Введение

В процессе эксплуатации в составе авиационного двигателя детали – в частности рабочие лопатки турбины высокого давления (ТВД) – испытывают вибрации и удары, подвергаются абразивному износу, воздействию высоких температур и прочих негативных факторов, что приводит к образованию трещин, забоин [1–5]. Ввиду дороговизны большинства деталей авиационного двигателя ремонт представляется перспективным направлением. В настоящее время Россия отстает от компаний западных стран в этой области, и поэтому актуальной задачей является разработка технологии ремонта деталей авиационного двигателя.

Решение данной проблемы возможно с применением лазерной газопорошковой наплавки – LMD (Laser Metal Deposition) [6]. Этот процесс крайне привлекателен для ремонта важнейших деталей в авиастроении, ремонта оснастки, а также для внесения изменений в конфигурацию изделий везде, где применение традиционных технологий может привести к ухудшению свойств основного металла в результате воздействия высоких температур.

Существует несколько LMD-процессов, но в их основе лежит один принцип: сфокусированный лазерный луч направляется на порошок, происходит его плавление и постепенное создание детали слой за слоем (послойно). Применение в качестве аддитивного метода LMD позволяет изготовлять детали прямо из геометрической CAD модели. Это увеличивает коэффициент использования материалов по сравнению с традиционными методами изготовления (в частности, уменьшается механическая обработка сложных деталей), а также создает возможность получения детали с пористой или плотной структурой. Существует также возможность сэкономить время за счет сокращения количества технологических операций.

Наплавка LMD особенно целесообразна для сложных деталей малых и средних размеров. Наиболее успешное применение данная технология находит в медицине и стоматологии – например, для слуховых аппаратов, ортопедических имплантатов и зубных протезов. Перспективными областями применения являются нефте- и газодобывающая промышленность, автомобилестроение, изделия военной, морской техники и ювелирные изделия.

Обработка авиационных деталей с помощью LMD может быть очень выгодна, так как изготовление новой детали стандартным способом может оказаться в 20 раз дороже.

Очень трудно спрогнозировать свойства детали, выполненной с помощь LMD-наплавки, так как в процесс вовлечено много переменных величин. Для достижения постоянных свойств наплавленных деталей требуется знание и понимание изменений микроструктуры и свойств материала, а также необходима база данных по свойствам исходного материала.

В качестве исходного материала для LMD-наплавки широко используются мелкодисперсные металлические порошки сплавов на различной основе [7]. К металлическим порошкам для данной технологии предъявляются жесткие требования. В первую очередь это обеспечение сферичности частиц строго определенного гранулометрического состава (40–80 мкм), высокая химическая однородность, отсутствие пористых гранул, пониженное содержание газовых примесей – кислорода и азота.

В мировой практике разработаны два основных промышленных способа производства металлических порошков:

– газовое (газоструйное) распыление расплава, заключающееся в механическом воздействии инертного газа (чаще всего аргона) повышенного давления на струю жидкого металла;

– центробежное распыление тонкой пленки расплава, образующейся под воздействием плазменной струи на торце быстровращающейся цилиндрической заготовки.

Обе технологии позволяют получать металлические порошки сферической формы, однако наибольшее распространение получили установки газоструйного распыления, так как в случае центробежного распыления имеется ряд недостатков – это неоднородность получаемых порошков по химическому составу, связанная с ликвацией в самом распыляемом электроде, большой разброс по дисперсности (50–600 мкм) с крайне низким выходом годного (5–7%) по фракции 40–80 мкм [8].

Получение металлических порошков такого высокого качества с высоким выходом годного может быть обеспечено при изготовлении на современном оборудовании методом атомизации – распылении расплава инертным газом [9]. В ВИАМ в 2010 г. введен в эксплуатацию современный атомайзер последнего поколения HERMIGA 10/100 VI, имеющий основной рабочий диапазон получаемых гранул 10–200 мкм, ориентированный на мелкосерийное производство мелкодисперсных металлических порошков для аддитивных технологий, в частности – для лазерной LMD-наплавки.

Данная работа посвящена исследованию мелкодисперсного металлического порошка жаропрочного сплава на никелевой основе марки ЭП648-ВИ, изготовленного методом атомизации, для лазерной LMD-наплавки (гранулометрического состава, содержания газовых примесей, микроструктуры поверхности частиц порошка, наличия пористых гранул), а также оценке качества наплавки порошкового материала на рабочие лопатки ТВД.

Методика проведения исследований

В качестве объекта исследования выбран жаропрочный сплав на никелевой основе марки ЭП648-ВИ. Порошок получали методом атомизации на установке HERMIGA 10/100 VI, оснащенной индукционным плавильным блоком с донным сливом. Исходную шихтовую заготовку для процесса атомизации выплавляли в вакуумной плавильной установке УППФ-3М с использованием специальной разливочной оснастки для получения электродов Ø30 мм [10]. Поверхность исходной заготовки предварительно подвергали пескоструйной обработке. Распыление жидкого металла вели холодным и подогретым до 450°C газом с использованием дозвукового и сверхзвукового сопла форсунки.

Для получения мелкодисперсного металлического порошка сплава ЭП648-ВИ проводили процесс атомизации по трем режимам. Диаметр проходного сечения подогреваемой керамической трубки, температуру жидкого металла и избыточное давление над расплавом выбирали постоянными, остальные параметры варьировали в определенном диапазоне.

Гранулометрический состав полученного порошка определяли с помощью виброгрохота Analizzette 3 Spartan (Германия) с комплектом сит от 40 до 200 мкм и классификатора, принцип действия которого основан на газодинамической сепарации частиц порошка в зависимости от массы, имеющего рабочий диапазон от 1 до 70 мкм.

Анализ газовых примесей в порошке проводили на газоанализаторах СS0600 и TC-600 фирмы Lесо без предварительной дегазации полученных порошков. Для исследования пористости гранулы порошка жаропрочного сплава ЭП648-ВИ, полученные распылением, разбивали на фракции 40–80, 80–100, 100–200 мкм и после запрессовки в обоймы изготовляли шлифы поперечного среза.

Для отделения пористых гранул специально проводили газодинамическую (циклоническую) сепарацию в штатном классификаторе, принцип разделения в котором основан не на размере гранул, а на их плотности, которая для пористых гранул всегда меньше, чем для плотных. Эффективность сепарации оценивали на шлифах поперечных срезов гранул.

Микроструктуру поверхности гранул, поперечных срезов шлифов гранул, наплавленных дорожек и поперечных микрошлифов из рабочих лопаток исследовали с помощью растрового электронного микроскопа JSM-840.

Измерение твердости наплавленного материала, зоны термического влияния (ЗТВ) и основы проводили с помощью твердомера AFFRI 251 VRSD.

Экспериментальную LMD-наплавку крайних гребешков проводили на бандажных полках рабочих лопаток второй ступени ТВД при помощи специализированного оборудования TruLaser Cell 7020 в ОАО «Авиадвигатель».

Результаты исследований и их обсуждение

На гранулометрический состав получаемого порошка основное влияние оказывают технологические параметры процесса атомизации (схематично представлены на рис. 1) [11]. К ним относятся:

– параметры, определяющие «расход» жидкого металла (избыточное давление над зеркалом расплава и диаметр проходного сечения подогреваемой керамической трубки, через которую происходит слив расплава);

– давление распыляющего газа;

– температура распыляющего газа;

– температура расплава.

Исследован фракционный состав трех плавок, выполненных при различных давлениях и температурах распыляющего газа. Кумулятивные кривые, отражающие фракционный состав порошка жаропрочного сплава ЭП648-ВИ, представлены на рис. 2. Основными факторами, влияющими на фракционный состав получаемых порошков, являются давление и температура распыляющего газа. Основная фракция при распылении как холодным, так и горячим газом: 40–80 мкм. При переходе на распыление горячим газом уменьшение среднего диаметра частиц происходит главным образом за счет фракции 20–10 мкм (ее содержание увеличивается с 9,9 до 16,3%), при этом содержание фракции 40–80 мкм увеличивается с 31,2 до 39,9%, а количество образовывающейся не годной фракции порошка (+200 мкм) уменьшается с 9,4 до 2,5%. Процент пылевой фракции (менее 10 мкм) при распылении горячим газом увеличивается незначительно. При распылении холодным газом средний диаметр частиц d₅₀ (50% получаемого порошка) составляет 75–60 мкм, а распыление горячим газом позволяет получить d₅₀, равный 50 мкм.

Рисунок 1. Технологические параметры процесса атомизации: 1 – избыточное давление над расплавом; 2 – диаметр проходного сечения керамической трубки; 3 – давление распыляющего газа; 4 – температура распыляющего газа; 5 – температура расплава

 Рисунок 2. Фракционный состав порошка жаропрочного сплава ЭП648-ВИ

при распылении холодным (1, 2) и горячим газом (3)

Исследование структуры поверхности гранул сплава ЭП648-ВИ показало, что все гранулы имеют выраженную дендритную структуру во всем диапазоне гранулометрического состава и сферическую форму (рис. 3, а), однако для них характерно большое количество образующихся дефектов – сателлитов (рис. 3, б). Сателлиты являются наиболее характерным и неизбежным дефектом гранул подобных жаропрочных материалов, получаемых распылением жидкого металла потоком инертного газа. В отличие от центробежного распыления, где разлет гранул происходит на 360 град, формирующийся факел при распылении аргоном направлен вдоль оси колонны атомизации для обеспечения максимального «вылета» гранул без контакта со стенками 

для сохранения сферичности. В таких условиях формирование сателлитов неизбежно, поскольку энергия газового потока передается частицам в соответствии с их массой: наиболее дисперсные гранулы приобретают большую начальную скорость и, мгновенно кристаллизуясь, бомбардируют более крупные, частично закристаллизованные гранулы, имеющие меньшую начальную скорость. Количество дефектных гранул увеличивается с увеличением размеров частиц. При исследовании порошков припоев [12–14] также отмечалось большое количество сателлитов именно для наиболее высокотемпературных припоев, таких как ВПр36 и ВПр44, представляющих собой, по сути, также жаропрочные сплавы, дополнительно легированные кремнием и бором.

 Рисунок 3. Микроструктура (а – ×1500; б – ×500)

поверхности гранул порошка сплава ЭП648-ВИ

Распыление горячим газом приводит, помимо уменьшения среднего размера частиц, к уменьшению количества дефектных гранул (рис. 4, б) по сравнению с распылением холодным газом (рис. 4, а), что связано с большей начальной скоростью газового потока на выходе из форсунки и бо́льшим диаметром образующегося факела распыляемого жидкого металла, что определяет более низкую вероятность соударения гранул во время кристаллизации. Существенных различий в структуре поверхности между гранулами, распыленными холодным и горячим газом, не отмечено: чистота поверхности, форма, дендритный параметр гранул остаются без изменений.

При применении металлических порошков в лазерной LMD-наплавке наличие сателлитов не имеет практического значения. Значительно большее значение на качество наплавки оказывает внутренняя пористость в гранулах, полученных при распылении аргоном. Согласно литературным данным [15, 16], пористость в гранулах, полученных распылением расплава потоком аргона, является неизбежным следствием технологии их получения: при дроблении струи жидкого металла потоком аргона фрагменты расплава под действием сил поверхностного натяжения формируют капли сферической формы, но в процессе схлопывания стенок капли локальный объем аргона может быть изолирован внутри гранулы. По данным работы [17], объемная доля пористости при распылении через форсунку с дозвуковым соплом (как и в данной работе при получении порошка жаропрочного сплава ЭП648-ВИ с распылением холодным газом) при давлении распыления 0,4–0,5 МПа составляет ~1%. В данной работе давление распыления было практически на порядок выше, чем в работе [18].

 Рисунок 4. Микроструктура гранул порошка жаропрочного сплава ЭП648-ВИ

при распылении холодным (а – ×100) и горячим газом (б – ×1000)

Перед тем как проводить отработку наплавки крайних гребешков на бандажной полке рабочих лопаток второй ступени ТВД методом LMD на лазерном центре TruLaser Cell 7020 в ОАО «Авиадвигатель» проводили экспериментальную наплавку полученного порошка жаропрочного сплава ЭП648-ВИ на поверхность плоского листа (рис. 5, а). На рис. 5, б представлена микроструктура образцов наплавленного материала на плоский лист. Видно, что в наплавленном материале присутствуют поры округлой формы. Объемная доля пор на площади 1×1 см² составляет от 1 до 2%. Размер пор достигает 70 мкм, что негативно сказывается на качестве наплавляемого материала (образование микротрещин, несплавления).

Рисунок 5. Поверхность плоского листа с наплавкой порошком сплава ЭП648-ВИ (а)

и микроструктура наплавки (б)

Вследствие этого необходимо провести полное исследование пористости гранул во всем интервале гранулометрического состава порошка. Исследование шлифов поперечных срезов гранул, предварительно разбитых на фракции 40–80, 80–100 и 100–200 мкм, показало, что тонкие порошки (менее 40 мкм) имеют плотную структуру (рис. 6, а, б), а «порогом» появления пористых гранул является величина ~60 мкм. В более крупных фракциях встречаются частицы, пораженные замкнутой пористостью, и их количество увеличивается с размерами гранул (рис. 6, в, г).

Рисунок 6. Микроструктура поперечных срезов гранул жаропрочного сплава ЭП648-ВИ по фракциям (а – ×250; б, в – ×100; г – ×50)

Эффективность отработанного режима газодинамической сепарации пористых гранул подтверждена исследованием микроструктуры поперечных шлифов, которое показало, что в отсеве при оптимальных режимах сепарации (в так назваемых «легких» гранулах) содержалось ~50% пораженных пористостью гранул (рис. 7, а). При исследовании отделенных (так называемых «тяжелых») частиц порошка пористых гранул не обнаружено (рис. 7, б).

 Рисунок 7. Микроструктура поперечных срезов «тяжелых» (а – ×100) и «легких» гранул 

(б – ×150) порошков жаропрочного сплава ЭП648-ВИ после газодинамической сепарации в классификаторе

Исследование влияния фракционного состава на содержание кислорода в порошках, показало, что в диапазоне фракции размером 40–200 мкм оно изменяется незначительно (от 0,005–0,007% – для фракции 200–63 мкм до 0,008–0,009% – для фракции 40–63 мкм). Для фракции 40–0 мкм содержание кислорода составляет ~0,02%, однако следует отметить, что в данном случае дело не только в растворенном в металле, но и в адсорбированном поверхностью частиц порошка кислороде. Для определения истинного содержания кислорода в тонких порошках необходима специальная методика проведения газового анализа, которая позволила бы отделить кислород, содержащийся в оксидах, от кислорода, адсорбированного поверхностью гранул. В целом на порошках жаропрочного сплава ЭП648-ВИ, в том числе и на тонких, получено достаточно низкое содержание кислорода, что обусловлено технологией получения – распылением расплава не на открытом воздухе, а в атмосфере инертного аргона, а также, по сути, двойным вакуумным переплавом (выплавка шихтовой заготовки и собственно расплавление в процессе атомизации). Для сравнения по данным работы [19] при газоструйном распылении порошка припоя на никелевой основе марки ВПр11 для фракции 40–120 мкм значения содержания кислорода составляют 0,030–0,024%.

Адаптивная лазерная LMD-наплавка

Полученный мелкодисперсный металлический порошок жаропрочного сплава ЭП648-ВИ гранулометрического состава 40–80 мкм после газодинамической сепарации (отделения пористых гранул) применен при наплавке крайних гребешков на бандажные полки рабочих лопаток второй ступени ТВД методом LMD на лазерном центре TruLaser Cell 7020 в ОАО «Авиадвигатель». В качестве объекта исследования использовались рабочие лопатки второй ступени ТВД (рис. 8). Проведен микроанализ на поперечных и продольных микрошлифах, вырезанных из крайних гребешков. Глубина зоны термического влияния (ЗТВ) составляет от 0,10 до 0,15 мм. Микроструктура в зоне наплавки дендритная. Микроструктура основного материала лопатки представляет собой: γ-твердый раствор+γ¢ упрочняющая фаза+(γ+γ¢) эвтектическая фаза+карбиды.

Рис. 8. Внешний вид бандажной полки лопатки второй ступени ТВД

с наплавкой крайних гребешков

Высота наплавки составляет от 2,5 до 3,3 мм. Наплавленный материал на обоих гребешках плотный, имеются единичные внутренние поры размером от 0,01 до 0,07 мм, что не превышает норм ТУ. Неметаллических включений, несплавлений не имеется.

Проведен анализ измерения микротвердости наплавки, ЗТВ и основного материала. Микротвредость (HV) материала составила:

Рисунок 9. Микроструктура в зоне наплавки гребешков рабочих лопаток

В результате контроля наплавленного материала (рис. 9) видно – между основным материалом и материалом наплавки имеется четкая граница раздела, на границе раздела дефектов типа трещин и непроваров не выявлено, что свидетельствует о высоком качестве порошкового материала. Материал наплавки плотный.

Заключение

Разработанная технология получения порошка из жаропрочного сплава ЭП648-ВИ методом атомизации обеспечивает наиболее высокий выход годного по фракции 40–80 мкм (на уровне 30–40%) в сравнении с существующими в РФ технологиями получения металлических порошков. При распылении подогретым до 450°С газом сокращается количество дефектных гранул – сателлитов – по сравнению с распылением холодным газом. При этом содержание кислорода в порошках увеличивается незначительно – в интервале от 0,007 до 0,01% и не превышает 0,02% даже в самых тонких частицах размером ˂10 мкм.

В результате процесса атомизации образуются пористые гранулы, приводящие к снижению уровня качества наплавляемого материала. Технология газодинамической сепарации позволяет отделить пористые гранулы от плотных, но для повышения качества наплавки необходимы создание нормативной документации, регламентирующей пористость гранул порошка, и оптимизация технологии получения металлических порошков для лазерной LMD-наплавки.

Адаптивная лазерная LMD-наплавка, выполненная с применением металлического порошка жаропрочного сплава ЭП648-ВИ гранулометрического состава 40–80 мкм после газодинамической сепарации (отделения пористых гранул), применялась при наплавке крайних гребешков на бандажной полке рабочих лопаток второй ступени ТВД. Геометрия крайних гребешков на бандажной полке рабочих лопаток второй ступени ТВД восстановлена в полном объеме. Высота наплавки составляет 2,5–3,3 мм. В материале наплавки дефектов типа трещин и непроваров не выявлено, что свидетельствует о высоком качестве порошкового материала. Материал наплавки плотный. Ширина зоны термического влияния составляет 0,10–0,15 мм. Микротвердость материала в зонах: наплавки составляет 306–326 HV; ЗТВ: 370–461 HV; в основе – 370–391 HV.