Full Text

Введение Аддитивные технологии (AT) являются одними из наиболее прогрессивных методов изготовления изделий для авиационной промышленности. Это направление признано приоритетным в области развития материалов и технологий во всем мире [1-5]. Международный комитет F42 ASTM в ASTM F2792-12a (AM) определил технологию аддитивного производства как процесс соединения материалов для создания объектов из 3D-модели. Как правило, процесс происходит выращиванием слой за слоем, в отличие от вычитания механической обработкой в традиционных технологиях[5] [6-9]. Одним из динамично развивающихся направлений аддитивных технологий (АТ) является процесс селективного лазерного сплавления/плавления (СЛС) металлического порошка. Данный метод основан на послойном формировании изделия путем сканирования лазерным лучом порошкового слоя, нанесенного на подложку. Процесс СЛС отличается глубоким взаимодействием между передачей тепла, массы и химическими процессами, которые приводят к изменению механических и теплофизических свойств материалов [10, 11]. Модели и прототипы, созданные методом СЛС, имеют превосходные механические характеристики: они отличаются прочностью, гибкостью, хорошей детализацией и термической стабильностью. Также результаты работ [12, 13] показали, что образцы из нержавеющей стали марки PH1, получаемые методом селективного лазерного спекания, отличаются самыми высокими механическими и трибологическими свойствами по сравнению с образцами, получаемыми методом горячего прессования и обычным литьем. Лазерная обработка приводит к выравниванию различных кристаллографических направлений с направлением сборки в среднем и верхнем слоях, а также к постепенному структурному укрупнению [14-16]. Результаты исследования работы [17] также показали, что лазерное спекание одновременно повышает и прочность и пластичность нержавеющей стали PH1. Это достигается путем активации и проектирования ее микроструктуры. Прочность на растяжение СЛС-образцов из нержавеющей стали PH1 может быть увеличена на 16-40 %. В работах [18-24] отмечено, что образцы, изготовленные по технологии СЛС, обладают комплексом следующих свойств: низкая плотность, высокая прочность и предельная прочность на растяжение. Таким образом, исследование прочностных и пластических характеристик образцов из сплава PH1, полученных методом селективного лазерного спекания, является актуальной задачей. Цель - определить характеристики кратковременной прочности и пластичности (E, s0,2, sв, d, y) при комнатной температуре (20 °С) при различных режимах отжига и отпуска образцов, полученных селективным лазерным спеканием. Методика испытаний Проведены испытания образцов из сплава PH1 по исследованию характеристик кратковременной прочности и пластичности (E, s0,2, sв, d, y). Испытания проводились из сплава PH1 по ГОСТ 1497 с построением условных диаграмм растяжения и определением следующих характеристик: условное временное сопротивление sв, условный предел текучести при растяжении s0,2, остаточное относительное удлинение d, относительное сужение y, статический модуль упругости при растяжении E. В процессе испытаний цилиндрических образцов фиксировались данные по времени, нагрузке и соответствующей ей деформации (частота опроса 0,05 с). Построение диаграмм растяжения велось в координатах «деформация - напряжение», при этом при построении условной диаграммы использовалось условное напряжение (текущая нагрузка, действующая на образец при данной деформации, отнесенная к начальной площади поперечного сечения). Определение характеристик механических свойств сплава PH1 при испытании на растяжение на установке LFMZ100 проводилось на цилиндрических образцах, изготовленных из термообработанной заготовки, полученной методом селективного лазерного спекания. В ходе исследования выявлено, что порошки имеют сферическую форму с наличием сателлитов на поверхности (рис. 1, а). Сателлиты ухудшают текучесть порошка, но браковочным признаком не являются. Также в порошках выявлены частицы неправильной формы (рис. 1, б). В материале частиц порошка PH1 микропор не выявлено. Заготовки были получены методом селективного лазерного спекания на установке EOSINT M280 из сплава PH1. Параметры, при которых были выращены заготовки для испытаний, представлены в табл. 1. а б Рис. 1. Порошок PH1: а - вид порошка PH1; б - порошок PH1 с наличием сателлитов и частицами неправильной формы Детали получились полностью сплавленными при стандартных параметрах и толщине слоя построения 20 мкм. Заготовки прошли термообработку по следующим режимам: - режим 1: отжиг при температуре 1050 °С в течение 1,5 ч, затем отпуск при температуре 480 °С в течение 1 ч; - режим 2: отжиг при температуре 1050 °С в течение 1,5 ч, затем отпуск при температуре 525 °С в течение 4 ч; - режим 3: отпуск при температуре 480 °С в течение 1 ч; - режим 4: отпуск при температуре 525 °С в течение 4 ч. Твердость образцов после термообработки составила больше 40 HRC. Испытания цилиндрических образцов из сплава PH1 на кратковременную прочность были проведены при температуре 20 °С в соответствии с ГОСТ 1497. Испытания на модуль упругости - по ГОСТ 25.502-79. Скорость нагружения при определении прочности составляла 1,25 мм/мин. Скорость нагружения при определении характеристик текучести составляла 0,125 мм/мин. Испытания проводились до разрушения образцов. Схема испытания приведена на рис. 2. Рис. 2. Принципиальная схема испытания на растяжение на установке LFMZ-100 Результаты исследования По данным, зафиксированным в ходе испытаний, с помощью заложенного алгоритма в программном обеспечении установки LFMZ100 в соответствии с ASTM 8M автоматически вычислены механические характеристики (E, s0,2, sв, d, y). Определение модуля упругости в пределах линейного участка диаграммы растяжения с фиксированными границами проведено методом регрессии. Статистическая обработка [25] результатов испытаний сплава PH1 при температуре 20 °С заключалась в определении средних значений характеристик механических свойств, среднеквадратических отклонений (с.к.о.), значений нижних границ средних характеристик механических свойств с доверительной вероятностью 95 % по формулам (1) Таблица 1 Основные параметры для выращивания деталей из сплава PH1 Модель Рабочая зона, мм Шаг построения, мкм Мощность, Вт Производительность, см³/ч Материал EOSINT M280 250´250´350 20-200 400-1000 20-35 PH1 (2) где - среднее значение характеристики механических свойств сплава; - значение характеристики механических свойств отдельных образцов; - количество элементов выборки; - с.к.о. Значения минимальных характеристик механических свойств сплава с вероятностью 99 % определялись по формуле (3) Полученные по формулам (1)-(3) средние значения, с.к.о. и минимальные значения характеристик механических свойств (E, s0,2, sв, d, y) сплава PH1 при температуре 20 °С представлены в табл. 2. Таблица 2 Результаты статистической обработки характеристик механических свойств сплава PH1 при температуре 20 °С Режим Параметр Тип значений Значение Режим 1: отжиг при температуре 1050 °С в течение 1,5 ч, затем отпуск при температуре 480 °С в течение 1 ч. Вертикальное направление выращивания образцов E, ГПа среднее 208,92 s0,2, МПа среднее 1244,21 минимальное 1224,90 с.к.о. 6,44 sв, МПа среднее 1391,604 минимальное 1369,19 с.к.о. 7,41 d, % среднее 8,88 y, % среднее 25,17 Режим 3: отпуск при температуре 480 °С в течение 1 ч. Вертикальное направление выращивания образцов E, ГПа среднее 181,67 s0,2, МПа среднее 1204,046 минимальное 1093,65 с.к.о. 36,80 sв, МПа среднее 1496,29 минимальное 1484,84 с.к.о. 3,82 d, % среднее 16,504 y, % среднее 46,914 Режим 3: отпуск при температуре 480 °С в течение 1 ч. Горизонтальное направление выращивания образцов E, ГПа среднее 200,67 s0,2, МПа среднее 1389,29 минимальное 1347,76 с.к.о. 13,84 sв, МПа среднее 1524,422 минимальное 1513,62 с.к.о. 3,602 d, % среднее 17,704 y, % среднее 49,786 Окончание табл. 2 Режим Параметр Тип значений Значение Режим 2: отжиг при температуре 1050 °С в течение 1,5 ч, затем отпуск при температуре 525 °С в течение 4 ч. Вертикальное направление выращивания образцов E, ГПа среднее 204,652 s0,2, МПа среднее 1136,1 минимальное 1120,84 с.к.о. 5,09 sв, МПа среднее 1196,812 минимальное 1185,36 с.к.о. 3,818 d, % среднее 11,464 y, % среднее 52,88 Режим 4: отпуск при температуре 525 °С в течение 4 ч. Вертикальное направление выращивания образцов E, ГПа среднее 186,572 s0,2, МПа среднее 1233,6 минимальное 1159,93 с.к.о. 24,55 sв, МПа среднее 1421,9 минимальное 1394,35 с.к.о. 9,18 d, % среднее 17,128 y, % среднее 54,406 Режим 4: отпуск при температуре 525 °С в течение 4 ч. Горизонтальное направление выращивания образцов E, ГПа среднее 198,864 s0,2, МПа среднее 1388,3 минимальное 1369,9 с.к.о. 6,14 sв, МПа среднее 1475,9 минимальное 1466,72 с.к.о. 3,06 d, % среднее 15,856 y, % среднее 58,118 На рис. 3-6 представлены условные диаграммы растяжения сплава PH1 по средним значениям напряжения при температуре испытания 20 °С. Средние значения напряжения сплава PH1 для заданных значений деформаций e = 0,003; 0,004; 0,005; 0,006; 0,007; 0,008; 0,009; 0,010; 0,011; 0,012; 0,013; 0,014; 0,015; 0,020; 0,030; 0,040, необходимые для построения условной диаграммы растяжения, определялись по формуле (1). Из табл. 2 и рис. 3-6 видно следующее: - средние значения модуля упругости E, условного предела текучести s0,2, предела прочности при растяжении sв достигают максимального значения при получении их в горизонтальном направлении выращивания образцов; - величина относительного удлинения d достигает максимального значения 17,704 % при режиме 3 с горизонтальной ориентацией и минималь- Рис. 3. Кривая деформирования сплава PH1 при температуре 20 °С с режимом термообработки 1 Рис. 4. Кривая деформирования сплава PH1 при температуре 20 °С с режимом термообработки 2 Рис. 5. Кривая деформирования сплава PH1 при температуре 20 °С с режимом термообработки 3 Рис. 6. Кривая деформирования сплава PH1 при температуре 20 °С с режимом термообработки 4 ного значения 8,88 % при режиме 1 с вертикальной ориентацией выращивания образцов; - относительное сужение y достигает максимального значения 58,118 % при режиме 4 с горизонтальной ориентацией и минимального значения 25,17 % при режиме 1 с вертикальной ориентацией выращивания образцов. Важным результатом исследования является эффект упрочнения. Предел прочности sв сплава PH1 достигает 1524,422 МПа при режиме 3 с горизонтальной ориентацией выращивания образцов, что на 10-30 % выше, чем у других материалов. Важно отметить, что СЛС-материал практически полностью лишен «традиционных» недостатков порошковых материалов - сплав имеет рекордно высокую для порошковых аналогов прочность. Предел текучести s0,2 составляет 1388,3 МПа при режиме 4 с горизонтальной ориентацией выращивания образцов. Необходимо отметить, что образцы, изготовленные по технологии СЛС, имеют более высокие значения предельной прочности на растяжение, что, вероятно, связано с наличием регулярной внутренней структуры образцов. Выводы 1. Проведены исследования структуры и физико-механических свойств образцов из сплава PH1, полученного с использованием технологии послойного лазерного спекания. Структура имеет сферическую форму частиц, что обеспечивает «текучесть» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением. Это как раз достигается при сферической форме частиц. Такие частицы более компактно укладываются в определенный объем. 2. По результатам испытаний установлено, что предел прочности sв сплава достигает 1524,422 МПа при режиме 3 с горизонтальной ориентацией выращивания образцов, что на 10-30 % выше, чем у других материалов. Предел текучести s0,2 составляет 1388,3 МПа при режиме 4 с горизонтальной ориентацией выращивания образцов. Пластичность сплава существенно выше, чем у порошковых аналогов, - удлинение до разрушения d при комнатной температуре достигает 17,704 %. Необходимо отметить, что образцы, изготовленные по технологии СЛС, имеют более высокие значения предельной прочности на растяжение, что, вероятно, связано с наличием регулярной внутренней структуры образцов. 3. Эксплуатационные характеристики образцов достигают максимального значения при получении их горизонтальной ориентацией, в отличие от характеристик, полученных вертикальным направлением выращивания образцов. 4. Исследования структуры и физико-механических свойств сплава PH1 показали, что данный сплав имеет более высокие прочностные характеристики по сравнению с аналогами, полученными с использованием технологий литья, проката и твердофазного спекания. 5. Полученные характеристики кратковременной прочности и пластичности, условные диаграммы растяжения могут быть использованы в прочностных расчетах и при определении режимов испытаний на малоцикловую усталость деталей, изготовленных из сплава PH1.

About the authors

L. P Babentsova

Perm National Research Polytechnic University

I. V Antsiferova

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 66

PDF (Russian) - 38

Refbacks

• There are currently no refbacks.