RU2674685C1

RU2674685C1 - Method for producing parts from heat-resistant nickel alloys, including technology of selective laser alloys and heat treatment

Info

Publication number: RU2674685C1
Application number: RU2018120814A
Authority: RU
Inventors: Виталий Геннадиевич Смелов; Антон Владимирович Сотов; Антон Васильевич Агаповичев; Рустам Равильевич Кяримов
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2018-12-13

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to a method of manufacturing parts made of heat-resistant nickel-based alloys, intended for operation at elevated temperatures in gas turbine engines. Part is produced by selective laser fusion with a laser power of 280 to 320 W, a scanning speed of 700 to 760 mm/s, a layer thickness of 50 mcm and a scanning step of 0.12 mm. Process of manufacturing parts using selective laser fusion technology takes place inside a sealed chamber in a protective gas environment. Heat treatment is carried out at a temperature of 1,000±100 °C for 2 hours. Heating of the parts is carried out gradually with an exposure for 2 hours at temperatures of 200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C. Cooling parts carried out in conjunction with the stove.EFFECT: obtaining parts with low porosity, high mechanical properties and low residual stresses.1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к аддитивным технологиям (технология Selective laser melting, SLM, селективное лазерное сплавление, СЛС), а именно к изготовлению деталей технологией селективного лазерного сплавления металлических порошков жаропрочных никелевых сплавов, и может использоваться для производства деталей и узлов авиационных и ракетно-космических систем.The invention relates to additive technologies (Selective laser melting technology, SLM, selective laser fusion, SLS), and in particular to the manufacture of parts by selective laser fusion of metal powders of high-temperature nickel alloys, and can be used for the production of parts and components of aviation and space-rocket systems.

Известны способы (патенты РФ №2371512 и №2285736) получения изделий из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов с количеством γ'-фазы более 40%, основанных на многостадийной деформации слитка и последующей термической обработке при температуре ниже температуры полного растворения γ'-фазы. Недостатком этих способов является низкий и неоднородный уровень механических свойств.Known methods (RF patents No. 2371512 and No. 2285736) for the manufacture of products from highly alloyed heat-resistant nickel alloys with an amount of γ'-phase more than 40%, based on multistage deformation of the ingot and subsequent heat treatment at a temperature below the temperature of complete dissolution of the γ'-phase. The disadvantage of these methods is the low and heterogeneous level of mechanical properties.

Известен способ (патент РФ №2453398) получения деталей из сплава типа ВВ751П с высокой прочностью и жаропрочностью с использованием горячего изостатического прессования и последующей закалки выше температуры сольвуса. Недостатком этого способа является необходимость использования оснастки при формовании заготовок, низкий выход годных изделий при использовании в качестве оснастки капсул из-за плохой их герметизации, использование металлического порошка большой фракции, что приводит к возникновению высокой шероховатости поверхностей деталей.A known method (RF patent No. 2453398) for producing parts from an alloy of type BB751P with high strength and heat resistance using hot isostatic pressing and subsequent quenching above the solvus temperature. The disadvantage of this method is the need to use tooling when forming blanks, low yield when using capsules as tooling because of their poor sealing, the use of a metal powder of a large fraction, which leads to the appearance of high roughness of the surfaces of the parts.

С целью устранения перечисленных недостатков предлагается способ получения изделия из жаропрочных никелевых сплавов с высокой прочностью и жаропрочностью, включающий технологию селективного лазерного сплавления и термическую обработку.In order to eliminate the above drawbacks, a method for producing a product from heat-resistant nickel alloys with high strength and heat resistance is proposed, including selective laser fusion technology and heat treatment.

Предлагаемый способ отличается от известных тем, что изготовление деталей производят послойно из металлического порошка фракцией до 50 мкм жаропрочного никелевого сплава технологией селективного лазерного сплавления. Изготовление деталей технологией селективного лазерного сплавления происходит при следующих технологических параметрах: мощность лазерного излучения от 280 до 320 Вт, скорость сканирования от 700 до 760 мм/с, толщина слоя 50 мкм и шаг сканирования 0,12 мм. Термическая обработка проводится при температуре 1000±100°С в течение 2 часов. При этом нагрев деталей осуществляют постепенно с выдержкой в течение 2 часов при температурах 200°С, 400°С, 600°С, 800°С. Охлаждение деталей происходит совместно с печкой.The proposed method differs from the known ones in that the manufacture of parts is carried out in layers from a metal powder with a fraction of up to 50 μm of heat-resistant nickel alloy by selective laser fusion technology. Parts are manufactured using selective laser fusion technology with the following technological parameters: laser radiation power from 280 to 320 W, scanning speed from 700 to 760 mm / s, layer thickness 50 μm and scanning pitch 0.12 mm. Heat treatment is carried out at a temperature of 1000 ± 100 ° C for 2 hours. In this case, the parts are heated gradually with exposure for 2 hours at temperatures of 200 ° C, 400 ° C, 600 ° C, 800 ° C. Parts are cooled together with the stove.

Технический результат - получение функциональных деталей технологией селективного лазерного сплавления, высокие механические характеристики деталей достигаемые за счет применения оптимальных технологических параметров обработки, высокая плотность деталей за счет применения оптимальных параметров обработки, низкий уровень остаточных напряжений в деталях за счет проведения термической обработки, и, как следствие, высокая точность размеров и расположения поверхностей, существенное повышение коэффициента использования материала (КИМ).EFFECT: obtaining functional parts by selective laser fusion technology, high mechanical characteristics of parts achieved through application of optimal technological processing parameters, high density of parts due to application of optimal processing parameters, low level of residual stresses in parts due to heat treatment, and, as a result , high accuracy of size and location of surfaces, a significant increase in the utilization of the material M).

Технический результат достигается за счет того, что изготовление деталей технологией селективного лазерного сплавления проводят при мощности лазерного излучения от 280 до 320 Вт, скорости сканирования от 700 до 760 мм/с, толщине слоя 50 мкм и шаге сканирования 0,12 мм. Термическая обработка проводится при температуре 1000±100°С в течение 2 часов, при этом нагрев деталей осуществляют постепенно с выдержкой в течение 2 часов при температурах 200°С, 400°С, 600°С, 800°С. Охлаждение деталей происходит совместно с печкой.The technical result is achieved due to the fact that the manufacture of parts by selective laser fusion technology is carried out at a laser radiation power of 280 to 320 W, a scanning speed of 700 to 760 mm / s, a layer thickness of 50 μm and a scanning pitch of 0.12 mm. Heat treatment is carried out at a temperature of 1000 ± 100 ° C for 2 hours, while the parts are heated gradually with exposure for 2 hours at temperatures of 200 ° C, 400 ° C, 600 ° C, 800 ° C. Parts are cooled together with the stove.

Это достигается тем, что при применении оптимальных технологических параметров изготовления деталей технологией селективного лазерного сплавления достигается высокая плотность материала за счет подвода оптимального количества энергии. Так, например, при использовании не оптимальных параметров (низкой мощности лазерного излучения совместно с высокой скоростью сканирования) не будет подводиться достаточной энергии для полного расплавления порошка. Если мощность лазерного излучения в высокоскоростном режиме достаточно высока, чтобы полностью расплавить металлический порошок, существует вероятность того, что сильно вытянутый бассейн расплава будет разбит на более мелкие расплавы. При использовании режимов с высокой мощностью лазерного излучения и низкой скоростью сканирования, на материал будет подаваться избыточное количество теплоты, и плавление материала будет происходить в режиме, который называется «замочной скважиной». При этом режиме лазерный луч локально создает температуру достаточную для испарения материала, что приводит к возникновению высокой пористости материала и, как следствие, к его низким механическим свойствам.This is achieved by the fact that when applying the optimal technological parameters for the manufacture of parts by selective laser fusion technology, a high density of the material is achieved by supplying the optimal amount of energy. So, for example, when using not optimal parameters (low power of laser radiation together with a high scanning speed), sufficient energy will not be supplied to completely melt the powder. If the laser radiation power in the high-speed mode is high enough to completely melt the metal powder, there is a possibility that the strongly elongated pool of the melt will be divided into smaller melts. When using modes with high laser radiation power and low scanning speed, excess heat will be supplied to the material, and the material will melt in a mode called a keyhole. In this mode, the laser beam locally creates a temperature sufficient to evaporate the material, which leads to the appearance of a high porosity of the material and, as a result, to its low mechanical properties.

Изобретение поясняется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 изображено образование зоны перекрытия между векторами сканирования.In FIG. 1 shows the formation of an overlap zone between scan vectors.

На фиг. 2 изображена микроструктура материала.In FIG. 2 shows the microstructure of the material.

Указанные режимы позволяют полностью сплавлять металлический порошок жаропрочного никелевого сплава, создавая зону перекрытия между векторами сканирования на уровне 30…45% (Фиг. 1 и Фиг. 2) что положительно сказывается на механических свойствах материала.These modes make it possible to completely alloy the metal powder of a heat-resistant nickel alloy, creating a zone of overlap between the scanning vectors at the level of 30 ... 45% (Fig. 1 and Fig. 2) which positively affects the mechanical properties of the material.

Низкий уровень остаточных напряжений достигается за счет применения термической обработки, которая проводится при температуре 1000±100°С в течение 2 часов, при этом нагрев деталей осуществляют постепенно с выдержкой в течение 2 часов при температурах 200°С, 400°С, 600°С, 800°С. Охлаждение деталей происходит совместно с печкой. Термическая обработка проводится после изготовления детали технологией селективного лазерного сплавления и до отрезки детали от платформы построения. Поэтапное повышение температуры в процессе термической обработки позволяет избежать появления трещин и короблений, а также приводит к более равномерному снятию остаточных напряжений.A low level of residual stresses is achieved through the use of heat treatment, which is carried out at a temperature of 1000 ± 100 ° C for 2 hours, while the parts are heated gradually with exposure for 2 hours at temperatures of 200 ° C, 400 ° C, 600 ° C , 800 ° C. Parts are cooled together with the stove. Heat treatment is carried out after the manufacture of the part by selective laser fusion technology and to pieces of the part from the construction platform. A phased increase in temperature during the heat treatment avoids the appearance of cracks and warping, and also leads to a more uniform removal of residual stresses.

Предлагаемым способом были изготовлены полномасштабные цилиндрические образцы для испытания на одноосное растяжение.The proposed method was made full-scale cylindrical samples for uniaxial tensile testing.

Для осуществления изобретения образцы изготавливались из жаропрочного никелевого сплава ВВ751П производства ОАО "ВИЛС" фракцией до 50 мкм. Изготовление деталей технологией селективного лазерного сплавления осуществлялось при мощности лазерного излучения 320 Вт, скорости сканирования 760 мм/с, толщине слоя 50 мкм и шаге сканирования 0,12 мм. Процесс изготовления деталей технологией селективного лазерного сплавления происходил внутри герметичной камеры в среде защитного газа. Также осуществляется предварительный нагрев платформы построения до температуры 180°С.For the implementation of the invention, the samples were made of heat-resistant nickel alloy BB751P manufactured by JSC "VILS" with a fraction of up to 50 microns. Parts were fabricated using selective laser fusion technology with a laser power of 320 W, a scanning speed of 760 mm / s, a layer thickness of 50 μm, and a scanning pitch of 0.12 mm. The process of manufacturing parts by selective laser fusion technology took place inside a sealed chamber in a shielding gas environment. Pre-heating of the construction platform to a temperature of 180 ° C is also carried out.

Процесс селективного лазерного сплавления заключался в разбиении цифровой трехмерной CAD модели на слои толщиной 50 мкм. Затем при помощи специального модуля, входящего в программное обеспечение MagicsRP, были назначены параметры построения детали (мощность лазерного излучения, скорость сканирования и т.д.). Затем все данные были переданы в установку для начала процесса построения. Из бака, в котором содержался металлический порошок при помощи шнека исходный материал порционно подавался в дозатор (рекоутер). Дозатор перемещаясь в горизонтальном направлении доставлял металлический порошок на платформу построения и при помощи силиконового ножа разравнивал его. После того как слой порошка был выравнен в работу вступал лазер и при помощи системы зеркал выборочно сплавлял металлический порошок. При воздействии лазерного излучения порошок нагревался, а при приложении необходимой энергии, плавился образуя жидкую ванну. Затем жидкая ванна быстро затвердевала тем самым образуя фрагмент детали. После того как селективное лазерное сканирование текущего слоя было закончено, платформа построения при помощи поршня опускалась по оси Z на величину слоя, и насыпался новый слой порошка. Процесс являлся циклическим и повторяется до тех пор, пока деталь не была полностью закончена.The process of selective laser fusion consisted of dividing a digital three-dimensional CAD model into layers 50 μm thick. Then, using the special module included in the MagicsRP software, the parameters for constructing the part (laser radiation power, scanning speed, etc.) were assigned. Then all the data was transferred to the installation to begin the construction process. From the tank, which contained the metal powder with the help of a screw, the starting material was portioned into the dispenser (recauter). Moving horizontally, the dispenser delivered metal powder to the construction platform and leveled it with a silicone knife. After the powder layer was leveled, the laser entered the work and, using a system of mirrors, selectively fused the metal powder. When exposed to laser radiation, the powder was heated, and when the necessary energy was applied, it melted to form a liquid bath. Then the liquid bath quickly hardened thereby forming a fragment of the part. After the selective laser scanning of the current layer was completed, the construction platform with the help of a piston was lowered along the Z axis by the size of the layer, and a new layer of powder was poured. The process was cyclic and repeated until the part was completely finished.

Далее изготовленные образцы подвергались термической обработке по режиму: постепенный нагрев деталей осуществлялся постепенно с выдержкой в течение 2 часов при температурах 200°С, 400°С, 600°С, 800°С. Затем термическая обработка в течение 2 часов при температуре 1000±100°С. Затем охлаждение детали в печи.Further, the prepared samples were subjected to heat treatment according to the regime: the parts were gradually heated gradually with exposure for 2 hours at temperatures of 200 ° C, 400 ° C, 600 ° C, and 800 ° C. Then heat treatment for 2 hours at a temperature of 1000 ± 100 ° C. Then cooling the part in the furnace.

Результаты испытаний механических свойств образцов, изготовленных предлагаемым способом, представлены в таблице 1.The test results of the mechanical properties of samples made by the proposed method are presented in table 1.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет изготавливать функциональные детали с достаточным уровнем механических свойств, высокой плотностью и низким КИМ.Thus, the proposed method allows to produce functional parts with a sufficient level of mechanical properties, high density and low CMM.

В результате этого применение предлагаемого способа изготовления для горелок, завихрителей и камер сгорания газотурбинных двигателей позволит повысить КИМ, снизить затраты на изготовление технологической оснастки, сократить время изготовления подобных деталей в несколько раз.As a result of this, the application of the proposed manufacturing method for burners, swirls and combustion chambers of gas turbine engines will increase the CMM, reduce the cost of manufacturing tooling, and reduce the time to manufacture such parts by several times.

Claims

Способ получения детали из жаропрочных никелевых сплавов, включающий использование металлических порошков, отличающийся тем, что осуществляют селективное лазерное сплавление металлического порошка с мощностью лазерного излучения от 280 до 320 Вт, скоростью сканирования от 700 до 760 мм/с, шагом сканирования 0,12 мм и толщиной каждого слоя 50 мкм и затем термическую обработку полученной детали при температуре 1000±100°С в течение 2 часов, при этом нагрев детали осуществляют постепенно с выдержкой в течение 2 часов при температурах 200°С, 400°С, 600°С, 800°С, причем охлаждение детали производят совместно с печкой.A method of obtaining a part from heat-resistant nickel alloys, including the use of metal powders, characterized in that they perform selective laser alloying of a metal powder with a laser radiation power of 280 to 320 W, a scanning speed of 700 to 760 mm / s, a scan step of 0.12 mm and the thickness of each layer is 50 μm and then heat treatment of the obtained part at a temperature of 1000 ± 100 ° C for 2 hours, while the part is heated gradually with exposure for 2 hours at temperatures of 200 ° C, 400 ° C, 600 ° C, 800 ° C, moreover, the cooling of the part is carried out together with the stove.