Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД методом селективного лазерного сплавления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Сотов Антон Владимирович

• Сотов Антон Владимирович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Сотов Антон Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ГТД

1.1 Использование аддитивных технологий при изготовлении деталей ГТД

1.2 Изготовление жаровых труб ГТД и применяемые материалы

1.3 Методы аддитивного производства на порошковой основе

1.3.1 Селективное лазерное сплавление

1.3.2 Основные дефекты при СЛС и причины их возникновения

1.4 Математическое моделирование процессов нагрева и плавления порошкового материала в СЛС, выбор оптимальных режимов обработки порошкового слоя

1.5 Проектирование технологических процессов СЛС

Заключение по главе

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАГРЕВА И ПЛАВЛЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА В ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ

2.1 Технологическое оборудование, материалы и содержательное описание процесса селективного лазерного сплавления порошкового материала. Структуризация процесса и постановка задачи моделирования

2.2 Постановка физической модели процесса нагрева, плавления и остывания отдельного порошка в слое порошкового материала

2.2.1 Исследование укладки порошка в виде слоя на платформе и анализ предпосылок для их сплавления

2.2.2 Передача энергии лазерного излучения шаровой частице и моделирование процесса ввода тепловой энергии в частицу

2.2.3 Исследование закономерностей ввода тепловой энергии лазерного потока в порошковый материал с размерами частиц соизмеримыми с размером лазерного пятна. Эффективная плотность потока тепловой энергии лазерного излучения

2.3 Постановка математической модели процессов нагрева, плавления и остывания отдельного порошка и выбор математического метода моделирования процесса

2.3.1 Представление дифференциального уравнения теплопроводности с фазовыми переходами в материале для реализации сквозной численной процедуры и выбор метода моделирования процесса

2.3.2 Граничные условия и постановка краевой задачи процесса нагрева, плавления и остывания отдельного порошка

2.4 Результаты численного моделирования процесса нагрева, плавления и остывания порошкового материала

Заключение по главе

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ СЛС

3.1 Оборудование для проведения экспериментов

3.3 Исследование жаропрочного металлического порошка марки ВВ751П

3.4 Проведение прочностных испытаний пластинчатых образцов

3.5 Проведение прочностных испытаний цилиндрических образцов

3.5.1 Металлографические исследования структуры синтезируемого материала

3.6 Исследование влияния стратегии движения лазерного луча на механические свойства синтезируемого материала ВВ751П

3.7 Исследование влияния направления выращивания образцов на механические свойства синтезируемого материала ВВ751П

3.8 Исследование влияния режимов обработки на шероховатость поверхности синтезируемого материала

Заключение по главе

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ

4.1 Основные этапы проектирования технологических процессов селективного лазерного сплавления

4.2 Разработка алгоритма проектирования технологических процессов селективного лазерного сплавления

4.3 Разработка информационно-поисковой системы типовых технологических процессов

Заключение по главе

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖАРОВОЙ ТРУБЫ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНОГО ГТД, СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

5.1 Технологический анализ детали, изготавливаемой методом СЛС, задание направления выращивания

5.2 Технико-экономическое обоснование использования технологии СЛС при

изготовлении жаровой трубы

5.3 Подготовка CAD модели жаровой трубы для процесса СЛС

5.3.1 Моделирование припусков на поверхностях жаровой трубы

5.3.2 Моделирование материала поддержки и дополнительных теплоотводов

5.4 Назначение режимов сплавления металлического порошка, процесс изготовления детали методом СЛС

5.5 Стендовые испытания изготовленной жаровой трубы

5.6 Разработка технологической инструкции по СЛС

Заключение по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД методом селективного лазерного сплавления»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Камера сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) является одним из наиболее сложных узлов авиадвигателя. Конструкции камер, как правило, отличаются высоким уровнем оригинальности технических решений, обеспечивающих надежную стабилизацию пламени, высокую полноту сгорания топлива, экологическую безопасность продуктов сгорания топлива, высокий ресурс конструктивных элементов камеры сгорания и турбины, а также многие, многие другие требования. Современные методы расчета, современное состояние теории и практики проектирования рабочего процесса в камерах сгорания не позволяют надежно прогнозировать результаты проектных решений. Поэтому главным критерием надежности проектных решений остаются результаты глубокого и обширного экспериментального исследования. Например, в настоящее время для создания эффективной конструкции жаровой трубы камеры сгорания требуется проведение испытаний до сотни различных ее вариантов. Устаревающие технологии изготовления сложных конструкций, особенно из жаропрочных материалов, не отвечают требованиям ни по срокам выполнения проекта, ни по стоимости работ. Необходимы новые прорывные технологии быстрого и точного изготовления широкого ассортимента деталей из жаропрочных материалов. Одним из инновационных направлений решения поставленных задач является технология селективного лазерного сплавления (СЛС).

Как правило, в условиях опытного производства, время, затраченное на изготовление жаровой трубы, составляет порядка (5...8) месяцев. Традиционный технологический процесс (ТП) включает более 25 операций, чтобы собрать жаровую трубу из более чем шести отдельных компонентов. Сократить время при разработке ТП возможно с применением технологии СЛС.

Интерес авиационно-космической отрасли к технологии СЛС возникает именно в качестве альтернативы традиционным технологическим методам производства функциональных деталей. Это новый подход к проектированию и изготовлению деталей по сравнению с традиционными методами. Основные

преимущества замены традиционных технологий деталей на процесс СЛС заключается в снижении на порядок времени производственного цикла мелкосерийного производства; сокращении и упрощении технологических цепочек.

С применением технологии СЛС цикл производства опытных жаровых труб ГТД сократится более чем в 8 раз, при этом обеспечивается возможность получения новых функционально-конструктивных особенностей деталей с новым комплексом эксплуатационных свойств.

Разработка ТП изготовления жаровых труб методом СЛС является сложной, комплексной, многовариантной задачей, требующей учета большого числа разнообразных факторов. Методика проектирования таких технологий изготовления, с интегрированными базами данных ТП типовых деталей, с комплексом математического моделирования процессов сплавления при использовании новых материалов, позволит сократить трудоемкость и стоимость разработки новых опытных ТП. Стоит отметить, что одним из основных этапов проектирования ТП СЛС является этап установления диапазонов технологических параметров лазерной обработки порошкового материала, основанного на разработке математической модели процесса нагрева и плавления частиц металлического порошка для достижения высоких прочностных и других эксплуатационных свойств синтезируемого материала. Данный этап при проектировании ТП СЛС позволит значительно сократить объем экспериментальных исследований по оптимизации основных физико-механических свойств материала изготавливаемого изделия, в частности, жаровых труб камер сгорания ГТД.

В условиях импортозамещения для аэрокосмической отрасли также актуальным является вопрос использования в технологии СЛС в качестве строительного материала металлических порошков отечественного производства.

Степень разработанности темы. Разработкой ТП изготовления деталей методами лазерной обработки, а также изучением процессов СЛС занимались отечественные и зарубежные ученые: В.М. Довбыш, М.А. Зленко, М.Д. Кривилев,

С.П. Мурзин, А.П. Назаров, А.А. Попович, А.А. Сапрыкин, И.Ю. Смуров,

B.Ш. Суфияров, Е.В. Харанжевский, И.В. Шишковский, И.А. Ядроитцев,

C.D. Boley, Chee Kai Chua, C. Coddet, A.V. Gusarov, Kai Zeng, S.A. Khairallah, J.P. Kruth, Maarten Van Elsen, T. Ozel, A. Riemer, A.M. Rubenchik, J. Sienz, E.M. Weissman, Xiaoze Du и другие.

Интерес к производству функциональных деталей ГТД методом АТ растет, в связи с этим можно выделить следующие актуальные направления исследований: 1) разработка методики проектирования ТП изготовления деталей ГТД из металлических порошков, в частности, жаровых труб камер сгорания, включающих в себя базы данных типовых ТП. Следует отметить, что в представленных на сегодняшний день результатах проектов по изготовлению функциональных деталей ГТД не отражены основные этапы проектирования ТП изготовления деталей ГТД методом СЛС, а представленные общие рекомендации не позволяют реализовать ТП с требуемым уровнем свойств синтезируемого материала; 2) одним из важнейших этапов разработки технологии СЛС изделий является этап выбора оптимального режима обработки порошкового слоя. Данный этап требует обоснованного подхода к постановке математической модели процесса СЛС, требующего учет возникновения испарения на поверхности частицы порошка, не симметричности подвода лазерного излучения через верхнюю поверхность частицы и зависимость поглощаемого теплового потока от угла падения излучения на поверхность. Решение и результаты математического моделирования для такой постановки задачи ранее в литературе не приводились.

Цель работы: снижение трудоемкости и стоимости изготовления жаровых труб ГТД за счет разработки методики проектирования малооперационного ТП их изготовления методом СЛС металлического порошка жаропрочного никелевого сплава и реализации этого процесса в опытном, с перспективой применения в серийном производстве.

Задачи работы:

1. Разработать математическую модель процесса нагрева и плавления порошкового материала из жаропрочного никелевого сплава в технологии

селективного лазерного сплавления, адаптированную для численного решения с использованием современного стандартного программного продукта, и провести численное исследование процесса.

2. Определить диапазон оптимальных режимов селективного лазерного сплавления отечественного порошка жаропрочного никелевого сплава методом численного математического моделирования, провести проверку результатов экспериментальными исследованиями и провести исследование физико-механических свойств полученного после сплавления материала.

3. Разработать методику проектирования технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД методом селективного лазерного сплавления.

4. Разработать информационно-поисковую систему, содержащую базы данных основных технологических параметров селективного лазерного сплавления порошков, для проектирования технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД.

5. Разработать технологический процесс изготовления жаровой трубы малоразмерного ГТД из жаропрочного никелевого сплава с использованием разработанной методики проектирования технологических процессов селективного лазерного сплавления и провести стендовые испытания изготовленного изделия.

Объект и предмет исследования. Объект исследования - жаровая труба камеры сгорания авиационного ГТД. Предмет исследования - технологический процесс изготовления жаровой трубы ГТД методом селективного лазерного сплавления.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработана методика проектирования технологических процессов селективного лазерного сплавления жаровых труб малоразмерных ГТД, учитывающая значительное количество параметров процесса СЛС, а также содержащая базу данных типовых технологических процессов, реализованную в программном приложении в виде информационно-поисковой системы.

2. Разработана новая общая математическая модель процесса плавления шаровых частиц в СЛС, адаптированная для численной реализации в стандартном конечно-элементном программном продукте ANSYS Transient Thermal, учитывающая фазовый переход в диапазоне температур солидуса и ликвидуса, возможность испарения поверхности, особенности передачи энергии лазерного излучения через верхнюю половину частицы при её размерах меньших, но сравнимых с диаметром пятна излучения и зависимость коэффициента поглощения излучения от угла его падения.

3. Численным моделированием установлено, что только при определенной величине диапазона дисперсности размеров частиц используемой порошковой фракции сплава марки ВВ751П возможен режим лазерной обработки, при котором у всех частиц этой фракции температура в их нижней точке не менее температуры ликвидуса, а в верхней точке не превышает температуры испарения материала. С увеличением величины диапазона дисперсности размеров частиц допустимые диапазоны мощности и скорости движения лазерного излучения для такой обработки убывают и отсутствуют, начиная с определенной величины диапазона размеров частиц.

4. Для композиции жаропрочного порошкового материала марки ВВ751П установлены требования к допустимому диапазону дисперсности частиц и оптимальные режимы их обработки лазерным излучением, подтвержденные результатами экспериментальных исследований.

5. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены оптимальные технологические параметры режимов при селективном лазерном сплавлении отечественного жаропрочного порошкового материала марки ВВ751П и получен заданный комплекс эксплуатационных характеристик материала и изделия в целом.

6. Разработан технологический процесс изготовления жаровой трубы малоразмерного ГТД методом селективного лазерного сплавления отечественного жаропрочного порошкового материала марки ВВ751П. Жаровая труба прошла стендовые испытания в составе камеры сгорания малоразмерного ГТД.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке новой математической модели нагрева и плавления порошкового материала, которая в сочетании с аналитическим методом учета особенностей передачи энергии лазерного излучения через верхнюю половину частицы при её размерах меньших, но сравнимых с диаметром пятна излучения позволяет улучшить понимание процесса оценки термического состояния частиц в их композиции, обрабатываемой на одном режиме, оптимизировать процесс послойной обработки и формообразования детали в целом.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке методики и, интегрированных в методику, баз данных, позволяющей при проектировании ТП изготовления жаровых труб ГТД, учесть множество факторов, оказывающих влияние на технологию формообразования детали, и позволяющей сократить сроки прохождения этапов НИОКР при проектировании новых ТП; в разработке и реализации ТП изготовления жаровой тубы малоразмерного ГТД из отечественного порошка жаропрочного никелевого сплава с использованием выявленных оптимальных режимов процесса СЛС.

Результаты исследований нашли практическое применение при выполнении следующих работ:

- «Создание и опытная отработка аддитивных технологий для предприятий региона» (в рамках подпрограммы «Развитие инновационного территориального аэрокосмического кластера Самарской области» на 2015 - 2018 годы государственной программы Самарской области «Создание благоприятных условий для инвестиционной и инновационной деятельности в Самарской области» на 2014 - 2018 годы, договор № 93-4 от 07.11. 2016 г.).

- «Разработка новой методологии создания малоразмерных газотурбинных двигателей (этапы 1 и 2)» (в рамках реализации программы повышения конкурентоспособности федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» среди ведущих мировых научно-образовательных центров шифр темы 05-Р001-402).

Методы исследований:

Теоретические исследования осуществлялись методами математического моделирования с использованием аналитических методов теории теплопроводности, плавления и кристаллизации твердых тел, а также методами численного моделирования с использованием современного стандартного программного продукта ANSYS Transient Thermal. Экспериментальные исследования образцов, полученных методом СЛС, осуществлялись с использованием стандартных методик на аттестованном оборудовании. Стендовые испытания жаровой трубы малоразмерного ГТД были проведены по методикам, обеспечивающим реальные условия эксплуатации изделия.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика проектирования технологических процессов изготовления жаровых труб малоразмерных ГТД методом селективного лазерного сплавления.

2. Математическая модель процесса нагрева и плавления порошкового материала жаропрочного никелевого сплава в технологии селективного лазерного сплавления и ее численная реализация с использованием современного стандартного программного продукта ANSYS Transient Thermal.

3. Результаты численных исследований на разработанной математической модели и установленное положение о влиянии величины диапазона дисперсности размеров частиц используемой порошковой фракции на величину допустимого диапазона мощности и скорости движения лазерного излучения для качественного сплавления порошка.

4. Результаты экспериментального исследования физико-механических и эксплуатационных характеристик материала и изделия в целом, полученного из отечественного жаропрочного порошка марки ВВ751П методом селективного лазерного сплавления.

5. Разработанный технологический процесс изготовления жаровой трубы малоразмерного ГТД методом селективного лазерного сплавления отечественного порошка жаропрочного никелевого сплава.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы доложены на Международном молодежном форуме «Будущее авиации и космонавтики за молодой Россией» в рамках Международного Форума Двигателестроения МФД-2014 (Москва, апрель 2014 г.); Научно-практической конференции «Аддитивные технологии в российской промышленности» (Москва, февраль 2015 г.); 2-ой Международной научной конференции «Аддитивные технологии: настоящее и будущее», (Москва, март 2016 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», (Самара, июнь 2016 г.); V Московском международном форуме инновационного развития «Открытые инновации», (Москва, октябрь 2016 г.), Конгрессе «Процессы пластического деформирования авиакосмических материалов. Наука, технология, производство» (Металлдеформ-2017), (Самара, июль 2017 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных статей, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 5 в журналах, индексируемых в базе данных Scopus.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 129 наименований и пяти приложений. Общий объем диссертации составляет 219 страниц, 88 рисунков и 14 таблиц.

Автор выражает особую благодарность и признательность д.т.н., профессору Богдановичу Валерию Иосифовичу за консультирование при разработке математической модели нагрева и плавления порошкового материала в технологии селективного лазерного сплавления, за помощь в представлении полученных результатов моделирования. Автор благодарит коллектив кафедры технологий производства двигателей Самарского университета за ценные советы в процессе выполнения работы, а также сотрудников предприятия ОАО «ВИЛС» за предоставленные результаты механических и металлографических исследований образцов.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ГТД

1.1 Использование аддитивных технологий при изготовлении деталей ГТД

В производстве ГТД в последние годы происходят революционные изменения, связанные с созданием и расширяющимся применением новых технологий, способных коренным образом улучшить качественные показатели выпускаемых изделий и условия производства. Их называют приоритетными, ключевыми или критическими технологиями. К таким технологиям, в частности, относятся технологии непосредственного получения трехмерных объектов на основе математической модели изделия [21]. Данные технологии получили название аддитивные.

Аддитивные технологии (трехмерная печать) появились в конце 80-х гг. XX в. В стандарте американской ассоциации испытаний и материалов (American Society for Testing and Materials) ASTM F2792-12a [65] определён термин аддитивных технологий, который звучит как «процесс объединения материалов с целью создания объекта из данных BD-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» производственных технологий».

Одним из динамично развивающихся направлений аддитивных технологий (АТ) является процесс селективного лазерного сплавления/плавления (СЛС) металлического порошка. Данный метод основан на послойном формировании изделия путем сканирования лазерным лучом порошкового слоя, нанесенного на подложку. Технология селективного лазерного сплавления была разработана в конце 1980-х годов, как производственный процесс послойного формообразования, который был использован в качестве быстрого прототипирования [65, 22]. Позже данная технология стала применяться при производстве деталей для долгосрочного использования.

В работах [52, 17] представлено комплексное исследование процесса СЛС металлических порошков жаропрочных никелевых сплавов зарубежного производства. Изучены физико-механические свойства синтезируемого материала,

проведено сравнение механических свойств СЛС-образцов с традиционными способами изготовления. В условиях импортозамещения для аэрокосмической отрасли актуальным становится вопрос использования в технологии СЛС в качестве строительного материала порошков отечественного производства.

В 22 странах уже созданы национальные ассоциации по аддитивным технологиям, объединенные в альянс GARPA. Открываются специализированные предприятия (например, завод GE по производству форсунок камер сгорания для двигателей LEAP). Такие топливные форсунки, изготовленные методами аддитивных технологий, устанавливаются на двигателе LEAP-1B [84]. Масса форсунки снизилась на 25%, при этом долговечность в 5 раз больше. К 2020 году фирма GE планирует изготавливать до 100 000 деталей аддитивными технологиями, при этом рассчитывает на уменьшение веса до 500 кг на каждый авиационный двигатель. Количество машин для 3D печати, используемое фирмой, — более 300.

Фирма Rolls-Royce [107] уже проводит летные испытания двигателя Trent XWB с изготовленным с помощью аддитивных технологий крупногабаритным титановым корпусом передней опоры. Выстроен целый завод, на котором уже налажен промышленный процесс выращивания лопаток из интерметаллида титана для турбин низкого давления. Фактически реализован полный производственный цикл: начиная от получения порошка и заканчивая лабораторными исследованиями продукции. Размер выращиваемых лопаток с бандажными полками — до 325 мм высотой, это колоссальный выигрыш и в массе, и в скорости изготовления, и в расходе материала. Данные лопатки предназначены для использования на сертифицированных двигателях семейства LEAP фирмы CFMI. Перед этим в компании в течение семи лет проводились исследования и квалификация материала, производства, деталей: испытывались образцы, которые были выращены вертикально, горизонтально, под углом 45°, чтобы добиться такого технологического процесса, когда разница в свойствах в различных направлениях не превышала бы допустимой величины.

Фирма MTU Aero Engines [2] на сегодняшний день имеет оборудование для изготовления деталей из металлических порошков сплавов Inconel 718, MAR-M-509, Steels и New Superalloys. Для двигателя A320neo внедряется в серийное производство изготовление бароскопов методами аддитивных технологий.

Одним из ярких примеров внедрения аддитивных технологий в производство является разработанная ЦИАМ [2] лопатка с проникающим охлаждением. В этой лопатке имеются двойные стенки, наружная соединена с внутренней, раздающей воздух, образуя полости с необходимым значением давления. Воздух может проходить между внутренней и наружной стенками, охлаждая последнюю. Кроме того, лопатка имеет развитую перфорацию. Изготовить такую лопатку методом литья не представляется возможным. Это новая конструкция с новым качеством, которое позволяет повысить КПД, эффективность охлаждения, прочностные характеристики, ресурс, надежность.

ОАО «Авиадвигатель» [23] для экспериментальных работ в отсеке камеры сгорания и для газогенераторов двигателей ПД-14 изготовили завихрители методом СЛС из материала ЭП648. В результатах данных проектов не отражены основные этапы проектирования ТП изготовления деталей ГТД методом СЛС, а представленные общие рекомендации не позволяют реализовать ТП с требуемым уровнем свойств синтезируемого материала. В диссертации [36] рассмотрена разработка ТП изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом СЛС на примере деталей «Сопло», «Турбина», а также представлена методика выбора наиболее рациональных компоновок для проектирования установок СЛС.

Технология СЛС позволяет изготавливать изделия из порошков алюминиевых [22, 90], титановых [124, 61], жаропрочных сплавов [87, 89], нержавеющих сталей [106, 18]. Особый интерес вызывают металлические порошки жаропрочных сплавов на никелевой основе. Данные сплавы повсеместно используются в авиадвигателестроении при изготовлении основных узлов горячего тракта газотурбинных двигателей, в частности, жаровых труб камер сгорания.

Жаровая труба авиационного ГТД является сложным и ответственным узлом, от степени совершенствования которого во многом зависят основные данные всего двигателя, его надежность и ресурс [12].

Камера сгорания обеспечивает поступление потока воздуха в область смешения жаровой трубы, где впрыскивается и сгорает распыленное топливо. Эффективность жаровых труб камер сгорания зависит от ее конструкции, шероховатости поверхности, а также используемого материала и его механических характеристик. Как правило, время, затраченное на разработку опытных технологий изготовления жаровых труб, составляет порядка 5...8 месяцев. Традиционный технологический процесс включает более 25 операций, чтобы собрать жаровую трубу из отдельных компонентов. Каждый компонент выполнен с использованием тонкостенных перфорированных листов (толщиной 0,8. 1,5 мм) термостойких сплавов, которые должны быть нарезаны по размеру, подвергнуты горячему прессованию и сварены друг с другом. На более позднем этапе припаиваются топливные форсунки и завихрители. Стоит отметить, что весь процесс изготовления жаровой трубы камеры сгорания требует высококвалифицированного ручного труда.

Использование технологии СЛС в условиях опытного производства позволит сократить время на изготовление жаровых труб до 0,5.1 месяца за счет частичного исключения из технологического процесса таких операций, как сварка, штамповка, сверление и другие, а также за счет сокращения сроков выполнения основных этапов НИОКР. Стоит отметить, что изготовленные с помощью технологии СЛС детали все еще требуют последующей обработки: отделение детали от платформы построения, механическое удаление материала поддержки и постобработка поверхностей. Однако моделирование жаровых труб для технологии СЛС или задание оптимальной ориентации изготавливаемой модели позволяет уменьшить необходимость в материале поддержки. Кроме того, понимание эффективного функционирования изготавливаемой детали имеет первостепенное значение. Например, воздушные потоки могут более эффективно охлаждать стенки камеры сгорания путем увеличения шероховатости поверхности, учитывая, что воздушный

поток в термодинамике с Ra > 3.. .5 мкм в значительной степени непредсказуем

[114].

Тем не менее, даже в случае использования дополнительной обработки выращенных поверхностей, например ультразвуковой полировки (Ra < 0,05 мкм), технология СЛС остается более выгодной с точки зрения затраченного на изготовление времени.

Интерес к производству функциональных деталей ГТД методом АТ растет, в связи с этим актуальным становится вопрос разработки методик проектирования ТП изготовления деталей ГТД из металлических порошков, в частности, жаровых труб камер сгорания, включающих в себя базы данных типовых ТП. Использование методики позволит исключить влияние субъективного фактора на качество изготавливаемых изделий, а также сократить трудоемкость и стоимость на разработку ТП за счет использования интегрированных в методику баз данных типовых технологических процессов.

1.2 Изготовление жаровых труб ГТД и применяемые материалы

Жаровые трубы камер сгорания имеют сложную пространственную форму, выполнены из тонколистового материала, обеспечивающего значительные перепады температур и сил при эксплуатации ГТД [19].

Традиционный ТП изготовления жаровых труб, как правило, состоит из следующих операций:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сотов Антон Владимирович, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аверченко, В.И. Автоматизация проектирования технологических процессов: учебное пособие для вузов [Электронный ресурс] / В.И. Аверченков, Ю.М. Казаков. - М.: Флинта, 2011. - 229 с.

2. Аддитивные технологии в газотурбостроении [Электронный ресурс]. -http://www.ciam.ru/press-center/interview/additive-technologies-in-gas-turbine-шш^^ЮП.

3. Алексеев, Е.Г. Мультимедийный электронный учебник [Электронный ресурс]. - http://inf.e-alekseev.ru/text/Klasif_ips.html.

4. Анисимов, С.И. Действие излучения большой мощности на металлы / С.И. Анисимов, Я.А. Имас, Г.С. Романов, Ю.В. Ходыко. - М.: Наука, 1970. - С. 272.

5. Анкудинов, В.Е. Компьютерное моделирование процессов переноса и деформаций в сплошных средах: учебное пособие. 1-е издание / В.Е. Анкудинов, Д.Д. Афлятунова, М.Д. Кривилев, Г.А. Гордеев. — Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет», 2014. — 108 а

6. Барвинок, В.А. Математическое моделирование нагрева порошкового композиционного материала в плазменной струе / В.А. Барвинок, В.И. Богданович, И.А. Докукина, В.И. Китайкин, А.Н. Плотников // Известия Самарского научного центра Российской Академии наук. - 2001. - Т.3. - №2. - С. 197 - 203.

7. Безъязычный, В.Ф. Автоматизация технологии изготовления газотурбинных авиационных двигателей: учебное пособие / В.Ф. Безъязычный, В.Н. Крылов, В.А. Полетаев и др. - М.: Машиностроение, 2005. - 560 с.

8. Богданович, В.И. Математическое моделирование процесса направленной кристаллизации жаропрочных сплавов при производстве лопаток турбины ГТД / В.И. Богданович, В.А. Барвинок, В.П. Голанов // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2003. - № 3. - С. 28 - 29.

9. Богданович, В.И. Повышение эффективности теплозащитных покрытий за счёт упрочнения поверхностного керамического слоя / В.И. Богданович,

И.А. Докукина, М.Г. Гиорбелидзе, К.В. Небога // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2016. - № 1. - С. 69 - 78.

10. Бондарев, О.Ю. О камерах сгорания современных авиационных двигателей / О.Ю. Бондарев, Ю.А. Тарасенко // журнал «Двигатель». - 2013. - № 5 (89). - С. 10 - 16.

11. Бочвар, А.А. Металловедение / А.А. Бочвар. - М.: Металлургиздат, 1956. - 450 с.

12. Вьюнов, С.А. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: учебное пособие / С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов и др. - М.: Машиностроение, 1989. - 368 с.

13. Гегузин, Я.Е. Физика спекания / Я.Е. Гегузин. - М. :Наука, 1984. - 312 с.

14. Горбачев, И.В. О ходе кристаллизации твердых растворов / И.В. Горбачев // Тр. Дальневосточного политехнического института им. В.В. Куйбышева. — Владивосток, 1941. - Вып. 26. - С. 5 - 29.

15. Гордеев, Г.А. Численное моделирование лазерной обработки металлических порошковых материалов методом конечных элементов / Г.А. Гордеев, М.Д. Кривилёв, В.Е. Анкудинов // Вестник Удмуртского университета. -2014. - Вып. 3. - С. 15 - 22.

16. Григорьянц, А.Г. Основы лазерной обработки материалов / А.Г. Григорьянц. - М.: Машиностроение, 1989. - 304 с.

17. Грязнов, М.Ю. Физико-механические свойства и структура сплава Inconel 718, полученного по технологии послойного лазерного сплавления / М.Ю. Грязнов, С.В. Шотин, В.Н. Чувильдеев // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2014. - № 4(1). - С. 46 - 51.

18. Грязнов, М.Ю. Эффект мезоструктурного упрочнения стали 316l при послойном лазерном сплавлении / М.Ю. Грязнов, С.В. Шотин, В.Н. Чувильдеев // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2012. - №5 (1). -С. 43 - 50.

19. Демин, Ф.И. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: учебное пособие / Ф.И. Демин, Н.Д. Проничев, И.Л. Шитарев. -Самара.: Изд-во СГАУ, 2012. - 323 с.

20. Евстигнеев, М.И. Изготовление основных деталей авиадвигателей / М.И. Евстигнеев, И.А. Морозов, А.В. Подзей и др. М.: Машиностроение, 1972. - 448 с.

21. Елисеев, Ю.С. Технология производства авиационных газотурбинных двигателей: учебное пособие для вузов / Ю.С. Елисеев, А.Г. Бойцов, В.В. Крымов, Л.А. Хворостухин. - М.: Машиностроение, 2003. - 512 с.

22. Иванов, И.Р. Моделирование и исследование лазерного плавления в методе 3d печати на примере порошка алюминия / И.Р. Иванов, В.Д. Селезнёв // Физика. Технологии. Инновации: сборник научных трудов. - Екатеринбург: УрФУ, 2015. - Вып. 1. - С. 89 - 95.

23. Инновации для двигателестроения [Электронный ресурс]. -http: //viam. ru/news/2073.

24. Калиткин, Н. Н. Численные методы: учебное пособие / Н.Н. Калиткин. — СПб. : БХВ-Петербург, 2011. — 586 с. - ISBN 978-5-9775-0500-0.

25. Карташев, Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел : учебное пособие / Э.М. Карташев. - 3-изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 2001. - 550 с.

26. Ковалев, О.Б. Физические основы лазерной резки толстых листовых материалов / О.Б. Ковалев, В.М. Фомин. - М.: Физматлит, 2013. - 256 с.

27. Колдоба, А.В. Математическое моделирование лазерного спекания двухкомпонентных порошковых смесей [Электронный ресурс] / А.В. Колдоба, Ю.А. Повещенко, М.В. Попов и др. // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. - 2009. - № 38. - Режим доступа: http://keldysh.ru/papers/2009/source/prep2009_38.pdf.

28. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников / Г. Корн, Т. Корн. - М.: Наука, 1974. - 832 с.

29. Кривилев, М.Д. Управление лазерным спеканием металлических порошковых смесей / М.Д. Кривилев, Е.В. Харанжевский, Г.А. Гордеев, В.Е. Анкудинов. - М. : ИПУ РАН, 2010. - С. 299-322.

30. Ли, К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE): учебное пособие / К. Ли. - СПб.: Питер, 2004. - 560 с.

31. Любов, Б.Я. Теория кристаллизации в больших объемах / Б.Я. Любов. -М.: Наука, 1975. - 256 с.

32. Майссел, Л. Технология тонких пленок. Справочник / Л. Майссел, Р. Глэнг. - М.: «Сов. Радио», 1977. - Т. 2. - С. 1432.

33. Моргунов, Ю.А. Технико-экономические аспекты аддитивного формообразования / Ю.А. Моргунов, Б.П. Саушкин // Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2016. - № 7 (61). - С. 28 - 35.

34. Мурзин, С.П. Прогрессивные технологии лазерной обработки материалов / С. П. Мурзин. - Самара : Изд-во СНЦ РАН, 2006. - 256 с.

35. Назаров, А.П. Особенности конструкции машин для селективного лазерного спекания / А.П. Назаров, А.А. Окунькова // Вестник МГТУ «Станкин». -2013. - № 1 (24), - С. 76 - 79.

36. Назаров, А.П. Разработка технологического процесса изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом селективного лазерного плавления: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.07 / Назаров Алексей Петрович. - М., 2013. - 246 с.

37. Неруш, С.В. [Электронный ресурс]. - http://itp-forum.ru/conf2015/documents/Section_prezentations/1_%D0%9D%D0%B5%D 1 %80 %D 1 %83%D 1 %88_%D0%92%D0%98%D0%90%D0%9C.pdf.

38. Нестеров, А.В. Особенности резки металлов лазерным лучом с осесимметричной поляризацией / А.В. Нестеров, В.Г. Низьев // Изв. РАН. Сер. Физ. - 1999. - Т. 63. - №. 10. - С. 2039 - 2046.

39. Новые производственные технологии : публичный аналитический доклад / Дежина И.Г., Пономарев А.К., Фролов А.С. и др. - М.: Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2015. - 272 с.

40. Основные методы проектирования технологических процессов [Электронный ресурс]. -http: //de. ifmo .ru/bk_netra/page. php?dir=3 &tutindex=4&index= 18&layer=1.

41. Прохоров, А.М. Взаимодействие лазерного излучения с металлами / А.М. Прохоров, В.И. Конов, И. Урсу, И.Н. Михэилеску. - М.: Наука, 1984. - 312 с.

42. Пчелкин, Ю.М. Камеры сгорания ГТД: учебное пособие / Ю.М. Пчелкин. - М.: Москва, 1988. - 92 с.

43. Р 50-54-93-88 Рекомендации. Классификация, разработка и применение технологических процессов. - М., 1988. - 35 с.

44. Рыкалин, Н.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. - М.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

45. Самарский, А. А. Вычислительная теплопередача / А.А. Самарский, П.Н. Вабищевич. — М.: Едиториал УРСС, 2003. — 784 с.

46. Самойлович, Ю. А. Стальной слиток / Ю.А. Самойлович, В.И. Тимошпольский, И.А. Трусова.- Мн.: Белорусская наука, 2000. - Т. 2. - С. 637.

47. Сапрыкин, А.А. Анализ факторов, влияющих на качество поверхностного слоя, полученного лазерным спеканием / А.А. Сапрыкина, Н.А. Сапрыкина // Технические науки. Отраслевое машиностроение. - 2014. - №2. - С. 273 - 275.

48. Справочный материал [Электронный ресурс]. -http: //technical_translator_dictionary.academic.ru/149547.

49. Справочный материал [Электронный ресурс]. -http://bourabai.ru/einf/chapter121 .htm.

50. Справочный материал [Электронный ресурс]. -http: //dic.academic.ru/dic. nsf/fin_enc/30918.

51. Справочный материал [Электронный ресурс]. - http://www.maksakov-sa.ru/TeorDelphi/OpisanieDelphi/index.html.

52. Суфияров, В.Ш. Селективное лазерное плавление жаропрочного никелевого сплава / В.Ш. Суфияров, А.А. Попович, Е.В. Борисов, И.А. Полозов // Цветные металлы. - 2015. - №1. - С. 79 - 84.

53. Углов, А.А. Автоколебательные процессы при воздействии концентрированных потоков энергии / Н.Н. Рыкалин, С.И. Анисимов. - М.: Наука, 1987. - 147 с.

54. Хаймович, И.Н. Математическое моделирование материалов и процессов: учебное пособие / И.Н. Хаймович, Е.Г. Демьяненко. - Самара : СГАУ, 2015. - 82 с.

55. Харанжевский, Е.В. Физика лазеров, лазерные технологии и методы математического моделирования лазерного воздействия на вещество: учебное пособие / Е.В. Харанжевский, М.Д. Кривилев. - Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет», 2011. - 188 с.

56. Черепанов, Г.П. О форме и глубине реза лазерным лучом / Г.П. Черепанов, А.Г. Черепанов //Физика и химия обработки материалов. - 1990. - № 2. - С. 133 - 137.

57. Чупрунов, Е.В. Основы кристаллографии: учебное пособие / Е.В. Чупрунов, А.Ф. Хохлов, М.А. Фаддеев. - М.: Наука, 1984. - 312 с.

58. Шалин, Р.Е. Авиационные материалы: Справочник в девяти томах. Том 3 Жаропрочные стали и сплавы. Сплавы на основе тугоплавких металлов / Р.Е. Шалин, С.Т. Кишкин, Е.Б. Качанов, И.П. Булыгин. - М.: ОНТИ, 1989. - 565 с.

59. Шишковский, И.В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения / И.В. Шишковский. - СПб. : Изд-во Питер, 2015. - 348 с.: ISBN 978-5496-02049-7.

60. Шишковский, И.В. Селективное лазерное спекание и синтез функциональных структур: дис. ... доктор. физ-мат. наук: 01.04.17 / Шишковский Игорь Владимирович. - Самара, 2005. - 390 с.

61. Шишковский, И.В. Создание объемных изделий из никелида титана методом послойного лазерного плавления / И.В. Шишковский, И.А. Ядроитцев, И.Ю. Смуров // Письма в ЖТФ. - 2013. - Том 39, Вып. 24. - С. 15 - 21.

62. Akhtar, S. Direct selective laser sintering of tool steel powders to high density: part b - the effect on microstructural evolution / S. Akhtar et.al. proc. // Proc 14th Solid Freeform Fabrication Symposium Austin, Texas, 2003.

63. Angelastro, A. Statistical analysis and optimization of direct metal laser deposition of227-F Colmonoy nickel alloy / A. Angelastro, S.L. Campanelli, G. Casalino // Optics & Laser Technology. - 2017. - V. 94. - P. 138 - 145.

64. Arisoy, Y.M. Influence of scan strategy and process parameters on microstructure and its optimization in additively manufactured nickel alloy 625 via laser powder bed fusion / Y.M. Arisoy, L.E. Criales, T. Ozel, B. Lane, S. Moylan, A. Donmez // Int. J. Adv. Manuf. Technology. - 2017. - V. 90. - P. 1393 - 1417.

65. ASTM F2792-12a Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies (Withdrawn 2015), ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, www.astm.org.

66. Barvinok, V.A. Strengthening of heat-insulating surfaces. Nanostructured Thin Films and Nanodispersion Strengthened Coatings / V.A. Barvinok, V.I. Bogdanovich // NATO Science Series. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers. - 2004. - P. 251 - 260.

67. Barvinok, V.A. Physical and Mathematical Simulation of the Formation of Mesostructure-Ordered Plasma Coatings / V.A. Barvinok, V.I. Bogdanovich // Technical physics. - 2012. - V. 5, Issue 2. - P. 262 - 269.

68. Bogdanovich, V.I. Mathematical simulation of the directional crystallization process / V.I. Bogdanovich, V.P. Golanov, V.G. Smelov, N.V. Nikolaeva // International Journal of Engineering and Technology. - 2014. - V. 6. - № 5. - P. 2326 - 2330.

69. Bogdanovich, V.I. Enhancing thermal barrier coatings performance through reinforcement of ceramic topcoat / V.I. Bogdanovich, M.G. Giorbelidze // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2016. - V. 156. - P. 1 - 7.

70. Boley, C.D. Calculation of laser absorption by metal powders in additive manufacturing / C.D. Boley, S.A. Khairallah, A.M. Rubenchik // Applied Optics. - 2015. - V. 54. - P. 2477 - 2482.

71. Boschetto, A. Roughness modeling of AlSi10Mg parts fabricated by selective laser melting / A. Boschetto, L. Bottini, F. Veniali // Journal of Materials Processing Technology. - 2017. - V. 241. - P. 154 - 163.

72. Brandl, E. Additive manufactured AlSi10Mg samples using Selective Laser Melting (SLM): Microstructure, high cycle fatigue, and fracture behavior / E. Brandl, U. Heckenberger, V. Holzinger, D. Buchbinder // Materials & Design. - 2012. - V. 34. - P. 159 - 169.

73. Carter, L.N. The influence of the laser scan strategy on grain structure and cracking behaviour in SLM powder-bed fabricated nickel superalloy / L.N. Carter, C. Martin, P.J. Withers, M.M. Attallah // Journal of Alloys and Compounds. - 2014. - V. 615. - P. 338 - 347.

74. Casati, R. Microstructure and fracture behavior of 316L austenitic stainless steel produced by selective laser melting / R. Casati, J. Lemke, M.J. Vedani // Mater. Sci. Technol. - 2016. - V. 32. - P. 738 - 744.

75. Changa, L. Influences of hot-isostatic-pressing temperature on microstructure, tensile properties and tensile fracture mode of Inconel 718 powder compact / L. Changa, W. Sun, Y. Cui, R. Yang // Materials Science and Engineering: A. - 2014. - V. 599. - P. 186 - 195.

76. Chua, C.K. 3D printing and additive manufacturing: principles and applications / C.K. Chua, K.F. Leong. - Fourth ed. - Singapore, 2015. - 518 pp.

77. Dadbakhsh, S. Effect of hot isostatic pressing (HIP) on Al composite parts made from laser consolidated Al/Fe2O3 powder mixtures / S. Dadbakhsh, L. Hao // Journal of Materials Processing Technology. - 2012. - V. 212. - № 11. - P. 2474 - 2483.

78. Edwards, P. Electron beam additive manufacturing of titanium components: properties and performance / P. Edwards, A. O'Conner, M.J. Ramulu // Manuf. Sci. Eng. - 2013. - V. 135 (6). DOI: 10.1115/1.4025773.

79. Famodimu, O.H. Additive Manufacturing of Aluminium-Metal Matrix Composite developed through Mechanical Alloying: Phd Thesis / Omotoyosi Helen Famodimu. - University of Wolverhampton, 2016. - 198 pp.

80. Gong, H. Generation and detection of defects in metallic parts fabricated by selective laser melting and electron beam melting and their effects on mechanical properties: Phd dissertation / Haijun Gong. - University of Louisville, 2013. - 196 pp.

81. Grasso, M. Process defects and in situ monitoring methods in metal powder bed fusion: a review / M. Grasso, B.M. Colosimo // Measurement Science and Technology. - 2017. - V. 28. - P. 1 - 25.

82. Gusarov, A.V. Modeling the interaction of laser radiation with powder bed at selective laser melting / A.V. Gusarov, I. Smurov // Physics Procedia. - 2010. - V. 5. -P. 381 - 394.

83. Hauser, C. Selective laser sintering of a stainless steel powder: Phd dissertation / Carl Hauser. - University of Leeds, 2003. - 279 pp.

84. Heller, S. How General Electric Company Challenges Conventional Wisdom and Wins [Электронный ресурс]. -https://www.aol.com/article/finance/2014/06/28/how-general-electric-company-challenges-convention/20921665/.

85. Huang, Q. Microstructure and inclusion of Ti-6Al-4V fabricated by selective laser melting / Q. Huang, N. Hu, X. Yang, R. Zhang, Q. Feng // Frontiers Mater. Sci. -2016. - V. 10 (4). - P. 428 - 431.

86. Huang, Y. Finite element analysis of thermal behavior of metal powder during / Y. Huang, L.J. Yang, X.Z. Du, Y.P. Yang // International Journal of Thermal Sciences. - 2016. - V. 104. - P. 146 - 157.

87. Jia, Q. Selective laser melting additive manufactured Inconel 718 superalloy parts: High-temperature oxidation property and its mechanisms / Q. Jia, D. Gu // Optics & Laser Technology. - 2014. -V. 62. - P. 161 - 171.

88. Jiang, W. Finite Element Analysis of Residual Stresses and Deformations in Direct Metal SLS Process / W. Jiang, K. Dalgarno and T. Childs // in Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas, USA, 2012.

89. Kanagarajah, P. Inconel 939 processed by selective laser melting: Effect of microstructure and temperature on the mechanical properties under static and cyclic loading / P. Kanagarajah, F. Brenne, T. Niendorf, H.J. Maier // Materials Science & Engineering: A. - 2013. - V. 588. - P. 188 - 195.

90. Kang, N. Wear behavior and microstructure of hypereutectic Al-Si alloys prepared by selective laser melting / N. Kang, P. Coddet, H. Liao, T. Baur, C. Coddet // Applied Surface Science. - 2016. - V. 378. - P. 142 - 149.

91. Keller, N. Multi-Scale FEM Simulation of Selective Laser Melting Process [Электронный ресурс]. - https://www.slideshare.net/AltairHTC/multiscale-fem-simulation-of-selective-laser-melting-process.

92. Knol, M.F. Thermal modelling of selective laser melting: Phd Thesis / Marius Friso Knol. - Delft University of Technology, 2016. - 79 pp.

93. Kruth, J.P. Selective laser melting of iron-based powder / J.-P. Kruth, L. Froyen, J. Van Vaerenbergh, P. Mercelis, M. Rombouts, B. Lauwers // Mater. Process. Technol. - 2004. -V. 149. - P. 616 - 622.

94. Li, C. Prediction of Residual Stress and Part Distortion in Selective Laser Melting / C. Li, J.F. Liu, Y.B. Guo // Procedia CIRP. - 2016. - V. 45. - P. 171 - 174.

95. Li, R. Balling behavior of stainless steel and nickel powder during selective laser melting process / R. Li, J. Liu, Y. Shi, L. Wang, W. Jiang // Int. J. Adv. Manuf. Technol. - 2012. - V. 59. - P. 1025 - 1035.

96. Liu, Z.H. Crystal structure analysis of M2 high speed steel parts produced by selective laser melting / Z.H. Liu, D.Q. Zhang, C.K. Chua, K.F. Leong // Materials characterization. - 2013. - № 84. - P. 72 - 80.

97. Loeber, L. Comparison of Selective Laser and Electron Beam Melted Titanium Aluminides / L. Loeber, S. Biamino, U. Ackelid, S. Sabbadini, P. Epicoco, P. Fino, J. Eckert // Solid freeform fabrication proceedings. - 2011. - P. 547 - 556.

98. Loh, L.-E. Numerical investigation and an effective modelling on the Selective Laser Melting (SLM) process with aluminium alloy 6061 / L.-E. Loh, C.-K. Chua, W.Y. Yeong, D.-Q. Zhang // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2015. - V. 80. - P. 288 - 300.

99. Mercelis, P. Residual stresses in selective laser sintering and selective laser melting / P. Mercelis, J.-P. Kruth // Rapid Prototyping. - 2006. - V. 12. - P. 254 - 265.

100. Nicholas P.L. A review of Computational Modelling of Additive Layer Manufacturing - multi-scale and multi-physics / P.L. Nicholas, G.R. Brown, J. Sienz, J. Cherry, F. Belblidia // SDM-14 Pre-Proceedings. - 2014. - V. 14. - P. 668 - 690. DOI: 10.13140/RG.2.1.3103.0884.

101. Niu, H.J. Instability of scan tracks of selective laser sintering of high speed steel powder / H.J. Niu, T.H. Chang // Scr. Mater. - 1999. - V. 41. - P. 1229 - 1234.

102. Non-destructive techniques and technologies for qualification of additive manufactured parts and processes: A literature review Contract Report / Sharratt B.M. -Defence Research and Development Canada, 2015. - 156 pp.

103. Popovich, V.A. Functionally graded Inconel 718 processed by additive manufacturing: Crystallographic texture, anisotropy of microstructure and mechanical properties / V.A. Popovich, E.V. Borisov, A.A. Popovich, V.Sh. Sufiiarov, D.V. Masaylo, L. Alzina // Materials & Design. - 2017. - V. 114. - P. 441 - 449.

104. Powell, J. CO2 laser Cutting / J. Powell. - 2nd ed. - Springer-Verlag, 1998. - 264 pp.

105. Riedlbauer, D. Modelling, simulation and experimental validation of heat transfer in selective laser melting of the polymeric material PA12 / D. Riedlbauer, M. Drexler, D. Drummer, P. Steinmann, J. Mergheim // Computational Materials Science. -2014. - V. 93. - P. 239 - 248.

106. Riemer, A. On the fatigue crack growth behavior in 316L stainless steel manufactured by selective laser melting / A. Riemer, S. Leuders, M. Thöne, H.A. Richard, T. Tröster, T. Niendorf // Engineering Fracture Mechanics. - 2014. - V. 120. - P. 15 - 25.

107. Rolls-Royce breaks additive record with printed Trent-XWB bearing [Электронный ресурс]. - https://www.theengineer.co.uk/issues/june-2015-digi-issue/rolls-royce-breaks-additive-record-with-printed-trent-xwb-bearing/

108. Romano, J. Temperature distribution and melt geometry in laser and electron-beam melting processes - A comparison among common materials / J. Romano, L. Leila, J. Razmi, M. Sadowski // Additive Manufacturing. - 2015. - V. 8. - P. 1 - 11.

109. Ruttert, B. Impact of hot isostatic pressing on microstructures of CMSX-4 Ni-base superalloy fabricated by selective electron beam melting / M. Ramsperger, L.M. Roncery, I. Lopez-Galilea, C. Korner // Materials & Design. - 2016. - V. 110. - P. 720 -727.

110. Schulz, W. On laser fusion cutting of metals / W. Schulz, G. Simon, H.M. Urbassek, I. Decker // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1987. - V. 20. - P. 481 - 488.

111. Shi, T. Laser metal deposition with spatial variable orientation based on hollow-laser beam with internal powder feeding technology / T. Shi, B. Lu, S. Shi, W. Meng, G. Fu // Optics & Laser Technology. - 2017. - V. 88. - P. 234 - 241.

112. Shishkovsky, I.V. [Электронный ресурс]. -https://www.intechopen.com/books/new-trends-in-3d-printing.

113. Smith, R.J. Spatially resolved acoustic spectroscopy for selective laser melting / R.J. Smith, M. Hirsch, R. Patel, W. Li, A.T. Clare, S.D. Sharples // Mater. Process. Technol. - 2016. - V. 236. - P. 93 - 102.

114. Stephanie, G. Manufacturing aerospace components with Laser-Based 3D Printing [Электронный ресурс]. -http://www.engineering.com/Library/ArticlesPage/tabid/85/ArticleID/8271/Manufacturi ng-aerospace-components-with-Laser-Based-3D-Printing.aspx.

115. Tammas-Williams, S. XCT analysis of the influence of melt strategies on defect population in Ti-6Al-4V components manufactured by selective electron beam melting / S. Tammas-Williams, H. Zhao, F. Léonard, F. Derguti, I. Todd, P.B. Prangnell // Materials Characterization. - 2015. - V. 102. - P. 47-61.

116. The definitive guide to additive manufacturing [Электронный ресурс]. -https://www.3dhubs.com/what-is-3d-printing#technologies.

117. Thijs, L. A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti-6Al-4V / L. Thijs, F. Verhaeghe, T. Craeghs, J. Van Humbeeck, J.-P. Kruth // Acta Material. - 2010. - V. 58. - P. 3303 - 3312.

118. Tian, Y. Influences of processing parameters on surface roughness of Hastelloy X produced by selective laser melting / Y. Tian, D. Tomus, P. Rometsch, X. Wu // Additive Manufacturing. - 2017. - V. 13. - P. 103 - 112.

119. Vaithilingam, J. Surface chemistry of Ti6Al4V components fabricated using selective laser melting for biomedical applications / J. Vaithilingam, E. Prina, R.D. Goodridge, J.M. Hague, S. Edmondson, A.J. Rose, D.R. Christie // Materials Science and Engineering: C. - 2016. - V. 67. - P. 294 - 303.

120. Van Elsen, M. Complexity of selective laser melting: a new optimisation approach : Phd dissertation / Maarten Van Elsen. - Heverlee, 2007. - 185 pp.

121. Vandenbroucke, B. Selective laser melting of biocompatible metals for rapid manufacturing of medical parts / B. Vandenbroucke, J.-P. Kruth // Rapid Prototype. -2007. - V. 13 (4). - P. 196 - 203.

122. Wu, M.-W. The positive effect of hot isostatic pressing on improving the anisotropies of bending and impact properties in selective laser melted Ti-6Al-4V alloy / M.-W. Wu, P.-H. Lai // Materials Science & Engineering: A. - 2016. - V. 658. - P. 429

- 438.

123. Xia, M. Porosity evolution and its thermodynamic mechanism of randomly packed powder-bed during selective laser melting of Inconel 718 alloy / M. Xia, D. Gu, G. Yu, D. Dai // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2017. - V. 116. - P. 96 - 106.

124. Yadroitsev, I. Selective laser melting of Ti6Al4V alloy for biomedical applications: Temperature monitoring and microstructural evolution / I. Yadroitsev, P. Krakhmalev, I. Yadroitsava // Journal of Alloys and Compounds. - 2014. - V. 583. - P. 404 - 409.

125. Yadroitsev, I. Surface morphology in selective laser melting of metal powders / I. Yadroitsev, I. Smurov // Phys. Procedia. - 2011. V. 12. - P. 264 - 270.

126. Zaeh, M.F. Investigations on residual stresses and deformations in selective laser melting / M.F. Zaeh, G. Branner // Production Engineering. - 2010. - V. 4. - P. 35

- 45.

127. Zäh, M.F. Modelling and simulation of electron beam melting / M.F. Zäh, S. Lutzmann // Production Engineering. - 2010. - V. 4. - P. - 15 - 23.

128. Zeng, K. Optimization of support structures for selective laser melting: Phd dissertation / Zeng Kai. - Louisville, 2015. - 201 pp.

129. Zhong, Y. Additive manufacturing of 316L stainless steel by electron beam melting for nuclear fusion applications / Y. Zhong, L.-E. Rännar, L. Liu, A. Koptyug, S. Wikman, J. Olsen, D. Cui, Z. Shen // Journal of Nuclear Materials. - 2017. - V. 486. - P. 234 - 245.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Химический состав и основные механические и теплофизические свойства жаропрочного порошка марки ВВ751П (ХН56КВМТЮБ)

Таблица А.1 - Химический состав порошка марки ВВ751П (ХН56КВМТЮБ)

Массовая доля содержания химических элементов, %

N1 Со Сг Мо А1 N5 Т1 Бе V

Основа 14,0 -16,0 10,0 -12,0 4,0 -5,0 3,7 -4,2 3,0 -3,5 2,5 -3,5 2,5 -3,1 1,0 0,4 -0,8 0,3

Мп Си С Ьа Р В Се Мв ИГ Б Бс

0,3 0,07 0,04 -0,08 0,02 0,015 0,015 0,01 0,01 0,01 -0,1 0,009 0,002

Таблица А.2 - Механические и теплофизические свойства сплава ВВ751П

Наименование свойства Значение

Предел прочности Ов20, МПа 1545

Предел текучести О0,220, МПа 1173

Относительное удлинение, 5 % 14,5

Жаропрочность 0100650, МПа 1084

Теплопроводность, Вт/мК 20° 100° 200° 300° 400° 500° 600°

7,7 8,5 9,4 10,4 11,5 12,7 13,9

700° 800° 900° 1000° 1100°

15,3 16,5 17,1 17,9 18,7

Удельная теплоемкость, Дж/кг-К 20° 100° 200° 300° 400° 500° 600°

422 441 461 471 487 493 510

700° 800° 900° 1000° 1100°

560 662 791 910 1030

Температурный коэффициент линейного расширения, а*106 К-1 20100° 20200° 20300° 20400° 20500° 20600° 20700°

12,4 12,6 12,8 13,0 13,2 13,4 13,7

20800° 20900° 201000° 201100°

14,2 15,1 16,1 17,2

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Расчет эффективной плотности энергии 1эф лазерного излучения при передаче энергии порошковой частице с диаметром меньшем диаметра пятна

лазерного источника

Рассматривается случай Бл > БП, приведенный на рисунке 2.5, а, 2.6 и 2.7, а. Связь эффективной плотности энергии 1эф со средней плотностью энергии плоского кругового лазерного источника 1ср дается соотношением (2.6 - 2.6, в):

ад], (б.1)

кэф(Ол,Бп) =

501(1)(И+ I . о Л

№12(!2-Ч)] =

= 2!0;15о1№/[512^2-^)], (Б.2)

= Оп /V, 12 = Ил /V, Ц = (Бл + Оп) /V, 512 = пБ^/4.

Следовательно, надо вычислить следующие интегралы по площади перекрытия проекций шара и пятна излучения, через которую энергия лазерного излучения подводится к шару:

¡^БоММ + ¡¡:3523№ = 2 £ Бо1(№.

Для удобства, в расчетах в этом приложении индекс 1 относится к частице, а индекс 2 к лазерному пятну. Введем параметр отношения диаметров частицы и лазерного пятна:

к = (К1/К2) = (Яп/Ял) < 1. (Б.3)

Площадь передачи энергии лазерного пятна частице можно представить площадью двух сегментов на рисунке 2.5, а и записать в виде:

= 0,5Я1(а1 — 0,5Я2(а2 — зта2)=

= 0,5Я'2[к2(а1 — Б1па1) + (а2 — Бта2)]. (Б.4)

Максимальное расстояние, прошедшее лазерным пятном по частице можно представить в виде суммы двух стрелок выделенных сегментов и записать в виде:

уЬ = Я1(1 — ^$0,5^)+ Я2(1 — соБ0,5а2),

или представить в виде соотношения

1+к--—= ксоБ0,5а1 + соБ0,5а2. (Б.5)

К2

Связь между углами, выделяющими сегменты, можно записать через равенство хорд сегмента в виде:

Я1Б1п0,5а1 = Я2Бт0,5а2, кБ1п0,5а1 = Бт0,5а2. (Б.6)

Используя (Б.4), интеграл в (Б.2) запишем в виде:

/Ц1= 0,5Я2 [/д1 к2(а1 — Бта-^^ + — Бта^й^

=0,5Я2 \/^1к2(а1 — Б1па1)йа1 + /^1(а2 — Бта2)йаЛ. (Б.7)

Для вычисления производных в (Б.7) из (Б.5) и (Б.6) разрешаем систему двух уравнений с двумя неизвестными углами, что дает:

1+к--—= ксоБ0,5а1 + V1 — к2(з1п0,5а1)2, (Б.8)

Я2

1+к--—= Vк2 — (Б1п0,5а2)2 + соБ0,5а2. (Б.9)

Дифференцируя каждое из этих соотношений по соответствующему углу, получим:

м _ и2

йа1 2у

М _ И2 йа2 2У

к^05а + к2*Ыа1

2^1-к2(зт0,5а1)2

. _ г , зта2

51п0,5а2 +

2^к2-(зт0,5а2)2

(Б10) (Б .11)

Подставляя эти соотношения в интеграл (Б.7), получим:

£ S01(t)dt = ^ \j0ai(tl) k2(at — sinaj

k2sina1

2^1-k2(sin0,5a1)2

da1 + + ¡Q2(tl\a2 — sina2)

ksin0,5a1 + sin0,Sa2 +

sina?

2^k2-(sin0,5a1)2

da-i

4v

F(k).

(Б.12)

В (Б.12) введено обозначение для функции Р(к), которая является функцией только относительного диаметра частицы к:

F(k) =

¡Ql(tl1> к2(а1 — sina^

ksin0,Sa1 +

k2sina1

+ !a2Ítl)(a2—SÍna2)

'0

sin0,Sa2 +

sina2

2^k2-(sin0,5a2)2

2^1-k2(sin0,5a1)2

da2

da1 + (Б.14)

В результате величину кэф(0я, в (Б.2) можно записать в виде:

кэф(Ол,Оп) = кЭф(к) = 2¡¡;1So1(t)dt/[S12(t2 — t1)]

_ НЮ

4пк2(1-к)

(Б.15)

В (Б.15) было использовано:

S12ÍÍ2—Í1) =

nR122(R2-R1)

Пределы интегрирования интегралов по углам (Б.14) определяются из следующих соображений. При движении лазерного источника углы а1 (£) и а2 (£) в зависимости от t возрастают от 0 до максимального значения, которое возникает при пересечении окружностью Я2 окружность Я1 в точках на пересечении этой окружности с перпендикуляром, проведенным к траектории движения в точке центра окружности. Эти максимальные значения углов достигают значений

а1 мач&) = п и 5т0,5а2 мах(0 = — = к. Затем эти углы убывают от этих значений

до 0 при tx

Таким образом, окончательно получаем:

4ф = 1ср[± + кэфФд, Dn)] = It

'ср

1 +

F(k)

4пк2(1-к)

при Dn>Dn. (Б.16)

V

Интеграл (Б.14) вычислен в МаШсаё, а к3ф(0Л, 0П) = кэф(к) в зависимости от отношения диаметров приведен в таблице 2.2.

Отметим, что интеграл (Б.14) может быть вычислен аналитически для случая равенства диаметров частицы и лазерного пятна нагрева и он равен Р{к = 1)=32/3.

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Результаты численного моделирования процесса нагрева, плавления и остывания порошкового материала

Рисунок В.2.10 - Распределение температуры по сечению шара при его сферически симметричном нагреве тепловым потоком (2.26) для момента времени 0,00453 с, при котором его температура в центре достигла температуры ликвидуса

в1346°С

Рисунок В.2.11 - Распределение температуры по сечению шара при его несимметричном нагреве тепловым потоком с постоянной плотностью через верхнюю половину (2.27) для момента времени 0,008954 с, при котором его температура в нижней точке достигла температуры ликвидуса в 1346°С

Рисунок В.2.12 - Распределение температуры по сечению шара при его несимметричном нагреве тепловым потоком через верхнюю половину при зависимости величины плотности теплового потока от угла падения на поверхность шара (2.28) (соответствует модели, разработанной в диссертации) для момента времени 0,012587 с, при котором его температура в нижней точке

достигла температуры ликвидуса в 1346°С

Рисунок В.2.13 - Температура верхней и нижней точек шара диаметром 50 мкм в зависимости от времени нагрева при плотности теплового потока

д0 = 1 • 108Вт/м2

Рисунок В.2.14 - Температура верхней и нижней точек шара диаметром 50 мкм в зависимости от времени нагрева при = 5 • 108Вт/м2 до нагрева верхней точки до температуры испарения и последующего изменения температур этих точек при охлаждении шара со всей поверхности

З.вЗе 4

2 3x10 4 3.2x10 4 16x10 4 4x10 4

т

б

Рисунок В.2.15 - Температура верхней и нижней точек шара диаметром 50 мкм в зависимости от времени нагрева (а) и уменьшение координаты верхней точки шара в зависимости от времени её испарении (б) при плотности теплового

потока = 1 • 109 Вт/м2

а

б

Рисунок В.2.16 - Температура верхней и нижней точек шара в зависимости от времени нагрева (а) и уменьшение координаты верхней точки шара в зависимости от времени при её испарении (б) для частиц диаметрами 40 мкм на режиме обработке, полученном при исследовании частицы 50 мкм д040 = 0,811 • ц0 =0,811 • 109 Вт/м2. Графики изменения температур для удобства приведены для диапазона времени ¿р,50=3,821 10-4 с меньшего времени обработки частиц 40 мкм

на этом режиме, равного ¿н40 = 5,08 10-4 с

а

б

Рисунок В.2.17 - Температура верхней и нижней точек шара в зависимости от времени нагрева (а) и уменьшение координаты верхней точки шара в зависимости от времени при её испарении (б) для частиц диаметрами 30 мкм на режиме обработке, полученном при исследовании частицы 50 мкм = 0,72-=0,72• 109 Вт/м2. Графики изменения температур для удобства приведены для диапазона времени 1р 50=3,821 10-4 с меньшего времени обработки частиц 30 мкм

на этом режиме, равного = 6,3810-4 с

3x10 4 3 5x10 4

б

Рисунок В.2.18 - Температура верхней и нижней точек шара в зависимости от времени нагрева (а) и уменьшение координаты верхней точки шара в зависимости от времени при её испарении (б) для частиц диаметрами 20 мкм на режиме обработке, полученном при исследовании частицы 50 мкм ^020 = 0,666-ц0 =0,666^ 109 Вт/м2. Графики изменения температур для удобства приведены для диапазона времени ¿р,50=3,821 10-4 с меньшего времени обработки частиц 20 мкм

на этом режиме, равного ¿н20 = 7,64 10-4 с

Рисунок В.2.19 - Температура верхней и нижней точек шара диаметром 50 мкм в зависимости от времени нагрева при = 1 • 109Вт/м2 до минимального момента времени =2,45 10-4 с, при котором в процессе последующего охлаждения частица полностью проплавляется, и последующего изменения температур этих точек при охлаждении шара со всей поверхности

Рисунок В.2.20 - Температура верхней и нижней точек шара диаметром 40 мкм в зависимости от времени нагрева при оптимальном значении плотности теплового потока д040 = 1,6 • 109Вт/м2 до минимального момента времени £н,40=1,22-10-4 с, при котором в процессе последующего охлаждения частица полностью проплавляется, и последующего изменения температур этих точек при

охлаждении шара со всей поверхности

Рисунок В.2.21 - Температура верхней и нижней точек шара диаметром 20 мкм в зависимости от времени нагрева на режиме, соответствующем рисунку В. 2.20, и последующего изменения температур этих точек при охлаждении шара со всей поверхности

ы

Рисунок В.2.22 - Температура верхней и нижней точек шара диаметром 50 мкм в зависимости от времени нагрева на режиме, соответствующем рисунку В.2.20, и последующего изменения температур этих точек при охлаждении шара со всей поверхности

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Основные параметры стратегии построения при селективном лазерном

сплавлении

№ уровня Блок стратегии построения Раздел блока Параметр Описание параметра

5 Оптимизация цифровой модели Проверка цифровой модели детали перед процессом изготовления, задание компенсации усадки, параметров оптимизации геометрии

Масштабирование Масштабирование изготавливаемой детали для компенсации усадки

Масштаб X Определяет коэффициент масштабирования в направлении Х (1 означает не масштабировать).

Масштаб Y Определяет коэффициент масштабирования в направлении Y (1 означает не масштабировать).

Масштаб Z Определяет коэффициент масштабирования в направлении Z (1 означает не масштабировать).

Рассечение цифровой модели Параметр содержит толщину слоя построения, а также параметры оптимизации геометрии детали

6 Толщина слоя Толщина слоя построения детали

Параметры узлов Проверка геометрии цифровой модели изготавливаемой детали

Заполнение зазора • Включить Контуры цифровой модели детали будут проверяться на разрывы. Если разрыв встречается, его размеры будут сравниваться с "Максимальным размером зазора". При значении зазора меньше максимального, зазор будет заполнен. • Максимальный размер зазора Значение максимального размера зазора для заполнения разрыва в цифровой модели.

Фильтр контура • Включить Удаление контуров в цифровой модели детали, которые невозможно реализовать из физических ограничений процесса лазерного синтеза.

№ уровня Блок стратегии построения Раздел блока Параметр Описание параметра

• Минимальная длина внешних контуров Внешние контуры, длина которых меньше, чем это значение, будут удалены. • Минимальная длина внутренних контуров Внутренние контуры, длина которых меньше, чем это значение, будут удалены.

5 Штриховка Содержит параметры направления сканирования слоя порошка лазерным лучом

Верхний слой Слой поверхности изготавливаемой детали, обращенный вверх и не перекрываемый следующим слоем

Границы • Включить границу верхнего слоя Включает параметры обработки границ верхнего слоя изготавливаемой детали. • Шаг сканирования Расстояние между проходами лазерного луча при сканировании границ верхнего слоя.

6 Штриховка • Шаг сканирования Расстояние между проходами лазерного луча при штриховке верхнего слоя детали. • Фильтр длины Векторы, длины которых меньше данного значения, штриховаться не будут.

Объем Слои поверхности изготавливаемой детали, заключенные между нижним и верхним слоями

Границы • Количество границ Количество границ при сканировании объема изготавливаемой детали. • Шаг сканирования Расстояние между границами при сканировании объема изготавливаемой детали. • Общее заполнение

№ уровня Блок

стратегии Раздел блока Параметр Описание параметра

построения

Заполнение объема синтезируемого слоя полностью с границами. Данный

параметр отменяет штриховку.

Заполнение контуров • Выключить

Отключает сканирование лазерным лучом контура между границами объема

изготавливаемои детали.

• Штриховать каждый Определяет какой слой требуется штриховать.

Штриховка • Шаг сканирования Расстояние между проходами лазерного луча при штриховке объема изготавливаемой детали. • Фильтр длины Векторы, длины которых меньше данного значения, штриховаться не будут.

• Включить

Включить создание шаблона сканирования лазерным лучом поверхности слоя

порошка.

Тип штриховки • Тип штриховки Выбор между различными шаблонами (линейная, шахматная) • Минимальный размер области Вследствие геометрии обрабатываемой детали и размеров шаблона штриховки могут образовываться области с короткими векторами, которые не могут быть оптимально отсканированы. Данные векторы, размеры которых не превышают минимальный размер области, будут объединены с соседними векторами.

• Включить

Задает вращение шаблона штриховки на угол приращения при сканировании

Вращение последующих слоев детали. • Угол (начальное значение) Угол начального положения шаблона штриховки. • Угол приращения Угол вращения шаблона штриховки.

№ уровня Блок стратегии построения Раздел блока Параметр Описание параметра

Нижний слой Слой поверхности изготавливаемой детали, обращенный вниз, без заполненного объема предыдущего слоя

Границы • Включить Включает параметры обработки границ нижнего слоя изготавливаемой детали. • Шаг сканирования Расстояние между проходами лазерного луча при сканировании границ нижнего слоя.

Штриховка • Шаг сканирования Расстояние между проходами лазерного луча при штриховке нижнего слоя детали. • Фильтр длины Векторы, длины которых меньше данного значения, штриховаться не будут.

Тип штриховки • Включить Включить создание шаблона сканирования лазерным лучом поверхности слоя порошка. • Тип штриховки Выбор между различными шаблонами (линейная, шахматная). • Минимальный размер области Вследствие геометрии обрабатываемой детали и размеров шаблона штриховки могут образовываться области с короткими векторами, которые не могут быть оптимально отсканированы. Данные векторы, размеры которых не превышают минимальный размер области, будут объединены с соседними векторами.

5 Сканирование Содержит все энергетические параметры лазерной обработки

6 Верхний слой Параметры сканирования для границ и штриховки верхнего слоя изготавливаемой детали

Границы • Мощность Задание мощности лазерного излучения

№ уровня Блок стратегии построения Раздел блока Параметр Описание параметра

• Скорость сканирования Задание значения скорости сканирования поверхности порошка лазерным лучом • Фокус Задание значения положения фокуса лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности

Штриховка • Мощность Задание мощности лазерного излучения • Скорость сканирования Задание значения скорости сканирования поверхности порошка лазерным лучом • Фокус Задание значения положения фокуса лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности

Объем Параметры сканирования для границ и штриховки объема изготавливаемой детали

Границы • Мощность Задание мощности лазерного излучения • Скорость сканирования Задание значения скорости сканирования поверхности порошка лазерным лучом • Фокус Задание значения положения фокуса лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности

Штриховка • Мощность Задание мощности лазерного излучения • Скорость сканирования Задание значения скорости сканирования поверхности порошка лазерным лучом

№ уровня Блок стратегии построения Раздел блока Параметр Описание параметра

• Фокус Задание значения положения фокуса лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности

Нижний слой Параметры сканирования для границ и штриховки нижнего слоя изготавливаемой детали

Границы • Мощность Задание мощности лазерного излучения • Скорость сканирования Задание значения скорости сканирования поверхности порошка лазерным лучом • Фокус Задание значения положения фокуса лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности

Штриховка • Мощность Задание мощности лазерного излучения • Скорость сканирования Задание значения скорости сканирования поверхности порошка лазерным лучом • Фокус Задание значения положения фокуса лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Технологическая инструкция по назначению режимов технологического процесса селективного лазерного сплавления деталей из жаропрочного порошка

марки ВВ751П

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОЬРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА» (Самарский университет)

Д^дакт^^^юытута /föbjotiШЩуЬн ^шх инновационных с Л. Скуратов

ТЕХНОЛОГ! 1ЧЕСКАЯ Ш1СТРУКЦИЯ по назначению режимов технологического процесса селективного лазерного сплавления детален из металлического порошка сплава ВВ751П

Самарский университет. ТИ. 006 Действуете « 12 » 10 20!6 г.

Полнись и дата СОГЛАСОВАНО Заведующий лаборатории аддитивных технологий ( В.Г. Смслов

'С « U » 10 2016 г.

п РАЗРАБОТАЛ Инженер OftA.B. Агаповичев « 'fl""*) ~10 2016 г.

X

я Ипже..со,у

rs R ,/j/fA A.b. Сотов « М J'J 10 2016 г.

О 2016

2 !<; 5

1 Область применения

1.1 Настоящая технологическая инструкция устанавливает порядок действий по назначению режимов технологического процесса селективного лазерного сплавления деталей из металлического порошка сплава ВВ751П на 313 установке БЬМ 280НЬ.

1.2 Область применения режимов технологического процесса селективного лазерного сплавления - в качестве режимов процесса селективного лазерного сплавления при изготовлении деталей газотурбинных двигателей из хромоникелевого жаропрочного сплава ВВ751П.

1.3 Настоящая технологическая инструкция предназначена для инженеров лаборатории аддитивных технологий, в обязанности которых входит выполнение работ по выбору и назначению режимов процесса селективного лазерного сплавления.

Применение настоящей технологической инструкции сторонними организациями запрещено.

2 Нормативные ссылки

В настоящей технологической инструкции использованы ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 12.0.004-90 Система стандартов безопасности труда. Организация обучения безопасности труда. Общие положения.

ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

ГОСТ 12.4.011-89 Система стандартов безопасности труда. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация.

ГОСТ 12.4.021-75 Система стандартов безопасности труда. Системы вентиляционные. Общие требования.

ГОСТ 166-89 Штангенциркули. Технические условия.

ГОСТ 427-75 Линейки измерительные металлические. Технические условия.

ГОСТ 19440 Порошки металлические. Определение насыпной плотности.

Лист

4 Общие положения

4.1 Настоящая ТИ устанавливает порядок назначения режимов технологического процесса CJ1C из металлического порошка жаропрочного сплава ВВ751П с использованием установки SLM280HL, включая последовательность действий при использовании встроенного модуля Build Processor программного продукта MagicsRP.

4.2 Работы по назначению режимов технологического процесса CJIC деталей из металлического порошка жаропрочного сплава ВВ751П осуществляются в соответствии с техническим заданием на деталь, РКД, БД ТП и БД режимов сплавления.

4.3 К выполнению работ по изготовлению заготовки детали допускаются инженеры лаборатории аддитивных технологий, изучившие настоящую ТИ и прошедшие инструктаж по технике безопасности, а также сдавшие экзамен по лазерной безопасности для лазеров IV класса опасности и экзамен по электробезопасности для III группы.

5 Оборудование, материалы и вспомогательные приспособления, необходимые для осуществления технологического процесса

5.1 Стандартное оборудование:

- компьютер с ПО: Magics RP, Build Processor.

5.2 Нестандартное оборудование: нет.

5.3 Материалы, необходимые для осуществления технологического процесса: металлический порошок жаропрочного сплава ВВ751П (ХН56КВМТЮБ). Размер частиц порошка должен соответствовать фракции фракция (-50) мкм - это смесь порошков, состоящая не менее чем на 80,0 % (масс.) из порошков крупностью менее 50 мкм и не более 20,0 % (масс.) порошков крупностью более 50 мкм. Содержание кислорода в порошках должно составлять не более 0,01 % масс., а азота не более 0,005 % масс., для фракций (-100), (-70), (-50) мкм. Насыпная плотность порошков в соответствии с ГОСТ 19440 должна составлять не менее 4,6 г/смЗ. Текучесть порошков в соответствии с ГОСТ 20899 должна составлять не более 20 с. Поставляемый порошок должен быть округлой формы, не иметь острых

Лист

кромок и сателлитов. одиЕчаковим по цвету и качеству, сухими и свободными от агломедотнродакных масс.

6 Порядок вазшчеаня режимов технологического процесса СЛС ВЗДвлИЙ H"j металличееклго порошка жаропрочного сплава BEi751J I.

Назначенные режимы должны быть занесены в ТД на изделие.

ii.l 14 i ;. к 1i: M:iv;ii:sli f1 <нь:и.ш, ми. i> ii. SIM RinliL

путем выбора следующих вкладок Экспорт - SLM 2S0DL - Стратегия Iнтроевий. Г! ночнчвшемси окис Coiiiiih рав<зчнн l|iа■■_■ выбрать пункт иарлл1етры.

fi,Z Выбрить н-нг.Iл;[ку Он I им н mi|ни ннфрнннИ md.ilmh. F Nl4h;iiim i ь параметры масштабировал кя н расселения иифровой модели из гота вл ива еыой детали.

ОПиМИЗнЩЦ ннфрпнпп модели: М аештабнрова] nic:

Масштаб X: 1,0 Масштаб Y: КО ■ Масштаб 7.. 1,0 Рассечение иифровой модели:

Толщина слоя: 0,05 чм 11арамяры у^лов;

-Эннлнеиж ia:snpa.

— Включить

— Максимальный размер заюра: 0,2 мм

-Фильтр контура:

— Включить

-Mj:HN4iJi,n.ui .'uiiiti ннешннх нонтуров: (i.l мм

--Минимальная длина внугреннт контуров: П. I мм

Выбрать вкладку Штрн\ивка. Назначить параметры штриховки.

111 I pitV0Kk"3!

Верхний слон:

I рапиды: