Введение

Одним из наиболее бурно развивающихся направлений в аэрокосмической промышленности является ремонт и изготовление деталей сложной конфигурации посредством аддитивных технологий, особенно востребованным является применение титановых сплавов [1–5].

Первоначально масса титановых деталей составляла 5–10% от общей массы газотурбинных двигателей, а в современных изделиях весовая доля титановых сплавов составляет ~40% [6]. Это обусловлено такими свойствами титановых сплавов, как высокая удельная прочность, теплостойкость и высокое сопротивление коррозии.

Аддитивные технологии имеют преимущества (по сравнению с традиционными) из-за высоких экономичности и производительности при изготовлении сложнопрофильных изделий, в том числе с внутренними полостями, снижения массы изделий за счет топологической оптимизации, а также возможности восстановления геометрической формы изношенных деталей. В связи с этим в настоящее время аддитивные технологии интенсивно развиваются [7–12].

Основными методами изготовления изделий с помощью аддитивных технологий являются:

– селективное лазерное сплавление (Selective Laser Melting – SLM);

– сплавление электронно-лучевой пушкой (Electron Beam Melting – EBM);

– горячее изостатическое прессование (ГИП).

Наибольшее распространение в последние годы получила технология SLM благодаря возможности изготовления сложнопрофильных изделий по компьютерной модели практически из любых металлических порошков – цинка, бронзы, стали, титана и титановых сплавов, алюминия и алюминиевых сплавов, драгоценных металлов.

Технология SLM состоит из нескольких этапов: на поверхность платформы наносится слой порошка заданной толщины. Лазерный или электронный луч, направляемый сканирующим зеркалом, расплавляет частицы порошка на нужных участках порошкового слоя согласно трехмерной модели. Одновременно они «привариваются» к нижележащему слою. Далее стол опускается на высоту слоя при помощи специального поршня и цикл повторяется до полного формирования детали. По окончании процесса изготовления неспеченный порошок удаляют. Особенностью процесса является то, что во время изготовления изделие погружено в неспеченный порошок, который служит опорой для частей детали, что упрощает создание тонких стенок, перегородок и нависающих участков.

ТехнологияEBM осуществляется следующим образом: электроны испускаются нитью накала, разогретой до 2500°С, и далее, проходя через анод, разгоняются до ½ скорости света. Пучок электронов фокусируется магнитным полем, другим магнитным полем контролируется отклонение пучка. При достижении электронами порошка кинетическая энергия превращается в тепло, и металлический порошок сплавляется. Для получения заготовок используются порошки чистые по химическому составу, без добавок и связующих.

Особенности технологии ограничивают размер пятна электронного пучка в зоне расплава диаметром 0,2–1,0 мм (при использовании лазера эта величина на порядок меньше), поэтому по чистоте поверхности и точности EBM-технологии уступают лазерным SLM-технологиям. Однако существует множество приложений, когда независимо от способа производства (литье или аддитивные технологии) деталь необходимо подвергать финишной обработке на станках с ЧПУ.

Следует отметить, что наиболее важными свойствами являются плотность и однородность материала, а не чистота поверхности созданной детали. Ряд независимых авторов отмечают, что при сравнительно низкой чистоте поверхности плотность материала деталей, изготовленных по EBM-технологиям,выше, а структура материала лучше, чем при использовании лазерных технологий. Высокая производительность EBM-машин: 55–80 см³/ч (2–20 см³/ч – у аналогичных по размерам лазерных машин), позволяет им занимать доминирующее положение в сфере производства серийной продукции.

Особенностью машин, работающих по технологии EBM,является то, что газовая среда создает слишком высокое сопротивление электронному лучу, процесс построения детали происходит в рабочей камере, предварительно вакуумированной до <10^-4 мбар (10^-8 МПа). Это позволяет получать качественные изделия из титана и титановых сплавов, при этом обеспечивается приемлемая точность построения: ±0,2 мм на длине 100 мм.

Для решения проблемы изготовления деталей из титановых сплавов методами аддитивных технологий требуется решить задачу сырьевого обеспечения – получения мелкодисперсных металлопорошковых композиций титановых сплавов высокого качества. Отсутствие отечественных высококачественных порошков из титановых сплавов, пригодных к использованию при изготовлении деталей методом селективного лазерного сплавления, а также высокая стоимость порошков иностранных производителей являются главными сдерживающими факторами широкого развития данного направления в России.

Высококачественные металлопорошковые композиции должны иметь низкое содержание газовых примесей (содержание кислорода – не более 0,15% (по массе), содержание водорода – не более 0,01% (по массе)), а также хорошие технологические свойства (малый угол естественного откоса (высокая сыпучесть), высокая текучесть и насыпная плотность, сферичность), а также иметь высокий выход годного по фракциям в интервале 10–80 мкм для обеспечения рентабельности процесса и получения изделий с требуемыми прочностными и рабочими характеристиками.

Вследствие высокой реактивной способности для промышленного производства высококачественных порошков титановых сплавов для аддитивных технологий наибольшее распространение нашли всего три метода:

– индукционная плавка электрода с распылением газом (Electrode Induction Gas Atomization – EIGA);

– центробежное распыление вращающейся заготовки (Plasma Rotating Electrode Process – PREP);

– вакуумное индукционное газовое распыление, основанное на использовании технологии плавления с применением сосудов с холодными стенками (Vacuum Induction Melting. based on Cold wall Crucible Melting Technology combined with Inert Gas Atomization – VIGA-CC).

Из перечисленных методов гранулы, получаемые методом PREP, обладают наилучшими технологическими свойствами, но выход по фракциям ˂80 мкм для титановых сплавов имеет низкие значения 5–15% и для промышленного внедрения не подходит.

Порошки титановых сплавов, производимые методом VIGA-CC, применимы к использованию в аддитивных технологиях, но сам метод обладает невысокими экономическими показателями из-за использования сосудов с холодными стенками, а применение донного слива и дополнительных расходных материалов усложняет процесс и увеличивает стоимость порошка.

Порошки титановых сплавов, получаемые методом индукционной плавки электрода с распылением газом (EIGA), близки по качеству и значениям характеристик к порошкам, производимым методом VIGA-CC, и находят широкое применение в аддитивных технологиях в зарубежных странах.

Более 90% всех металлических порошковых материалов для аддитивных технологий производится методом VIGA. К преимуществам данной технологии относятся высокая производительность процесса, высокий выход годного по порошкам тонких фракций (˂40 мкм), чистота получаемых материалов по газовым примесям кислорода и водорода, высокий коэффициент сферичности гранул, возможность варьирования фракции получаемых частиц [13].

Во ФГУП «ВИАМ» спроектирована и введена в эксплуатацию установка ВИПиГР 50/500, работающая по методу индукционной газовой атомизации, для получения металлопорошковых композиций сплавов на основе таких активных металлов, как титан (в том числе интерметаллидных – системы Ti–Al), цирконий, или тугоплавких сплавов (ниобий, хром и др.), а также сплавов на основе никеля и железа.

Схема получения порошковых композиций методом газовой атомизации представлена на рис. 1. Принцип работы установки заключается в следующем: заготовка для распыления устанавливается в загрузочной камере с помощью цангового зажима, далее загрузочная камера и распылительная колонна вакуумируются и затем обе камеры заполняют аргоном высокой чистоты (99,999%).

Рис. 1. Схема получения порошковых композиций методом индукционной газовой атомизации:

1 – контрольный центр; 2 – электрод; 3 – камера плавления заготовки; 4 – линия подачи инертного газа; 5 – огнеупорное сопло; 6 – распылительная колонна; 7 – приемный бункер

В камере плавления заготовка расположена вертикально. После включения индуктора заготовка начинает вращаться вокруг своей оси. Посредством наведения электромагнитной индукции верхние слои заготовки, находящиеся в поле индуктора, начинают плавиться, пленка расплава стекает вниз под действием силы тяжести и попадает в поток газа, создаваемый кольцевой форсункой, где распыляется на мелкие частицы. Частицы расплавленного металла сфероидизируются за счет сил поверхностного натяжения, кристаллизуются и собираются в приемном бункере, где охлаждаются [14].

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10.3. «Технологии атомизации для получения мелкодисперсных высококачественных порошков сплавов на различной основе для аддитивных технологий и порошков припоев для пайки» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Для отработки технологии получения сверхчистых металлопорошковых композиций использовали титановые горячекатаные прутки Æ80 мм из сплавов ВТ6 и ВТ20. Во ФГУП «ВИАМ» проводили входной контроль химического состава прутков из сплавов ВТ6 и ВТ20, а по ГОСТ 28052–97 и ГОСТ 24956–81 определяли наличие газовых примесей. Химический состав горячекатаных прутков из сплавов ВТ6 и ВТ20 удовлетворяет требованиям ОСТ1-90013–81 и представлен в табл. 1 и 2. Для каждого сплава использовали по три прутка Ø80 мм.

Металлопорошковые композиции из сплавов ВТ6 и ВТ20 получены на установке ВИПиГР 50/500. Химический состав металлопорошковых композиций из сплавов ВТ6 и ВТ20 и наличие вредных примесей кислорода и азота определяли по ГОСТ 28052–97 и ГОСТ 24956–81.

Морфологию частиц (гранул) металлопорошковых композиций из сплавов ВТ6 и ВТ20 (фракция 10–80 мкм) исследовали на сканирующем электроном микроскопе FEI Verios 460 по РТМ1.2А-096–2001.

Таблица 1

Химический состав прутков диаметром 80 мм из титанового сплава ВТ6

Таблица 2

Химический состав прутков диаметром 80 мм из титанового сплава ВТ20

Результаты

В результате распыления заготовок сплавов ВТ6 и ВТ20 методом газовой атомизации на установке ВИПиГР 50/500 получены металлопорошковые композиции из титановых сплавов ВТ6 и ВТ20 на трех разных плавках-распылениях для каждого сплава.

Экспериментальным путем подобраны оптимальные режимы распыления для сплавов ВТ6 и ВТ20, обеспечивающие наилучшие показатели по гранулометрическому составу (плавки 1-2 и 2-2).

Фракционный состав полученных металлопорошковых композиций титановых сплавов ВТ6 и ВТ20 приведен в табл. 3.

Таблица 3

Содержание основных фракций в металлопорошковых композициях

титановых сплавов ВТ6 и ВТ20

Из данных табл. 3 следует, что для сплава ВТ6 выход годного по фракции 10–80 мкм составляет 80,7%, при этом выход годного по фракции 40–80 мкм составляет 41,5% (плавка 1-2). Для сплава ВТ20 выход годного по фракции 10–80 мкм составляет 80,3%, при этом выход годного по фракции 40–80 мкм составляет 40,7% (плавка 2-2).

Фракции размером 10–63 мкм представляют особый интерес для аддитивных технологий. Учитывая данные показатели, следует отметить, что технология газовой атомизации имеет преимущество в сравнении с другими технологиями получения порошка – методами PREP и VIGA-CC [13].

В табл. 4 и 5 представлены результаты исследований химического состава и наличия примесей для металлопорошковых композиций сплава ВТ6 и ВТ20.

Таблица 4

Химический состав металлопорошковых композиций из титанового сплава ВТ6

Таблица 5

Химический состав металлопорошковых композиций из титанового сплава ВТ20

Содержание основных легирующих элементов в металлопорошковых композициях из титановых сплавов ВТ6 и ВТ20 для всех плавок близко к составу материала исходных заготовок и соответствует требованиям ОСТ1-90013–81. Содержание кислорода во всех плавках составляет не более 0,15% (по массе), а водорода – не более 0,008% (по массе).

Из полученных результатов химического анализа следует, что бестигельное расплавление металла и применение аргона высокой чистоты (99,999%) позволяют получать металлопорошковые композиции из сплавов ВТ6 и ВТ20 высокой чистоты методом газовой атомизации.

Исследование морфологии частиц (гранул) металлопорошковых композиций из сплавов ВТ6 и ВТ20 после распыления проведено на сканирующем электронном микроскопе FEI Verios 460 по РТМ1.2А-096–2001.

Гранулы имеют преимущественно правильную сферическую форму с ровной поверхностью (рис. 2 в, г). На отдельных гранулах образуются сателлиты (рис. 2 а, б). При газовой атомизации конус, образующийся при распылении струи металла, имеет достаточно компактные размеры, и капли летят в одном направлении (вниз). В таких условиях мелкие частицы могут сталкиваться с крупными, что будет приводить к формированию сателлитов на поверхности гранул [15]. Доля гранул, имеющих неправильную форму, составляет менее 5%.

Рис. 2. Внешний вид гранул фракции 10–80 мкм (РЭМ) из сплавов ВТ6 (а – ×300; в – ×900) и ВТ20 (б – ×300; г – ×2000)

Данные параметры типичны для порошков, получаемых по методу индукционной плавки заготовки и газовой атомизации (EIGA) [13]. Гранулы имеют дендритную структуру.

Обсуждение и заключения

В результате распыления сплавов марок ВТ6 и ВТ20 методом индукционной газовой атомизации на установке ВИПиГР 50/500 получены металлопорошковые композиции из сплавов ВТ6 и ВТ20 высокой чистоты.

Бестигельное расплавление металла с последующей газовой атомизацией позволяет получать титановые порошки с низким содержанием газовых примесей (кислорода – не более 0,15% (по массе), водорода – не более 0,008% (по массе)).

Гранулы металлопорошковых композиций из сплавов ВТ6 и ВТ20 имеют преимущественно правильную сферическую форму с ровной поверхностью и дендритную структуру. На отдельных гранулах образуются сателлиты.

Результаты химического анализа гранул из сплавов ВТ6 и ВТ20 подтвердили отсутствие примесей, а исследование морфологии – отсутствие инородных включений в полученных металлопорошковых композициях.

Для металлопорошковых композиций из сплавов ВТ6 и ВТ20 выход годного по фракции 10–80 мкм составляет более 80%, а по фракции 40–80 мкм – более 40%.

Фракция размером 10–63 мкм представляет особый интерес для аддитивных технологий. Учитывая результаты исследований, следует отметить, что технология получения порошков титана по методу EIGA имеет преимущество в сравнении с другими технологиями получения порошка методами PREP и VIGA-CC применительно к селективному лазерному сплавлению (SLM) и сплавлению электронно-лучевой пушкой (Electron Beam Melting).

Повышение чистоты порошков титана из сплавов ВТ6 и ВТ20 и отсутствие включений в них могут повысить эксплуатационные свойства изделий из них. В связи с этим необходимы дополнительные исследования прочностных и ресурсных свойств образцов и изделий, полученных методами SLM и EВM. Сплав марки ВТ6 является востребованным на российском рынке, в связи с этим данные исследования представляют особый интерес.