RU2767968C1 - METHOD OF PRODUCING PARTS OF SMALL-SIZE GAS TURBINE ENGINE WITH THRUST OF UP TO 150 kgf BY SELECTIVE LASER FUSION - Google Patents
METHOD OF PRODUCING PARTS OF SMALL-SIZE GAS TURBINE ENGINE WITH THRUST OF UP TO 150 kgf BY SELECTIVE LASER FUSION Download PDFInfo
- Publication number
- RU2767968C1 RU2767968C1 RU2021114180A RU2021114180A RU2767968C1 RU 2767968 C1 RU2767968 C1 RU 2767968C1 RU 2021114180 A RU2021114180 A RU 2021114180A RU 2021114180 A RU2021114180 A RU 2021114180A RU 2767968 C1 RU2767968 C1 RU 2767968C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- housing
- gas turbine
- turbine engine
- metal powder
- small
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 230000004927 fusion Effects 0.000 title claims abstract description 15
- RLQJEEJISHYWON-UHFFFAOYSA-N flonicamid Chemical compound FC(F)(F)C1=CC=NC=C1C(=O)NCC#N RLQJEEJISHYWON-UHFFFAOYSA-N 0.000 title 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 38
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 21
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 238000007872 degassing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 claims description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 3
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims description 2
- 150000002815 nickel Chemical class 0.000 claims 1
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 abstract description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 7
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 3
- 238000005255 carburizing Methods 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 150000001247 metal acetylides Chemical group 0.000 description 2
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
- B23K26/342—Build-up welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/60—Preliminary treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способу изготовления деталей малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД), в частности, двигателей типов МГТД-20, МГТД-125 и МГТД-150, методом селективного лазерного сплавления и может быть использовано в авиадвигателестроении при производстве маршевого двигателя летательного аппарата.The invention relates to the field of mechanical engineering, and in particular to a method for manufacturing parts of small-sized gas turbine engines (MGTE), in particular, engines of types MGTD-20, MGTD-125 and MGTD-150, by selective laser alloying and can be used in aircraft engine building in the production of a sustainer engine aircraft.
Технология аддитивного производства для изготовления изделий авиационного назначения методом селективного лазерного сплавления (СЛС) осложнена необходимостью разработки таких режимов синтеза для авиационных сплавов, чтобы последующее синтезированное изделие обладало минимальной долей внутренних объемных дефектов, а также заданным качеством поверхности. Помимо разработки режима необходимо сконструировать и оптимизировать конструкцию изделия таким образом, чтобы обеспечить наибольшую эффективность его применения в силовых агрегатах летательных аппаратов и снизить их вес.The technology of additive manufacturing for the manufacture of aircraft products by selective laser melting (SLM) is complicated by the need to develop such synthesis modes for aircraft alloys so that the subsequent synthesized product has a minimum proportion of internal volumetric defects, as well as a given surface quality. In addition to the development of the mode, it is necessary to design and optimize the design of the product in such a way as to ensure the greatest efficiency of its use in the power units of aircraft and reduce their weight.
Известен способ изготовления компонента газотурбинного двигателя из металлического порошка, содержащий аддитивное изготовление компонента и его термическую обработку. Аддитивное изготовление компонента ведут в формовочной камере, в которую вводят науглероживающий газ. Термическую обработку полученного аддитивным изготовлением компонента ведут с обеспечением осаждения карбидов на границах его зерен (RU 2670827 С2, опубл. 25.10.2018 г. B22F 3/105).A known method of manufacturing a component of a gas turbine engine from a metal powder, containing the additive manufacturing of the component and its heat treatment. The additive manufacturing of the component is carried out in a forming chamber into which a carburizing gas is introduced. Heat treatment of the component obtained by additive manufacturing is carried out to ensure the deposition of carbides at the boundaries of its grains (RU 2670827 C2, publ. 25.10.2018 B22F 3/105).
К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести использование науглероживающего газа, который приводит к осаждению карбидов на поверхности сплавляемых слоев, что может приводить к росту объемных дефектов, локализованных между слоями.The disadvantages of the above method include the use of a carburizing gas, which leads to the deposition of carbides on the surface of the alloyed layers, which can lead to the growth of bulk defects localized between the layers.
Известен способ получения изделий для высоких тепловых нагрузок для авиационных двигателей, который включает обеспечение первой области компонента первым металлическим материалом посредством генеративного лазерного процесса или создание первой области из первого металлического материала, затем создание второй области компонента из второго металлического материала. Способ дополнительно включает создание охлаждающего элемента на компоненте путем селективного лазерного спекания и/или селективной лазерной плавки посредством увеличения концентрации таких элементов, как медь и/или алюминий с высокой теплопроводностью и высоким коэффициентом линейного расширения в металлическом материале. (ЕР 2559787 А1, опубл. 20.02.2013 B23K 26/00).A method is known for producing products for high thermal loads for aircraft engines, which includes providing a first component region with a first metal material through a generative laser process or creating a first region from a first metallic material, then creating a second component region from a second metallic material. The method further includes creating a cooling element on the component by selective laser sintering and/or selective laser melting by increasing the concentration of elements such as copper and/or aluminum with high thermal conductivity and high coefficient of linear expansion in the metallic material. (EP 2559787 A1, published 20.02.2013 B23K 26/00).
К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести невозможность промышленной реализации данного способа изготовления деталей ГТД на современных установках селективного лазерного сплавления.The disadvantages of the above method include the impossibility of industrial implementation of this method of manufacturing GTE parts on modern selective laser melting plants.
Известен способ изготовления металлических изделий селективным лазерным спеканием, включающий первый этап, на котором порошковый материал засыпают в загрузочный бункер, закрывают герметичную камеру, откачивают воздух из герметичной камеры с помощью вакуумной системы, затем заполняют внутренний объем герметичной камеры инертным газом из блока подачи инертного газа до достижения заданного давления, включают систему циркуляции инертного газа, обеспечивают непрерывный обдув зоны сплавления порошкового материала и оптического оборудования лазерной системы через вентиляционные отверстия и производят нагрев основания с подложкой для формируемого изделия. После чего осуществляют второй этап, на котором подают порошковый материал из загрузочного бункера в среде инертного газа через шлюзовое устройство в дозатор, производят выгрузку и разравнивание заданного объема порошкового материала с помощью выравнивателя из дозатора на подложку, полученный слой облучают сфокусированным лазерным излучением в точках слоя, соответствующих поперечному сечению формируемого изделия по заданной программе в системе управления упомянутой установки, после завершения облучения опускают опору для поддержки формируемого изделия на величину толщины полученного слоя. Выравниватель перемещают в обратном направлении, затем операции второго этапа повторяют до полного формирования изделия. После чего осуществляют третий этап, на котором удаляют защитный газ из герметичной камеры, выравнивают давление в герметичной камере с атмосферным, открывают герметичную камеру и извлекают полученное изделие из камеры (RU 2717761 С1, опубл. 25.03.2020, B22F 3/105).A known method for the manufacture of metal products by selective laser sintering, including the first stage, in which the powder material is poured into the hopper, the sealed chamber is closed, air is pumped out of the sealed chamber using a vacuum system, then the internal volume of the sealed chamber is filled with inert gas from the inert gas supply unit to reaching the predetermined pressure, turn on the inert gas circulation system, ensure continuous blowing of the fusion zone of the powder material and the optical equipment of the laser system through the ventilation holes, and heat the base with the substrate for the formed product. After that, the second stage is carried out, at which the powder material is fed from the loading hopper in an inert gas environment through the lock device to the dispenser, the specified volume of powder material is unloaded and leveled using a leveler from the dispenser onto the substrate, the resulting layer is irradiated with focused laser radiation at the points of the layer, corresponding to the cross section of the product being formed according to a given program in the control system of the mentioned installation, after the completion of irradiation, the support is lowered to support the product being formed by the thickness of the resulting layer. The leveler is moved in the opposite direction, then the operations of the second stage are repeated until the product is completely formed. After that, the third stage is carried out, at which the protective gas is removed from the sealed chamber, the pressure in the sealed chamber is equalized with atmospheric pressure, the sealed chamber is opened and the resulting product is removed from the chamber (RU 2717761 C1, publ. 03/25/2020, B22F 3/105).
К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести технологические трудности обеспечения равномерного слоя порошка при его нанесении с использованием вертикальной подачи, что ведет к увеличению количества объемных дефектов при синтезе изделия.The disadvantages of the above method include technological difficulties in ensuring a uniform layer of powder when applied using a vertical feed, which leads to an increase in the number of volumetric defects in the synthesis of the product.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ изготовления детали из хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля, включающий послойное нанесение порошка хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали, горячее изостатическое прессование полученной детали в среде аргона и ее термическую обработку. Металлический порошок хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля предварительно подвергают газодинамической сепарации с последующей дегазацией. Процесс сплавления слоев порошка лазерным лучом проводят в защитной атмосфере азота. Перед горячим изостатическим прессованием полученную деталь помещают в среду электрокорунда и стружки титана или титанового сплава без соприкосновения детали с упомянутой стружкой (RU 2623537, опубл. 27.06.2017 B23K 26/342).The closest analogue of the claimed invention is a method for manufacturing a part from a nickel-based chromium-containing heat-resistant alloy, including layer-by-layer deposition of a nickel-based chromium-containing heat-resistant alloy powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers with a laser beam to form a part, hot isostatic pressing of the obtained part in argon and its heat treatment. The metal powder of the nickel-based chromium-containing heat-resistant alloy is preliminarily subjected to gas-dynamic separation followed by degassing. The process of fusion of powder layers by a laser beam is carried out in a protective nitrogen atmosphere. Before hot isostatic pressing, the resulting part is placed in an environment of electrocorundum and titanium or titanium alloy shavings without contact between the part and said shavings (RU 2623537, publ. 06/27/2017 B23K 26/342).
Недостатком данного способа является отсутствие предварительной компьютерной обработки (топологической оптимизации) электронной 3D-модели детали газотурбинного двигателя, что не позволяет совершенствовать конструкцию детали, тем самым, снижая эффективность ее применения.The disadvantage of this method is the lack of preliminary computer processing (topological optimization) of the electronic 3D model of the gas turbine engine part, which does not allow improving the design of the part, thereby reducing the efficiency of its application.
Технический результат заявленного изобретения заключается в разработке способа изготовления деталей малогабаритного газотурбинного двигателя с тягой до 150 кгс с повышенным показателем тяговооруженности за счет сокращения массы деталей посредством топологической оптимизации.The technical result of the claimed invention is to develop a method for manufacturing parts of a small-sized gas turbine engine with a thrust of up to 150 kgf with an increased thrust-to-weight ratio by reducing the mass of parts through topological optimization.
Заявленный технический результат достигается тем, что способ изготовления деталей малоразмерного газотурбинного двигателя селективным лазерным сплавлением включает в себя операции создания электронной 3D-модели детали при помощи системы твердотельного моделирования, проведения топологической оптимизации детали с учетом ее конструктивных особенностей и схемы нагружения, разделение оптимизированной 3D-модели детали на слои и экспортирование ее на оборудование, газодинамическую сепарацию и дегазацию порошка, послойное нанесение металлического порошка на подложку нагретую в течении 30-60 минут до 200°С и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере азота.The claimed technical result is achieved in that the method for manufacturing parts of a small-sized gas turbine engine by selective laser alloying includes the operations of creating an electronic 3D model of the part using a solid modeling system, performing topological optimization of the part, taking into account its design features and loading scheme, separating the optimized 3D model parts into layers and exporting it to equipment, gas-dynamic separation and degassing of the powder, layer-by-layer deposition of metal powder on a substrate heated for 30-60 minutes to 200 ° C and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective nitrogen atmosphere.
В варианте изготовления детали МГТД фронтовое устройство, корпус, сопло, направляющий аппарат, колесо турбины, корпус соплового аппарата дополнительно подвергают горячему изостатическому прессованию при давлении 100-200 МПа и температуре 1100-1200°С.In the variant of manufacturing the MGTE part, the front device, housing, nozzle, guide vane, turbine wheel, nozzle housing are additionally subjected to hot isostatic pressing at a pressure of 100-200 MPa and a temperature of 1100-1200°C.
В варианте изготовления детали МГТД фронтовое устройство, корпус, сопло, направляющий аппарат, жаровая труба, камера сгорания, дно корпуса, корпус внешнего направляющего аппарата, корпус компрессора передний, спрямляющий аппарат, диффузор, устройство входа, крышка устройства входа, крепление испарительных трубок дополнительно подвергают термической обработке.In the manufacturing option of the MGTE part, the front device, housing, nozzle, guide vane, flame tube, combustion chamber, housing bottom, external guide vane housing, front compressor housing, straightener, diffuser, inlet device, inlet device cover, fastening of the evaporator tubes are additionally subjected to heat treatment.
В варианте изготовления деталей: корпус внешнего направляющего аппарата, корпус компрессора передний, спрямляющий аппарат, диффузор, устройство входа, крышка устройства входа, крепление испарительных трубок - в процессе сплавления слоев порошка осуществляют нагрев подложки до 100°С.In the variant of parts manufacturing: external guide vane housing, front compressor housing, straightening vane, diffuser, inlet device, inlet device cover, evaporator tube fastening - in the process of fusion of the powder layers, the substrate is heated to 100°C.
В варианте изготовления процесс сплавления слоев порошка лазерным лучом проводят в защитной атмосфере аргона.In a manufacturing variant, the process of fusion of powder layers by a laser beam is carried out in a protective argon atmosphere.
В варианте изготовления металлический порошок выполнен из сплава на основе никеля или кобальта, или алюминия.In a manufacturing variant, the metal powder is made from a nickel or cobalt based alloy or aluminium.
Топологическая оптимизация с учетом конструктивных особенностей и схемы нагружения после моделирования электронной 3D-модели детали позволяет снизить массу деталей МГТД с сохранением требуемых прочностных характеристик, тем самым обеспечить снижение веса и повышение тяговооруженности МГТД.Topological optimization, taking into account the design features and the loading scheme after modeling the electronic 3D model of the part, makes it possible to reduce the mass of MGTE parts while maintaining the required strength characteristics, thereby ensuring a reduction in weight and an increase in the thrust-to-weight ratio of MGTE.
Газодинамическая сепарация металлического порошка позволяет исключить наличие в нем тонкой (агломерирующей) фракции менее 10 мкм, препятствующей равномерному нанесению на подложку, а также дефектных пористых гранул, внутри которых содержится локальный объем инертного газа аргона. Применение таких гранул в процессе лазерного сплавления приводит к структурной неоднородности (пористости) сплавленных слоев, что отрицательно сказывается на механических свойствах изготавливаемой детали. В большей степени достичь однородности сплавленных слоев можно используя порошки небольшого фракционного состава менее 63 мкм.The gas-dynamic separation of metal powder makes it possible to exclude the presence of a fine (agglomerating) fraction of less than 10 μm in it, which prevents uniform deposition on the substrate, as well as defective porous granules containing a local volume of inert argon gas. The use of such granules in the process of laser melting leads to structural inhomogeneity (porosity) of the alloyed layers, which adversely affects the mechanical properties of the manufactured part. To a greater extent, the homogeneity of the fused layers can be achieved using powders with a small fractional composition of less than 63 μm.
Дегазация металлического порошка жаропрочного сплава на основе фракционного состава менее 63 мкм позволяет удалить с поверхности частиц порошка адсорбированный кислород, который является вредной газовой примесью, приводящей к снижению механических свойств изготавливаемой детали.Degassing of a metal powder of a heat-resistant alloy based on a fractional composition of less than 63 μm makes it possible to remove adsorbed oxygen from the surface of the powder particles, which is a harmful gas impurity that leads to a decrease in the mechanical properties of the manufactured part.
С целью получения детали большей геометрической точности и высокими механическими свойствами предпочтительно использовать металлический порошок фракционного состава менее 63 мкм с содержанием кислорода менее 0,01 масс. %.In order to obtain a part of greater geometric accuracy and high mechanical properties, it is preferable to use a metal powder with a fractional composition of less than 63 microns with an oxygen content of less than 0.01 wt. %.
Дегазацию проводят посредством вакуумирования камеры, в которую помещен порошок, с последующим нагревом до температуры до 300°С и выдержке при ней в течение 2-6 ч.Degassing is carried out by evacuating the chamber in which the powder is placed, followed by heating to a temperature of up to 300°C and holding it for 2-6 hours.
Селективное сплавление (сканирование) порошка лазерным лучом лучше проводить со скоростью от 0,6 до 3,2 м/сек и мощностью лазера 150-600 Вт. Сочетание указанных скорости и мощности обеспечивает стабильный процесс изготовления деталей за счет полного расплавления сплавляемого слоя металлических порошков.Selective fusion (scanning) of the powder with a laser beam is best done at a speed of 0.6 to 3.2 m/s and a laser power of 150-600 watts. The combination of the specified speed and power ensures a stable process of manufacturing parts due to the complete melting of the alloyed layer of metal powders.
На подложку предпочтительно наносить слой порошка от 20 до 50 мкм.It is preferable to apply a layer of powder from 20 to 50 µm on the substrate.
В процессе изготовления каждое сечение формируемой детали разбивается на отдельные фрагменты, которые формируются с помощью лазерного сплавления металлического порошка, а при сплавлении следующего слоя детали шаг прохождения лазерного луча сдвигается. Это позволяет понизить термические напряжения, возникающие в процессе лазерного сплавления, за счет локализации внутренних напряжений сплавленного металла в небольшом участке и снижения их до минимума, что обеспечивает стабильность технологического процесса и изготовление детали заданной геометрической формы с высокой точностью.During the manufacturing process, each section of the part being formed is divided into separate fragments, which are formed by laser fusion of metal powder, and when the next layer of the part is fused, the step of the laser beam is shifted. This makes it possible to reduce the thermal stresses arising in the process of laser melting by localizing the internal stresses of the alloyed metal in a small area and reducing them to a minimum, which ensures the stability of the technological process and the manufacture of a part of a given geometric shape with high accuracy.
Процесс селективного лазерного сплавления деталей из никелевого и кобальтового сплавов проводят с подогревом подложки до 200°С, для деталей из алюминиевого сплава - до 100°С. Эта операция направлена на снижение остаточных термических напряжений в деталях МГТД.The process of selective laser melting of parts made of nickel and cobalt alloys is carried out with heating of the substrate up to 200°C, for parts made of aluminum alloy - up to 100°C. This operation is aimed at reducing residual thermal stresses in MGTE parts.
Проведение процесса горячего изостатического прессования детали, изготовленной селективным лазерным сплавлением металлического порошка жаропрочного сплава на основе никеля или кобальта, осуществляется при давлении 100-200 МПа и температуре 1100-1200°С, что обеспечивает эффективное снижение пористости синтезированного материала. Проведение процесса горячего изостатического прессования в среде электрокорунда и стружки титана или титанового сплава (стружка-газопоглотитель) обеспечивает уменьшение толщины окисленного слоя за счет снижения электрокорундом интенсивности циркуляции прессующей среды аргона у поверхности обрабатываемых деталей и поглощения из нее примесей кислорода стружкой-газопоглотителем, содержащей титан, имеющий высокое химическое сродство с кислородом. Во избежание высокотемпературного взаимодействия материала детали и стружки титана или титанового сплава во время горячего изостатического прессования деталь и стружка не должны соприкасаться, что достигается наличием в камере внутренней полости с полыми стенками, в которых находится смесь электрокорунда и стружки.Carrying out the process of hot isostatic pressing of a part made by selective laser alloying of metal powder of a heat-resistant alloy based on nickel or cobalt is carried out at a pressure of 100-200 MPa and a temperature of 1100-1200°C, which ensures an effective reduction in the porosity of the synthesized material. Carrying out the process of hot isostatic pressing in the environment of electrocorundum and chips of titanium or titanium alloy (chip-getter) provides a decrease in the thickness of the oxidized layer by reducing the intensity of circulation of the argon pressing medium near the surface of the workpieces by electrocorundum and absorption of oxygen impurities from it by the chip-getter containing titanium, having a high chemical affinity for oxygen. To avoid high-temperature interaction between the part material and titanium or titanium alloy chips during hot isostatic pressing, the part and chips should not touch, which is achieved by the presence in the chamber of an internal cavity with hollow walls containing a mixture of electrocorundum and chips.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. На первом этапе создается электронная 3D-модель при помощи системы твердотельного моделирования. Затем созданная электронная 3D-модель подвергается топологической оптимизации с учетом конструктивных особенностей и схемы нагружения в специальном программном обеспечении. После этого обработанная 3D-модель разделяется на слои и загружается в оборудование для трехмерной печати (3D-принтер). На втором этапе проводят предварительный подогрев подложки от 100 до 200°С в течении 30-60 минут, затем порошковый материал, толщина которого не превышает 50 мкм, распределяется тонким слоем на рабочей поверхности подложки. Лазер согласно заданным параметрам селективно осуществляет расплавление порошка в атмосфере азота или аргона для формирования первого слоя детали. После лазерного сплавления первого слоя металлического порошка подложка опускается на определенный уровень, наносится новый слой порошкового материала, и процесс многократно повторяется до завершения изготовления детали. При необходимости на третьем этапе проводится горячее изостатическое прессование и термическая обработка детали.The claimed method is carried out as follows. At the first stage, an electronic 3D model is created using a solid modeling system. Then the created electronic 3D model is subjected to topological optimization, taking into account the design features and the loading scheme in special software. After that, the processed 3D model is divided into layers and loaded into 3D printing equipment (3D printer). At the second stage, the substrate is preheated from 100 to 200°C for 30-60 minutes, then the powder material, the thickness of which does not exceed 50 microns, is distributed in a thin layer on the working surface of the substrate. The laser, according to the given parameters, selectively melts the powder in an atmosphere of nitrogen or argon to form the first layer of the part. After laser fusion of the first layer of metal powder, the substrate is lowered to a certain level, a new layer of powder material is applied, and the process is repeated many times until the part is finished. If necessary, in the third stage, hot isostatic pressing and heat treatment of the part are carried out.
Детали МГТД, выполненные с применением заявленного способа, а также сплав, указаны в таблице №1.Details of MGTD, made using the claimed method, as well as the alloy, are shown in table No. 1.
По предложенному способу и прототипу была изготовлена камера сгорания двигателя МГТД-20. Масса деталей составила для предложенного способа - 330 г, для прототипа - 348 г. Эффективное снижение массы составило 5,2%.According to the proposed method and prototype, the combustion chamber of the MGTD-20 engine was manufactured. The weight of the parts was 330 g for the proposed method, 348 g for the prototype. The effective weight reduction was 5.2%.
По предложенному способу и прототипу был изготовлен диффузор двигателя МГТД-20. Масса деталей составила для предложенного способа - 135 г, для прототипа - 187 г. Эффективное снижение массы составило 27,8%.According to the proposed method and prototype, the MGTD-20 engine diffuser was manufactured. The weight of the parts was 135 g for the proposed method, 187 g for the prototype. The effective weight reduction was 27.8%.
По предложенному способу и прототипу был изготовлен корпус соплового аппарата МГТД-125/150. Масса деталей составила для предложенного способа - 803 г, для прототипа - 951 г. Эффективное снижение массы составило 15,6%.According to the proposed method and prototype, the housing of the MGTD-125/150 nozzle apparatus was manufactured. The weight of the parts was 803 g for the proposed method, 951 g for the prototype. The effective weight reduction was 15.6%.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021114180A RU2767968C1 (en) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | METHOD OF PRODUCING PARTS OF SMALL-SIZE GAS TURBINE ENGINE WITH THRUST OF UP TO 150 kgf BY SELECTIVE LASER FUSION |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021114180A RU2767968C1 (en) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | METHOD OF PRODUCING PARTS OF SMALL-SIZE GAS TURBINE ENGINE WITH THRUST OF UP TO 150 kgf BY SELECTIVE LASER FUSION |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2767968C1 true RU2767968C1 (en) | 2022-03-22 |
Family
ID=80819580
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021114180A RU2767968C1 (en) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | METHOD OF PRODUCING PARTS OF SMALL-SIZE GAS TURBINE ENGINE WITH THRUST OF UP TO 150 kgf BY SELECTIVE LASER FUSION |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2767968C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2804167C1 (en) * | 2023-02-17 | 2023-09-26 | Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" | Method for manufacturing a pipeline of complex configuration for a gas turbine engine by an additive method |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623537C2 (en) * | 2015-11-13 | 2017-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Parts manufacturing method by layer laser alloying of heat-resistant alloys based on nickel metallic powders |
| RU2674685C1 (en) * | 2018-06-05 | 2018-12-13 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Method for producing parts from heat-resistant nickel alloys, including technology of selective laser alloys and heat treatment |
| WO2019004857A1 (en) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | Siemens Aktiengesellschaft | An additive manufacturing technique for precipitation-hardened superalloy powdered material |
| US10675687B2 (en) * | 2016-03-24 | 2020-06-09 | GM Global Technology Operations LLC | Method of producing insulating three-dimensional (3D) structures using 3D printing |
-
2021
- 2021-05-19 RU RU2021114180A patent/RU2767968C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623537C2 (en) * | 2015-11-13 | 2017-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Parts manufacturing method by layer laser alloying of heat-resistant alloys based on nickel metallic powders |
| US10675687B2 (en) * | 2016-03-24 | 2020-06-09 | GM Global Technology Operations LLC | Method of producing insulating three-dimensional (3D) structures using 3D printing |
| WO2019004857A1 (en) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | Siemens Aktiengesellschaft | An additive manufacturing technique for precipitation-hardened superalloy powdered material |
| RU2674685C1 (en) * | 2018-06-05 | 2018-12-13 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Method for producing parts from heat-resistant nickel alloys, including technology of selective laser alloys and heat treatment |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Разработка аддитивных технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД из отечественного порошка марки ВВ751П. Сотов А.В. и др. "Аддитивные технологии: настоящее и будущее": материалы IV международной конференции, г. Москва, ФГУП "ВИАМ". - М.: ВИАМ, 2018, с.122-127. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2811330C1 (en) * | 2022-11-17 | 2024-01-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" | Method for producing blanks of parts and assembly units of industrial engines using selective laser melting of metal powder |
| RU2804167C1 (en) * | 2023-02-17 | 2023-09-26 | Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" | Method for manufacturing a pipeline of complex configuration for a gas turbine engine by an additive method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dezaki et al. | A review on additive/subtractive hybrid manufacturing of directed energy deposition (DED) process | |
| Löber et al. | Comparison off selective laser and electron beam melted titanium aluminides | |
| EP2790858B1 (en) | Method for additively manufacturing an article made of a difficult-to-weld material | |
| US10780501B2 (en) | Method for manufacturing objects using powder products | |
| KR102383340B1 (en) | Method for manufacturing machine components by additive manufacturing | |
| JP6804205B2 (en) | Manufacturing method of goods | |
| US4212669A (en) | Method for the production of precision shapes | |
| EP1878522B1 (en) | Mass production of tridimensional articles made of intermetallic compounds | |
| EP3670031A1 (en) | Method and system for generating a three-dimensional workpiece | |
| RU2623537C2 (en) | Parts manufacturing method by layer laser alloying of heat-resistant alloys based on nickel metallic powders | |
| WO2019186603A1 (en) | Nozzle guide vane and manufacturing method for the same | |
| Abdulrahman et al. | Laser metal deposition of titanium aluminide composites: A review | |
| Das et al. | Direct laser fabrication of superalloy cermet abrasive turbine blade tips | |
| RU2700439C1 (en) | Method for additive production of articles from titanium alloys with a functional gradient structure | |
| RU2767968C1 (en) | METHOD OF PRODUCING PARTS OF SMALL-SIZE GAS TURBINE ENGINE WITH THRUST OF UP TO 150 kgf BY SELECTIVE LASER FUSION | |
| CN113134629A (en) | Laser additive manufacturing method based on multi-section coupling regulation and control performance | |
| EP3670030A1 (en) | Method and system for generating a three-dimensional workpiece | |
| EP3766604A1 (en) | Method and device for purging an additive manufacturing space | |
| CN108044122B (en) | Preparation method of Nb-Si-based alloy hollow turbine blade | |
| RU2790493C1 (en) | Method for manufacturing blanks by layer-by-layer laser fusion of metal powders of titanium-based alloys | |
| Ahlfors | Hot Isostatic Pressing for Metal Additive Manufacturing | |
| EP3834962A1 (en) | Method and system for generating a three-dimensional workpiece | |
| EP3689499A1 (en) | Manufacturing of high temperature aluminum components via coating of base powder | |
| JP7207067B2 (en) | Manufacturing method of metal member | |
| CN114015922B (en) | Cobalt-based high-temperature alloy metal powder material for additive manufacturing and preparation method thereof |