Введение

В настоящее время аддитивное производство является одним из перспективных направлений развития новых технологий [1]. Принцип аддитивных технологий заключается в послойном получении изделия на специализированном оборудовании в соответствии с предварительно преобразованной 3D-моделью [2]. Благодаря такой особенности получения детали аддитивное производство обеспечивает высокие значения коэффициента использования материала, чем выгодно отличается от так называемых «традиционных» (субтрактивных) технологий производства, подразумевающих удаление лишнего вещества из заготовки, как правило, с помощью механической обработки [3]. Один из видов 3D-печати металлами ‒ селективное лазерное сплавление (СЛС). В настоящее время существует множество металлических порошков на основе никеля, кобальта, железа, титана, алюминия и др. [4].

Развитие перспективных технологий производства авиационной техники выявило необходимость обнаружения специфических дефектов, возникающих при новых технологических процессах, в том числе и в деталях, полученных методом СЛС [5, 6]. Как правило, изделия, полученные посредством сплавления, имеют сложную форму, а дефекты, сопровождающие этот процесс, более мелкие, чем при литье [7]. Поэтому для гарантированного обнаружения таких дефектов рентгеновскими методами неразрушающего контроля требуется строгое соблюдение расчетных режимов и параметров, чтобы такой контроль осуществлялся с высокой чувствительностью.

Расчет режимов рентгеновского контроля изделий,

получаемых методом селективного лазерного сплавления

Аддитивные технологии

Аддитивные технологии - это методы послойного получения объектов практически любой формы с помощью компьютерных 3D-технологий. Применение аддитивных технологий в авиастроении позволяет получать изделия достаточно сложной конфигурации без дополнительных сборочных операций и механической обработки, что позволяет создавать сложные многокомпонентные композиции с использованием, например, генеративного дизайна или топологической оптимизации. При этом полностью сохраняются, а в ряде случаев и повышаются, технические и эксплуатационные свойства конечных изделий.

Аддитивные технологии характеризуются двумя признаками. Во-первых, изделие получают путем локального отверждения материала в соответствии со строго определенной траекторией ‒ слой за слоем. Во-вторых, в основе создания изделия лежит цифровая модель. Первый признак называют признаком аддитивности, а второй - признаком виртуальности.

Классифицируют аддитивные технологии по различным принципам, например:

– по материалам (по состоянию поставки: жидкие, порошковые, прутковые; по природе материала: металлические или неметаллические и т. п.);

– по способу отверждения слоя (за счет воздействия температуры, разной длины световых волн, с помощью подачи связующего состава, спекания, сплавления и т. п.);

Однако аддитивное производство, как и любая другая технология, не может гарантировать получение бездефектных деталей, поэтому необходимо выявлять дефекты такого рода.

Дефекты и причины их возникновения в процессе
аддитивного производства

В табл. 1 приведен сводный перечень основных дефектов, подлежащих обнаружению методами неразрушающего контроля, составленный по результатам анализа данных об изделиях, полученных аддитивными методами, из научно-технических источников [6].

Таблица 1

Виды дефектов и причины их возникновения,

возможное обнаружение рентгеновскими методами неразрушающего контроля

Даже при оптимальных параметрах отработанного технологического процесса синтеза нельзя исключить вероятность образования дефектов.

Расчет оптимальной энергии излучения

при проведении рентгеновского контроля

В радиационных методах контроля энергия излучения (напряжение на рентгеновской трубке, которое определяет энергию генерируемых фотонов) выбирается по установленным стандартам [12]. Известно соотношение для анодного напряжения и энергии излучения: эффективная энергия (E_эфф, кэВ)численно равна 2/3 максимального напряжения на рентгеновской трубке (U_max, кВ). Это соотношение применимо к излучению рентгеновских аппаратов с напряжением до 1000 кВ вдали от скачков фотоэлектрического поглощения. Анодное напряжение выбирают в зависимости от толщины (имеется ввиду толщина в направлении оси пучка излучения) контролируемого объекта в соответствии с ГОСТ 20426–82. Этот документ применим к  алюминиевым, титановым и другими  сплавам (табл. 2).

Таблица 2

Область применения рентгеновских аппаратов

при проведении рентгенографического контроля

Аналогичный регламент существует и в международных нормативных документах. Пользуясь такими алгоритмами, анодное напряжение выбирают так, чтобы радиационное изображение, формируемое за объектом контроля (ОК), имело контраст, который обеспечивает заданную чувствительность контроля.

Излучение, выходящее из окна рентгеновской трубки, имеет дозу D₀. При взаимодействии излучения с материалом ОК доза меняется. На эти изменения влияет толщина объекта, плотность материала, наличие в нем несплошностей. Таким образом получается радиационное изображение. Процесс получения такого изображения представлен на рис. 1.

Рис. 1. Схема формирования радиационного изображения

Мерой полезной информации об ОК считают относительную разницу между фоновым и аномальным участками, т. е. контраст радиационного изображения K_рад:

                    [13],

где D_ф – доза излучения на фоновом участке; D_д – доза излучения на участке, соответствующем расположению дефекта; μ – линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения материалом ОК; δ – размер дефекта (несплошности) в ОК в направлении оси пучка излучения;
В – фактор накопления рассеянного излучения.

Согласно нормативным документам по радиационным методам неразрушающего контроля, минимальный обнаруживаемый дефект должен быть в 2 раза меньше, чем предельно допустимый дефект в ОК. Такое условие гарантирует обнаружение недопустимого дефекта. По определению, чувствительность контроля k – минимальный обнаруживаемый дефект, тогда   Если размер недопустимого дефекта составляет d = 0,04d, где d‒ толщина контролируемого объекта в направлении оси пучка излучения, то необходимая чувствительность контроля k = 0,02d. При осуществлении рентгенографического контроля с такой чувствительностью на радиографическую пленку класса С5 со средним градиентом G = 4 минимальный оптический контраст равен

где S_ф и S_д – оптическая плотность областей рентгенограммы, соответствующих фону и дефекту, Б (бел).

Согласно критериям международных нормативных документов ‒ S_ф ≥ 2 Б. Минимальная разница оптической плотности, фиксируемая зрительной системой оператора, составляет 0,2 Б, тогда

Это условие определяет подбор анодного напряжения.

Для контроля отливок из алюминиевых и титановых сплавов, сталей и жаропрочных никелевых сплавов рассчитаны коэффициенты ослабления излучения для этих материалов. Теоретически, для изделий, выполненных по аддитивным технологиям, режимы будут аналогичными. Для доказательства этого предположения проведем расчет коэффициентов линейного ослабления излучения некоторыми металлическими порошками и сравним их с аналогами – литейными сплавами [12].

Расчет коэффициентов ослабления

Для расчета выбраны металлические порошковые композиции на основе алюминия, титана, железа и никеля и аналогичные им по химическому составу литейные сплавы, % (по массе):

Расчет линейных коэффициентов ослабления исследуемых сплавов выполняли в соответствии с аналитическим выражением

где m₁, m₂, ..., m_n- линейные коэффициенты ослабления излучения первым, вторым, ..., n-м элементами, входящими в состав сплава, см^–1; ρ₁, ρ₂, ..., ρ_n- плотность первого, второго, ..., n-го элементов, входящих в состав сплава, г/см³; h₁, h₂, ..., h_n - относительная массовая доля первого, второго, ..., n-го элемента, входящего в состав сплава; ρ_спл – плотность сплава.

Поскольку линейный коэффициент ослабления излучения тем или иным элементом напрямую зависит от энергии излучения (Е), для каждой металлической композиции и ее литейного аналога выбраны определенные значения энергии излучения, т. е. напряжения на рентгеновской трубке (U).

Например, толщина алюминиевых отливок находится в диапазоне от 5 до 55 мм [13, 14]. Согласно требованиям ГОСТ 20426‒82, анодное напряжение для этого диапазона толщин составляет от 50 до 120 кВ, что соответствует энергии излучения ‒ от 33,3 до 80 кэВ. Коэффициент ослабления излучения порошка на основе алюминия (AlSi12) и его литейным аналогом сплавом АЛ9-1 рассчитан для трех значений энергии излучения: 30, 50 и 80 кэВ [15].

Для порошка IN939 и жаропрочного сплава 20Х25Н20С2 на основе никеля, исходя из номенклатуры контролируемых изделий из них, выбраны следующие значения энергии излучения: 60, 100 и 200 кэВ (напряжение на рентгеновской трубке 90, 150 и 300 кВ соответственно). Аналогично для материалов на основе титана (Ti–6Al–4V и ВТ6) и железа (16NiCr4 и сталь 16ХГН) выбраны значения энергии излучения: 40, 80 и 150 кэВ, что соответствует значениям анодного напряжения 60, 120 и 210 кВ.

Получены следующие значения линейных коэффициентов ослабления излучения металлическими порошками m_МПК и литейными сплавами m, см^‒1.

На рис. 2 показаны зависимости линейных коэффициентов ослабления излучения от напряжения на рентгеновской трубке для порошка, литейного сплава и чистого металла - основы этих сплавов.

Анализ графиков, приведенных на рис. 2, показывает, что коэффициенты ослабления порошков, их литейных аналогов и чистых металлов близки между собой настолько, что выбор режима контроля для изделий, полученных аддитивными методами, можно осуществлять, пользуясь ГОСТ 20426‒82 или ГОСТ ISO 17636:1‒2017 [13, 16].

Примеры расчета линейных коэффициентов ослабления излучения

Пример 1. При рентгеновском контроле объекта из сплава на основе железа толщиной 6 мм, ГОСТ 20426‒82 регламентирует выбирать анодное напряжение не более 120 кВ. Согласно рис. 2, а, при анодном напряжении 120 кВ значение μ_16NiCr4 = 2,41см^–1, тогда

μ_16NiCr4 × d_16NiCr4 = 2,41 × 0,6 = 1,446.

Поскольку 1,446 > 1,25, то выполняется условие, при котором сформированное радиационное изображение обеспечит оптическое изображение объекта контроля с чувствительностью 0,02×d (2 % от просвечиваемой толщины).

Пример 2. При рентгеновском контроле объекта из сплава на основе алюминия толщиной 12 мм, ГОСТ 20426‒82 регламентирует выбирать анодное напряжение не более 60 кВ. Согласно рис. 2, а, при анодном напряжении 60 кВ значение μ_AlSi12 = 2,94 см^‒1, тогда

μ_AlSi12 × d_AlSi12 = 2,94 × 1,2 = 3,53.

Поскольку 3,53 > 1,25, то выполняется условие, при котором сформированное радиационное изображение обеспечит оптическое изображение объекта контроля с чувствительностью 0,02×d (2 % от просвечиваемой толщины).

Пример 3. На рис. 3 представлена рентгенограмма фрагмента детали, полученной по технологии аддитивного производства, на основе железа толщиной 6 мм при просвечивании по режиму: напряжение 120 кВ, ток 7,5 мА с продолжительностью экспозиции, равной 1,5 мин.

Рис. 3. Рентгенограмма фрагмента изделия толщиной 6 мм, изготовленного

методом селективного лазерного сплавления из порошка на основе железа

Видно, что достигнута чувствительность контроля 0,12 мм (2 %). При этом использован режим, регламентируемый нормативными документами для отливок изделий из стали.

Заключения

На основании проведенных расчетов и экспериментов установлено, что при контроле изделий, выполненных по аддитивным технологиям, следует выбирать режимы контроля, регламентированные нормативными документами для изделий, полученных литьем. Для порошков из железа следует пользоваться рекомендациями, представленными в нормативно-технических документах (НТД) на стали, из алюминия - на литейные алюминиевые сплавы, из титана - на литейные титановые сплавы и т. д.

Проведенные расчеты предполагают внесение поправок и дополнений в действующие НТД, на основании которых будут составлены рекомендации и регламенты по рентгеновскому контролю изделий, полученных аддитивными методами.

В ГОСТ 20426‒82 приведена табл. 2: область применения рентгеновских аппаратов, которая может использоваться при разработке технологических карт контроля изделий из порошков. По требованиям ГОСТ ISO выбор анодного напряжения осуществляется посредством размещенной в нем диаграммы, которая также может быть использована при разработке технологических карт контроля.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Работы (исследования) выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-11-2021-085 от 22.12.2021).