Full Text

Аддитивные технологии (АТ), или технологии послойного синтеза - одно из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Использование таких технологий для изготовления металлических конструкций позволяет значительно ускорить решение задач технологической подготовки производства и выпуска готовой продукции. Большими возможностями для выращивания металлических заготовок обладают наплавочные технологии. Для этих целей могут использоваться дуговые, лазерные, электронно-лучевые, плазменные и другие технологии[2] [1-4]. Материал для наплавки может быть в виде порошка или проволоки (прутков). Получение заготовок с минимальным припуском на механическую обработку определяется точностью траектории движения рабочего инструмента и поддержанием заданного поперечного сечения наплавляемой дорожки. Высокие служебные характеристики обеспечиваются получением заданной структуры и свойств металла конструкции (определяются величиной зоны сплавления между слоями, скоростью нагрева и охлаждения металла, временем пребывания металла в расплавленном состоянии и др.). Постоянный подогрев формируемого изделия при наложении слоев может затруднять получение необходимых размеров наплавляемых слоев и желательной структуры получаемого металла. Широкие возможности для решения перечисленных задач предоставляют технологии наплавки с использованием концентрированных источников энергии [4-7]. В настоящее время делаются успешные попытки использования лазерной порошковой наплавки для изготовления ответственных конструкций из различных материалов. Наряду с неоспоримыми преимуществами лазерные аддитивные технологии имеют ряд существенных недостатков: низкий КПД процесса, остаточная пористость при обработке активных материалов и сплавов, высокие требования к дисперсности порошка, высокая стоимость оборудования [7]. Производительность формирования деталей из порошковых материалов в существующих аддитивных технологиях остается крайне низкой, что ставит под сомнение перспективы применения этих технологий для производства крупногабаритных изделий. Общими проблемами аддитивных технологий являются обеспечение надлежащей микроструктуры синтезированного материала и устранение дефектности. В ряде исследований [8-10] показано, что пористость зависит как от наплавляемого материала, так и от параметров режима наплавки. Например, для алюминиевых сплавов пористость может достигать 15 %, для титановых сплавов - до 2 %, тогда как для сталей - менее 0,2 %. Использование присадочной проволоки в качестве рабочего материала позволяет избавиться от проблем, связанных с низкой производительностью существующих методов, высокой стоимостью применяемого оборудования, ограниченностью типов применяемых материалов, обусловленной использованием порошковых систем. В качестве дополнительного преимущества можно отметить, что присадочная проволока имеет значительно меньшую удельную площадь поверхности, чем порошковые материалы, и менее склонна к окислению и поглощению влаги или загрязняющих веществ. Важным является доступность весьма широкого спектра проволок по составу: углеродистые и легированные стали, сплавы цветных металлов, стоимость которых существенно ниже, чем стоимость в порошковом состоянии. Наибольшее применение при использовании проволок в качестве присадочных материалов находят дуговые технологии. СМТ-процесс применительно к аддитивным технологиям имеет ряд неоспоримых преимуществ [11, 12]. CMT - это модифицированный вариант сварки плавящимся электродом в защитном газе, основанный на механизме управляемого режима передачи металла в сварочную ванну за счет использования импульсного тока и возвратно-поступательного движения проволоки. Система обратной подачи проволоки синхронизирована с высокоскоростным цифровым управлением, которое определяет длину дуги, короткую замыкающую фазу и теплопередачу в зону сварки. Следует отметить, что включение двигателя приводного устройства основано на оптимизированных характеристиках дуги, а не на предопределенных времени или скорости [11]. Этот процесс обеспечивает отсутствие разбрызгивания металла, стабильность формирования шва, минимальную теплопередачу в зону обработки и может найти применение при изготовлении заготовок из различных металлов. Однако СМТ-процесс имеет свои недостатки: сравнительно низкая производительность из-за использования проволоки малых диаметров, наличие внутренней дефектности (поры, включения). Использование плазменной наплавки обеспечивает ряд преимуществ как с технологической, так и с экономической точки зрения [13]. К ним можно отнести высокую производительность, регулирование в широких пределах теплопередачи в основной и наплавляемый материал и, как следствие, управление глубиной и шириной проплавления, структурой, составом и свойствами формируемого материала. В качестве присадочного материала может использоваться проволока, порошки и их комбинации. Кроме того, сравнительная простота и невысокая стоимость оборудования для плазменной наплавки должны вызвать интерес производственников к использованию. Плазменная наплавка током обратной полярности обеспечивает хорошее смачивание и растекание жидкого металла при минимальном нагреве поверхности и очистку поверхности предыдущего слоя от загрязнений за счет эффекта катодного распыления. При этом обеспечивается получение слоистых материалов с благоприятной структурой без внутренних дефектов [14]. Плазменные наплавочные технологии позволяют получать материалы с градиентными характеристиками. Перспективным для аддитивных технологий является гибридный способ плазменной наплавки плавящимся электродом [15, 16]. Данный способ отличается от наплавки плавящимся электродом тем, что окружающая электрод атмосфера является горячим ионизированным газом - плазмой. Электрический ток с плавящегося электрода в таких условиях перестает зависеть только от собственного дугового разряда. Это обеспечивает самопроизвольное начало разряда, повышенную стабильность и лучший контроль над переносом металла [17-19]. Наплавка с использованием медного сопла в качестве неплавящегося кольцевого анода плазменной дуги, по оси которого подается плавящийся электрод, обеспечивает включение процесса без использования высоковольтного высокочастотного разряда, что важно для работы на оборудовании с программным управлением [20]. Кольцевой анод выдерживает большие токовые нагрузки сжатой дуги при работе на обратной полярности тока. Столб сжатой дуги отличается высокой пространственной устойчивостью, что объясняется взаимодействием электромагнитных полей сжатой дуги и плавящегося электрода. Сжатая дуга и дуга с плавящегося электрода работают на постоянном токе обратной полярности. Плазменная наплавка плавящимся электродом отличается широким диапазоном регулирования параметров режима. Ток с плавящегося электрода может изменяться от 0 до нескольких сотен ампер, производительность наплавки при этом находится в пределах от 0,3 до 35 кг/ч. Перенос металла в зависимости от соотношения токов с плавящегося электрода и сжатой дуги может быть крупнокапельным, мелкокапельным или струйным. Изделия из нержавеющих хромоникелевых сталей находят широкое применение в самых различных отраслях промышленности. В данной работе представлены результаты аддитивного формирования заготовок из стали 04Х19Н9 и формирования структуры и свойств при использовании послойной СМТ-наплавки, плазменной наплавки током обратной полярности и плазменной наплавки плавящимся электродом. В качестве исходного материала использована проволока Св04Х19Н9 диаметром 1,2 мм. Наплавка СМТ-способом производилась на оборудовании TPS 5000 CMT с блоком подачи проволоки VR 7000-CMT Wire feeder фирмы FRONIUS. Производительность наплавки составляла 1,5 кг/ч. Плазменная наплавка током обратной полярности и гибридная плазменная наплавка плавящимся электродом выполнялись с использованием оборудования, разработанного в Пермском национальном исследовательском политехническом университете. Производительность плазменной наплавки током обратной полярности составляла 3,5 кг/ч, гибридной наплавки - 6 кг/ч. При СМТ-наплавке ширина дорожки одного прохода составляла 5 мм, при плазменной наплавке током обратной полярности - 14 мм, при гибридной наплавке - 12 мм. Из наплавленных заготовок фрезерованием были изготовлены образцы сечением 20´20 мм и длиной 150 мм. Потери на механическую обработку заготовок, полученных СМТ-наплавкой, составили 7 %, плазменной наплавкой током обратной полярности - 18 %, гибридной наплавкой - 10 %. Было изготовлено по 4 образца для каждого варианта наплавки. Половина образцов прошла термическую обработку (закалку от Т = 1050 °С) для сравнения механических характеристик. Исследование макро- и микроструктуры показало следующее: материал, полученный СМТ-наплавкой имеет остаточную пористость (рис. 1, а), объем пористости составляет 1,5 %. Размер пор от 12 до 82 мкм. Материал образца, полученный плазменной наплавкой, плотный, пористость и неметаллические включения отсутствуют (рис. 1, б). Материал, полученный плазменной наплавкой плавящимся электродом, имеет остаточную пористость (рис. 1, в), объем пористости составляет 0,75 %. Размер пор от 10 до 54 мкм. Макроструктура материала образцов характерна для изготовления методом послойной наплавки (рис. 2). а б в Рис. 1. Пористость и неметаллические включения в наплавленном металле, ´200; а - СМТ-наплавка; б - плазменная наплавка током обратной полярности; в - плазменная наплавка плавящимся электродом а б в Рис. 2. Макроструктура наплавленного материала; а - СМТ-наплавка; б - плазменная наплавка; в - плазменная наплавка плавящимся электродом Макроструктура материалов слоистая, дендритного строения, с перекрытием соседних дорожек. Дендриты ориентированы в направлении теплоотвода, соответствующего направлению выращивания образца. Микроструктурные исследования (рис. 3, 4) показали близкое по структуре строение материалов, полученных СМТ-наплавкой, плазменной наплавкой и плазменной наплавкой плавящимся электродом. Структура аустенитная с выделенным дельта-ферритом. Содержание феррита 3,5-5,0 %. Причем верхние слои (см. рис. 3) кристаллизуются по ферритно-аустенитному (ФА) механизму с дендритной морфологией феррита [17]. Есть некоторые отличия в дисперсности. В центральной части слоев (см. рис. 4) наплавки наблюдается строение, характерное для аустенитно-ферритной (АФ) кристаллизации [18] вытянутых дендритов. Количество феррита не превышает 1,5 %, наблюдается небольшое количество карбидов. Структура металла, полученного плазменной наплавкой, заметно отличается строением ферритной сетки. Результаты механических испытаний приведены в таблице. Для сравнения приведены свойства сталей 12Х18Н9 и 04Х18Н10 в деформированном состоянии (пруток). Механические характеристики материалов, полученных наплавкой, соизмеримы со свойствами сталей 12Х18Н9 и 04Х18Н10 в деформированном состоянии. Плазменная наплавка плавящимся электродом обеспечивает получение большего предела текучести при сохранении пластичности (см. таблицу). а б в Рис. 3. Микроструктура верхнего слоя наплавленных материалов, ´300: а - СМТ-наплавка; б - плазменная наплавка; в - плазменная наплавка плавящимся электродом а б в Рис. 4. Микроструктура средних слоев наплавленных материалов, ´300: а - СМТ-наплавка; б - плазменная наплавка; в - плазменная наплавка плавящимся электродом Механические свойства наплавленных материалов Материал образца sв, кгс/мм2 s0,2, кгс/мм2 d, % j, % СМТ-наплавка стали 04Х19Н9 без термообработки 52,8 27,2 56,0 69,5 после термообработки (закалка Т = 1050 °С) 51,5 28,0 52,6 71,0 Плазменная наплавка стали 04Х19Н9 без термообработки 55,2 32,6 53,6 72,5 после термообработки (закалка Т = 1050 °С) 55,5 30,0 49,6 74,0 Плазменная наплавка плавящимся электродом стали 04Х19Н9 без термообработки 56,6 36,5 42,0 772,0 после термообработки (закалка Т = 1050 °С) 55,7 34,0 43,0 772,6 Сталь 12Х18Н9 в деформированном состоянии (пруток, ГОСТ 5949-75) термообработка (закалка Т = 1050…1100 °С) ≥50 ≥20 ≥45 ≥55 Сталь 04Х18Н10 в деформированном состоянии (пруток, ГОСТ 5949-75) термообработка (закалка Т = 1020…1100 °С) ≥45 ≥16 ≥40 ≥55 Выводы Использование СМТ-наплавки, плазменной наплавки током обратной полярности и плазменной наплавки плавящимся электродом для аддитивного производства заготовок из стали 04Х19Н9 обеспечивает получение структуры и механических характеристик, близких к свойствам материала, полученного традиционными способами. СМТ-наплавка обеспечивает повышенную точность заготовок с минимальными потерями металла на механическую обработку, но наплавленный металл содержит остаточную пористость и неметаллические включения. Плазменная наплавка обеспечивает получение плотного металла без внутренних дефектов с высокой производительностью. При этом обеспечивается повышение предела текучести наплавленного металла при высоких показателях пластичности. Точность заготовок, полученных плазменной наплавкой, ниже, чем при СМТ-наплавке. Плазменная наплавка плавящимся электродом обеспечивает максимальную производительность процесса, высокую точность заготовок, минимальное наличие неметаллических включений и небольшую остаточную пористость.

About the authors

Y. D Shchitsyn

Perm National Research Polytechnic University

S. A Terentyev

Perm National Research Polytechnic University

S. D Neubybin

Perm National Research Polytechnic University

A. O Artemov

Perm National Research Polytechnic University

D. S Belinin

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 57

PDF (Russian) - 44

Refbacks

• There are currently no refbacks.