Введение

Аддитивные технологии, начав свое развитие как метод быстрого послойного прототипирования объектов с использованием пластиков и полимеров различной морфологии и составов, быстро нашли применение в различных областях промышленности, трансформировавшись в том числе под изготовление металлических деталей [1]. Несмотря на то, что данные технологии постоянно совершенствуются, определенные технологические проблемы, связанные с использованием материалов, возможностями оборудования, геометрическими ограничениями на изготавливаемые изделия, управлением и моделированием процессов, оказывают влияние на их развитие [2]. В настоящее время технологии послойного синтеза с применением металлических порошков занимают значительную долю рынка аддитивного производства. Самым распространенным методом аддитивных технологий является селективное лазерное сплавление (СЛС), заключающееся в послойном нанесении металлопорошковой композиции (МПК) и ее последующем выборочном сплавлении при помощи лазерного излучения в соответствии с текущим сечением 3D-модели [3].

Необходимость применения поддерживающих структур при изготовлении деталей методом послойного синтеза является одним из сложных аспектов аддитивного производства. Высокая плотность энергии лазерного излучения в методе СЛС, сконцентрированная в локальном объеме зоны сплавления, в сочетании с высокой скоростью кристаллизации синтезированного материала [4, 5] приводит к возникновению большого теплового градиента между различными областями изготавливаемой детали и может являться причиной высоких внутренних термических напряжений в материале [6, 7]. Последние могут вызывать деформации и искажение геометрической формы изделия, приводить к возникновению дефектов при отделении детали от платформы построения и к образованию трещин в процессе постобработки детали (рис. 1).

Рис. 1. Искажение геометрической формы деталей вследствие больших внутренних напряжений, а также при печати поверхностей под углом больше критического

Вместе с тем сама форма детали, в частности сложнопрофильных навесных элементов или наклонных стенок, расположенных под углом больше критического, также может способствовать искажению ее геометрии. Частично данная проблема решается применением специальных поддерживающих структур, которые подводят к критическим поверхностям детали и в процессе печати жестко соединяют их с плитой построения. В результате поддерживающие структуры работают как элемент теплоотвода, предохраняющий локальную область от перегрева, а также как бандаж, предотвращающий геометрические искажения детали в процессе печати [8]. Необходимость в поддерживающих структурах является одним из ограничивающих факторов метода СЛС. Они вносят дополнительные требования к геометрической форме изготавливаемых деталей, увеличивают время построения и последующие производственные затраты на их удаление и зачистку поверхности деталей, а также снижают качество поверхностей, к которым они подводились [9].

Поскольку поддерживающие структуры создают еще на этапе подготовки 3D-модели детали к процессу синтеза, важную роль в их эффективности играет правильное расположение, выбранный тип, параметры структуры и другие свойства, которые определяют на этапе их моделирования. Инструменты, позволяющие проводить это моделирование, крайне важны для аддитивного производства. Как правило, программное обеспечение, настроенное для работы с 3D-моделями под аддитивное производство, имеет достаточно широкий набор параметров и функций построения поддерживающих структур. Например, модуль генерации поддержек программы Materialise Magics имеет базу широкого спектра поддерживающих конструкций, включая самые распространенные и часто используемые блочные (рис. 2, а), контурные (рис. 2, б), линейные (рис. 2, в) и некоторые другие, менее используемые, виды поддержек [10].

Рис. 2. Основные типы поддерживающих структур

в методе селективного лазерного сплавления

Среди всех типов поддерживающих конструкций, показанных на рис. 2, наиболее распространенным для метода СЛС является блочный тип. Этот тип поддержек состоит из прямоугольных тонких стенок, взаимно перпендикулярно пересекающихся друг с другом, с заданным расстоянием между ними. Они могут иметь так называемые перфорации для облегчения конструкции, уменьшения количества используемого порошка и упрощения удаления порошка из массива поддержек, а также различные виды начальных и конечных областей, подходящих непосредственно к плите построения или самой детали, в виде сплошного массива, зубцов, пинов и т. д. В модуле генерации поддерживающих структур при моделировании эти поддержки задаются как плоскости нулевой толщины, которые установка СЛС при печати формирует в виде послойно наложенных друг на друга единичных треков. Режимы сканирования этих треков имеют существенные отличия от сканирования сечения основного материала или контура. При этом влияние расширенных параметров (тонких настроек) движения, поворота и задержек включения лазерного луча на поддержках выражено сильнее.

При учете указанных технологических особенностей цель работы – оптимизация режимов печати поддерживающих структур блочного типа для сплава на основе кобальта системы Co–Cr–Ni–W–Ta [11, 12]. Этот сплав является достаточно технологичным для использования в методе СЛС. Из жаропрочных сплавов, подобных рассматриваемому, изготавливают ответственные детали газотурбинного двигателя (ГТД) [13, 14]. Однако в сплаве при печати возникают значительные термические напряжения, что накладывает дополнительные требования к виду и режимам синтеза поддерживающих структур [15–17].

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10. «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии получения деталей, полуфабрикатов и конструкций» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [18].

Материалы и методы

Для печати поддерживающих структур и образцов в работе использована МПК жаропрочного сплава на основе кобальта системы Co–Cr–Ni–W–Ta с рабочей температурой 1100 °С (фракции размером 10–63 мкм). Основа сплава состоит из следующих элементов, % (по массе): 49–53 Co; 20–30 Cr и 7–10 Ni. Углерод как основной упрочняющий элемент, образующий в структуре материала карбиды, содержится в сплаве в количестве до 0,25 % (по массе) [14]. Выплавку прутковых шихтовых заготовок проводили в вакуумной индукционной печи VIM150. Для снижения влияния вредных примесей и дополнительного раскисления при вакуумно-индукционной выплавке добавляли La и Mg в количествах, принятых в практике металлургии жаропрочных сплавов. Металлопорошковая композиция сплава получена методом газовой атомизации расплава на установке HERMIGA 10/100 VI. Рассев МПК по фракциям проводили с использованием ситового анализатора А20/4 на базе вибропривода ВП 50. Осуществляли также отделение тонкой фракции (<10 мкм) на газодинамическом сепараторе (классификаторе) установки HERMIGA.

Процесс СЛС проводили на установке Concept Laser M2 Cusing (Германия). Базовые параметры режима сплавления (скорость сканирования и мощность лазера) не меняли в ходе выполнения работы. Линейная плотность энергии при формировании трека составила 0,1 Дж/мм. Толщину слоя выбрали 30 мкм. Среди доступных для изменения тонких настроек построения поддерживающих структур на установке Concept Laser M2 Cusing определяющими являются те, которые характеризуют задержки движения и включения луча лазера при проходе заданного участка области сканирования и переходов от одного участка к другому. Описание основных настроек показано в таблице

Описание тонких настроек режима сплавления поддерживающих структур

Задержки – это периоды (в мс) между включением или выключением лазера и ускорением или замедлением отклоняющих зеркал. Эти периоды имеют прямое влияние на структуру трека, поскольку векторы экспонирования активируют отклоняющие зеркала системы позиционирования луча, которые имеют физические ограничения по скорости изменения траектории, а включение и выключение лазерного луча при этом управляются источником излучения практически мгновенно и их работа должна быть синхронизирована. Эти задержки компенсируют отрицательные эффекты, которые могут возникнуть при ускорении и замедлении отклоняющих зеркал. Изменение продолжительности экспозиции при ускорении или замедлении, т. е. в начале или в конце вектора экспозиции, приводит к увеличению или уменьшению плотности энергии на единицу длины трека при постоянной мощности лазера. Поскольку начало и конец векторов экспонирования обычно находятся на конечных участках схемы сканирования, повышенное энерговложение приводит к образованию наплывов, переплавов, задиров и других неоднородностей трека. Чтобы избежать этих эффектов, лазер следует включать только в том случае, если отклоняющие зеркала работают с заданной скоростью.

В качестве базовых значений параметров задержек, на основе которых сформирована сетка эксперимента, выбраны предустановленные значения установки Concept Laser M2 Cusing для штатного режима сплавления жаропрочных сплавов. Значения для параметров DelayBeamOn и DelayBeamOffзаданы в диапазоне от 0,1 до 2 мс, для параметра DelayCorners – от 0,1 до 3 мс, для параметров JumpDelay и MarkDelay – от 0,1 до 5 мс. Для оценки результатов фотографии образцов получены с использованием растровой электронной микроскопии на микроскопе Verios 460 XHR.

Результаты и обсуждение

Параметры задержки включения и выключения луча лазера в начале и в конце непрерывного участка схемы сканирования (DelayBeamOn и DelayBeamOff) определяют форму и структуру трека на этих оконечных отрезках (рис. 3).

Рис. 3. Схема влияния задержек DelayBeamOn (а) и DelayBeamOff(б) на структуру трека

При использовании данных схем задержки вектор экспонирования заданного участка блокируется отклоняющими зеркалами и лазерный луч включается с задержкой. Это означает, что первая часть вектора экспозиции не будет экспонироваться лазером. По окончании вектора экспозиции лазерный луч отключается с задержкой. Это означает, что отклоняющие зеркала больше не будут открываться при замедлении. Следовательно, последняя часть вектора экспозиции не будет экспонирована.

Анализ полученных образцов позволяет установить следующее: если значение параметра DelayBeamOnмало, то на начальном отрезке непрерывного участка происходит переплав, образуется наплыв металла, а толщина и высота трека увеличиваются, так как скорость движения луча лазера в этот момент времени еще не достигла заданного значения, что влияет на процесс нанесения последующего слоя, нарушая его равномерность (рис. 4, а). При слишком большом значении этого параметра происходит неполное сплавление порошка в зоне воздействия пятна лазера, что приводит к существенной пористости данного отрезка трека и его разрушению при нанесении следующего слоя. Аналогичная картина наблюдается при изменении параметра DelayBeamOffс той лишь разницей, что он оказывает обратный эффект при увеличении и уменьшении значения (рис. 4, б).

Рис. 4. Вид поддержек при малых значениях параметров DelayBeamOn (а) и DelayBeamOff (б) (стрелками показаны направления движения луча при экспонировании)

Параметр задержки движения луча лазера при прохождении угловых отрезков непрерывного участка схемы сканирования при смене направления движения (DelayCorners) определяет в конечном итоге степень скругления этих областей (рис. 5).

Рис. 5. Схема влияния задержки DelayCornersна структуру трека

Выявлено, что при уменьшении этого параметра радиус скругления отрезка при изменении направления трека увеличивается. При достаточно сильном скруглении это может оказывать влияние на геометрическое построение поддерживающих структур, а также на их целостность и способность выполнять свои функции в процессе печати детали (рис. 6, а; для наглядности сетка поддержек сделана с отступом от их контура). На выбранном типе поддержек этот эффект наилучшим образом наблюдается на контурном треке. Напротив, чрезмерное увеличение данного вида задержки приводит к переплаву и появлению наплыва металла, аналогичным в случае задержки включения и выключения луча лазера на оконечных отрезках непрерывного участка схемы сканирования, а также к схожим последствиям (рис. 6, б).

Другой эффект запаздывания отражающих зеркал возникает после большого скачка между двумя векторами экспозиции, т. е. после задержек включения и выключения луча лазера при переходе от одного непрерывного участка схемы сканирования к другому в начале следующего и в конце предыдущего участка (JumpDelay и MarkDelay), характеризующих четкость и соответствие границ участков схемы сканирования заданной программе (рис. 7). Для того чтобы перейти от конечного положения вектора экспозиции к начальному положению второго вектора экспозиции, отклоняющие зеркала перемещаются с максимальной скоростью. Отклоняющие зеркала будут колебаться, если произойдет резкое замедление в заданном положении. В том случае, если лазер включается сразу после достижения цели, колебания отклоняющего зеркала в начале вектора экспозиции могут привести к флуктуациям следа лазерного луча.

Рис. 6. Вид поддержек при слишком малом (а) и большом значениях (б) параметра DelayCorners(стрелками показаны направления движения луча при экспонировании)

Рис. 7. Схема влияния задержек JumpDelay (а) и Mark Delay(б) на структуру трека

В том случае, если задержка JumpDelayслишком мала, лазер начинает работу еще до того момента, как сканатор успеет позиционировать луч в заданном месте. Это приводит к появлению «хвостов» у начальных участков трека, что в свою очередь может приводить к нарушению геометрической формы поддерживающих структур (рис. 8, б). Большая величина задержки приводит к появлению непроплавов. Напротив, при увеличении параметра задержки MarkDelay сканатор уже начинает переходить к другому участку схемы сканирования, в то время как луч лазера еще не выключен, в результате «хвосты» возникают уже у конечных участков треков (рис. 8, а). Меньшая величина задержки в данном случае также приводит к появлению непроплавов.

Рис. 8. Вид поддержек при слишком большом значении параметра MarkDelay (а) и слишком малом значении параметра JumpDelay(б) (стрелками показаны направления движения луча при экспонировании)

Таким образом, принимая во внимание определенные ранее зависимости влияния задержек движения лазерного луча, для параметров построения поддерживающих структур определены их оптимальные значения, позволяющие формировать поддержки деталей с четкой структурой и геометрической формой, гарантирующие стабильность процесса построения изделия (рис. 9). Для значения линейной плотности энергии при сплавлении трека 0,1 Дж/мм оптимальные диапазоны составят: 0,2–0,6 мс – для параметров DelayBeamOn и DelayBeamOff ; 0,1–0,4 мс – для DelayCorners; 0,2–0,9 мс – для JumpDelay; 0,3–1,0 мс – для MarkDelay.

Рис. 9. Вид поддерживающих структур, напечатанных по оптимальному режиму

Следует отметить, что в работе не рассматривали использование схемы сканирования SkyWriting, в которой требуемые траектории для ускорения и замедления отклоняющего зеркала устанавливают до и после векторов экспозиции. Это означает, что все области с неравномерным движением остаются вне векторов экспозиции. Преимущество данной схемы заключается в том, что обрабатывается только фактическая длина определенного вектора экспозиции, при этом энерговложение на единицу трека остается постоянным в любой его точке. Влияние этой схемы наиболее выражено при сплавлении основного металла или контура, что не входило в область исследований данной работы.

Заключения

Изучены особенности СЛС поддерживающих структур из МПК сплава на основе системы Co–Cr–Ni–W–Ta применительно к их расширенным параметрам (задержкам) движения лазерного луча и системы позиционирования при изменении траектории сканирования, начала и конца печати треков, перехода между треками. Выявлено, что для исследованного блочного типа поддержек основное влияния на качество их изготовления оказывают параметры Delay Beam On, Delay Beam Off, Delay Corners, Jump Delay и Mark Delay.

Установлено, что чрезмерное уменьшение или увеличение этих задержек может приводить к нарушению структуры трека, выраженному в формировании наплывов металла, переплавах или непроплавах и разрушении целостности трека – в зависимости от характера влияния конкретного параметра. Так, наибольшее негативное влияние на целостность поддерживающих структур оказывают недостаточные задержки движения отклоняющих зеркал сканатора в начале или конце вектора экспозиции, когда энерговложение на этих участках оказывается меньше заданного базовыми параметрами (скоростью сканирования и мощностью лазера), что приводит к недостаточному проплавлению порошка и разрушению этого участка трека, а также к потере связи с другими участками поддерживающих конструкций. В результате поддержка может перестать работать как единое целое, что снижает ее несущую способность, особенно в случае возникновения термических напряжений в изготавливаемой детали.

Определены оптимальные значения указанных параметров задержек для определенной плотности энергии при сплавлении трека, позволяющие формировать поддерживающие структуры деталей из сплава на основе системы Co–Cr–Ni–W–Ta с четкой структурой и геометрической формой, гарантирующие стабильность процесса построения детали.