Способ изготовления деталей сложной формы гибридным литейно-аддитивным методом
METHOD FOR MANUFACTURING PARTS OF COMPLEX SHAPE BY HYBRID CASTING-ADDITIVE METHOD

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.
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.
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.
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.
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).
Недостатком этого способа является большая трудоемкость, а главное трудность в написании управляющей программы для направления движения лазера вдоль обрабатываемой кромки.
Техническая задача изобретения - обеспечение точности и качества получаемых деталей сложной пространственной формы из жаропрочных материалов, используемых в газотурбинных двигателях при снижении трудоемкости изготовления.
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.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1, вид А, В - изображена промышленная установка для аддитивного производства металлических изделий методом выборочного лазерного сплавления, SLM 500 HL.
На фиг. 2 изображена заготовка детали 1 со слоем газифицируемого материала (парафин) 2, полученная с помощью операции селективного лазерного сплавления.
На фиг. 3 изображена заготовка детали 1 со схематически указанным слоем парафина 2 и керамической суспензии 3.
Способ осуществляют следующим образом.
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.
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 SLMBuild Processor, который специально предназначен для взаимодействия с машинами SLM Solutions.
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.
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.
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.
-6
-1
-0,25
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 град. Расчет линейного увеличения размеров проведен для крыльчатки из никелевого порошка  ПНК с наружным диаметром ∅100 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.].
Величина линейного расширения рассчитывается по формуле (1):
Т
2
1
,
α- коэффициент линейного расширения для никелевых сплавов, Т - верхний предел температуры нагрева, Т - начальная температура  L - рассматриваемый размер крыльчатки.
Для заданного диаметра получена общая величина линейного расширения в размере 2,34 мм, что составляет 1,17 мм припуска по контуру.
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.
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.
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.
-0,25.
Например, для изготовления заготовки из никелевого жаропрочного порошка приращение размеров составляет 2,34 мм для диаметра крыльчатки ∅100
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.
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.
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.
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.
Пример конкретного выполнения способа.
-0,25
-0,3
Рассмотрим пример изготовления крыльчатки газотурбинного двигателя с габаритными размерами согласно конструкторской документации: диаметр D=100 мм, высота h=75мм 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).
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.
Порошок подаётся на платформу в камеру установки селективного плавления, где разравнивается специальным валиком на заданную толщину слоя.
-0,25
-0,06
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 мм (t=2,34мм) и по контуру лопаток l=2,5 мм (-0,1 мм).
-0,06
-0,25
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 мм -  толщина стенки и D=100 мм - диаметр крыльчатки, шероховатость поверхности соответствует шероховатости готовой детали, равной Ra=3,2 мкм.
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.
-0,06
-0,25
В результате получают литейную форму с линейными  размерами толщины лопаток крыльчатки, равными l=2,5 мм и  диаметра крыльчатки - D=100 мм.
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.
В результате получают готовую крыльчатку с точными размерами и шероховатостью, соответствующими заданным в конструкторской документации.
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.
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.