RU2790493C1 - Method for manufacturing blanks by layer-by-layer laser fusion of metal powders of titanium-based alloys - Google Patents
Method for manufacturing blanks by layer-by-layer laser fusion of metal powders of titanium-based alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790493C1 RU2790493C1 RU2022111535A RU2022111535A RU2790493C1 RU 2790493 C1 RU2790493 C1 RU 2790493C1 RU 2022111535 A RU2022111535 A RU 2022111535A RU 2022111535 A RU2022111535 A RU 2022111535A RU 2790493 C1 RU2790493 C1 RU 2790493C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- powder
- titanium
- layers
- metal powder
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению заготовок методом послойного (селективного) лазерного сплавления (СЛС) металлических порошков сплавов на основе титана, и может быть использовано в авиационной, космической, энергетической и других отраслях.The invention relates to the field of metallurgy, namely to the manufacture of blanks by the method of layer-by-layer (selective) laser fusion (SLS) of metal powders of titanium-based alloys, and can be used in aviation, space, energy and other industries.
В настоящее время основными проблемами при производстве заготовок из титановых сплавов методом литья являются сложность технологического процесса и сложность изготовления литейных форм, что ведет к снижению выхода годного готовых изделий. При изготовлении заготовок из титановых сплавов методами механической обработки значительная часть материала попадает в отходы, что делает такое производство экономически низкоэффективным.Currently, the main problems in the production of blanks from titanium alloys by casting are the complexity of the technological process and the complexity of manufacturing molds, which leads to a decrease in the yield of suitable finished products. In the manufacture of blanks from titanium alloys by mechanical processing, a significant part of the material ends up in waste, which makes such production economically inefficient.
В качестве альтернативного способа изготовления заготовок из титановых сплавов, лишенного вышеуказанных недостатков, все большее распространение получает аддитивное производство, в котором основным методом изготовления деталей из металлических порошков является метод селективного лазерного сплавления. Он позволяет изготавливать сложнопрофильные заготовки из порошков титановых сплавов с высоким выходом годного и высоким коэффициентом использования материала.As an alternative method for manufacturing workpieces from titanium alloys, devoid of the above disadvantages, additive manufacturing is becoming more widespread, in which the main method for manufacturing parts from metal powders is the method of selective laser alloying. It makes it possible to manufacture complex-profile workpieces from titanium alloy powders with a high yield and a high material utilization rate.
Основной вектор развития метода селективного лазерного сплавления применительно к титановым сплавам направлен на повышение его производительности в связи с постоянно повышающимися требованиями к экономической эффективности изготовления заготовок. Также одним из ключевых вопросов является обеспечение проведения процесса селективного лазерного сплавления в инертной среде высокой чистоты для нивелирования взаимодействия титана с различными газовыми примесями.The main vector of development of the method of selective laser melting as applied to titanium alloys is aimed at increasing its productivity in connection with the ever-increasing requirements for the economic efficiency of preform manufacturing. Also, one of the key issues is to ensure the process of selective laser melting in an inert medium of high purity to level the interaction of titanium with various gaseous impurities.
Известен способ изготовления компонента газотурбинного двигателя из металлического порошка, содержащий аддитивное изготовление компонента и его термическую обработку. Аддитивное изготовление компонента ведут в формовочной камере, в которую вводят науглероживающий газ. Термическую обработку полученного аддитивным изготовлением компонента ведут с обеспечением осаждения карбидов на границах его зерен (RU 2670827 С9, 25.10.2018).A known method of manufacturing a component of a gas turbine engine from a metal powder, containing the additive manufacturing of the component and its heat treatment. The additive manufacturing of the component is carried out in a forming chamber into which a carburizing gas is introduced. Heat treatment of the component obtained by additive manufacturing is carried out to ensure the deposition of carbides at the boundaries of its grains (RU 2670827 C9, 10/25/2018).
Основным недостатком данного способа является введение в камеру СЛС науглероживающего газа, что неприменимо к изготовлению заготовок из сплавов на основе титана из-за образования большого количества карбидов титана, снижающих механические свойства синтезированного материала.The main disadvantage of this method is the introduction of carburizing gas into the SLS chamber, which is not applicable to the manufacture of workpieces from titanium-based alloys due to the formation of a large amount of titanium carbides, which reduce the mechanical properties of the synthesized material.
Известен способ изготовления металлических изделий селективным лазерным сплавлением, включающий первый этап, на котором порошковый материал засыпают в загрузочный бункер, закрывают герметичную камеру, откачивают воздух из герметичной камеры с помощью вакуумной системы, затем заполняют внутренний объем герметичной камеры инертным газом из блока подачи инертного газа до достижения заданного давления, включают систему циркуляции инертного газа, обеспечивают непрерывный обдув зоны сплавления порошкового материала и оптического оборудования лазерной системы через вентиляционные отверстия и производят нагрев основания с подложкой для формируемой заготовки. На втором этапе подают порошковый материал из загрузочного бункера в среде инертного газа через шлюзовое устройство в дозатор, производят выгрузку и разравнивание заданного объема порошкового материала с помощью выравнивателя из дозатора на подложку, полученный слой облучают сфокусированным лазерным излучением в точках слоя, соответствующих поперечному сечению формируемой заготовки по заданной программе в системе управления установки, после завершения облучения опускают опору для поддержки формируемой заготовки на величину толщины полученного слоя. Выравниватель перемещают в обратном направлении, затем операции второго этапа повторяют до полного формирования заготовки. После этого осуществляют третий этап, на котором удаляют защитный газ из герметичной камеры, выравнивают давление в герметичной камере с атмосферным, открывают герметичную камеру и извлекают полученную заготовку из камеры (RU 2717761 С1, 25.03.2020).A known method for the manufacture of metal products by selective laser melting, including the first stage, in which the powder material is poured into the hopper, the sealed chamber is closed, air is pumped out of the sealed chamber using a vacuum system, then the internal volume of the sealed chamber is filled with inert gas from the inert gas supply unit to reaching the predetermined pressure, turn on the inert gas circulation system, ensure continuous blowing of the fusion zone of the powder material and the optical equipment of the laser system through the ventilation holes, and heat the base with the substrate for the formed workpiece. At the second stage, powder material is fed from the hopper in an inert gas environment through a lock device to the dispenser, a given volume of powder material is unloaded and leveled using a leveler from the dispenser onto the substrate, the resulting layer is irradiated with focused laser radiation at the points of the layer corresponding to the cross section of the formed workpiece according to a given program in the control system of the installation, after the completion of irradiation, the support is lowered to support the formed workpiece by the thickness of the resulting layer. The leveler is moved in the opposite direction, then the operations of the second stage are repeated until the blank is completely formed. After that, the third stage is carried out, at which the protective gas is removed from the sealed chamber, the pressure in the sealed chamber is equalized with atmospheric pressure, the sealed chamber is opened and the resulting workpiece is removed from the chamber (RU 2717761 C1, 03/25/2020).
К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести технологические трудности обеспечения равномерного слоя порошка при его нанесении с помощью дозатора и каретки, так как наличие в дозаторе большого количества пересыпных механизмов ведет к неравномерному нанесению порошка, и, как следствие, к увеличению количества объемных дефектов при изготовлении заготовки.The disadvantages of the above method include technological difficulties in ensuring a uniform layer of powder when it is applied using a dispenser and a carriage, since the presence of a large number of pouring mechanisms in the dispenser leads to uneven application of the powder, and, as a result, to an increase in the number of volumetric defects in the manufacture of the workpiece.
Известен способ изготовления детали из хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля, включающий послойное нанесение порошка хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали, горячее изостатическое прессование полученной детали в среде аргона, и ее термическую обработку. Металлический порошок хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля предварительно подвергают газодинамической сепарации с последующей дегазацией. Процесс сплавления слоев порошка лазерным лучом проводят в защитной атмосфере азота. Перед горячим изостатическим прессованием полученную деталь помещают в среду электрокорунда и стружки титана или титанового сплава без соприкосновения детали с упомянутой стружкой (RU 2623537 С2, 27.06.2017).A method is known for manufacturing a part from a nickel-based chromium-containing heat-resistant alloy, including layer-by-layer deposition of a powder of a nickel-based chromium-containing heat-resistant alloy on a substrate and selective fusion of metal powder layers with a laser beam to form a part, hot isostatic pressing of the obtained part in argon, and its heat treatment. The metal powder of the nickel-based chromium-containing heat-resistant alloy is preliminarily subjected to gas-dynamic separation followed by degassing. The process of fusion of powder layers by a laser beam is carried out in a protective nitrogen atmosphere. Before hot isostatic pressing, the resulting part is placed in an environment of electrocorundum and titanium or titanium alloy shavings without contact of the part with said shavings (RU 2623537 C2, 06/27/2017).
Недостатками данного метода являются использование азота в качестве среды для СЛС, что ведет к образованию нитридов в титановых сплавах и, следовательно, снижению уровня свойств синтезированного материала, а также ограничение по толщине слоя 20-50 мкм, что делает невозможным повышение производительности процесса СЛС.The disadvantages of this method are the use of nitrogen as a medium for SLS, which leads to the formation of nitrides in titanium alloys and, consequently, a decrease in the level of properties of the synthesized material, as well as a limitation on the layer thickness of 20–50 μm, which makes it impossible to increase the productivity of the SLS process.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ изготовления изделий из суперсплавов методом аддитивных технологий, включающий нанесение слоя металлического порошка на подложку, сканирование порошка лазером для создания ванны расплава, в процессе чего происходит избирательное сплавление порошка с формированием первого слоя, и нанесение последующих слоев аналогичным образом до получения детали заданной формы. Селективное сканирование порошка лазером осуществляют построчно, при этом расстояние между линиями воздействия лазера составляет не более чем две толщины формируемого слоя, а толщина слоя составляет не более 50 мкм. После изготовления детали проводят либо отжиг для снятия напряжений, либо горячее изостатическое прессование в среде аргона и термическую обработку полученной детали, либо комбинируют указанные операции пост-обработки (US 9352421 В2, ф.и., страница 7, колонка 3, абзац 2 описания, 31.05.2016).The closest analogue of the claimed invention is a method for manufacturing products from superalloys using additive technologies, including applying a layer of metal powder to a substrate, scanning the powder with a laser to create a melt bath, during which the selective fusion of the powder occurs with the formation of the first layer, and applying subsequent layers in a similar way until obtaining a part of a given shape. Selective scanning of the powder by a laser is carried out line by line, while the distance between the lines of laser action is no more than two thicknesses of the formed layer, and the layer thickness is no more than 50 μm. After the part is made, either stress relief annealing or hot isostatic pressing in an argon atmosphere and heat treatment of the resulting part are carried out, or these post-processing operations are combined (US 9352421 B2, f.i., page 7, column 3, paragraph 2 of the description, May 31, 2016).
К недостаткам способа можно отнести использование толщины слоя порошка не более 50 мкм, что делает низкой производительность процесса СЛС, а также отсутствие интервала эффективной объемной плотности энергии, выход за границы которого нарушает баланс режима и тем самым ведет к увеличению дефектов в структуре синтезированного материала.The disadvantages of the method include the use of a powder layer thickness of not more than 50 μm, which makes the SLS process low, as well as the absence of an interval of effective volumetric energy density, the overshoot of which violates the mode balance and thereby leads to an increase in defects in the structure of the synthesized material.
Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении объемной доли пор в получаемых деталях и снижении времени их изготовления при сохранении уровня физико-механических свойств (предела прочности σв, относительного удлинения δ5 и относительного сужения ψ).The technical result of the claimed invention is to reduce the volume fraction of pores in the resulting parts and reduce the time of their manufacture while maintaining the level of physical and mechanical properties (tensile strength σ in , relative elongation δ 5 and relative narrowing ψ).
Заявленный технический результат достигается предложенным способом изготовления детали послойным лазерным сплавлением металлических порошков сплавов на основе титана, включающим послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в атмосфере аргона, при этом металлический порошок наносят на подложку слоями толщиной 60-100 мкм, объемную плотность энергии лазерного луча поддерживают в интервале 35-75 Дж/мм3, а его диаметр задают в интервале 100-250 мкм, селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка проводят в проточной среде аргона.The claimed technical result is achieved by the proposed method for manufacturing a part by layer-by-layer laser alloying of metal powders of titanium-based alloys, including layer-by-layer deposition of metal powder on a substrate and selective alloying of layers of metal powder by a laser beam to form a part in an argon atmosphere, while the metal powder is applied to the substrate in layers 60 thick. -100 µm, the volumetric energy density of the laser beam is maintained in the range of 35-75 J/mm 3 , and its diameter is set in the range of 100-250 µm, the selective fusion of metal powder layers by the laser beam is carried out in an argon flow medium.
После селективного лазерного сплавления заготовки детали предпочтительно подвергать отжигу в вакууме или среде аргона при температуре 750-850°С и времени выдержки 60-180 минут.After selective laser melting of the workpiece, it is preferable to anneal in vacuum or argon at a temperature of 750-850°C and a holding time of 60-180 minutes.
После отжига можно провести горячее изостатическое прессование (ГИП) детали при давлении 100-200 МПа, температуре 900-1000°С и времени выдержки 150-210 мин.After annealing, hot isostatic pressing (HIP) of the part can be carried out at a pressure of 100–200 MPa, a temperature of 900–1000°C, and a holding time of 150–210 min.
Также после селективного лазерного сплавления можно последовательно провести горячее изостатическое прессование детали при давлении 100-200 МПа, температуре 900-1000°С и времени выдержки 150-210 мин, а затем - отжиг в вакууме или среде аргона при температуре 750-850°С и времени выдержки 60-180 мин.Also, after selective laser melting, it is possible to sequentially carry out hot isostatic pressing of the part at a pressure of 100–200 MPa, a temperature of 900–1000°C and a holding time of 150–210 min, and then annealing in vacuum or argon at a temperature of 750–850°C and exposure time 60-180 min.
С целью получения деталей из титанового сплава с высоким уровнем механических свойств (предела прочности σв, относительного удлинения δ5 и относительного сужения ψ) необходимо обеспечить низкое содержание газовых примесей за счет применения проточной атмосферы аргона при проведении процесса СЛС.In order to obtain parts from a titanium alloy with a high level of mechanical properties (tensile strength σ in , relative elongation δ 5 and relative narrowing ψ), it is necessary to ensure a low content of gas impurities through the use of a flowing argon atmosphere during the SLS process.
Разбиение детали на слои толщиной 60-100 мкм позволяет повысить производительность процесса СЛС за счет сокращения общего количества слоев в детали. При использовании слоев толщиной до 60 мкм нельзя добиться существенного прироста в производительности процесса СЛС, при использовании слоев толщиной более 100 мкм падает качество синтезированного материала, увеличивается количество дефектов.Partitioning a part into layers with a thickness of 60-100 microns makes it possible to increase the productivity of the SLS process by reducing the total number of layers in the part. When using layers with a thickness of up to 60 µm, it is impossible to achieve a significant increase in the productivity of the SLS process; when using layers with a thickness of more than 100 µm, the quality of the synthesized material decreases, and the number of defects increases.
Разбиение детали на слои толщиной 60-100 мкм также позволяет использовать металлические порошки с более широким диапазоном фракционного состава 10-80 мкм, 63-80 мкм и 80-100 мкм, что приводит к снижению стоимости детали.Splitting the part into layers with a thickness of 60-100 microns also allows the use of metal powders with a wider range of fractional composition of 10-80 microns, 63-80 microns and 80-100 microns, which leads to a reduction in the cost of the part.
Формула объемной плотности энергии лазерного луча имеет следующий вид:The formula for the volumetric energy density of a laser beam is as follows:
где Р - мощность лазера, Вт;where Р is the laser power, W;
V - скорость сканирования, мм/с;V - scanning speed, mm/s;
А - межтрековый интервал сканирования, мкм;A - intertrack interval of scanning, microns;
hc - толщина слоя порошка, мкм.h c is the thickness of the powder layer, microns.
Определение граничных значений объемной плотности энергии позволяет установить интервал, в котором лежит оптимальное сочетание вышеуказанных параметров, позволяющих получать синтезированный материал с минимально возможными значениями объемной доли пор (Vпор). Выход за границы этого интервала дестабилизирует процесс СЛС и приводит к росту дефектов в структуре. Для титановых сплавов этот интервал определен экспериментально, он составляет 35-75 Дж/мм3. При значениях объемной плотности энергии менее 35 Дж/мм3 резко возрастает пористость синтезированного материала за счет режимов с низкой энергией, которой не хватает для полного проплавления порошкового слоя. При превышении значений в 75 Дж/мм3 излишняя энергия приводит к дестабилизации расплавленного материала и формированию большого числа газовых пор.Determining the boundary values of the volumetric energy density makes it possible to establish the interval in which the optimal combination of the above parameters lies, which makes it possible to obtain a synthesized material with the lowest possible values of the volume fraction of pores (V pore ). Exceeding the boundaries of this interval destabilizes the SLS process and leads to the growth of defects in the structure. For titanium alloys, this interval is determined experimentally, it is 35-75 J/mm 3 . At values of volumetric energy density less than 35 J/ mm3 , the porosity of the synthesized material sharply increases due to low energy regimes, which is not enough for complete penetration of the powder layer. When values exceeding 75 J/mm 3 excess energy leads to destabilization of the molten material and the formation of a large number of gas pores.
Использование пятна лазера диаметром от 100 до 250 мкм позволяет сократить количество треков в слое, тем самым увеличить производительность метода СЛС. Экспериментально установлено, что использование слишком маленьких значений диаметра пятна лазера (менее 100 мкм) приводит к увеличению продолжительности процесса СЛС, а при больших значениях (более 250 мкм) на современных установках невозможно обеспечить стабильность процесса СЛС, что приводит к повышению пористости.The use of a laser spot with a diameter of 100 to 250 μm makes it possible to reduce the number of tracks in a layer, thereby increasing the productivity of the SLS method. It has been experimentally established that the use of too small values of the laser spot diameter (less than 100 µm) leads to an increase in the duration of the SLS process, and at large values (more than 250 µm) it is impossible to ensure the stability of the SLS process on modern installations, which leads to an increase in porosity.
Проведение отжига деталей без снятия с платформы построения после проведения процесса СЛС в вакууме или среде аргона при температуре 750-850°С и времени выдержки 60-180 мин позволяет эффективно уменьшить остаточные (термические) макронапряжения, возникающие в процессе СЛС, тем самым обеспечить точность геометрических размеров детали. Экспериментально установлено, что для изготовленных методом СЛС деталей из титановых сплавов изменение температурного интервала отжига приводит к непрогнозируемому изменению морфологии микроструктуры, что неблагоприятно сказывается на комплексе механических характеристик сплава. Несоответствие времени выдержки установленным пределам приводит к неоднородному распределению уровней свойств по сечению деталей, особенно при больших толщинах.The annealing of parts without removal from the build platform after the SLS process in a vacuum or argon atmosphere at a temperature of 750–850°C and a holding time of 60–180 min can effectively reduce the residual (thermal) macrostresses that occur during the SLS process, thereby ensuring the accuracy of geometric part sizes. It has been experimentally established that for titanium alloy parts fabricated by the SLS method, a change in the annealing temperature range leads to an unpredictable change in the microstructure morphology, which adversely affects the mechanical characteristics of the alloy. The discrepancy between the exposure time and the established limits leads to a non-uniform distribution of property levels over the section of the parts, especially at large thicknesses.
Проведение процесса ГИП детали, изготовленной методом СЛС металлического порошка сплава на основе титана, осуществляется при давлении 100-200 МПа, температуре 900-1000°С и времени выдержки 150-210 мин, что обеспечивает эффективное снижение пористости синтезированного материала и стабилизацию его структурного состояния. Уменьшение давления ниже установленного нижнего предела не позволяет обеспечить минимальный уровень остаточной пористости. Увеличение давления выше установленного верхнего предела может приводить к изменению геометрических характеристик (короблению, деформации и т.п.) деталей, особенно тонкостенных. Изменение температурного интервала ГИП приводит к увеличению структурных составляющих (в случае повышенных температур) или к уменьшению степени снижения пористости (в случае пониженных температур), что неблагоприятно сказывается на комплексе механических характеристик синтезированного материала. Несоответствие времени выдержки установленным пределам приводит к неоднородному распределению уровней свойств по сечению деталей, особенно при больших толщинах.The HIP process of a part made by the SLS method of a titanium-based alloy metal powder is carried out at a pressure of 100-200 MPa, a temperature of 900-1000°C and a holding time of 150-210 min, which ensures an effective reduction in the porosity of the synthesized material and stabilization of its structural state. Reducing the pressure below the set lower limit does not allow to ensure the minimum level of residual porosity. An increase in pressure above the set upper limit can lead to a change in the geometric characteristics (warping, deformation, etc.) of parts, especially thin-walled ones. A change in the HIP temperature range leads to an increase in the structural components (in the case of elevated temperatures) or to a decrease in the degree of porosity reduction (in the case of low temperatures), which adversely affects the complex of mechanical characteristics of the synthesized material. The discrepancy between the exposure time and the established limits leads to a non-uniform distribution of property levels over the section of the parts, especially at large thicknesses.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. На первом этапе создается электронная модель заготовки при помощи системы твердотельного моделирования. После этого подготовленная электронная модель разделяется на слои и загружается в управляющее программное обеспечение оборудования для трехмерной печати (3D-принтер). На втором этапе порошковый материал распределяется тонким слоем на рабочей поверхности подложки, толщина слоя при этом составляет 60-100 мкм. Лазер, согласно заданным параметрам, селективно осуществляет расплавление порошка в атмосфере аргона для формирования первого слоя детали. После лазерного сплавления первого слоя металлического порошка подложка опускается на уровень, равный заданной толщине слоя, из бункера наносится новый слой порошкового материала, и процесс многократно повторяется до завершения изготовления детали. На третьем этапе при необходимости проводятся операции горячего изостатического прессования (ГИП) и/или термической обработки (отжига).The claimed method is carried out as follows. At the first stage, an electronic model of the workpiece is created using a solid modeling system. After that, the prepared electronic model is divided into layers and loaded into the control software of the equipment for three-dimensional printing (3D printer). At the second stage, the powder material is distributed in a thin layer on the working surface of the substrate, the layer thickness is 60-100 microns. The laser, according to the given parameters, selectively melts the powder in an argon atmosphere to form the first layer of the part. After laser fusion of the first layer of metal powder, the substrate is lowered to a level equal to the specified layer thickness, a new layer of powder material is deposited from the hopper, and the process is repeated many times until the part is finished. At the third stage, if necessary, operations of hot isostatic pressing (HIP) and/or heat treatment (annealing) are carried out.
Примеры реализации изобретенияExamples of the implementation of the invention
Пример 1Example 1
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 60 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 10 до 63 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 35 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 100 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 24 ч. Значение объемной доли пор V синтезированного материала - 0,15%. После процесса СЛС проводили отжиг при температуре 750°С и времени выдержки 60 мин в среде аргона (без ГИП).With the help of a solid modeling system, an electronic model of the “Body” part blank was created, the electronic model of the blank was divided into layers 60 μm thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 10 to 63 μm. The volumetric energy density was 35 J/mm 3 , the laser spot diameter was 100 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the “Body” part was 24 hours. The value of the volume fraction of pores V of the synthesized material was 0.15%. After the SLS process, annealing was performed at a temperature of 750°С and an exposure time of 60 min in an argon atmosphere (without HIP).
Пример 2Example 2
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 80 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 63 до 80 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 55 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 175 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 17 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 0,10%. После процесса СЛС проводили отжиг при температуре 800°С и времени выдержки 120 мин в среде аргона (без ГИП).With the help of a solid modeling system, an electronic model of the “Body” part blank was created, the electronic model of the blank was divided into layers 80 microns thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 63 to 80 μm. The value of the volumetric energy density was 55 J/mm 3 , the diameter of the laser spot was 175 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the “Body” part was 17 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 0.10%. After the SLS process, annealing was carried out at a temperature of 800°C and an exposure time of 120 min in argon (without HIP).
Пример 3Example 3
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 100 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 10 до 80 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 75 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 250 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 12 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 0,06%. После процесса СЛС проводили отжиг при температуре 850°С и времени выдержки 180 мин в вакууме (без ГИП).With the help of a solid modeling system, an electronic model of the “Body” part blank was created, the electronic model of the blank was divided into layers 100 μm thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 10 to 80 μm. The value of the volumetric energy density was 75 J/mm 3 , the diameter of the laser spot was 250 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the “Body” part was 12 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 0.06%. After the SLS process, annealing was performed at a temperature of 850°C and a holding time of 180 min in vacuum (without HIP).
Пример 4Example 4
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 60 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 63 до 80 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 35 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 100 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 24 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 0,18%. После процесса СЛС проводили ГИП при давлении 100 МПа, температуре 900°С и времени выдержки 150 мин, с последующим отжигом при температуре 800°С и времени выдержки 60 мин в среде аргона.With the help of a solid modeling system, an electronic model of the “Body” part blank was created, the electronic model of the blank was divided into layers 60 μm thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 63 to 80 μm. The volumetric energy density was 35 J/mm 3 , the laser spot diameter was 100 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the "Body" part was 24 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 0.18%. After the SLS process, HIP was performed at a pressure of 100 MPa, a temperature of 900°C, and a holding time of 150 min, followed by annealing at a temperature of 800°C and a holding time of 60 min in argon.
Пример 5Example 5
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 80 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 10 до 80 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 55 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 175 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 17 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 0,10%. После процесса СЛС проводили ГИП при давлении 150 МПа, температуре 950°С и времени выдержки 180 мин, с последующим отжигом при температуре 750°С и времени выдержки 120 мин в среде аргона.With the help of a solid modeling system, an electronic model of the “Body” part blank was created, the electronic model of the blank was divided into layers 80 microns thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 10 to 80 μm. The value of the volumetric energy density was 55 J/mm 3 , the diameter of the laser spot was 175 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the "Body" part was 17 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 0.10%. After the SLS process, HIP was performed at a pressure of 150 MPa, a temperature of 950°C, and a holding time of 180 min, followed by annealing at a temperature of 750°C and a holding time of 120 min in an argon atmosphere.
Пример 6Example 6
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 100 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 10 до 80 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 75 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 250 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 12 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 0,05%. После процесса СЛС проводили ГИП при давлении 200 МПа, температуре 1000°С и времени выдержки 210 мин, с последующим отжигом при температуре 850°С и времени выдержки 180 мин в среде аргона.With the help of a solid modeling system, an electronic model of the “Body” part blank was created, the electronic model of the blank was divided into layers 100 μm thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 10 to 80 μm. The value of the volumetric energy density was 75 J/mm 3 , the diameter of the laser spot was 250 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the "Body" part was 12 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 0.05%. After the SLS process, HIP was performed at a pressure of 200 MPa, a temperature of 1000°C, and a holding time of 210 min, followed by annealing at a temperature of 850°C and a holding time of 180 min in argon.
Пример 7Example 7
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 60 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 63 до 80 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 35 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 100 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 24 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 0,16%. После процесса СЛС проводили отжиг при температуре 750°С и времени выдержки 60 мин в среде аргона с последующим ГИП при давлении 100 МПа, температуре 900°С и времени выдержки 150 мин.With the help of a solid modeling system, an electronic model of the blank of the "Body" part was created, the electronic model of the blank was divided into layers 60 μm thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 63 to 80 μm. The volumetric energy density was 35 J/mm 3 , the laser spot diameter was 100 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers with a laser beam were carried out with the formation of a part in a protective argon atmosphere. The manufacturing time of the workpiece of the “Body” part was 24 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 0.16%. After the SLS process, annealing was performed at a temperature of 750°C and a holding time of 60 min in an argon atmosphere, followed by HIP at a pressure of 100 MPa, a temperature of 900°C, and a holding time of 150 min.
Пример 8Example 8
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 80 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 10 до 80 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 55 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 175 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 17 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 0,09%. После процесса СЛС проводили отжиг при температуре 800°С и времени выдержки 120 мин в среде аргона с последующим ГИП при давлении 150 МПа, температуре 950°С и времени выдержки 180 мин.With the help of a solid modeling system, an electronic model of the “Body” part blank was created, the electronic model of the blank was divided into layers 80 microns thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 10 to 80 μm. The value of the volumetric energy density was 55 J/mm 3 , the diameter of the laser spot was 175 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the "Case" part was 17 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 0.09%. After the SLS process, annealing was performed at a temperature of 800°C and a holding time of 120 min in an argon atmosphere, followed by HIP at a pressure of 150 MPa, a temperature of 950°C, and a holding time of 180 min.
Пример 9Example 9
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 100 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - от 10 до 80 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 75 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 250 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 12 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 0,04%. После процесса СЛС проводили отжиг при температуре 850°С и времени выдержки 180 мин в вакууме с последующим ГИП при давлении 200 МПа, температуре 1000°С и времени выдержки 210 мин.With the help of a solid modeling system, an electronic model of the “Body” part blank was created, the electronic model of the blank was divided into layers 100 μm thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was from 10 to 80 μm. The value of the volumetric energy density was 75 J/mm 3 , the diameter of the laser spot was 250 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the "Body" part was 12 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 0.04%. After the SLS process, annealing was performed at a temperature of 850°C and a holding time of 180 min in vacuum, followed by HIP at a pressure of 200 MPa, a temperature of 1000°C, and a holding time of 210 min.
Пример 10 (прототип)Example 10 (prototype)
При помощи системы твердотельного моделирования создали электронную модель заготовки детали «Корпус», провели разделение электронной модели заготовки на слои толщиной 20 мкм в специализированном программном обеспечении, затем экспортировали подготовленную электронную модель в управляющее программное обеспечение оборудования (3D-принтер). В качестве материала порошка использовали сплав на основе титана марки ВТ6, размер частиц порошка - менее 63 мкм. Значение объемной плотности энергии составило 110 Дж/мм3, диаметр пятна лазера - 90 мкм. В процессе СЛС проводили послойное нанесение металлического порошка на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере аргона. Время изготовления заготовки детали «Корпус» составило 53 ч. Значение объемной доли пор синтезированного материала - 2,23%. После процесса селективного лазерного сплавления проводили отжиг при температуре 900°С и времени выдержки 180 мин в среде аргона.With the help of a solid modeling system, an electronic model of the blank of the “Body” part was created, the electronic model of the blank was divided into layers 20 μm thick in specialized software, and then the prepared electronic model was exported to the control software of the equipment (3D printer). An alloy based on titanium grade VT6 was used as the powder material, the particle size of the powder was less than 63 μm. The value of the volumetric energy density was 110 J/mm 3 , the diameter of the laser spot was 90 μm. In the SLS process, layer-by-layer deposition of a metal powder on a substrate and selective fusion of metal powder layers by a laser beam with the formation of a part in a protective argon atmosphere were carried out. The manufacturing time of the workpiece of the “Body” part was 53 hours. The value of the volume fraction of pores of the synthesized material was 2.23%. After the process of selective laser melting, annealing was carried out at a temperature of 900°C and an exposure time of 180 min in an argon atmosphere.
После изготовления детали измеряли предел прочности σв, относительное удлинение δ5 и относительное сужение ψ в соответствии с ГОСТ 1497-84.After manufacturing the part, the tensile strength σ in , relative elongation δ 5 and relative narrowing ψ were measured in accordance with GOST 1497-84.
Свойства заготовки детали «Корпус», которые получены на образцах-свидетелях, изготовленных по предложенному способу и по прототипу за один цикл с заготовкой детали, представлены в таблице.The properties of the "Body" part blank, which were obtained on witness samples manufactured by the proposed method and the prototype in one cycle with the part blank, are presented in the table.
Время изготовления деталей предложенным способом в 2,2-4,4 раза меньше, чем способом-прототипом. Свойства заготовок, изготовленных предложенным способом, находятся на одном уровне или превышают свойства заготовок, изготовленных способом-прототипом.The manufacturing time of the parts by the proposed method is 2.2-4.4 times less than the prototype method. The properties of blanks made by the proposed method are on the same level or exceed the properties of blanks made by the prototype method.
Таким образом, предлагаемый метод позволяет изготавливать заготовки деталей из порошка сплава на основе титана за меньшее по сравнению с прототипом время и с сохранением уровня механических свойств.Thus, the proposed method makes it possible to manufacture blanks of parts from titanium-based alloy powder in less time compared to the prototype and while maintaining the level of mechanical properties.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2790493C1 true RU2790493C1 (en) | 2023-02-21 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2820186C1 (en) * | 2023-10-09 | 2024-05-30 | ФГАОУ ВО Сибирский федеральный университет | Copper-containing titanium alloy and method of its production |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9352421B2 (en) * | 2012-08-06 | 2016-05-31 | Materials Solutions | Additive manufacturing |
| RU2635204C1 (en) * | 2016-12-29 | 2017-11-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method of producing intermetallide orthoalloy based on titanium |
| US20210197284A1 (en) * | 2017-10-31 | 2021-07-01 | Ihi Corporation | Additive manufacturing and additive manufacturing method |
| US20210308767A1 (en) * | 2019-09-27 | 2021-10-07 | Jiangsu University | Laser shock peening method for additive manufactured component of double-phase titanium alloy |
| RU2760699C1 (en) * | 2021-01-25 | 2021-11-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for obtaining nitinol-based composite material |
| US20210402474A1 (en) * | 2018-04-30 | 2021-12-30 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Additive manufacturing of metals |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9352421B2 (en) * | 2012-08-06 | 2016-05-31 | Materials Solutions | Additive manufacturing |
| RU2635204C1 (en) * | 2016-12-29 | 2017-11-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method of producing intermetallide orthoalloy based on titanium |
| US20210197284A1 (en) * | 2017-10-31 | 2021-07-01 | Ihi Corporation | Additive manufacturing and additive manufacturing method |
| US20210402474A1 (en) * | 2018-04-30 | 2021-12-30 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Additive manufacturing of metals |
| US20210308767A1 (en) * | 2019-09-27 | 2021-10-07 | Jiangsu University | Laser shock peening method for additive manufactured component of double-phase titanium alloy |
| RU2760699C1 (en) * | 2021-01-25 | 2021-11-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method for obtaining nitinol-based composite material |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2820186C1 (en) * | 2023-10-09 | 2024-05-30 | ФГАОУ ВО Сибирский федеральный университет | Copper-containing titanium alloy and method of its production |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nandhakumar et al. | A process parameters review on selective laser melting-based additive manufacturing of single and multi-material: Microstructure, physical properties, tribological, and surface roughness | |
| EP2589449B2 (en) | A process for the production of articles made of a gamma-prime precipitation-strengthened nickel-base superalloy by selective laser melting (SLM) | |
| CN110983262B (en) | Preparation method of aluminum-scandium alloy target material | |
| Yang et al. | Densification, surface morphology, microstructure and mechanical properties of 316L fabricated by hybrid manufacturing | |
| US20150030494A1 (en) | Object production | |
| GB2543234A (en) | Additive manufacturing | |
| US20110286874A1 (en) | Sintered 17-4ph steel part and method for forming | |
| CN111872386B (en) | 3D printing process method of high-strength aluminum-magnesium alloy | |
| CN108620588B (en) | Laser metal 3D printing method without periodic layer band effect | |
| RU2623537C2 (en) | Parts manufacturing method by layer laser alloying of heat-resistant alloys based on nickel metallic powders | |
| CA3068408C (en) | An additive manufacturing technique for precipitation-hardened superalloy powdered material | |
| CN113319292A (en) | Tantalum-tungsten alloy preparation process based on selective laser melting forming and tantalum-tungsten alloy | |
| Afroz et al. | Fatigue behaviour of laser powder bed fusion (L-PBF) Ti–6Al–4V, Al–Si–Mg and stainless steels: a brief overview | |
| Gong et al. | Laser energy density dependence of performance in additive/subtractive hybrid manufacturing of 316L stainless steel | |
| CN116134166A (en) | Nickel-based superalloy for additive manufacturing | |
| US20230024291A1 (en) | Method for producing molybdenum alloy targets | |
| CN113414404B (en) | Method for manufacturing H13 steel in additive mode | |
| RU2790493C1 (en) | Method for manufacturing blanks by layer-by-layer laser fusion of metal powders of titanium-based alloys | |
| CN114273673B (en) | Preparation method of TC18 titanium alloy part | |
| CN115351294A (en) | Method for preparing nickel-based high-temperature alloy product by selective laser melting | |
| CN114273672B (en) | Preparation method of TC18 titanium alloy part | |
| WO2022074443A1 (en) | A method of manufacturing a metallic component by additive manufacturing process and a system thereof | |
| RU2767968C1 (en) | METHOD OF PRODUCING PARTS OF SMALL-SIZE GAS TURBINE ENGINE WITH THRUST OF UP TO 150 kgf BY SELECTIVE LASER FUSION | |
| CN113681028A (en) | Method and device for additive manufacturing of aluminum alloy in static magnetic field | |
| RU2810141C1 (en) | Method for manufacturing product from nickel alloys with controlled variable structure |