RU2752359C1 - Method for manufacturing parts of complex shape by hybrid casting-additive method - Google Patents

Method for manufacturing parts of complex shape by hybrid casting-additive method Download PDF

Info

Publication number
RU2752359C1
RU2752359C1 RU2020133709A RU2020133709A RU2752359C1 RU 2752359 C1 RU2752359 C1 RU 2752359C1 RU 2020133709 A RU2020133709 A RU 2020133709A RU 2020133709 A RU2020133709 A RU 2020133709A RU 2752359 C1 RU2752359 C1 RU 2752359C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
workpiece
blank
temperature
hours
ceramic
Prior art date
Application number
RU2020133709A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Иванович Гузеев
Антон Дмитриевич Казанский
Виктор Борисович Федоров
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)» filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»
Priority to RU2020133709A priority Critical patent/RU2752359C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2752359C1 publication Critical patent/RU2752359C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

FIELD: mechanical engineering.SUBSTANCE: method relates to mechanical engineering and engine construction and can be used for the manufacture of parts of complex spatial shape from hard-to-process metals and alloys. A method for manufacturing parts of complex shape by a hybrid casting-additive method, including selective laser surfacing using heat-resistant nickel powders, according to the invention is characterized by the fact that initially the linear dimensions of the workpiece of the part are set with an allowance for the value of its thermal deformation, then the workpiece of the part is made by selective powder laser surfacing using a control program, a shell blank with green powder inside is obtained, which is covered with a layer of gasified material by dipping into a bath with a coating thickness exceeding the value of thermal deformation, the coated workpiece is processed after cooling on a high-precision machine with numerical control to the size and required surface roughness of the finished part, the resulting workpiece is covered with a heat-resistant ceramic suspension 6-8 mm thick by dipping 8-9 times into the bath, the suspension layer is dried by an air-ammonia method at a temperature of 20-25°C at a humidity of 60-70%, then the blank with a ceramic coating is calcined at a temperature of 950-1000°C for at least 4 hours, after which the blank in a ceramic form is placed in an induction melting complex, the green powder is melted at a temperature of 1200-1440°C for at least 4 hours, a part with the specified dimensions is obtained, which is cooled in air for 3-4 hours and freed from the ceramic coating.EFFECT: invention achieves ensuring accuracy and quality of the obtained parts of a complex spatial shape made of heat-resistant materials, reducing production costs during manufacturing.1 cl, 3 dwg

Description

Способ относится к машиностроению и двигателестроению и может быть использован для изготовления деталей сложной пространственной формы из труднообрабатываемых металлов и сплавов. Способ может использоваться, например, для изготовления крыльчаток, применяемых в газотурбинных двигателях.The method relates to mechanical engineering and engine building and can be used to manufacture parts of complex spatial shape from difficult-to-machine metals and alloys. The method can be used, for example, for the manufacture of impellers used in gas turbine engines.

Известны методы изготовления деталей сложных форм с помощью литейных технологий. В настоящее время существует множество способов литья металлов, позволяющих получать заготовки разной формы, размеров, точности и выполняемых из различных материалов. Known methods of manufacturing parts of complex shapes using casting technologies. Currently, there are many methods of casting metals that allow you to get workpieces of different shapes, sizes, accuracy and made from different materials.

Существующие методы получения указанных выше деталей сложной пространственной формы, - например, крыльчаток газотурбинных двигателей, - имеют ряд недостатков, в первую очередь включающих в себя высокую стоимость и сложность механической обработки поверхности лопаток, также недостатками этих способов является относительно высокая стоимость формовочных материалов и сложность модельной оснастки.The existing methods of obtaining the above-mentioned parts of a complex spatial shape, for example, impellers of gas turbine engines, have a number of disadvantages, primarily including the high cost and complexity of machining the surface of the blades, and the disadvantages of these methods are the relatively high cost of molding materials and the complexity of the model. snap.

Известен метод литья, описанный в заявке на изобретение №94028834, опубл. 27.06.1996, в которой при изготовлении форм в качестве наполнителя огнеупорной суспензии также используется алюминиевый порошок в количестве 7% к весу наполнителя, формы изготавливаются с точностью, обеспечивающей получение отливок без механической обработки. Недостатками этих методов является сложность изготовления данной формы и относительная дороговизна используемых материалов. The known casting method is described in the application for invention No. 94028834, publ. 06/27/1996, in which, in the manufacture of molds, aluminum powder is also used as a filler for a refractory suspension in an amount of 7% by weight of the filler, the molds are made with precision, ensuring the production of castings without mechanical processing. The disadvantages of these methods are the complexity of the manufacture of this form and the relative high cost of the materials used.

Также известен способ изготовления лопатки турбины из сплава на основе титана, включающий образование защитного слоя, расположенного в зоне вершины пера лопатки, охватывающего его входную кромку и обладающего большей, чем материал пера, эрозионной стойкостью, путем обработки пера источником энергии, причем защитный слой получают путем легирования переплавкой сплава на основе титана, легирование осуществляют в атмосфере газа, образующего со сплавом бориды, карбиды и/или нитриды, а толщина защитного слоя 0,1…0,7 мм (Пат. РФ №2033526, опубл.20.04.1995).Also known is a method of manufacturing a turbine blade from a titanium-based alloy, including the formation of a protective layer located in the zone of the tip of the blade airfoil, covering its leading edge and having a greater erosion resistance than the feather material, by processing the feather with an energy source, and the protective layer is obtained by alloying by remelting a titanium-based alloy, alloying is carried out in a gas atmosphere that forms borides, carbides and / or nitrides with the alloy, and the thickness of the protective layer is 0.1 ... 0.7 mm (Patent RF No. 2033526, publ. 20.04.1995).

Недостатком этого способа является большая трудоемкость, а главное трудность в написании управляющей программы для направления движения лазера вдоль обрабатываемой кромки.The disadvantage of this method is the great complexity, and most importantly, the difficulty in writing a control program for guiding the laser along the processed edge.

Техническая задача изобретения - обеспечение точности и качества получаемых деталей сложной пространственной формы из жаропрочных материалов, используемых в газотурбинных двигателях при снижении трудоемкости изготовления. The technical objective of the invention is to ensure the accuracy and quality of the resulting parts of complex spatial shape from heat-resistant materials used in gas turbine engines while reducing the complexity of manufacturing.

Технический результат достигается за счет того, что способ изготовления деталей сложной формы гибридным литейно-аддитивным методом, согласно изобретения, включает селективную лазерную наплавку с помощью жаропрочных никелевых порошков, характеризуется тем, что первоначально задают линейные размеры заготовки детали с припуском на величину ее термической деформации, затем по заданным размерам изготавливают заготовку детали селективной порошковой лазерной наплавкой с помощью управляющей программы, получают оболочковую заготовку с неспеченным порошком внутри, которую покрывают слоем газифицируемого материала путем окунания в ванну с толщиной покрытия, превышающей величину термической деформации, заготовку с покрытием после остывания обрабатывают на высокоточном станке с числовым программным управлением до размеров и требуемой шероховатости поверхности готовой детали, полученную заготовку покрывают жаропрочной керамической суспензией толщиной 6-8 мм путем окунания 8-9 раз в ванну, слой суспензии сушат воздушно-аммиачным способом при температуре 20-25°С и влажности 60-70%, затем заготовку с керамическим покрытием прокаливают при температуре 950-1000°С не менее 4 ч, после чего заготовку в керамической форме помещают в индукционный плавильный комплекс, производят переплав неспеченного порошка при температуре 1200-1440°С не менее 4 часов, получают деталь с заданными размерами, которую охлаждают на воздухе в течение 3-4 часов. После чего керамическое покрытие удаляется. The technical result is achieved due to the fact that the method for manufacturing parts of complex shapes by the hybrid casting-additive method, according to the invention, includes selective laser surfacing using heat-resistant nickel powders, characterized by the fact that initially the linear dimensions of the workpiece are set with an allowance for the amount of its thermal deformation, Then, according to the specified dimensions, a blank of a part is made by selective powder laser surfacing using a control program, a shell blank with unsintered powder inside is obtained, which is coated with a layer of gasified material by dipping into a bath with a coating thickness exceeding the thermal deformation value, the coated blank after cooling is processed at a high-precision machine with numerical control to the size and required surface roughness of the finished part, the resulting workpiece is coated with a heat-resistant ceramic suspension 6-8 mm thick by dipping 8-9 times into a bath, a layer of sus the pensions are dried by the air-ammonia method at a temperature of 20-25 ° C and a humidity of 60-70%, then the workpiece with a ceramic coating is calcined at a temperature of 950-1000 ° C for at least 4 hours, after which the workpiece in a ceramic mold is placed in an induction melting complex, the unsintered powder is remelted at a temperature of 1200-1440 ° C for at least 4 hours, a part with specified dimensions is obtained, which is cooled in air for 3-4 hours. Then the ceramic coating is removed.

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

На фиг. 1, вид А, В - изображена промышленная установка для аддитивного производства металлических изделий методом выборочного лазерного сплавления, SLM 500 HL. FIG. 1, view A, B - shows an industrial installation for the additive production of metal products by selective laser fusion, SLM 500 HL.

На фиг. 2 изображена заготовка детали 1 со слоем газифицируемого материала (парафин) 2, полученная с помощью операции селективного лазерного сплавления. FIG. 2 shows a workpiece blank 1 with a layer of gasified material (paraffin) 2, obtained using a selective laser fusion operation.

На фиг. 3 изображена заготовка детали 1 со схематически указанным слоем парафина 2 и керамической суспензии 3. FIG. 3 shows a blank of part 1 with a schematically indicated layer of paraffin 2 and a ceramic suspension 3.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

Для осуществления изобретения изготавливают профиль детали - крыльчатка (фиг.1,2,3), например, из жаропрочного никелевого порошка с применением технологий SLM (Selective Laser Melting - Селективное лазерное сплавление) - моделирования при помощи послойного наплавления детали из металлического порошка. To implement the invention, a part profile is made - an impeller (Figs. 1, 2, 3), for example, from a heat-resistant nickel powder using SLM technologies (Selective Laser Melting) - modeling by layer-by-layer deposition of a part from a metal powder.

Получение профиля крыльчатки осуществляют на установке селективного плавления SLM 500HL (Фиг.1), которая обладает камерой большого размера, позволяющей создавать крупногабаритные модели размером 500х280х325мм. Плавка осуществляется двумя лазерами мощностью 400Вт или 1000Вт каждый, минимальная толщина наносимого слоя составляет 20мкм. В качестве расходных материалов используются порошки из титана, алюминия, стали и других металлов и сплавов. Принтер оснащен контрольным модулем с Ethernet интерфейсом для подключения к локальной сети. На виде А - общий вид установки с изготавливаемой деталью, на виде В - показано укрупненное изображение рабочего стола установки с лазерной головкой и деталью (крыльчатка). Управление направлением луча лазера, определение его профиля, а также определение необходимого количества слоев, согласно рабочих параметров используемой машины, происходит при помощи встроенного модуля поддержки генератора SG +. Управляющая программа пишется в среде программного обеспечения SLM®Build Processor, который специально предназначен для взаимодействия с машинами SLM Solutions. Obtaining the profile of the impeller is carried out on a selective melting unit SLM 500HL (Fig. 1), which has a large chamber that allows you to create large-sized models with dimensions of 500x280x325mm. Melting is carried out with two lasers with a power of 400W or 1000W each, the minimum thickness of the applied layer is 20 microns. Powders from titanium, aluminum, steel and other metals and alloys are used as consumables. The printer is equipped with a control module with Ethernet interface for connecting to a local network. View A is a general view of the unit with the part being manufactured; View B shows an enlarged image of the working table of the unit with a laser head and a part (impeller). The control of the direction of the laser beam, the determination of its profile, as well as the determination of the required number of layers, according to the operating parameters of the machine used, is carried out using the built-in SG + generator support module. The control program is written in the SLM®Build Processor software environment, which is specifically designed to interact with SLM Solutions machines.

Процесс получения профиля оболочковой заготовки крыльчатки заключается в последовательном послойном расплавлении жаропрочного никелевого порошка посредством мощного лазерного излучения. В качестве расходных материалов используется, например, никелевый порошок марки ПНК или аналогичный. The process of obtaining the profile of the impeller shell blank consists in successive layer-by-layer melting of heat-resistant nickel powder by means of high-power laser radiation. As consumables used, for example, nickel powder grade PNK or similar.

В результате операции селективного лазерного плавления полученная заготовка - крыльчатка представляет собой оболочковую форму, внешним профилем полностью повторяющая профиль заданной детали. При получении детали простым методом селективного лазерного плавления порошок накладывается послойно с заданной дискретизацией по толщине слоя. Накладывание порошка происходит равномерно за счет разравнивания его валиком, встроенным в конфигурации установки селективного плавления на заданную толщину. Особенность предлагаемого способа заключается в оставлении при селективном плавлении неспеченного никелевого порошка во внутренней части заготовки, что существенно экономит затраты на производство. Достигается это за счет того, что направление лазера не затрагивает центральную часть получаемой заготовки, а пропекается только поверхностная часть. Это достигается с помощью специально разработанной управляющей программы, которая задает траекторию движения лазера. As a result of the selective laser melting operation, the resulting workpiece - the impeller is a shell shape, the outer profile completely repeating the profile of the given part. When obtaining a part by a simple method of selective laser melting, the powder is applied layer by layer with a given discretization along the layer thickness. The powder is applied evenly due to its leveling with a roller built into the configuration of the selective melting unit for a given thickness. The peculiarity of the proposed method consists in leaving, during selective melting, unsintered nickel powder in the inner part of the workpiece, which significantly saves production costs. This is achieved due to the fact that the direction of the laser does not affect the central part of the resulting workpiece, but only the surface part is baked. This is achieved using a specially developed control program that sets the trajectory of the laser.

При получении заготовки с неспеченным порошком внутри геометрические наружные размеры задают меньше размеров готовой детали на величину термической деформации, которая происходит на этапе последующей переплавки находящегося внутри заготовки никелевого порошка. When receiving a billet with unsintered powder inside, the geometric outer dimensions are set less than the dimensions of the finished part by the amount of thermal deformation that occurs at the stage of subsequent remelting of the nickel powder inside the billet.

Расчет размеров линейного увеличения детали производят перед проведением операции SLM плавления на основании данных, представленных в справочниках и с учетом размеров рассматриваемой детали. Известно, что средний коэффициент линейного расширения никелевых сплавов в диапазоне температуры 27…1473°С равен 16,2⋅10-6 град-1. Расчет линейного увеличения размеров проведен для крыльчатки из никелевого порошка ПНК с наружным диаметром ∅100-0,25 при повышении ее температуры с 27 до 1473°С [Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Т.1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1985. - 606 c.].The calculation of the dimensions of the linear increase of the part is carried out before the SLM melting operation, based on the data presented in the reference books and taking into account the dimensions of the part in question. It is known that the average coefficient of linear expansion of nickel alloys in the temperature range of 27 ... 1473 ° C is 16.2⋅10 -6 deg -1 . The calculation of the linear increase in dimensions was carried out for an impeller made of nickel powder PNK with an outer diameter of ∅100 -0.25 with an increase in its temperature from 27 to 1473 ° C [Landsberg G.S. Elementary physics textbook. Vol. 1. Mechanics. Heat. Molecular physics. - M .: Nauka, 1985. - 606 p.].

Величина линейного расширения рассчитывается по формуле (1):The amount of linear expansion is calculated by the formula (1):

Figure 00000001
Figure 00000001

αТ - коэффициент линейного расширения для никелевых сплавов, Т2 - верхний предел температуры нагрева, Т1 - начальная температура, L - рассматриваемый размер крыльчатки. α Т - coefficient of linear expansion for nickel alloys, Т 2 - upper limit of heating temperature, Т 1 - initial temperature , L - considered impeller size.

Для заданного диаметра получена общая величина линейного расширения в размере 2,34 мм, что составляет 1,17 мм припуска по контуру. For a given diameter, the total linear expansion is 2.34 mm, which is 1.17 mm of the contour allowance.

Учитывая величину определенного по формуле (1) припуска, задают геометрические размеры заготовки детали, например, крыльчатки (фиг.2,3), и по соответствующей программе проводят SLM наплавку и получают оболочковую заготовку с неспеченным порошком внутри. Taking into account the size of the allowance determined by formula (1), the geometrical dimensions of the workpiece are set, for example, the impeller (Figs. 2, 3), and according to the corresponding program, SLM surfacing is carried out and a shell workpiece with green powder inside is obtained.

Затем поверхность полученной заготовки 1 (фиг.2) покрывается слоем газифицируемого материала (парафин) 2 толщиной, превышающей величину термической деформации (в примере - 2,34мм). Слой парафина наносят на заготовку путем ее окунания в парафиновую ванну. Then the surface of the obtained workpiece 1 (figure 2) is covered with a layer of gasified material (paraffin) 2 with a thickness exceeding the amount of thermal deformation (in the example, 2.34 mm). A layer of paraffin is applied to the workpiece by dipping it into a paraffin bath.

Нанесенный слой парафина 2 затем обрабатывается на высокоточном станке с числовым программным управлением (ЧПУ) для получения заготовки с требуемыми размерами для готовой детали, указанными в конструкторской документации, (без учета уменьшения на величину термического расширения -2,34мм) с выдерживанием требуемой шероховатости. Для этой цели применяют высокоточный станок с ЧПУ, позволяющий производить пяти осевую обработку, что обеспечивает размерную точность и шероховатость изготавливаемой модели. В качестве технологического оборудования можно использовать, например, пяти координатный фрезерно-обрабатывающий центр (ФОЦ) Mikron UCP600. Толщина слоя парафина после обработки должна равняться величине температурного расширения металла. Обеспечение параметров шероховатости необходимо для обеспечения параметра шероховатости на готовой детали.The applied paraffin layer 2 is then processed on a high-precision computer numerical control (CNC) machine to obtain a blank with the required dimensions for the finished part specified in the design documentation (excluding the reduction by the amount of thermal expansion of -2.34 mm) while maintaining the required roughness. For this purpose, a high-precision CNC machine is used, which allows for five-axis machining, which ensures the dimensional accuracy and roughness of the manufactured model. As technological equipment, you can use, for example, a five-axis milling and machining center (FOTS) Mikron UCP600. The thickness of the wax layer after processing should be equal to the value of the thermal expansion of the metal. Providing the roughness parameters is necessary to ensure the roughness parameter on the finished part.

Например, для изготовления заготовки из никелевого жаропрочного порошка приращение размеров составляет 2,34 мм для диаметра крыльчатки ∅100-0,25. For example, for the manufacture of a billet from a heat-resistant nickel powder, the increment in dimensions is 2.34 mm for an impeller diameter of ∅100 -0.25.

После обработки на станке полученная оболочковая заготовка (фиг.2,3), которая была предварительно покрыта слоем газифицируемого материала (парафин) 2 и обработана на ФОЦ с ЧПУ, покрывается специальной жаропрочной керамической суспензией 3 путем окунания заготовки в ванну с керамическим составом, который при застывании образует точную литейную форму рассматриваемой детали (фиг. 3). Для покрытия необходимо нанести не менее 8-9 слоев обмазки, толщина керамической формы при этом составляет от 6 до 8 мм. Количество наносимых слоев керамического материала обусловлено тем, что при нанесении менее 8 слоев возможно растрескивание формы при прокаливании, а нанесение 10 и более нанесенных слоев увеличивает расход материала.After processing on the machine, the resulting shell blank (Fig. 2, 3), which was pre-coated with a layer of gasified material (paraffin) 2 and processed on the FOC with CNC, is covered with a special heat-resistant ceramic suspension 3 by dipping the blank into a bath with a ceramic composition, which, when solidification forms the exact mold of the considered part (Fig. 3). For coating, it is necessary to apply at least 8-9 layers of coating, the thickness of the ceramic mold in this case is from 6 to 8 mm. The number of applied layers of ceramic material is due to the fact that when applying less than 8 layers, cracking of the mold is possible during calcination, and the application of 10 or more applied layers increases the material consumption.

После этого слой суспензии необходимо обсушить воздушно-аммиачным способом с контролем влажности 60-70% и температурой в рабочем помещении 20-25°С. Такая сушка с применением аммиака используется для форм на основе этилсиликата, так как аммиак является сильным катализатором процесса гидролиза этилсиликата. При меньшем показателе влажности процесс гидролиза не сможет завершиться, так как не образуется связующее вещество и оболочка не сформируется. При превышении данного показателя процесс сушки может существенно затянуться.After that, the slurry layer must be dried using an air-ammonia method with a humidity control of 60-70% and a temperature in the working room of 20-25 ° C. Such drying with the use of ammonia is used for molds based on ethyl silicate, since ammonia is a strong catalyst for the hydrolysis of ethyl silicate. At a lower moisture content, the hydrolysis process cannot be completed, since a binder is not formed and a shell is not formed. If this indicator is exceeded, the drying process can be significantly delayed.

Затем проводится прокалка покрытия при рабочей температуре 950-1000°С не менее 4 ч. Прокалка проводится с целью дегидратации покрытия и возникновения веществ, являющихся связующим для оболочек. Большая температура и большее время нагрева и могут привести к разупрочнению оболочки, меньшая температура не позволит оболочке окончательно затвердеть.Then the coating is calcined at an operating temperature of 950-1000 ° C for at least 4 hours. Calcination is carried out in order to dehydrate the coating and the appearance of substances that are a binder for the shells. Higher temperatures and longer heating times can lead to softening of the shell, lower temperatures will not allow the shell to completely harden.

Следующим шагом является непосредственно переплавка изготовленной SLM-методом модели внутри керамической формы вместе с неспеченным металлическим порошком с помощью тигельной печи при температурных режимах в диапазоне 1200-1500°С. Данный режим применяется при переплавке жаропрочных никелевых сплавов, меньшая температура не позволит материалу достигнуть жидкого состояния, дальнейший нагрев нецелесообразен. Вследствие этого процесса достигается лучшая однородность структуры, снижается пористость материала, который, достигнув предела текучести, заполнит оставшиеся после операции SLM поры и трещины. После переплава в тигельной печи получается готовая деталь сложной пространственной формы в виде отливки с точными геометрическими размерами и нужной формой.The next step is to directly remelt the model made by the SLM method inside a ceramic mold together with unsintered metal powder using a crucible furnace at temperatures in the range 1200-1500 ° C. This mode is used when remelting heat-resistant nickel alloys, a lower temperature will not allow the material to reach a liquid state, further heating is inappropriate. As a result of this process, a better homogeneity of the structure is achieved, the porosity of the material is reduced, which, having reached the yield point, fills the pores and cracks remaining after the SLM operation. After remelting in a crucible furnace, a finished part of a complex spatial shape is obtained in the form of a casting with precise geometric dimensions and the desired shape.

Пример конкретного выполнения способа.An example of a specific implementation of the method.

Рассмотрим пример изготовления крыльчатки газотурбинного двигателя с габаритными размерами согласно конструкторской документации: диаметр D=100-0,25 мм, высота h=75-0,3 мм из порошка марки ПНК-УТ1. Перед проведением операции SLM плавления определяют линейные размеры заготовки по формуле (1): по контуру лопаток (-0,1 мм), для диаметра D крыльчатки (-2,34 мм).Consider an example of manufacturing a gas turbine engine impeller with overall dimensions according to design documentation: diameter D = 100 -0.25 mm, height h = 75 -0.3 mm from PNK-UT1 grade powder. Before carrying out the SLM melting operation, the linear dimensions of the workpiece are determined according to the formula (1): along the contour of the blades (-0.1 mm), for the impeller diameter D (-2.34 mm).

При помощи управляющей программы методом селективной порошковой лазерной наплавки производят изготовление оболочковой заготовки с неспеченным никелевым порошком внутри с указанными выше линейными размерами. Наплавку осуществляют лазером мощностью 400 Вт с толщиной наносимого составляет 20 мкм, данные характеристики указываются в управляющей программе. With the help of the control program by the method of selective powder laser surfacing, a shell blank with unsintered nickel powder inside with the above linear dimensions is produced. Surfacing is carried out with a 400 W laser with a thickness of 20 µm, these characteristics are indicated in the control program.

Порошок подаётся на платформу в камеру установки селективного плавления, где разравнивается специальным валиком на заданную толщину слоя.The powder is fed to the platform into the chamber of the selective melting unit, where it is leveled with a special roller to a predetermined layer thickness.

Полученную оболочковую заготовку необходимо оставить в камере установки до остывания, затем ее покрывают слоем парафина методом погружения в ванну при температуре 50-65°С минуты, толщина слоя равна толщине, превышающей величину термической деформации для диаметра D=100-0,25 мм (t=2,34мм) и по контуру лопаток l=2,5-0,06 мм (-0,1 мм). The resulting shell blank must be left in the installation chamber until it cools down, then it is covered with a paraffin layer by immersion in a bath at a temperature of 50-65 ° C for minutes, the layer thickness is equal to a thickness exceeding the thermal deformation value for a diameter of D = 100 -0.25 mm (t = 2.34 mm) and along the contour of the blades l = 2.5 -0.06 mm (-0.1 mm).

После высыхания слоя парафина заготовка подается на фрезерно-обрабатывающий центр (ФОЦ) Mikron UCP600, где производят обработку покрытия до размеров, указанных в конструкторской документации: l=2,5-0,06 мм - толщина стенки и D=100-0,25 мм - диаметр крыльчатки, шероховатость поверхности соответствует шероховатости готовой детали, равной Ra=3,2 мкм.After the paraffin layer has dried, the workpiece is fed to the Mikron UCP600 milling and machining center, where the coating is processed to the dimensions indicated in the design documentation: l = 2.5 -0.06 mm - wall thickness and D = 100 -0.25 mm - impeller diameter, surface roughness corresponds to the finished part roughness equal to Ra = 3.2 μm.

После обработки заготовки на ФОЦ с ЧПУ оболочковую заготовку покрывают жаропрочной керамической суспензией на основе раствора гидролизованного этилсиликата методом погружения в специальную емкость на время, не превышающее 5 минут. Данную процедуру повторяют 8-9 раз для получения покрытия толщиной 6-8 мм. После этого слой суспензии сушат воздушно-аммиачным способом с контролем влажности 60-70% и температурой в рабочем помещении 20-25°С. Затем проводится прокалка заготовки с покрытием при рабочей температуре 950-1000°С в течение не менее 4 часов в индукционном технологическом комплексе.After processing the workpiece at the FOC with CNC, the shell workpiece is coated with a heat-resistant ceramic suspension based on a solution of hydrolyzed ethyl silicate by immersion in a special container for a time not exceeding 5 minutes. This procedure is repeated 8-9 times to obtain a coating thickness of 6-8 mm. After that, the slurry layer is dried by the air-ammonia method with a humidity control of 60-70% and a temperature in the working room of 20-25 ° C. Then the coated workpiece is calcined at an operating temperature of 950-1000 ° C for at least 4 hours in an induction technological complex.

В результате получают литейную форму с линейными размерами толщины лопаток крыльчатки, равными l=2,5-0,06 мм и диаметра крыльчатки - D=100-0,25 мм.As a result, a casting mold is obtained with linear dimensions of the impeller blade thickness equal to l = 2.5 -0.06 mm and the impeller diameter - D = 100 -0.25 mm.

Полученную заготовку в керамической форме помещают в индукционный технологический комплекс для черных и цветных сплавов, производят переплав неспеченного порошка при температуре 1200-1500°С. Полученную деталь охлаждают на воздухе в течение 3-4 часов. После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники.The resulting workpiece in a ceramic mold is placed in an induction technological complex for ferrous and non-ferrous alloys, the unsintered powder is remelted at a temperature of 1200-1500 ° C. The resulting part is cooled in air for 3-4 hours. After solidification and cooling of the casting to a predetermined temperature, the mold is knocked out, the castings are cleaned of ceramic residues and the sprues are cut off from them.

В результате получают готовую крыльчатку с точными размерами и шероховатостью, соответствующими заданным в конструкторской документации. As a result, a finished impeller is obtained with exact dimensions and roughness corresponding to those specified in the design documentation.

С помощью применения предлагаемого метода обеспечивается точность размеров и качество поверхностного слоя изготавливаемых деталей. Полученные данным способом детали практически не требуют дальнейшей финишной обработки. За счет этого, а также за счет рационального использования установки селективного лазерного сплавления (Selective Laser Melting - SLM) достигается снижение трудоемкости их изготовления. By using the proposed method, the dimensional accuracy and quality of the surface layer of the manufactured parts is ensured. The parts obtained by this method practically do not require further finishing. Due to this, as well as due to the rational use of the Selective Laser Melting (SLM) installation, a decrease in the labor intensity of their manufacture is achieved.

Таким образом в конечном итоге получена отливка необходимой детали сложной формы, максимально приближенная по геометрическим характеристикам к показателям идеальной детали, практически не требующая дальнейшей механической обработки, и позволяющая снизить производственные затраты при изготовлении. Thus, in the end, a casting of the required part of a complex shape was obtained, which is as close as possible in geometric characteristics to the performance of an ideal part, which practically does not require further mechanical processing, and allows to reduce production costs during manufacturing.

Claims (1)

Способ изготовления деталей сложной формы гибридным литейно-аддитивным методом, включающий селективную лазерную наплавку с помощью жаропрочных никелевых порошков, характеризующийся тем, что первоначально задают линейные размеры заготовки детали с припуском на величину ее термической деформации, затем по заданным размерам изготавливают заготовку детали селективной порошковой лазерной наплавкой с помощью управляющей программы, получают оболочковую заготовку с неспеченным порошком внутри, которую покрывают слоем газифицируемого материала путем окунания в ванну с толщиной покрытия, превышающей величину термической деформации, заготовку с покрытием после остывания обрабатывают на высокоточном станке с числовым программным управлением до размеров и требуемой шероховатости поверхности готовой детали, полученную заготовку покрывают жаропрочной керамической суспензией толщиной 6-8 мм путем окунания 8-9 раз в ванну, слой суспензии сушат воздушно-аммиачным способом при температуре 20–25°С при влажности 60–70%, затем заготовку с керамическим покрытием прокаливают при температуре 950–1000°С в течение не менее 4 ч, после чего заготовку в керамической форме помещают в индукционный плавильный комплекс, производят переплав неспеченного порошка при температуре 1200-1440°С в течение не менее 4 часов, получают деталь с заданными размерами, которую охлаждают на воздухе в течение 3-4 часов и освобождают от керамического покрытия. A method for manufacturing parts of complex shape by a hybrid casting-additive method, including selective laser surfacing using heat-resistant nickel powders, characterized by the fact that initially the linear dimensions of the part blank are set with an allowance for the amount of its thermal deformation, then the part blank is made according to the specified dimensions by selective powder laser surfacing using a control program, a shell blank with unsintered powder inside is obtained, which is coated with a layer of gasified material by dipping into a bath with a coating thickness exceeding the thermal deformation, the coated blank after cooling is processed on a high-precision machine with numerical control to the size and required surface roughness the finished part, the resulting workpiece is covered with a heat-resistant ceramic suspension 6-8 mm thick by dipping 8-9 times in a bath, the suspension layer is dried by air-ammonia method at a temperature of 20-25 ° C at 60-70%, then the workpiece with a ceramic coating is calcined at a temperature of 950-1000 ° C for at least 4 hours, after which the workpiece in a ceramic mold is placed in an induction melting complex, the green powder is remelted at a temperature of 1200-1440 ° C in for at least 4 hours, a part with specified dimensions is obtained, which is cooled in air for 3-4 hours and freed from the ceramic coating.
RU2020133709A 2020-10-14 2020-10-14 Method for manufacturing parts of complex shape by hybrid casting-additive method RU2752359C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020133709A RU2752359C1 (en) 2020-10-14 2020-10-14 Method for manufacturing parts of complex shape by hybrid casting-additive method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020133709A RU2752359C1 (en) 2020-10-14 2020-10-14 Method for manufacturing parts of complex shape by hybrid casting-additive method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752359C1 true RU2752359C1 (en) 2021-07-26

Family

ID=76989592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020133709A RU2752359C1 (en) 2020-10-14 2020-10-14 Method for manufacturing parts of complex shape by hybrid casting-additive method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752359C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114799207A (en) * 2022-03-31 2022-07-29 西安航天发动机有限公司 Forming method of complex prefabricated part made of metal sweating material

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06287667A (en) * 1993-04-02 1994-10-11 Toshiba Corp Heat resistant cast co-base alloy
JPH09157780A (en) * 1995-12-05 1997-06-17 Hitachi Ltd High corrosion resistant cobalt base alloy
US20160258298A1 (en) * 2015-03-05 2016-09-08 General Electric Company Process for producing an article
RU2703670C1 (en) * 2017-09-08 2019-10-21 Мицубиси Хитачи Пауэр Системс, Лтд. Cobalt-based alloy made from additive technology, article from cobalt-based alloy and method of making said alloy

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06287667A (en) * 1993-04-02 1994-10-11 Toshiba Corp Heat resistant cast co-base alloy
JPH09157780A (en) * 1995-12-05 1997-06-17 Hitachi Ltd High corrosion resistant cobalt base alloy
US20160258298A1 (en) * 2015-03-05 2016-09-08 General Electric Company Process for producing an article
RU2703670C1 (en) * 2017-09-08 2019-10-21 Мицубиси Хитачи Пауэр Системс, Лтд. Cobalt-based alloy made from additive technology, article from cobalt-based alloy and method of making said alloy

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114799207A (en) * 2022-03-31 2022-07-29 西安航天发动机有限公司 Forming method of complex prefabricated part made of metal sweating material
CN114799207B (en) * 2022-03-31 2024-04-12 西安航天发动机有限公司 Forming method of complex prefabricated member of metal perspiration material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2366476B1 (en) Method for Fabricating Turbine Airfoils and Tip Structures Therefor
US20210031269A1 (en) Methods for fabricating turbine engine components
CN105499499B (en) A kind of Ti-Al series metal compounds casting method for precisely forming
EP3096900B1 (en) Method of additive manufacturing of a mold
US20100200189A1 (en) Method of fabricating turbine airfoils and tip structures therefor
EP2540419B1 (en) Methods for manufacturing engine components with structural bridge devices
EP2942424B1 (en) Method for forming a directionally solidified replacement body for a component using additive manufacturing
JP2003129862A (en) Turbine blade production method
RU2456116C2 (en) Method of forming cast moulds
US9175568B2 (en) Methods for manufacturing turbine components
US20120213659A1 (en) Method and device for producing a component of a turbomachine
CN109365811A (en) A kind of method of selective laser melting process forming Zinc-alloy
JP5451463B2 (en) Method for manufacturing turbine airfoil and tip structure thereof
JP2003532539A (en) Method for producing a net near shape mold
CA3020198A1 (en) Method for producing a workpiece by coating and additive manufacturing; corresponding workpiece
Brotzu et al. Production issues in the manufacturing of TiAl turbine blades by investment casting
RU2752359C1 (en) Method for manufacturing parts of complex shape by hybrid casting-additive method
CN103506594B (en) Precision casting method for engine vanes
US20180297232A1 (en) Turbine blade manufacturing method
Shan et al. Rapid manufacture of metal tooling by rapid prototyping
Baranova et al. Experience of using silica-free alumox binder in technology for preparing composite ceramic investment casting molds for superalloy directional solidification
CN106694877A (en) Copper conic liner and preparation method thereof
CN114150367A (en) Laser cladding repair method and repair system for high-temperature alloy single crystal defects
CN106342014B (en) A kind of method of part being repaired with laser orientation solidification technology
Hiep et al. An Evaluation of Some Specifications of Turbine Blades Made by 3D Printing Technology and Processed on CNC Milling Machines