Влияние гибридного аддитивно-субтрактивного производства на качество поверхности никелевых суперсплавов.

Никелевый суперсплав IN718 обладает исключительной стойкостью к высокотемпературному окислению при температурах выше 600 °C. Он также демонстрирует термическую стабильность при температурах выше 600 °C.

Термокоррозионная стойкость проявляется при температурах выше 600 °C. Стойкость к термической усталости также демонстрируется при температурах выше 600 °C.

Фазы, упрочняющие матрицу, равномерно распределены в никелевом суперсплаве IN718. Материал сохраняет превосходный баланс между прочностью при высоких температурах и пластичностью.

Никелевый суперсплав IN718 служит основным материалом для изготовления критически важных компонентов горячей части турбины, таких как лопатки и диски турбины в авиационных двигателях.

Эти компоненты напрямую определяют соотношение тяги к весу двигателей. Они также определяют эксплуатационную безопасность двигателей.

Преимущества технологии аддитивного производства LPBF

Технология аддитивного производства методом лазерного спекания порошкового слоя (LPBF) обеспечивает исключительную гибкость проектирования. Она гарантирует высокую степень использования материала и значительные преимущества в виде формования изделий, близких к окончательной форме.

Эта технология преодолевает ограничения традиционных процессов литья и ковки.

Это позволяет изготавливать сложные конструкции и компоненты неправильной формы. Также это позволяет изготавливать компоненты со встроенными внутренними каналами охлаждения.

Технология LPBF позволяет осуществлять интегрированное формование без сложных пресс-форм. Она значительно сокращает цикл исследований и разработок высокотемпературных сплавов.

Благодаря этой технологии снижаются производственные затраты. Открываются широкие перспективы применения в производстве высокотехнологичного аэрокосмического оборудования.

• Поверхностные дефекты и проблемы в сплаве IN718, полученном методом LPBF.

Принцип формования методом LPBF основан на послойном нанесении порошка. Он также основан на мгновенном селективном лазерном плавлении.

Под воздействием высокой температуры лазера порошок подвергается неравновесному термическому циклу. Этот цикл включает в себя быстрое плавление и затвердевание.

Высокая скорость охлаждения расплава неизбежно приводит к появлению дефектов поверхности в формованных деталях.

К таким дефектам в основном относятся сферические нерасплавленные частицы, прилипшие к поверхности.

Среди дефектов также наблюдаются межслойные ступенчатости. Кроме того, среди дефектов присутствуют микроскопические несросшиеся поры.

Из-за этих дефектов значительно возрастает шероховатость поверхности.

Повышенная шероховатость поверхности снижает точность размеров компонентов. Повышенная шероховатость поверхности также приводит к концентрации напряжений в местах дефектов.

Циклические высокотемпературные нагрузки ускоряют зарождение и распространение трещин.

Этот процесс значительно сокращает срок службы компонентов и снижает их надежность.

Данные компоненты не могут напрямую соответствовать строгим допускам сборки прецизионного аэрокосмического оборудования.

Данные компоненты не могут напрямую соответствовать эксплуатационным требованиям высокоточного аэрокосмического оборудования.

• Роль гибридного аддитивно-субтрактивного производства

Гибридный аддитивно-субтрактивный производственный процесс объединяет преимущества аддитивного производства методом LPBF (линейного порошкового наплавления) при формировании сложных структур.

Она также объединяет преимущества фрезерования с удалением материала в таких областях, как точное выравнивание и контроль размеров.

Фрезерование позволяет точно удалить дефектный слой с поверхности, изготовленной методом аддитивного производства.

Этот процесс также удаляет излишки материала с поверхности, полученной методом аддитивного производства. Он одновременно улучшает качество поверхности и точность размеров.

Этот подход представляет собой ключевой технологический метод устранения поверхностных дефектов в деталях, изготовленных методом лазерного порошкового наплавления (LPBF). Он также позволяет эффективно производить прецизионные компоненты.

Большинство современных исследований сосредоточено на изучении влияния однократного фрезерования на свойства обычных кованых высокотемпературных сплавов.

Уже существует отлаженная система для оптимизации параметров резки кованых материалов.

Чен Фэн исследовал целостность поверхности деталей из нержавеющей стали 316L, изготовленных с помощью гибридного метода аддитивного производства с использованием лазерной подачи порошка и фрезерования.

Поверхностная микротвердость образцов, изготовленных гибридным методом, превышала микротвердость образцов, изготовленных методом аддитивного производства.

Предел прочности на растяжение гибридных образцов увеличился на 5%. Предел текучести гибридных образцов увеличился на 60.5%.

В образцах, изготовленных с использованием гибридных материалов, удлинение после разрушения уменьшилось.

Компания REN изготовила детали из сплава Inconel 738LC с хорошей целостностью поверхности, используя лазерное селективное плавление и высокоскоростное фрезерование.

Сплав IN718, изготовленный методом LPBF, обладает такими характеристиками, как преимущественный рост столбчатых зерен. Он также характеризуется высоким остаточным напряжением.

Наблюдается неравномерная плотность микроструктуры. Эти характеристики существенно отличаются от равноосной зернистой структуры в состоянии после ковки.

В области гибридного аддитивно-субтрактивного производства отсутствуют систематические исследования.

Данное исследование посвящено изучению взаимосвязи между параметрами процесса фрезерования, шероховатостью поверхности и микроструктурой.

В заключение, в данном исследовании используется гибридный подход к производству, сочетающий аддитивное производство методом LPBF с обработкой материалов на станках с ЧПУ.

В ходе экспериментов по однофакторному процессу фрезерования был проанализирован влияние скорости резания на шероховатость поверхности сплава IN718, полученного методом LPBF.

Сканирующая электронная микроскопия и 3D-профилометры позволили охарактеризовать микроструктуру поверхности.

Эти методы позволили выявить механизм, посредством которого гибридное производство улучшает качество поверхности.

Данное исследование предоставляет важные данные для оптимизации гибридных аддитивно-субтрактивных производственных процессов.

В нем также приводятся технические рекомендации по обеспечению работоспособности сложных прецизионных компонентов, изготовленных из высокотемпературных сплавов на основе никеля.

Методология исследования

Предметом исследования служит никелевый суперсплав IN718.

В исследовании рассматриваются технические проблемы, связанные с компонентами из никелевых суперсплавов, изготовленными методом LPBF, а именно дефекты поверхности и высокая шероховатость поверхности.

В исследовании используется гибридный производственный процесс, сочетающий аддитивное производство методом LPBF с фрезерной обработкой.

Компоненты, изготовленные методом LPBF, служат контрольной группой. В работе систематически сравниваются различия в качестве поверхности между двумя процессами.

В исследовании изучается роль процесса фрезерования в контроле и улучшении шероховатости поверхности и микроструктуры обрабатываемых деталей.

Среднеарифметическое отклонение (Ra) профиля поверхности образца измерялось с помощью 3D-профилометра.

Многократные повторные испытания обеспечили надежность и точность данных о шероховатости.

Средние значения позволили количественно оценить шероховатость поверхности заготовок при различных технологических процессах.

Микроструктуру поверхности исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

В ходе анализа оценивалась эффективность гибридного производственного процесса в устранении присущих деталям, изготовленным методом LPBF, дефектов, таких как сфероидизированные зерна, межслойные ступени и несращенные поры.

В ходе наблюдения также было зафиксировано образование однородных и непрерывных текстур, полученных методом фрезерования, на поверхности образца после гибридного изготовления.

Проведенное всестороннее сравнение продемонстрировало значительное улучшение качества поверхности высокотемпературных сплавов на основе никеля.

Это улучшение стало возможным благодаря гибридному аддитивно-субтрактивному производственному процессу.

Экспериментальная процедура

• LPBF Аддитивное производство

В данном эксперименте для изготовления изделия был выбран сферический порошок никелевого суперсплава IN718, полученный методом газовой атомизации с использованием технологии лазерного спекания порошкового слоя (LPBF).

На рисунке 1 показана морфология исходного порошка.

Как видно из рисунка, большинство частиц порошка имеют сферическую или близкую к сферической форму и обладают хорошей сыпучестью.

В таблице 1 приведен химический состав порошка никелевого суперсплава IN718.

На рисунке 2 показано распределение размеров частиц порошка IN718. Размер частиц измеряли с помощью лазерного анализатора размеров частиц Mastersizer 3000.

Диапазон размеров частиц порошка IN718 узок. Распределение размеров частиц сосредоточено преимущественно в диапазоне от 30 до 50 мкм.

Порошок демонстрирует средневзвешенный по объему размер частиц 37 мкм.

Эта характеристика полностью соответствует требованиям к текучести порошка в процессе формования методом LPBF.

Он также отвечает требованиям к растекаемости порошка в процессе формования методом LPBF.

Таблица 1. Массовые доли каждого химического компонента в порошке сплава IN718.

Оборудование и принцип работы LPBF

В экспериментальной установке для формования используется система DiMetal-280.

Система была разработана Лабораторией аддитивного производства Южно-Китайского технологического университета. Максимальная выходная мощность системы составляет 500 Вт.

Принцип его работы показан на рисунке 3.

Сначала слой металлического порошка равномерно распределяется по рабочей платформе (подложке).

Высокоэнергетический лазерный луч избирательно сканирует определенные участки порошкового слоя.

В процессе сканирования используется информация о поперечном сечении 3D-модели.

Лазерный луч расплавляет выбранные участки порошка. Материал сплавляется и затвердевает.

После сканирования каждого слоя платформа построения точно опускается до заданной толщины слоя.

Затем механизм распределения порошка равномерно покрывает вновь образованный слой свежим слоем порошка.

Процесс распределения порошка повторяется непрерывно. Лазерное сканирование повторяется непрерывно. Процесс спуска с платформы повторяется непрерывно.

Этот цикл постепенно создает цельную трехмерную деталь. Процесс построения происходит от нижнего слоя к верхнему.

Параметры процесса LPBF

После оптимизации параметры процесса LPBF следующие:

• Мощность лазера 270 Вт;
• Скорость сканирования 900 мм/с; толщина порошкового слоя 0.04 мм;
• Шаг сканирования 0.08 мм; материал подложки: сталь 45;
• Применяется метод двунаправленного сканирования.

• Субтрактивная обработка

С помощью процесса LPBF был изготовлен блочный образец из никелевого суперсплава IN718 размером 10 мм × 10 мм × 20 мм.

Пятиосевой высокоскоростной обрабатывающий центр JDGR400T закрепил образец для фрезерной обработки.

Станок был изготовлен компанией Beijing Jingdiao Group Co., Ltd.

Станок отличается точностью позиционирования ±0.005 мм и повторяемостью ±0.003 мм. Максимальная скорость вращения шпинделя составляет 20 000 об/мин.

Высокая точность перемещения обеспечивает точность процесса фрезерования. Высокая скорость резания также гарантирует точность процесса фрезерования.

Эти возможности отвечают требованиям к прецизионной обработке высокотемпературных сплавов на основе никеля.

Высокотемпературный никелевый сплав IN718 обладает высокой прочностью при повышенных температурах. Он также демонстрирует значительное упрочнение при деформации и высокую сопротивляемость резанию.

Эти свойства позволяют отнести сплав IN718 к типичным труднообрабатываемым материалам. В таких условиях обычные режущие инструменты быстро изнашиваются и выходят из строя.

Поэтому для фрезерования были выбраны твердосплавные режущие инструменты, обеспечивающие баланс между износостойкостью и стабильностью резания при высоких температурах.

В качестве плоскости фрезерования была выбрана верхняя поверхность образца;

Для исследования влияния различных параметров фрезерования на качество поверхности заготовки были подготовлены три серии параллельных образцов.

Основные параметры процесса, такие как скорость резания, скорость подачи и глубина резания, для каждого набора параметров показаны в таблице 2.

Таблица 2. Параметры измельчения образцов.

• характеристика

Морфологию порошка охарактеризовали с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA LMS (Чехия).

Лазерный анализатор размера частиц Malvern Mastersizer 3000 точно измерил размер частиц порошка IN718.

С помощью сканирующего электронного микроскопа с полевой эмиссией сверхвысокого разрешения Thermo Scientific Verios 5 UC (FEGSEM) были изучены микроструктурные особенности поверхности.

Данное наблюдение охватывало поверхность, полученную методом аддитивного производства LPBF, а также образцы, изготовленные при различных параметрах процесса фрезерования.

Анализ был сосредоточен на устранении присущих аддитивному производству дефектов. Он также был посвящен морфологии текстуры поверхности и повреждениям, возникающим при механической обработке.

Анализ выявил механизм, посредством которого процесс фрезерования контролирует микроструктуру поверхности.

Шероховатость поверхности измерялась с помощью 3D-профилометра VR-5000 (Keyence).

В ходе сравнительного анализа были изучены изменения шероховатости поверхности (Ra) до и после обработки.

Экспериментальные результаты и анализ

• Влияние гибридного аддитивного и субтрактивного производства 

Шероховатость поверхности характеризует микроскопическую геометрическую морфологию поверхности образца.

Это отражает едва заметные пики и впадины на поверхности в определенном диапазоне после фрезерования.

Этот параметр играет решающую роль в обеспечении геометрической точности в инженерных приложениях.

Этот параметр снижает концентрацию напряжений. Он также повышает усталостную прочность компонентов и увеличивает срок их службы.

Среднее арифметическое отклонение (R)_a) является в настоящее время основным параметром для оценки шероховатости поверхности.

В процессе фактических измерений он наглядно отображает морфологические и высотные характеристики профиля поверхности компонента в пределах заданной длины выборки.

Метод измерения и экспериментальная установка

Измерение шероховатости поверхности образцов в этом эксперименте проводилось с использованием 3D-профилометра, топография поверхности показана на рисунке 3.

Для измерения был выбран метод линейной шероховатости поверхности.

На верхней поверхности каждого образца были выбраны три равномерно распределенные измерительные линии. Эти линии были расположены как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

Линии измерений позволили определить среднее арифметическое отклонения профиля (Ra).

Для определения окончательного значения Ra для каждого образца использовалось шесть наборов данных. Этот процесс обеспечил точность и воспроизводимость результатов испытаний.

Состояние поверхности образцов, полученных методом LPBF, в исходном состоянии.

Поверхность изготовленного методом LPBF образца из высокотемпературного никелевого сплава IN718 имеет неровную, плоскую текстуру.

Вследствие таких факторов, как сфероидизация, межслойное расположение и неполное слияние, поверхность получается неровной.

Как показано на рисунке 4(а), значение шероховатости поверхности Ra достигает 10 мкм, что значительно превышает базовое требование к R._a ≤ 1.0 мкм для прецизионных компонентов аэрокосмической отрасли.

Следовательно, качество поверхности необходимо улучшить посредством последующей механической обработки с удалением лишнего материала.

Влияние фрезерования на шероховатость поверхности

Удаление дефекта путем фрезерования позволяет устранить дефект.

Обработка методом фрезерования с удалением дефектов позволяет удалить дефектный слой с исходной поверхности, полученной методом лазерной порошковой наплавки (LPBF), за счет режущего воздействия.

Этот процесс значительно снижает шероховатость поверхности. Различные параметры процесса по-разному влияют на значение Ra.

В результате механической обработки образуются различные текстуры фрезерования, как показано на рисунках 4(b) – (d).

Сравнительные результаты и влияние параметров

На рисунке 5 показаны значения шероховатости поверхности (R)._a) различных образцов до и после обработки.

Сравнительный анализ показывает, что шероховатость поверхности обработанных образцов значительно снизилась, что эффективно улучшило качество поверхности.

Технология LPBF позволила получить образцы с шероховатостью поверхности приблизительно 10 мкм.

Механическая и фрезерная обработка позволили снизить значения шероховатости поверхности всех образцов ниже 0.9 мкм.

Различные методы фрезерования привели к различиям в шероховатости поверхности образцов.

Группа B2 продемонстрировала наименьшую шероховатость поверхности и наилучшее качество поверхности.

Группа B3 показала второе наилучшее качество поверхности. Снижение скорости резания приводит к уменьшению значений шероховатости поверхности.

Между группами B2 и B3 наблюдается очень небольшая разница в значениях шероховатости поверхности.

• Влияние гибридного аддитивно-субтрактивного производства на микроструктуру поверхности

Микроструктуру поверхности образцов исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа для анализа типов и распределения дефектов.

На рисунке 6 показана микроструктура поверхности каждого образца под сканирующим электронным микроскопом с увеличением 3000×.

На поверхности образца IN718, изготовленного методом LPBF, после печати наблюдаются типичные дефекты, присущие аддитивному производству.

К поверхности прилипает большое количество сферических нерасплавленных частиц порошка, между которыми распределены микроскопические несросшиеся поры.

Межслойное расположение образует отчетливую ступенчатую структуру, являющуюся результатом особенностей траекторий сканирования отдельных слоев и послойного накопления порошка;

Общая поверхность неровная, с неправильной текстурой и без эффективной плоской опорной поверхности; она густо покрыта дефектами.

Эти дефекты являются основной причиной высокой шероховатости поверхности готового изделия, что серьезно влияет на последующую сборку и эксплуатационные характеристики компонента.

Микроструктура поверхности IN718, полученной методом печати, показана на рисунке 6(а).

Процесс фрезерования эффективно удаляет дефектный слой с поверхности, полученной методом LPBF-печати, за счет режущего действия инструмента.

Поверхностная микроструктура образца, полученного методом гибридного аддитивно-субтрактивного производства, является плоской и однородной.

На поверхности отсутствуют явные дефекты. Поверхность имеет равномерную текстуру, полученную в результате фрезерования.

Это свидетельствует о том, что пятиосевая обработка на станках с ЧПУ эффективно снижает количество дефектов поверхности в заготовке, изготовленной методом аддитивного производства, и улучшает плоскостность поверхности.

Хотя микроструктура поверхности незначительно изменяется при разных параметрах фрезерования, различия незначительны, как показано на рисунках 6 (b) – (d).

• Анализ и обсуждение

Основной механизм улучшает качество поверхности никелевого суперсплава IN718 за счет синергетического взаимодействия между формированием структуры, удалением дефектов и выравниванием поверхности.

Этот механизм сочетает в себе аддитивное производство методом LPBF с обработкой материалов методом фрезерования.

Аддитивное производство методом LPBF позволяет изготавливать сложные конструкции практически с конечной формой.

Это решение устраняет проблему, возникающую при традиционных производственных процессах обработки конструкций неправильной формы.

В процессе формования порошок быстро плавится и затвердевает в неравновесном состоянии. Этот процесс приводит к появлению дефектов поверхности.

Обработка материалов методом фрезерования с удалением части материала использует макроскопическое режущее действие инструмента.

Этот метод удаляет дефектный слой с поверхности, полученной методом аддитивного производства. Он устраняет такие проблемы, как сфероидизированные частицы, межслойные ступеньки и пористость.

В процессе обработки надлежащим образом контролируются параметры процесса.

Пластическая деформация и повреждения при обработке во время резания сводятся к минимуму. Таким образом достигается выравнивание поверхности.

Влияние параметров процесса измельчения

С точки зрения фундаментального влияния параметров процесса, скорость резания косвенно влияет на качество поверхности. Скорость резания влияет на стабильность резания и износ инструмента.

Оптимальный диапазон скоростей обеспечивает баланс между эффективностью резки и стабильностью обработки.

Глубина резания влияет на величину сил резания и степень деформации заготовки.

Умеренная глубина резания обеспечивает полное удаление дефектного слоя, предотвращая при этом деформацию заготовки и чрезмерную нагрузку на инструмент.

Поскольку никелевые суперсплавы, как правило, трудно поддаются механической обработке, глубина резания не должна быть слишком большой; оптимальной считается глубина приблизительно 0.1 мм.

Адаптируемость процесса и практическое применение

Данный процесс сохраняет высокую степень свободы проектирования, присущую аддитивному производству методом LPBF, с точки зрения адаптируемости процесса.

В нем используются эффективные возможности удаления дефектов, характерные для субтрактивного фрезерования.

Кроме того, в нем используются возможности обработки поверхности, предоставляемые методом фрезерования с удалением материала.

Такой подход позволяет сбалансировать требования к формированию сложных конструкций с требованиями к качеству поверхности.

Этот подход особенно подходит для изготовления сложных, неправильной формы высокотемпературных компонентов из сплавов.

Лопатки турбины авиационного двигателя являются типичным примером таких компонентов.

В реальных производственных условиях параметры процесса фрезерования могут корректироваться в зависимости от сложности конструкции детали и требований к качеству поверхности.

На этапе черновой обработки используются более высокие скорости подачи и глубина фрезерования. На этом этапе быстро удаляются избыточные дефектные слои.

На этапе финишной обработки используются оптимальные параметры. Этот этап гарантирует соответствие качества поверхности стандартам.

Этот процесс позволяет достичь баланса между эффективностью и точностью.

Шероховатость поверхности можно дополнительно уменьшить с помощью последующих мер. Повреждения при резке можно свести к минимуму с помощью последующих мер.

Срок службы компонентов можно продлить за счет последующих мер.

Эти меры включают в себя выбор специализированных износостойких режущих инструментов, добавление охлаждающей среды и оптимизацию траекторий движения инструмента.

Заключение

На поверхности высокотемпературного никелевого сплава IN718, полученного методом аддитивного производства LPBF, имеются присущие ему дефекты.

К таким дефектам относятся сферические зерна, межслойные ступени и несросшиеся поры.

При значении шероховатости поверхности (Ra) до 10 мкм сложно обеспечить соответствие эксплуатационным требованиям к прецизионным компонентам;

Обработка методом фрезерования с удалением лишнего материала может значительно улучшить качество поверхности деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий.

После механической обработки значения шероховатости поверхности всех образцов снизились до уровня ниже 0.9 мкм, что составляет уменьшение на 94.4%.

Однако шероховатость поверхности различалась у образцов, обработанных различными методами фрезерования;

Процесс фрезерования полностью устранил присущие исходной поверхности, полученной методом LPBF, дефекты.

На поверхности образца сформировалась непрерывная, однородная и неглубокая текстура фрезерования.

На поверхности не было обнаружено заусенцев, разрывов материала или повреждений, вызванных пластической деформацией, а микроструктура была плоской и однородной.

Гибридный производственный процесс сочетает в себе аддитивное производство методом LPBF с фрезерной обработкой.

Этот процесс отвечает требованиям к формовке сложных конструкций. Он также обеспечивает точную подготовку поверхности.

Приведенные технологические принципы обеспечивают теоретическую основу для производства сложных и прецизионных высокотемпературных компонентов из никелевых сплавов.

Эти принципы служат ориентиром для технологических процессов в аэрокосмической отрасли.