Введение

Аддитивные технологии с полным основанием относят к технологиям XXI в., которые занимают одно из важнейших направлений развития авиационных материалов. Они в определяющей степени создают условия перехода промышленности к производственным технологиям нового поколения, которые принципиально меняют технологический уклад и влекут за собой изменение всего производственного цикла.

Аддитивные технологии являются важным фактором в совершенствовании технологического процесса изготовления деталей сложных технических систем [1].

Особый интерес к данным технологиям проявляет авиационно-космическая промышленность – именно здесь более всего востребованы мелкие серии высокотехнологичных деталей ответственного назначения [2].

Одним из методов аддитивного производства, использующих лазеры высокой мощности (как правило, иттербиевые волоконные лазеры) для создания трехмерных физических объектов благодаря сплавлению металлических порошков, является селективное лазерное сплавление (СЛС).

В узлах горячего тракта авиационных двигателей имеется большое количество деталей сложной внешней и внутренней геометрической формы из жаропрочных сплавов, которые выгодно изготавливать методом СЛС [3–9]. Синтезированные жаропрочные сплавы могут превосходить по механическим свойствам аналогичные сплавы, изготавливаемые по традиционным технологиям (литье, деформация). Одна из причин такого превосходства заключается в том, что частицы упрочняющих фаз на образцах, полученных методом СЛС, распределяются более равномерно, чем на образцах, полученных по традиционной технологии, при том что их размер значительно меньше, что в свою очередь приводит к повышению прочностных свойств материала.

Как в России, так и за рубежом основное внимание исследователей уделяется сплавам на основе никеля. Например, одним из широко исследуемых сплавов в мире является никелевый сплав Inconel 718 [10–13]. Синтезированный материал данного сплава имеет свойства, значительно превосходящие свойства этого сплава в литом состоянии. Однако область применения сплава Inconel 718 ограничена деталями, работающими до температуры 650 °С. Это связано с особенностями упрочнения его структуры за счет γʹʹ-фазы.

В отечественной практике применяют жаропрочные сплавы на основе никеля ЭП648 и ВЖ159 [14, 15]. В работах [16–20] отмечено превосходство механических свойств никелевого сплава ЭП648, полученного методом СЛС, после горячего изостатического прессования и термической обработки, по сравнению с аналогичным материалом, полученным по технологии литья с последующей термической обработкой. Методом СЛС из металлопорошковых композиций (МПК) жаропрочных кобальтовых сплавов изготавливают детали, обладающие высокими характеристиками прочности, жаростойкости и стойкости к коррозии. Такие детали можно использовать вместо применяемых серийных деталей из высокохромистых сплавов ВХ4Л (ЭП648), получаемого по традиционной технологии литья, и ЭП648ПС, получаемого методом СЛС, с рабочей температурой от 600 до 1000 °С.

Сплав ВХ4Л длительное время применяется для изготовления форсунок различного типа и завихрителей, обеспечивающих ламинарный поток продуктов горения в двигателе. В серийном производстве хром и его сплавы используют в качестве покрытий для повышения износостойкости трущихся деталей и узлов, стойкости ударного инструмента, а также изготовления мессбауэровских источников, применяемых в качестве гамма-излучателей в гамма-резонансной спектроскопии [21].

В то время как бо́льшая часть работ по исследованию синтезированного материала посвящена сплавам на основе никеля, с самого начала развития металлических аддитивных технологий большой интерес вызывали сплавы на основе кобальта, которые нашли достаточно ограниченное применение в традиционных технологиях. Причиной такого внимания служит исключительная технологичность применения таких сплавов в методе СЛС [22, 23]. Вероятность образования трещин при кристаллизации вследствие фазовых напряжений в крупногабаритных отливках из кобальт-хромовых сплавов существенно меньше, чем в отливках из высоколегированных литейных никелевых сплавов.

Преимуществами синтезированного кобальтового сплава, изготовленного по технологии СЛС, перед материалами аналогичного назначения, полученными по традиционным технологиям, являются:

– возможность изготовления сложнопрофильных деталей без использования оборудования для механической обработки;

– снижение времени изготовления деталей по сравнению с традиционными технологиями;

– значение коэффициента использования материала до 0,95;

– уменьшение количества литейных дефектов в готовых деталях;

– возможность создания комплексных, интегрированных деталей за один технологический цикл изготовления;

– автоматизация процесса изготовления деталей.

В данной работе проведены исследования характеристик прочности синтезированного сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta на основе кобальта, полученного методом СЛС.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 2.2. «Квалификация и исследования материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [24].

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выбран синтезированный жаропрочный сплав на основе кобальта системы Co–Cr–Ni–W–Ta с рабочей температурой до 1000 °С. Этот сплав разработан специально для применения в аддитивных технологиях. Основу сплава составляет кобальт; углерод содержится в количестве до 0,25 % (по массе), его вводят в сплав для образования упрочняющей фазы – карбидов. Дополнительно в состав сплава введены карбидообразующие элементы – вольфрам, тантал и титан.

Для получения синтезированного сплава изготовлена партия МПК сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta с массовой долей целевой фракции размером 10–63 мкм не менее 85 % на установке Hermiga 10/100 VI, предназначенной для вакуумной индукционной плавки и газового распыления порошков металлов.

Изготовление образцов проводили в три этапа:

– получение заготовок образцов перпендикулярно направлению выращивания (ориентация Х–Y), вдоль направления выращивания (ориентация Z), с учетом припуска на последующую механическую обработку, на установке СЛС Concept Laser M2 Cusing;

– проведение газостатической обработки заготовок по следующему режиму: температура T_Solv – 90 °С, давление 150 МПа, время выдержки 2 ч [22];

– изготовление образцов для механических испытаний.

Микроструктура сплава на основе кобальта после проведения газостатической обработки приведена на рис. 1. Структура представлена зернами твердого раствора (с гранецентрированной кубической решеткой), а также эвтектическим карбидами (размером до 0,8 мкм), расположенными в теле зерен, и более крупными карбидами (размером до 2,5 мкм) на основе тугоплавких элементов, локализованных в основном по границам зерен.

Рис. 1. Микроструктура синтезированного сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta

Испытания на растяжение, длительную прочность и ползучесть исследуемого сплава проводили на гладких цилиндрических образцах диаметром 5 мм и расчетной длиной 25 мм на испытательных машинах Kappa 50 DS и Kappa 50 LA, оснащенных экстензометрами продольной деформации.

Методика проведения испытаний соответствовала ГОСТ 1497–84 и ГОСТ 9651–84 для испытаний на растяжение, а также ГОСТ 10145–81 и ГОСТ 3248–81 для испытаний на длительную прочность и ползучесть.

Испытания образцов на многоцикловую усталость (МнЦУ) на базе 2×10⁷ циклов проводили на гладких образцах на испытательных машинах МВИ-611М в соответствии с требованиями ГОСТ 25.502–79.

Результаты и обсуждение

Кратковременная прочность

Проведены испытания на растяжение при температурах 20, 600, 800, 1000, 1100 и 1150 °С. На каждых температурном уровне и направлении выращивания испытывали по пять образцов.

В табл. 1 представлены средние значения модуля упругости (Е), условного предела текучести (s_0,2), предела прочности при растяжении (s_в), относительного удлинения (d) и относительного сужения (ψ) синтезированного сплава на основе кобальта.

Таблица 1

Механические свойства синтезированного сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta

Длительная прочность и ползучесть

Проведены испытания на длительную прочность и ползучесть при температурах 600, 800 и 1000 °С с долговечностями до 500 ч. На каждый вид испытаний при каждом температурном уровне и направлении выращивания испытывали по 12 образцов – по четыре образца на каждую базу испытаний.

Полученные результаты испытаний на длительную прочность и ползучесть подвергали статистической обработке с использованием уравнений температурно-силовой зависимости [25]:

где  и  – время до разрушения и время накопления деформации ползучести ε соответственно; Т – температура, К; σ – напряжение, МПа; R – универсальная газовая постоянная; ξ, m, n, U₀, γ – коэффициенты, определяемые по результатам испытаний на длительную прочность; ζ, р, α, Q₀, g – коэффициенты, определяемые по результатам испытаний на ползучесть.

Значения коэффициентов уравнений температурно-силовой зависимости (1) и (2) определяются обработкой выборки результатов испытаний образцов методом наименьших квадратов.

Расчет по уравнениям (1) и (2) позволил определить пределы длительной прочности и ползучести синтезированного сплава при температурах 600, 800 и 1000 °С с долговечностями до 500 ч (табл. 2 и 3).

Таблица 2

Средние значения пределов длительной прочности

синтезированного сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta

Таблица 3

Средние значения пределов ползучести

синтезированного сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta

Многоцикловая усталость

Проведены испытания на МнЦУ при температурах 20 и 800 °С с частотой нагружения 50 Гц (изгиб с вращением) по синусоидальному циклу (R = ‒1). На каждых температурном уровне и направлении выращивания испытывали по 20 образцов.

Проведен линейный регрессионный анализ. Принято предположение о том, что зависимость числа циклов до разрушения от заданного напряжения имеет вид [26, 27]

N = a · σ^b

и после логарифмирования обеих частей принимает вид

lgN = lga + b · lgσ,

где N – число циклов до разрушения; σ – заданное максимальное напряжение цикла; a и b – коэффициенты, постоянные в рамках одной серии испытаний.

Для определения коэффициентов a и b и построения линий средних значений предела выносливости применены метод наименьших квадратов и линейный регрессионный анализ. В качестве зависимой нормально распределенной величины принят логарифм количества циклов до разрушения lgN, а в качестве независимой величины – логарифм максимального напряжения lgσ. При выполнении линейного регрессионного анализа учитывали только результаты испытаний образцов, доведенных до разрушения или образования видимой трещины.

На рис. 2 представлены кривые МнЦУ, построенные по результатам испытаний образцов, доведенных до разрушения. Полыми маркерами обозначены неразрушенные образцы. В табл. 4 представлены пределы выносливости, полученные по этим линиям регрессии.

Рис. 2. Кривые многоцикловой усталости синтезированного сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta при температурах испытания 20 (1, 2) и 800 °С (3, 4) при направлениях выращивания X–Y(1, 3) иZ(2, 4)

Таблица 4

Средние значения пределов выносливости синтезированного сплава
системы Co–Cr–Ni–W–Ta на базе 2·10⁷ циклов с коэффициентом асимметрии R_σ = –1

Как видно из данных, представленных в табл. 1–4, для исследуемого материала наблюдается зависимость характеристик кратковременной и длительной прочности, ползучести и МнЦУ от направления выращивания. Так, при температурах испытания 20 и 600 °С более высокие значения реализуются в направлении Х–Y, при температуре 800 °С направление выращивания не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики. При температуре 1000 °С более высоких значений характеристик длительной прочности и ползучести достигают в направлении Z.

Сравнение характеристик прочности синтезированного сплава

системы Co–Cr–Ni–W–Ta со сплавами-аналогами,

полученными по технологии СЛС и традиционной технологии

Сравнение характеристик прочности исследуемого сплава со сплавами ЭП648ПС, полученным по технологии СЛС, и ВХ4Л (ЭП648), полученным по традиционной технологии литья, показано на рис. 3–5. Для удобства представленные данные в направлениях Х–Y и Z объединены в одну выборку.

Рис. 3. Пределы прочности при растяжении образцов синтезированного сплава системы
Co–Cr–Ni–W–Ta (■), а также сплавов ЭП648ПС (■) и ВХ4Л (ЭП648) (■) при температурах
испытания 20 (а) и 1000 °С (б)

По характеристикам прочности исследуемый синтезированный сплав системы Co–Cr–Ni–W–Ta, по сравнению со сплавами ЭП648ПС, полученным по технологии СЛС, и ВХ4Л (ЭП648), полученным по традиционной технологии литья, имеет следующие преимущества:

– по пределу прочности при растяжении – более 13,5 и 57 % при температурах 20 и 1000 °С соответственно;

– по пределу длительной прочности на базе 100 ч – более 100 % при температуре 1000 °С;

– по пределу выносливости на базе 2·10⁷ цикла – более 25 % при температуре 20 °С и R_σ = −1.

Заключения

Определены значения характеристик кратковременной и длительной прочности, ползучести и МнЦУ при комнатной и повышенных температурах синтезированного сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta.

Проведен сравнительный анализ полученных значений характеристик прочности синтезированного сплава со сплавами ЭП648ПС, полученным по технологии СЛС, и ВХ4Л (ЭП648), полученным по традиционной технологии литья. Установлено, что по характеристикам кратковременной прочности и длительной прочности, а также по МнЦУ исследуемый сплав превосходит сплавы ЭП648ПС и ВХ4Л (ЭП648).

Для сплава системы Co–Cr–Ni–W–Ta наблюдается зависимость характеристик кратковременной и длительной прочности, ползучести и МнЦУ от направления выращивания. При температурах испытания 20 и 600 °С более высокие значения реализуются в направлении Х–Y, при температуре 800 °С направление выращивания не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики. При температуре 1000 °С более высоких значений характеристик длительной прочности и ползучести достигают в направлении Z.

Синтезированный кобальтовый сплав системы Co–Cr–Ni–W–Ta имеет высокий уровень характеристик прочности при статическом и циклическом нагружении при температурах испытаний до 1000 °С.