Способ производства деталей малоразмерного газотурбинного двигателя с тягой до 150 кгс методом селективного лазерного сплавления
METHOD OF PRODUCING PARTS OF SMALL-SIZE GAS TURBINE ENGINE WITH THRUST OF UP TO 150 kgf BY SELECTIVE LASER FUSION

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способу изготовления деталей малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД), в частности, двигателей типов МГТД-20, МГТД-125 и МГТД-150, методом селективного лазерного сплавления и может быть использовано в авиадвигателестроении при производстве маршевого двигателя летательного аппарата.
Технология аддитивного производства для изготовления изделий авиационного назначения методом селективного лазерного сплавления (СЛС) осложнена необходимостью разработки таких режимов синтеза для авиационных сплавов, чтобы последующее синтезированное изделие обладало минимальной долей внутренних объемных дефектов, а также заданным качеством поверхности. Помимо разработки режима необходимо сконструировать и оптимизировать конструкцию изделия таким образом, чтобы обеспечить наибольшую эффективность его применения в силовых агрегатах летательных аппаратов и снизить их вес.
Известен способ изготовления компонента газотурбинного двигателя из металлического порошка, содержащий аддитивное изготовление компонента и его термическую обработку. Аддитивное изготовление компонента ведут в формовочной камере, в которую вводят науглероживающий газ. Термическую обработку полученного аддитивным изготовлением компонента ведут с обеспечением осаждения карбидов на границах его зерен (RU 2670827 С2, опубл. 25.10.2018 г. B22F 3/105).
К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести использование науглероживающего газа, который приводит к осаждению карбидов на поверхности сплавляемых слоев, что может приводить к росту объемных дефектов, локализованных между слоями.
Известен способ получения изделий для высоких тепловых нагрузок для авиационных двигателей, который включает обеспечение первой области компонента первым металлическим материалом посредством генеративного лазерного процесса или создание первой области из первого металлического материала, затем создание второй области компонента из второго металлического материала. Способ дополнительно включает создание охлаждающего элемента на компоненте путем селективного лазерного спекания и/или селективной лазерной плавки посредством увеличения концентрации таких элементов, как медь и/или алюминий с высокой теплопроводностью и высоким коэффициентом линейного расширения в металлическом материале. (ЕР 2559787 А1, опубл. 20.02.2013 B23K 26/00).
К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести невозможность промышленной реализации данного способа изготовления деталей ГТД на современных установках селективного лазерного сплавления.
Известен способ изготовления металлических изделий селективным лазерным спеканием, включающий первый этап, на котором порошковый материал засыпают в загрузочный бункер, закрывают герметичную камеру, откачивают воздух из герметичной камеры с помощью вакуумной системы, затем заполняют внутренний объем герметичной камеры инертным газом из блока подачи инертного газа до достижения заданного давления, включают систему циркуляции инертного газа, обеспечивают непрерывный обдув зоны сплавления порошкового материала и оптического оборудования лазерной системы через вентиляционные отверстия и производят нагрев основания с подложкой для формируемого изделия. После чего осуществляют второй этап, на котором подают порошковый материал из загрузочного бункера в среде инертного газа через шлюзовое устройство в дозатор, производят выгрузку и разравнивание заданного объема порошкового материала с помощью выравнивателя из дозатора на подложку, полученный слой облучают сфокусированным лазерным излучением в точках слоя, соответствующих поперечному сечению формируемого изделия по заданной программе в системе управления упомянутой установки, после завершения облучения опускают опору для поддержки формируемого изделия на величину толщины полученного слоя. Выравниватель перемещают в обратном направлении, затем операции второго этапа повторяют до полного формирования изделия. После чего осуществляют третий этап, на котором удаляют защитный газ из герметичной камеры, выравнивают давление в герметичной камере с атмосферным, открывают герметичную камеру и извлекают полученное изделие из камеры (RU 2717761 С1, опубл. 25.03.2020, B22F 3/105).
К недостаткам вышеуказанного способа можно отнести технологические трудности обеспечения равномерного слоя порошка при его нанесении с использованием вертикальной подачи, что ведет к увеличению количества объемных дефектов при синтезе изделия.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ изготовления детали из хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля, включающий послойное нанесение порошка хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля на подложку и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали, горячее изостатическое прессование полученной детали в среде аргона и ее термическую обработку. Металлический порошок хромсодержащего жаропрочного сплава на основе никеля предварительно подвергают газодинамической сепарации с последующей дегазацией. Процесс сплавления слоев порошка лазерным лучом проводят в защитной атмосфере азота. Перед горячим изостатическим прессованием полученную деталь помещают в среду электрокорунда и стружки титана или титанового сплава без соприкосновения детали с упомянутой стружкой (RU 2623537, опубл. 27.06.2017 B23K 26/342).
Недостатком данного способа является отсутствие предварительной компьютерной обработки (топологической оптимизации) электронной 3D-модели детали газотурбинного двигателя, что не позволяет совершенствовать конструкцию детали, тем самым, снижая эффективность ее применения.
Технический результат заявленного изобретения заключается в разработке способа изготовления деталей малогабаритного газотурбинного двигателя с тягой до 150 кгс с повышенным показателем тяговооруженности за счет сокращения массы деталей посредством топологической оптимизации.
Заявленный технический результат достигается тем, что способ изготовления деталей малоразмерного газотурбинного двигателя селективным лазерным сплавлением включает в себя операции создания электронной 3D-модели детали при помощи системы твердотельного моделирования, проведения топологической оптимизации детали с учетом ее конструктивных особенностей и схемы нагружения, разделение оптимизированной 3D-модели детали на слои и экспортирование ее на оборудование, газодинамическую сепарацию и дегазацию порошка, послойное нанесение металлического порошка на подложку нагретую в течении 30-60 минут до 200°С и селективное сплавление лазерным лучом слоев металлического порошка с формированием детали в защитной атмосфере азота.
В варианте изготовления детали МГТД фронтовое устройство, корпус, сопло, направляющий аппарат, колесо турбины, корпус соплового аппарата дополнительно подвергают горячему изостатическому прессованию при давлении 100-200 МПа и температуре 1100-1200°С.
В варианте изготовления детали МГТД фронтовое устройство, корпус, сопло, направляющий аппарат, жаровая труба, камера сгорания, дно корпуса, корпус внешнего направляющего аппарата, корпус компрессора передний, спрямляющий аппарат, диффузор, устройство входа, крышка устройства входа, крепление испарительных трубок дополнительно подвергают термической обработке.
В варианте изготовления деталей: корпус внешнего направляющего аппарата, корпус компрессора передний, спрямляющий аппарат, диффузор, устройство входа, крышка устройства входа, крепление испарительных трубок - в процессе сплавления слоев порошка осуществляют нагрев подложки до 100°С.
В варианте изготовления процесс сплавления слоев порошка лазерным лучом проводят в защитной атмосфере аргона.
В варианте изготовления металлический порошок выполнен из сплава на основе никеля или кобальта, или алюминия.
Топологическая оптимизация с учетом конструктивных особенностей и схемы нагружения после моделирования электронной 3D-модели детали позволяет снизить массу деталей МГТД с сохранением требуемых прочностных характеристик, тем самым обеспечить снижение веса и повышение тяговооруженности МГТД.
Газодинамическая сепарация металлического порошка позволяет исключить наличие в нем тонкой (агломерирующей) фракции менее 10 мкм, препятствующей равномерному нанесению на подложку, а также дефектных пористых гранул, внутри которых содержится локальный объем инертного газа аргона. Применение таких гранул в процессе лазерного сплавления приводит к структурной неоднородности (пористости) сплавленных слоев, что отрицательно сказывается на механических свойствах изготавливаемой детали. В большей степени достичь однородности сплавленных слоев можно используя порошки небольшого фракционного состава менее 63 мкм.
Дегазация металлического порошка жаропрочного сплава на основе фракционного состава менее 63 мкм позволяет удалить с поверхности частиц порошка адсорбированный кислород, который является вредной газовой примесью, приводящей к снижению механических свойств изготавливаемой детали.
С целью получения детали большей геометрической точности и высокими механическими свойствами предпочтительно использовать металлический порошок фракционного состава менее 63 мкм с содержанием кислорода менее 0,01 масс. %.
Дегазацию проводят посредством вакуумирования камеры, в которую помещен порошок, с последующим нагревом до температуры до 300°С и выдержке при ней в течение 2-6 ч.
Селективное сплавление (сканирование) порошка лазерным лучом лучше проводить со скоростью от 0,6 до 3,2 м/сек и мощностью лазера 150-600 Вт. Сочетание указанных скорости и мощности обеспечивает стабильный процесс изготовления деталей за счет полного расплавления сплавляемого слоя металлических порошков.
На подложку предпочтительно наносить слой порошка от 20 до 50 мкм.
В процессе изготовления каждое сечение формируемой детали разбивается на отдельные фрагменты, которые формируются с помощью лазерного сплавления металлического порошка, а при сплавлении следующего слоя детали шаг прохождения лазерного луча сдвигается. Это позволяет понизить термические напряжения, возникающие в процессе лазерного сплавления, за счет локализации внутренних напряжений сплавленного металла в небольшом участке и снижения их до минимума, что обеспечивает стабильность технологического процесса и изготовление детали заданной геометрической формы с высокой точностью.
Процесс селективного лазерного сплавления деталей из никелевого и кобальтового сплавов проводят с подогревом подложки до 200°С, для деталей из алюминиевого сплава - до 100°С. Эта операция направлена на снижение остаточных термических напряжений в деталях МГТД.
Проведение процесса горячего изостатического прессования детали, изготовленной селективным лазерным сплавлением металлического порошка жаропрочного сплава на основе никеля или кобальта, осуществляется при давлении 100-200 МПа и температуре 1100-1200°С, что обеспечивает эффективное снижение пористости синтезированного материала. Проведение процесса горячего изостатического прессования в среде электрокорунда и стружки титана или титанового сплава (стружка-газопоглотитель) обеспечивает уменьшение толщины окисленного слоя за счет снижения электрокорундом интенсивности циркуляции прессующей среды аргона у поверхности обрабатываемых деталей и поглощения из нее примесей кислорода стружкой-газопоглотителем, содержащей титан, имеющий высокое химическое сродство с кислородом. Во избежание высокотемпературного взаимодействия материала детали и стружки титана или титанового сплава во время горячего изостатического прессования деталь и стружка не должны соприкасаться, что достигается наличием в камере внутренней полости с полыми стенками, в которых находится смесь электрокорунда и стружки.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. На первом этапе создается электронная 3D-модель при помощи системы твердотельного моделирования. Затем созданная электронная 3D-модель подвергается топологической оптимизации с учетом конструктивных особенностей и схемы нагружения в специальном программном обеспечении. После этого обработанная 3D-модель разделяется на слои и загружается в оборудование для трехмерной печати (3D-принтер). На втором этапе проводят предварительный подогрев подложки от 100 до 200°С в течении 30-60 минут, затем порошковый материал, толщина которого не превышает 50 мкм, распределяется тонким слоем на рабочей поверхности подложки. Лазер согласно заданным параметрам селективно осуществляет расплавление порошка в атмосфере азота или аргона для формирования первого слоя детали. После лазерного сплавления первого слоя металлического порошка подложка опускается на определенный уровень, наносится новый слой порошкового материала, и процесс многократно повторяется до завершения изготовления детали. При необходимости на третьем этапе проводится горячее изостатическое прессование и термическая обработка детали.
Детали МГТД, выполненные с применением заявленного способа, а также сплав, указаны в таблице №1.
По предложенному способу и прототипу была изготовлена камера сгорания двигателя МГТД-20. Масса деталей составила для предложенного способа - 330 г, для прототипа - 348 г. Эффективное снижение массы составило 5,2%.
По предложенному способу и прототипу был изготовлен диффузор двигателя МГТД-20. Масса деталей составила для предложенного способа - 135 г, для прототипа - 187 г. Эффективное снижение массы составило 27,8%.
По предложенному способу и прототипу был изготовлен корпус соплового аппарата МГТД-125/150. Масса деталей составила для предложенного способа - 803 г, для прототипа - 951 г. Эффективное снижение массы составило 15,6%.