 287,6

В середине ширины, около 0,2 мм от подложки 330; 326; 321; 330; 354 332,2

Микротвердость металла неоднородная как по глубине, так и в пределах слоя. Наибольшее значение достигается у поверхности, вероятно, это связано с наибольшей скоростью охлаждения и формированием закалочных структур. В целом, неравномерность твердости может быть вызвана неоднородностью химического состава металла.

После исследований на отработанном режиме №1 из Таблицы 15, были выращены 8 образцов для механических испытаний. В результате была получена первая партия образцов, геометрия которых соответствовала заданной в техническом задании (Рис. 3.20). Заготовки были направлены на механическую доработку. После проведения контроля внутренних дефектов на образцах проводилось исследование временного сопротивления, предела текучести, относительного удлинения (Таблица 20).

Рис. 3.20.

Заготовки под образцы на механические испытания.

Таблица 20.

Усредненные механические свойства образцов

Механические свойства

Значения Временное сопротивление, кгс/мм2 предел текучести, кгс/мм2 относительное удлинение, %

согласно ТУ > 160 > 130 > 8,5

фактические 1 141 122 10

2 144 124 10

Исходя из вышеперечисленного эксперимента можно сделать вывод, что подобран оптимальный режим для выращивания детали. Для дальнейшей работы выбран режим под номером 1 из Таблицы 15.

3.3.2. Метод селективного лазерного плавления

В соответствии с пунктом 3.3.1, селективное лазерное плавление представляет собой метод производства металлических изделий сложной геометрии и внутренней структуры, основываясь на цифровых 3D -моделях. Эта технология дает возможность изготавливать металлические детали с высокой степенью точности и плотности, оптимизируя конструкцию и уменьшая массу конечного продукта. Применение СЛП позволяет

создавать уникальные изделия сложной формы, требующие минимальной или полной отмены механической обработки и применения дорогостоящей оснастки.

Технология селективного лазерного плавления (СЛП) открывает значительные возможности для оптимизации производственных процессов в различных секторах экономики благодаря следующим факторам:

• Гарантирует высокую степень точности и воспроизводимости результатов.

• Позволяет решать сложные производственные задачи, включая создание изделий со сложной геометрией.

• Ускоряет процесс проведения научно -исследовательских и опытно -конструкторских работ.

• Дает возможность снизить вес конечного продукта за счет создания конструкций с внутренними пустотами.

Суть селективного лазерного плавления заключается в последовательном сплавлении слоев детали из порошкового материала, будь то металл, керамика или полимер. Наиболее часто применяются металлические порошки с размером частиц от 10 до 40 мкм. Скрепление гранул порошка происходит за счет их частичного расплавления под воздействием лазерного луча. Этот луч перемещается по каждому слою по заранее заданной траектории, определяемой стратегией обработки и трехмерной моделью изделия, созданной и подготовленной в компьютерной среде.

Методом СЛП было выращено и изучено 36 образцов. Режимы выращивания варьировались в следующих параметрах - скорость процесса (Ууаг=722,5; 850; 1062,6 мм/сек), мощность излучения (Руаг=165; 180; 220; 250 Вт), шаг штриховки=0,092, 0,115, 0,138 мм, высота слоя И=4 мм, диаметр пятна в фокусе ё=0,08 мм. Был реализован всесторонний эксперимент, в котором менялись параметры: интенсивность лазерного излучения, скорость движения лазерного луча по обрабатываемой зоне и

расстояние между линиями лазерной обработки поверхности слоя (Рис. 3.21). Подобная толщина слоя гарантирует наилучший баланс между точностью и эффективностью процесса аддитивного производства.

Рис. 3.21.

Схема процесса селективного лазерного плавления и основные параметры обработки.

При изготовлении опытных образцов применялась многонаправленная стратегия сканирования лазерным излучением, сущность которой заключается в следующем. Каждое сечение изготовляемой детали разбивается на элементарные квадратные ячейки в шахматном порядке (Рис. 3.22). Отличие двух соседних ячеек выращивания состоит во взаимно перпендикулярной ориентации векторов сканирования. В нашем случае размер одной ячейки 4х4 мм.

Рис. 3.22.

Многонаправленная стратегия сканирования (слой п).

Сканирование в рамках одного слоя осуществляется в два этапа, сначала последовательно все ячейки с параллельными треками, затем последовательно оставшиеся ячейки.

В следующем слое «шахматка» смещается по двум осям на величину, равную половине размера одной элементарной ячейки (в нашем случае на 2 мм) и поворачивается на угол в 670 против часовой стрелки (Рис. 3.23). Как было установлено, такая стратегия исключает возможность сканирования линий, которые расположены непосредственно поверх друг друга и приводит к уменьшению содержания остаточных напряжений в готовом изделии и, как следствие, улучшается точность геометрических размеров и уменьшается шероховатость боковых поверхностей деталей [8].

Многонаправленная стратегия сканирования.

Перед выращиванием порошковый материал прокаливался в печи при температуре 130оС в течение 30 минут, с целью удаления адсорбированной влаги с поверхности частиц. Селективное лазерное плавление проводили в защитной атмосфере аргона.

В проведенных экспериментах диаметр пятна был неизменным. Режимы отработки приведены к параметру погонной энергии (3.1), который обобщает основные параметры лазерной обработки (мощность и скорость) и позволяет увидеть влияние варьирования шага штриховки.

Такой вид удобно использовать при сравнении результатов экспериментов, проведенных на различном оборудовании с различными параметрами, характерными для конкретной установки.

Р

Е =

V • К

(3.1),

где Р - мощность лазерного излучения, V - скорость сканирования, Ь -высота слоя.

Погонная энергия уменьшается с увеличением скорости сканирования, которая определяет производительность процесса выращивания. Уменьшение мощности лазерного излучения при неизменных значениях скорости и диаметра пятна в фокусе снижает погонную энергию, что приводит к недостаточному плавлению частиц материала и увеличивает пористость.

Далее, выращенные кубики были удалены с подложки, и из них изготовлены шлифы для исследования пористости и других возможных дефектов, а также для измерения микротвердости.

3.3.2.1. Исследование формирования кубиков

Процесс изготовления металлографических проб подробно описан в п.3.3.1.1.

На (Рис. 3.24) приведён вид поперечных сечений кубиков. Снимки были выполнены на оптическом микроскопе Olympus GX51 при увеличении 6,7 (описан в главе 2). В нём реализована система темнопольного освещения за счет применения лампы кольцевой формы. Это позволяет выявлять дефекты на нетравленых образцах. Для дополнительного повышения контрастности снимки выполнялись через слой этилового спирта на поверхности шлифов.

Видно, что геометрия образцов в целом выдерживается при всех режимах обработки.

В некоторых исследованных образцах обнаружены дефекты в виде пор и трещин.

Результаты исследования пористости оптическим методом приведены в пункте 3.3.2.2.

Трещины рассмотрены в пункте 3.3.2.3.

Шлифы поперечных сечений образцов. Образцы выполнены по режимам: а - V=722,5 мм/сек, P=250 Вт, h=0,04 мм, d=0,08 мм, шаг штриховки=0,092 мм; б - V=850 мм/сек, P=250 Вт, h=0,04 мм, d=0,08 мм, шаг штриховки=0,115 мм; в - V=1062,6 мм/сек, P=250 Вт, h=0,04 мм, d=0,08 мм, шаг штриховки=0,115 мм; г - V=850 мм/сек, P=220 Вт, h=0,04 мм, d=0,08 мм, шаг штриховки=0,115 мм; д - V=850 мм/сек, P=165 Вт, h=0,04 мм, d=0,08 мм, шаг штриховки=0,138 мм; е - V=1062,6 мм/сек, P=165 Вт, h=0,04 мм, d=0,08 мм, шаг штриховки=0,115 мм.

3.3.2.2. Исследование пористости

Исследование пористости осуществлялось оптическим методом с применением металлографического инвертирующего микроскопа Olympus GX51 (глава 2) в светлом поле по освещению при увеличении х 50. Примеры снимков с порами, выполненных для пористых участков, представлены на (Рис. 3.25).

а - режим: V=1062,6 мм/сек, P=165 Вт, h=0,04 мм, d=0,08 мм, шаг штриховки=0,092 мм

Рис. 3.25. Пористость в различных зонах.

б - режим: V=722,5 мм/сек, P=180 Вт, h=0,04 мм, d=0,08 мм, шаг штриховки=0,138 мм

Пористость образцов измерялась в 9 зонах, расположенных в три ряда таким образом, что оценивалось значение этого показателя в верхней, средней и нижней (у подложки) частях образца. В каждой части измерения проводились у левого и правого краёв шлифа, а также по середине. Оценивалась средняя пористость в верхней, средней и нижней частях наплавленных образцов, среднее значение по всему образцу, а также максимальное значение по результатам измерения в 9 зонах. Полученные данные о пористости в исследованных образцах представлены на (Рис. 3.26), как функция зависимости от погонной энергии.

п, %

91,25

82,5 73,75

65 Е, Дж/мм2

3 4,75 6,5 8,25 10

Рис. 3.26.

Значения сплошности материала от погонной энергии

На графике хорошо видно, что уменьшение шага штриховки положительно сказывается на снижении пористости, при сохранении скорости и мощности лазерного излучения неизменными.

Анализ представленных результатов показывает, что при низких значения погонной энергии пористость выше, так как энергии недостаточно для переплавления объёма порошкового материала. Увеличение мощности, снижение скорости и уменьшение шага штриховки приводит к увеличению удельной энергии и, как следствие, к снижению пористости. Однако, как показано в пункте 3.3.2.3. большие значения удельной энергии приводят к возникновению трещин. Других пор, связанных с отклонением размеров порошинок от заявленных, не наблюдалось.

3.3.2.3. Трещины и несплавления

Образование трещин связано с особенностями технологических свойств материала. Первые, как правило, связаны с исчерпанием запаса пластичности при деформировании в высокотемпературной области, однако, возможно образование трещин другой природы, поэтому исследование технологической прочности порошковых материалов при выращивании является важной задачей. Как правило, возможно установить такие интервалы параметров режимов, в которых их образование маловероятно.

В исследованных образцах преобладают горизонтальные трещины, то есть расслоение материала (Рис. 3.27). В 3.3.2.4 рассмотрим режим, который показал наименьшее количество пор и трещин.

а - У=722,5 мм/сек, Р=250 Вт, б - У=1062,6 мм/сек, Р=250 Вт,

И=0,04 мм, d=0,08 мм, И=0,04 мм, d=0,08 мм,

шаг штриховки=0,115 мм шаг штриховки=0,138 мм

Рис. 3.27.

Горизонтальные трещины между слоями.

Сталь 28Х3СНМВФА отечественного производства подходит для процессов селективного лазерного плавления. При выращивании из порошкового материала стали 28Х3СНМВФА рекомендуются следующие режимы:

Таблица 21.

Оптимальные режимы процесса СЛП

Параметр Значение

Мощность излучения, Вт 250

Скорость обработки, мм/сек 722,5

Шаг штриховки, мм 0,092

Высота слоя, мм 0,04

Диаметр луча на подложке, мм 0,08

Данные режимы должны обеспечить получение требуемой геометрии изделия при выращивании, в частности, образцов для механических испытаний, оптимальное соотношение производительности и пористости при отсутствии трещин и несплавлений.

Твердость неоднородна по объему образцов. Возможна необходимость последующей термической обработки изделий.

3.3.2.4. Исследование структуры наплавленного металла

Для исследования формируемой структуры при наплавке порошка из материала Сталь 28Х3СНМВФА был изготовлен образец при следующих параметрах режимов обработки: мощность лазерного излучения 250 Вт, скорость обработки 722,5 мм/сек, шаг штриховки - 92 мкм, высота слоя 40 мкм, так как данный режим показал наименьшее значение пор.

Это сочетание параметров режимов должно обеспечить получение требуемой геометрии изделия при выращивании, в частности, образцов для

механических испытаний, оптимальное соотношение производительности и пористости при отсутствии трещин и несплавлений.

Снимок поперечного сечения образца при увеличении х 6,7, полученный через слой спирта на микроскопе Olympus GX51, показан на (Рис. 3.28). Видно, что в данном образце наблюдаются дефекты в виде микропор, других достаточно крупных дефектов не обнаружено. Хорошо видна структура дорожек сплавления и мелкодисперсная структура зерен.

Рис. 3.28.

Поперечное сечение образца для исследования структуры.

3.3.2.5. Результаты измерения микротвердости на образцах

Микротвердость измерялась с применением поверенного универсального твердомера Виккерса ЕшеоТев1 БигаБеап 20 (глава 2) по стандартной методике с приложением нагрузки на индентор 100 г (0,981 Н). Измерение проводилось в средней части по ширине на глубине примерно 100 мкм от верхней поверхности, примерно в середине по высоте и на расстоянии около 0,7 мм от подложки. В каждой зоне было выполнено по 5 отпечатков. Результаты измерений представлены в Таблице 22.

Таблица 22.

Результаты измерения микротвердости кубических образцов

Расположение зоны Индивидуальные значения, НУ Среднее значение, НУ

В середине ширины, глубина около 0,05 мм 481; 487; 479; 484; 487 483,3

В центральной части шлифа 470; 475; 473; 484; 483 477,0

В середине ширины, около 0,2 мм от подложки 430; 426; 421; 430; 454 432,2

Микротвердость металла неоднородная как по глубине, так и в пределах слоя. Наибольшее значение достигается у поверхности, вероятно, это связано с наибольшей скоростью охлаждения и формированием закалочных структур. В целом, неравномерность твердости может быть вызвана неоднородностью химического состава металла (более подробно о химическом составе в п.3.2).

Следует отметить, что высокопрочная Сталь 28Х3СНМВФА после отпуска имеет твердость на уровне 269 НУ, что свидетельствует об образовании структур отпуска в центральной части образца и закалочных -вблизи его поверхности. Вблизи подложки из-за более высокой скорости охлаждения формируется смешанная структура, закалка выражена в меньшей степени.

Исходя из вышеперечисленного эксперимента можно сделать вывод, что данная МПК 28Х3СНМВФА отечественного производства подходит для процесса СЛП. Также был выбран режим для дальнейшего выращивания образцов для механической обработки и подобран оптимальный режим для выращивания детали. Для дальнейшей работы выбран режим - скорость 722,5 мм, мощность 250 Вт, шаг штриховки 0,092 мм, высота слоя 0,04 мм, диаметр пятна в фокусе 0,08.

Однако, для исследования напряженно-деформированного состояния детали при выращивании и после выращивания, проведение экспериментов не представляется возможным. Нужно множество вариаций выращивания на подбор оптимальных параметров и расположения детали в зоне построения. К тому же возможности экспериментальных методов определения напряжений и деформаций при выращивании крайне ограничены, поэтому необходимо использовать моделирование.

3.4. Модель оценки деформаций и напряжений

Создание моделей играет ключевую роль в процессе разработки новых технологий. В данном исследовании использовались тепловая и механическая модели для термомеханического моделирования, полученные в результате применения технологии селективного лазерного плавления (СЛП) с использованием высокопрочной стали 28Х3СНМВФА. Программное обеспечение, которое используется для нелинейного анализа термомеханических процессов методом конечных элементов, применяется для выполнения прогнозируемого моделирования детали. Являясь инструментом предварительного прогнозирования возникновения дефектов, программа использовалась для создания и анализа процессов построения детали как до, так и после обработки. Причины моделирования заключаются в том, что эксперименты проводить долго и неудобно, нужно множество итераций на подбор оптимальных параметров для конкретной детали. Каждый раз выращивать полностью деталь и сканировать ее на томографе трудо- и времязатратно. Моделирование позволяет быстро и заранее предсказать результат. Моделирование селективного лазерного плавления, включая воздействие лазера на порошковый материал, образование расплавленной области и последующее затвердевание, дает возможность прояснить множество ключевых аспектов и спрогнозировать ход процесса, а также вероятность достижения желаемых показателей.

Моделирование активно ведется в различных научно -исследовательских учреждениях и группах, и данная работа выявила потребность в разработке инновационных стратегий для улучшения вычислительного процесса, поскольку ряд важных факторов не был принят во внимание в применяемых программах.

3.4.1. Метод моделирования

Моделирование является важной составляющей при разработке технологий, а также оно позволяет быстро и достоверно предсказать результат выращивания. В этой работе в основе метод моделирования, в котором первоначально исследуется история нагрева, а ее результаты используются в качестве файла тепловой нагрузки для последующего моделирования напряжений и деформаций [36].

3.4.2. Тепловая модель

Тепловая модель, используемая в этой работе, и основные уравнения, необходимые для расчета температурных полей, необходимые для расчета температурных полей, а также необходимых тепловых граничных условий, включены в трехмерный расчетный термомеханический модуль Autodesk Netfabb Local Simulation [37].

Тепловое равновесие рассчитывается с помощью уравнения:

(3.2),

где Т - температура, 1 - интересующий момент времени, Ср - теплоемкость изотропного тела, р - постоянная плотность, переменные Q - мощность источника тепла, х] - координата источника тепла и qi - вектор теплового

потока. В данной работе за температуру окружающей среды было взято значение 25°С, а температура предварительного подогрева составляла 200 °С.

Т0 = Тот

(3.3),

Затем источник тепла и поверхностные тепловые потери за счет излучения и конвекции реализуются путем применения граничного условия Неймана, состоящего из двух частей. Из уравнения проводимости Фурье вектор теплового потока может быть выражен как отношение температуры (Т) и координаты источника тепла (х^ к проводимости к(Т) как изотропная температурная зависимая переменная теплопроводимости.

ат

ч' = -к(т) ах:

(3.4),

Для первого этапа температура считается либо равной температуре предварительного нагрева пластины, либо температуре окружающей среды. Первоначально температуры последующих временных шагов затем используются в качестве узловых температур, которые получаются дискретно из последнего завершенного итеративного временного шага. Источник тепла Q, в уравнении (3.2) смоделирован на основе модели эллипсоида Голдака (см. Рис. 3.29), которая имеет трехмерное гауссово распределение [38].

Рис. 3.29.

Модель двойного эллипсоида Голдака (Флинт и др., 1984). бТЭР^ Эх2 3у2 3(z + vst)2

^аи ехр(-———)

(3.5),

При заданной мощности лазера Р и эффективности поглощения п эллипсоидальные размеры а, Ь и с являются соответствующими значениями поперечного сечения, глубины расплава и продольного сечения при условии, что источник тепла (лазер) движется со скоростью Уб. Локальные координаты, обозначенные х, у, и ъ, тоже представлены в уравнении (3.5).

Моделирование потерь тепла из -за конвекции и излучения достигается за счет использования закона охлаждения Ньютона и закона Стефана-Больцмана соответственно. При потере тепла из-за конвекции соотношение между тепловым потоком qc, температурой поверхности Т8 и коэффициентом теплопередачи выражается уравнением (3.6).

Яе = h(Ts - Тот)

(3.6),

Потери тепла из-за радиации моделируются с помощью уравнения (3.7), в котором qrad обозначает тепловой поток, е - коэффициент излучения поверхности и о - постоянная Стефана-Больцмана.

Линеаризованное излучение (3.7) можно выразить уравнением:

Ч^ = hrad(Ts - Тоо)

(3.7),

в котором коэффициент теплопередачи может быть получен из уравнений, представленных выше, или выражен уравнением (3.8) ниже:

ea(Ts 4 — Тет4) hrad = —т _ т- = eCT(Ts2 + TOT2)(Ts + TOT)

(3.8),

3.4.3. Механическая модель

Механическая модель, встроенная в термомеханический решатель для нелинейного анализа методом конечных элементов Autodesk Netfabb Simulation, реализована следующим образом [39].

Равновесие напряжений, которое используется в качестве основного уравнения для вычисления механических реакций, показано в (3.9):

^ст = 0

(3.9),

Напряжение о равно произведению тензора жесткости материала С на тензор четвертого порядка и упругое напряжение ее, как показано в уравнении (3.10) ниже:

ст = С£е

(3.10),

Принимая во внимание теорию малых деформаций, величину общей деформации еТ можно рассчитать как сумму упругой деформации ее, термической деформации еш и пластической деформации ер, как показано в уравнении (3.11):

£Т = £е + £Ш + £р

(3.11),

При небольших деформациях термическая деформация рассчитывается с помощью уравнений (3.12), (3.13) и (3.14).

£ш = £Ш]

(3.12),

£Ш = а(Т - Тге0

(3.13),

j = [1 1 1 0 0 0]

т

(3.14),

в которых Тге£ обозначает эталонную температуру, а а - коэффициент теплового расширения материала.

Для этой модели пластические деформации при малых деформациях получаются путем применения критерия текучести Мизеса, а также правила потока Прандтля-Рейсса. Связь между функцией текучести, £ критерием текучести Мизеса, вектором течения, а/гою, пределом

текучести материала, стугем, а также эквивалентной пластической деформацией, ед, показана в уравнениях (3.15), (3.16) и (3.17).

Принимая во внимание, что любые большие деформации, ожидаемые в этой работе, могут возникнуть в конкретном пространственном положении детали х и в значительной степени отличаться от относительно недеформированного эталона X, уравнение равновесия напряжений было

(3.15),

£р £qaflow

(3.16),

(3.17),

сформулировано с использованием Р в качестве первого тензора напряжений Пиола-Кирхгофа, как показано далее:

= 0

(3.18),

Первый тензор напряжений Пиола-Кирхгофа получается с использованием тензора напряжений о и определителя градиента деформации J, как показано в уравнении в (3.19) ниже.

Р = ■ F-T

(3.19),

в котором градиент деформации F по отношению к недеформированному

эталону X равен:

^ dx

F = dX

(3.20),

Градиент смещения D, используемый для получения деформации Грина E, представляет собой разницу между градиентом деформации и единичной матрицей I, как показано в уравнении (3.21) ниже.

D = F — I

(3.21),

Величина деформации Грина, E, затем рассчитывается с помощью уравнения (3.22) ниже:

E = 1 ((D + DT) + (D • DT))

(3.22)