Введение

Аддитивные технологии (далее – АТ) на данный момент развития производства металлических изделий являются наиболее активно развивающимся направлением. Они позволяют получать изделия послойно из порошков различного фракционного состава, при этом достигаются высокие показатели по выходу годного и технологичности процесса. При производстве изделий сложной конфигурации по традиционным технологиям тратится большое количество времени и коэффициент использования материала снижается и составляет менее 10%. Применение АТ решает эти проблемы, уменьшая продолжительность изготовления каждой отдельной детали и повышая КИМ вплоть до 100%. Это делает аддитивные технологии одним из самых перспективных направлений в производственных технологиях в целом [1–5].

Сырьем для аддитивных технологий служат порошки. Однако в России и за рубежом широко распространен термин «гранулы» (применительно к порошкам сугубо сферической формы). Во избежание путаницы в терминах необходимо отметить, что гранульная металлургия представляет собой особую разновидность порошковой металлургии (ПМ). Этот термин был введен академиком А.Ф. Беловым и означал определенную специфику используемого оборудования и технологических процессов при производстве полуфабрикатов и заготовок (дисков, валов и др.) ответственного назначения [6]. Поэтому в данной статье будут использоваться оба термина.

Как известно, существует несколько разновидностей АТ. Применительно к металлическим порошкам используют два метода: Powder Bed Fusion PBF, селективное лазерное сплавление – в него входят такие методы, как DMLS, EBM, SLM и др. или Powder Bed Deposition и Direct Energy Deposition (DED, адаптивная газопорошковая наплавка) [3, 7–9]. Каждая разновидность АТ представляет собой группу технологий, объединенных на основе принципиально разных технологических подходов. Первая группа представляет собой послойное выращивание деталей на подложке (слой за слоем) с выборочным спеканием слоев порошков лазером, вторая – непосредственную подачу порошков в определенное место с практически одновременным их спеканием лазером. Вместо лазера может быть использован электронный луч, имеющий большее пятно сканирования для увеличения области единомоментного спекания [8–11].

В зависимости от вида АТ предъявляются требования к фракционному составу необходимых порошков. Для PBF-технологии основной является фракция порошков от 15 до 40 мкм, иногда до 63 мкм. Это обусловлено тем, что порошки более мелкой фракции просто выгорают под действием лазера, образуя излишнюю пористость изделия, а более крупной – не полностью спекаются из-за их размера, их использование может приводить к повышению шероховатости изделия [8].

Для DED-технологии требуются порошки другого фракционного состава – от 40 до 80 мкм. Вследствие непосредственной подачи порошков к месту их спекания использование более мелких порошков затруднительно – при попадании на поверхность они могут сразу же отрываться от нее и взлетать, что существенно снижает эффективность их использования. Порошки вышеуказанной фракции хорошо спекаются данным методом [9, 12].

Основными требованиями, предъявляемыми к порошкам, используемым в АТ, являются также их сферичность и низкое содержание газовых примесей.

В настоящее время самым распространенным методом, с помощью которого получают порошки для аддитивных технологий, является распыление расплава газом (Atomizing) [12–16]. Используют также порошки, полученные методом распыления проволоки плазмой (Plasma Atomization) [17]. Гранулы, произведенные методом плазменной плавки и центробежного распыления быстровращающейся литой заготовки (Plasma Rotating Electrode Process, PREP), применяются только в EBM, в остальных разновидностях PBF практически не представлены.

Данная работа направлена на исследование возможности использования гранул, изготовленных методом PREP, в современных машинах для АТ, а также на выявление перспектив развития данного метода изготовления гранул для них.

Схема производства гранул методом PREP представлена на рис. 1. Этот метод представляет собой распыление литой заготовки 1 диаметром d, которая вращается вокруг своей оси с определенной угловой скоростью. К ее торцу 2 подается поток тепловой энергии плазмотроном 3, установленным обычно с эксцентриситетом h, с заданной мощностью. Плазменный факел 4 расплавляет торец заготовки, на котором образуется поверхностная пленка расплава 5. Под действием центробежных сил расплав в пленке движется от центра к периферии торца, где скапливается на кромке, образуя «венец» 6. От него и отлетают капли расплава 7, которые в полете кристаллизуются в гранулы. Весь процесс проходит в среде инертных газов (аргон, гелий) [18].

Рис. 1. Схема производства гранул методом PREP:

1 – литая заготовка (d – диаметр); 2 – торец заготовки; 3 – плазмотрон (h – эксцентриситет); 4 – поток тепловой энергии (плазма); 5 – пленка расплава; 6 – тороидальный «венец» из расплава металла; 7 – капли расплава

Изучены характеристики гранул, изготавливаемых методом PREP, на примере современных никелевых суперсплавов класса ВВП [19–21]. Данный метод позволяет производить гранулы в промышленном объеме на установках центробежного распыления типа УЦР (до 1400 кг за один технологический цикл) с низким содержанием кислорода – менее 70 ppm.

Размер производимых методом PREP гранул варьируется достаточно широко – от 500 мкм и менее. Минимальная рабочая (товарная) фракция гранул составляет менее 70 мкм со средним размером гранул ~50 мкм (~10% гранул менее 40 мкм). В настоящее время это наилучший результат, которого можно достичь на современных установках плазменной плавки и центробежного распыления быстровращающихся литых заготовок. Средний размер гранул рассчитывается как математическое ожидание от всех интервалов распределения гранул по фракциям, который примерно равен параметру d₅₀.

На рис. 2 представлен внешний вид гранул из жаропрочных никелевых сплавов, полученных методом PREP. Гранулы обладают идеальной сферичностью и минимальной дефектностью [20, 21].

Рис. 2. Внешний вид гранул фракции менее 100 мкм из жаропрочного никелевого сплава, изготовленных методом PREP:

а – световая микроскопия; б, в – растровая электронная микроскопия

В целом гранулы, получаемые методом PREP, по всем параметрам идеально подходят для использования в аддитивных технологиях (но только для DED-технологии).

Необходимо отметить, что, несмотря на перспективность и значительные различия между методами PBF и DED, на 80% всех установленных в мире машин для АТ используется именно PBF-процесс [12, 14, 16]. Для эффективного использования в аддитивных технологиях гранул, изготавливаемых методом PREP, необходимо уменьшать их размер до менее 40 мкм. В этом и заключается перспектива развития данного метода.

Основные пути уменьшения размера гранул для метода PREP на установках распыления типа УЦР следующие:

– увеличение частоты вращения литой заготовки. Она напрямую влияет на размер производимых гранул, с ее увеличением уменьшается их средний размер;

– увеличение мощности плазмотрона. Она косвенно влияет на размер гранул (немного его уменьшая), непосредственно влияет на технологичность и производительность установки (существенно их повышая);

– снижение вибрации установки при работе. Она может оказывать негативное влияние на размер получаемых гранул, дестабилизируя фракционный состав и снижая выход годного.

Материалы и методы

В качестве материала для анализа выбраны партии гранул из жаропрочного никелевого суперсплава класса ВВП.

Проведено исследование влияния совместного увеличения частоты вращения литой заготовки и мощности плазмотрона на обеспечение производства гранул методом PREP размером менее 80 и 40 мкм в качестве основной перспективы развития этого метода для АТ.

Анализ проводили с помощью математической модели, описанной в работе [18]. Для этого были использованы такие параметры распыления, как мощность плазмотрона, частота вращения литой заготовки, продолжительность ее полного распыления и диаметр литой заготовки. На выходе получили средний размер гранул (d₅₀), на основании которого по методике сделан прогноз гранулометрического состава.

Результаты

Проведен анализ рынка гранул, изготовляемых методом PREP, в России. Крупнейшими производителями гранул из современных титановых и никелевых суперсплавов, использующими метод PREP, являются ОАО «ВИЛС», ОАО «Композит» и ОАО «СМК». Причем ОАО «ВИЛС» и ОАО «Композит» располагают современными установками типа УЦР (в ОАО «ВИЛС» установка УЦР-6, предназначенная для серийного производства гранул из никелевых суперсплавов фракцией менее 100 и 70 мкм [22, 23], в ОАО «Композит» – УЦР-9Т для производства титановых сплавов [24]).

На рис. 3 приведены результаты исследования фракционного состава гранул, полученных на современных установках типа УЦР. Установка УЦР-9Т создана для производства гранул из титановых сплавов, но на рис. 3 представлен аналитический прогноз производства на ней гранул из современных никелевых суперсплавов. На УЦР-6, исходя из реальных данных, получим d₅₀, равный 55,1 мкм, на УЦР-9Т – рассчитанный по математической модели d₅₀ составляет 44,8 мкм.

Рис. 3. Фракционный состав гранул из жаропрочных никелевых суперсплавов, изготовленных на современных установках УЦР-6 (а) и УЦР-9Т (б) методом PREP

Как было показано, количество гранул размером менее 40 мкм составляет менее 10% от общей массы гранул. При расчете для УЦР-9Т можно предположить, что количество гранул останется на том же уровне (установка УЦР-9Т по технологическим параметрам не имеет значительного преимущества перед установкой УЦР-6).

Проанализировав различные режимы изготовления, выбрали частоту вращения литой заготовки 30000 об/мин как наиболее реально достижимую и одновременно дающую хороший результат по величине d₅₀, мощность плазмотрона 200 кВт.

В современных установках диаметр распыляемой литой заготовки составляет 80 мм, поэтому сначала исследовали заготовки именно такого диаметра. Проверяли также литые заготовки и большего диаметра. Экспериментальным путем было установлено, что диаметр литой заготовки не должен превышать 90 мм, чтобы размер первичных карбидных выделений, переходящих в гранулы, не превышал 8 мкм (для жаропрочных никелевых сплавов с содержанием углерода до 0,1% (по массе)). Наличие более крупных первичных карбидов в гранулах нежелательно, так как при этом в процессе карбидных реакций может возникать неоднородность распределения вторичных карбидов в конечном изделии [25]. С другой стороны, увеличение диаметра литой заготовки приводит к повышению угловой скорости при одинаковой частоте вращения, а далее – к уменьшению размера изготавливаемых гранул, поэтому предпочтительнее использовать литые заготовки с наибольшим диаметром (однако чрезмерное его увеличение эквивалентно увеличению вибрации, о негативном действии которой было сказано выше). В связи с этим для анализа использовали литые заготовки диаметром 90 мм как наиболее оптимальные.

Рис. 4. Фракционный состав гранул из жаропрочных никелевых суперсплавов, изготовленных методом PREP по аналитически рассчитанному режиму, с различным диаметром литой заготовки 80 (а) и 90 мм (б)

Результаты аналитического прогноза представлены на рис. 4. Средний рассчитанный размер гранул (d₅₀) в двух случаях (для литых заготовок диаметром 80 и 90 мм) составил 38 и 33,2 мкм соответственно. Видно, что выбранная частота вращения литой заготовки (30000 об/мин) позволяет обеспечить высокий выход годных по фракции гранул (менее 40 мкм): 41% – для режима 1; 48% – для режима 2. Остальные гранулы составляют фракцию от 40 до 80 мкм. Это является искомым результатом, который показывает эффективность метода PREP, так как рассчитанный режим позволит производить до 600 кг гранул каждой фракции (менее 40 и от 40 до 80 мкм) за один цикл распыления, что, в свою очередь, позволит в будущем обеспечить отечественную АТ-промышленность гранулами жаропрочных никелевых суперсплавов.

Обсуждение и заключения

Установлено, что производство гранул методом плазменной плавки и центробежного распыления быстровращающейся литой заготовки (PREP) представляется перспективным для использования в аддитивных технологиях в связи с возможностью наращивания его мощностей при сохранении качества изготавливаемого сырья (гранул).

В связи с тем, что метод PREP практически не представлен в аддитивном производстве, необходимо расширять область его применения путем оптимизации режимов распыления в существующих в настоящее время установках типа УЦР с целью получения максимального выхода годных гранул фракцией от 40 до 80 мкм с последующей апробацией этих гранул на машинах аддитивного производства, использующих DED-технологию.

С помощью анализа математической модели предложен режим плазменного распыления, реализация которого на новых установках типа УЦР позволит в достаточном объеме изготавливать гранулы фракцией менее 40 мкм для машин аддитивного производства, использующих PBF-технологию.