Получение композиционных изделий на базе методов электронно-лучевого плавления и напыления

УДК 621.791.722; 621; 621.762.04

Получение композиционных изделий на базе методов электронно-лучевого плавления и напыления

Ю. А. Соколов, Р. Г. Равилов

Рассматривается новый инновационный подход к получению порошковых и композиционных изделий различного химического состава с программируемой структурой, не реализуемых в рамках равновесных и квазиравновесных технологических процессов, методами послойного электронно-лучевого плавления (спекания) и напыления на базе численного математического моделирования.

Ключевые слова: послойный синтез, композиционные изделия, электронный луч, электронно-лучевое напыление, аддитивные технологии.

При создании композиционных изделий из материалов, значительно различающихся температурой плавления и свойствами, целесообразно применять сочетание различных методов, например электронно-лучевой синтез с пайкой, напылением и пр. При синтезе изделий из разнородных материалов, в частности химически активных металлов (ванадия, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама) со сталью, возможно химическое взаимодействие между металлом и сталью, в результате которого могут возникать интерметаллические соединения, не позволяющие получить материал с прогнозируемыми механическими свойствами. В этом случае параметры обработки выбирают так, чтобы плавился менее тугоплавкий металл, а второй оставался в твердом состоянии [1]. При электронно-лучевом синтезе подложка нагревается лучом. Это позволяет точно дозировать вводимую тепловую энергию определять место ввода этой энергии, чтобы избежать плавления более тугоплавкого металла. Например, снизить вероятность появления интерметаллидных слоев на поверхности контакта тугоплавкого металла и стали можно, уменьшив температуру и время контакта тугоплавкого металла с жидкой сталью.

Новые возможности в создании композиционных изделий из материалов, значительно различающихся температурой плавления и

теплофизическими свойствами, предоставляет гибридная технология, сочетающая послойный синтез изделия с помощью электронного луча (СИЭЛ), методы пайки и напыления. При этом для формирования матрицы изделия наиболее эффективным является метод лазерного (ионного) электронно-лучевого сплавления, который обеспечивает высокую производительность процесса получения детали на базе численного математического моделирования. Для получения демпфирующих, дисперсно-упрочняющих керамических и металлических слоев толщиной от единиц нанометров до десятков микрон, придающих материалу необходимые свойства (жаропрочность, жаростойкость, прочность и др.), эффективен метод электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме (ЭЛИКВ, EB-PVD). Особо следует отметить перспективность сочетания указанных методов для создания изделий неоднородного химического состава, состоящих из различных комбинаций металлических и керамических слоев.

Можно выделить несколько особенностей метода электронно-лучевого спекания (плавления) по сравнению с традиционными прикладными технологиями:

• безокислительная среда для синтеза химически активных материалов;

• возможность синтеза тугоплавких металлов и сплавов;

• дополнительная очистка порошка в процессе обработки;

• объемный источник теплоты вследствие пробега электронов в глубь порошка;

• малый диаметр пучка й 0 в месте его встречи с подложкой;

• высокая удельная поверхностная плотность луча ро;

• периодический характер приложения тепловой нагрузки к каждой точке поверхности подложки;

• наличие жидкого проводящего слоя в электромагнитном поле вследствие воздействия электронного луча;

• зависимость тока фокусировки луча от угла его отклонения (для электронных пушек без преломления луча).

Метод электронно-лучевого напыления, основанный на явлении испарения и конденсации паров различных материалов в вакуумной среде, позволяет получать послойные композиции металлических и керамических систем, несоединяемых другими методами, например: медь и молибден, МеСгЛ1У (где Ме - N1, Со, Ге), MeCrA1YHfSiZr и керамика Zr02 - У203 [2]. В работе [3] рассмотрены процессы формирования композиционных покрытий с демпфирующими, дисперсно-упрочняющими и керамическими слоями. Достоинства этого метода:

• возможность получения покрытий толщиной 1-3 мкм, что снижает вероятность возникновения остаточных напряжений в слое;

• высокая чистота и химическая однородность образующегося конденсата;

• высокая адгезия слоев, формируемых в глубоком вакууме 1,3 х 10-2 Па;

• возможность формирования покрытий из любого материала;

• возможность управления пористостью и структурой конденсата, получения высокопористых, столбчатых или сплошных покрытий;

• высокая степень автоматизации и контроля технологического процесса.

На базе гибридной технологии были получены и исследованы опытные композиционные изделия. При синтезе изделия методом послойного электронно-лучевого сплавления был использован порошок титанового сплава ВТ6. Из общего объема используемых в авиационной и космической промышленности сплавов на основе титана более 50 % приходится на сплав

ВТ6. Этот сплав применяется для изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов, баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур, и целого ряда других изделий.

Последовательность получения образца № 1 с геометрическими размерами 20 х 20 х 15 мм и образца № 2 с размерами 10 х 10 х 15 мм (рис. 1):

1) синтез образцов из порошка титанового сплава ВТ6; режим обработки: скорость перемещения луча 4530 мм/с, ток луча 17 мА, ускоряющее напряжение 60 кВ, давление в рабочей камере 1,3 х 10-3 Па;

2) нагрев образца в вакууме до температуры 800 °С;

3) конденсация металлического слоя из сплава никеля, кобальта, хрома, алюминия и иттрия (NiCoCrAlY); режим обработки: ток луча 2,5 А, ускоряющее напряжение 20 кВ, давление в рабочей камере 1,3 х 10-2 Па, время напыления 30 мин;

4) конденсация керамического слоя из оксидов циркония и иттрия (ZrO2 + 8 % Y2O3) методом электронно-лучевого напыления; режим обработки: ток луча 2 А, ускоряющее напряжение 20 кВ, давление в рабочей камере 1,3 х 10-2 Па, время напыления 40 мин.

К числу важнейших вопросов, которые необходимо решить при проектировании технологии электронно-лучевого напыления (ЭЛН), относятся:

• выбор последовательности операций;

• расчет режимов обработки испаряемых слитков электронным лучом.

Вектор искомых параметров процесса разделяется на три группы параметров:

Рис. 1. Образцы № 1 и № 2, полученные методами послойного электронно-лучевого синтеза из порошка титанового сплава ВТ6 и электронно-лучевого напыления металлического слоя из сплава №СоСгА^ и керамического слоя Zr02 + 8 % Y203

• структурные (последовательность технологических операций: ионная обработка изделий перед напылением, термическая обработка слоя электронным лучом, испарение металла);

• технологические (режим обработки: ток луча I, диаметр пятна на мишени do, скорость сканирования луча V, скорость вращения изделий V¿);

• геометрические (способ сканирования луча, циклы сканирования, шаг смещения луча при сканировании всм).

Кроме этого, операции электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме характеризуются совокупностью технологических параметров, которые являются функциями исходных требований к детали и рассчитываются на базе математической модели (ММ), включая температурное поле изделия и испаряемого слитка. Качество изделия оценивается по структуре материала, механическим и тепло-физическим свойствам.

Режимы плавления и напыления рассчитываются как на базе экспериментальных статистических моделей, так и на базе ММ, построенной с учетом уравнений тепло- и мас-сопереноса. При оптимизации операции необходимо определить такие значения вектора варьируемых параметров, которые обеспечивают хорошую адгезию к поверхности подложки (матрицы) и формируют необходимую структуру изделия.

Важное значение при реализации операции ЭЛН на специализированной установке имеет использование адаптивных обратных связей. Так, пирометры с изменяемым фокусным расстоянием обеспечивают измерение температуры изделия и слитка в любой точке через смотровое окно специализированной установки.

Для наблюдения за кривизной мениска расплава испаряемого материала и положением его верхней точки относительно кассеты с изделиями используются специальные видеокамеры. Сигнал от видеокамеры является управляющим сигналом для механизма подачи слитка. Таким образом, верхняя точка мениска расплава испаряемого материала удерживается на заданном от кассеты расстоянии.

Параметры нагрева изделия зависят от развертки электронного луча, что позволяет добиться необходимой структуры покрытия. При необходимости, регулируя температуру поверхности изделия, можно наносить покрытия с заранее заданными переменной плотностью и теплопроводностью (рис. 2) [4]. По оси абцисс на рис. 2 показаны значения отношения температуры подложки к температуре плавления (Тподл^плав^

Нагревом изделия можно управлять, например, изменяя развертки электронного луча в любой момент времени, например, по синусу. Развертки электронного луча, предназначенные для испарения слитков, как правило, представляют собой ряд концентрических окружностей. Луч перемещается с одного радиуса на другой дискретно. Время пребывания луча на заданном радиусе регулируется автоматически или оператором для получения необходимой кривизны мениска расплава испаряемого материала. В результате формируется поток с необходимым законом распределения паров испаряемого материала. Отработанные для конкретного изделия параметры развертки лучей запоминаются и воспроизводятся в дальнейшем высокой точностью.

Изображение поверхности композиционного изделия № 1, состоящего из порошка титанового сплава ВТ6, металлического слоя из сплава

Рис. 2. Зависимость структуры электронно-лучевого покрытия от соотношения температуры подложки при конденсации к температуре плавления испаряемого вещества

№СоСгА1У и керамического слоя Zr02 + 8 % У20э, представлено на рис. 3. Хорошо видна столбчатая структура поверхностных слоев, сформированных методом электронно-лучевого напыления. Керамические покрытия с подобной структурой (рис. 4) в промышленных масштабах наносят только электроннолучевым методом и обладают значительно большей стойкостью к термоциклированию по сравнению с газотермическими покрытиями (рис. 5).

Опытные образцы были получены различными методами на специализированном оборудовании:

• послойного синтеза с помощью электронного луча (установка Агсат А2);

• электронно-лучевого напыления (установка УЭ-175).

На отечественных предприятиях за последние десятки лет накоплен определенный опыт по созданию подобного оборудования и разработке различных технологий.

Послойный синтез, схема которого представлена на рис. 6, происходит в вакуумной камере. Электронно-лучевая пушка расположена вертикально. Ноль электронного луча находится на оптической оси электронно-лучевой пушки. Ускоряющее напряжение пушки обычно составляет 60 кВ и постоянно в течение всего технологического процесса.

При нагреве катода 1 (рис. 6) до высокой температуры термоэлектронная эмиссия обеспечивает поток электронов. Срываясь с катода, электроны разгоняются электрическим полем, которое создается из-за разницы потенциалов между катодом 1 и анодом 2. Электростатическое поле управляющего электрода предварительно фокусирует поток электронов для возможности их прохождения через отверстие в аноде. Управляющий электрод при подаче на него отрицательного потенциала обеспечивает работу в импульсном режиме. Благодаря электромагнитному полю фокусирующей системы 3 электронный луч 5 фокусируется на слое порошка 6. Отклоняющая система 4 за счет электромагнитного поля позволяет отклонять электронный луч 5 на заданный по программе угол. Синтезируемое изделие 7 располагается на металлической подложке 8. Для нанесения порошка используется каретка 9, в которой располага-

№ 1 (91)/2016

Рис. 3. Поверхность композиционного изделия № 1, полученного из порошка титанового сплава ВТ6, металлического №.СоСгА1У и керамического 2г02 + 8 % У20з слоев: а — малое увеличение; б — увеличенный масштаб

Рис. 4. Микроструктура столбчатого керамического покрытия, нанесенного электронно-лучевым методом, х350

15В

2500

2000

1500

1000

500

2120

950

600

1

2

3

Рис. 5. Термоциклическая долговечность керамических теплозащитных покрытий [5]:

1 и 2 — нанесенных электронно-лучевым (EB PVD); 3 — воздушно-плазменным (APS) методом

7

i л //

Рис. 7. Схема формирования слоя методом электронно-лучевого напыления

Рис. 6. Схема обработки слоя порошка электронным лучом

Схема электронно-лучевого напыления представлена на рис. 7. В вакуумной камере 1 установлен медный водоохлаждаемый тигель. Испаряемый электронной пушкой 3 слиток 4 подается вертикально электромеханическим устройством. Электронный луч сканирует поверхность слитка с заданной от системы управления разверткой.

Одновременно для обеспечения равномерности толщины напыляемого слоя и его адгезии осуществляется изотермический нагрев поверхности изделия от второй электроннолучевой пушки 2. Предварительно изделие и слиток разделены друг от друга заслонкой 5, которая после завершения подготовительных операций перемещается в сторону. Пары испаряемого вещества слитка осаждаются на поверхность изделия. Уст-ройство 6 обеспечивает крепление и вращение изделий во время напыления.

2

3

1

4

0

1

2

ется нож 10 для выравнивания порошка на поверхности.

При проведении СИЭЛ формируются две фигуры: первая геометрическая фигура — ЭБ-модель изделия; вторая, большей площади поперечного сечения и объема, для создания необходимых тепловых условий при получении контура изделия. Наличие одинаковой температуры порошка внутри и вне границ контура детали создает благоприятные условия для размерной обработки изделия.

Выводы

1. Предложенные в статье технологические положения, подтвержденные экспериментальными исследованиями, позволили решить важную задачу — получение композиционных изделий методами послойного электронно-лучевого плавления и электронно-лучевого напыления.

2. Показаны широкие возможности изготовления деталей методом синтеза из порош-

ков путем послойного оплавления электронным лучом с последующим нанесением слоев из тугоплавких металлических и керамических материалов методом электронного испарения и конденсации в вакууме.

3. Предложенная гибридная технология позволяет получать детали сложной геометрической формы, а также использовать сложные композиции из металлических и керамических материалов, недоступных для формирования другими методами.

4. Создание производственных комплексов нанесения покрытий методами послойного электронно-лучевого синтеза и электроннолучевого напыления позволит значительно увеличить ресурс высоконагруженных деталей и узлов ракетных комплексов, авиационных двигателей, наземных газотурбинных установок, а также достичь высоких эксплуатационных характеристик, недоступных для

традиционных способов создания материалов и их обработки.

Литература

1. Будкин Ю. В., Сивов Е. Н., Соколов Ю. А.

Электронно-лучевая сварка. М.: ДПК Пресс, 2010. 96 с.

2. Гречанюк Н. И., Осокин В. А., Гречанюк И. Н.

Новые композиционные материалы для электрических контактов и способ их получения // Рынок металлов. 1999. № 4. С. 58-60.

3. Composite materials on base of copper and molybdenum, condensed from vapor phase, for electrik contacts. Structure, properties, technology. P. 1. State — of — the art and prospects of application of technology of elekc-tron beat high-rateevaporation-condensation for producing materials of elektrik contacts / N. I. Grechanyk, V. A. Oso-kin, I. N. Grechanyk, R. V. Vinakova / / Advances in Electrometallurgy. 2005. N 2. P. 24-29.

4. Никитин М. М. Технология и оборудование вакуумного напыления. М.: Металлургия, 1992. 112 с.

5. Tamarin Y. Protective Coatings for Turbine Blades. ASM Inernational, 2002, 257 p.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

Мурашкина Т. И. Техника физического эксперимента и метрология: учеб. пособие — СПб. : Политехника, 2015. — 138 с. : ил.

ISBN 978-5-7325-1051-5 Цена: 180 руб.

Рассматриваются основные разделы теоретической метрологии: теории измерительных процедур и физического эксперимента, теории обработки экспериментальных данных при проведении измерительного эксперимента, теории планирования физического измерительного эксперимента, с которой тесно связаны такие вопросы, как разработка методик выполнения измерительного эксперимента и метрологическое обеспечение физического эксперимента.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Приборостроение» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся организацией и проведением измерительного физического эксперимента

Гриф: Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение».

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.

Т. И. Мурашкина

ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТРОЛОГИЯ