СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ МЕТАЛЛА ИЛИ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ОПЕРАЦИЕЙ, ВКЛЮЧАЮЩЕЙ КОВКУ УКАЗАННЫХ ДЕТАЛЕЙ
METHOD OF MAKING PARTS FROM METAL OR COMPOSITE MATERIAL WITH METAL MATRIX AS RESULT OF ADDITIVE PRODUCTION WITH SUBSEQUENT OPERATION INVOLVING FORGING SAID PARTS

Изобретение относится к области техники изготовления изделий из металла или композитного материала с металлической матрицей, в частности, но без ограничения, для изготовления компонентов и оборудования для автомобильных и авиационных секторов.
Аддитивное производство, которое обеспечивает возможность изготовления изделий или деталей путем плавления (сплавления вместе) или спекания идущих один за другим слоев, является развивающимся, а его основная идея была определена в патенте США № 4 575 330, выданном в 1984 году.
Аддитивное производство определено ASTM как процесс соединения материалов для получения объектов с использованием данных трехмерной (3D) модели, как правило, послойно, в отличие от субтрактивных методов производства, таких как обработка резанием, при которых материал удаляют. Кроме того так называют технологию 3D-печати.
Эта технология разработана для изготовления изделий из сплавов металлов или путем сплавления или путем спекания слоев порошка, или же путем сваривания проволоки. Испытания композиционных материалов с металлической матрицей оказались очень перспективными. Применяемые технологии, чтобы упомянуть о них в неисчерпывающей манере, варьируются от избирательного лазерного спекания (SLS) до электронно-лучевой плавки (EBM) и включают прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и лазерное осаждение металлов (LMD) или избирательную лазерную плавку (SLM). Эти технологии обеспечивают возможность производить изделия или детали, которые имеют высокую геометрическую сложность и удовлетворительные механические характеристики, но этот результат достигается ценой продолжительности цикла, которая часто велика. Для каждого последующего слоя, порошок должен быть распределен роликом, и электронный луч или лазер должны пройти всю поверхность каждого слоя, с тем чтобы получить хорошую когезию порошка. Для уменьшения продолжительности цикла стратегия, применяемая производителями, заключается в увеличения мощности и количества лучей, чтобы плавить (сплавлять) или спекать каждый слой более быстро, таким образом увеличивая стоимость производственного агрегата. Применяемыми металлами, главным образом, являются сплавы титана для технологии EBM, но технологии, применяющие лазер, являются более гибкими. Они позволяют производить изделия из сплавов железа, сплавов на основе титана, алюминия, кобальта и хрома, никеля и прочего, а также композиционных материалов с металлической матрицей (титан-карбид титана, алюминий-оксид алюминия, алюминий-карбид кремния и прочее).
К сожалению, изделия или детали, полученные в результате аддитивного производства, очень часто имеют остаточную микропористость. Такая микропористость ухудшает механические характеристики изделий или деталей, в частности, пластичность и усталостную прочность. Этап горячего изостатического прессования (HIP), который заключается в помещении изделия под высокое давление и высокую температуру, часто является необходимым для получения удовлетворительной усталостной прочности.
Изделия или детали, полученные в результате аддитивного производства также имеют шероховатость поверхности, которая является грубой вследствие размера частиц применяемого порошка и оставшегося следа различных слоев, образованных во время аддитивного производства.
Такие изделия также имеют литьевую микроструктуру вследствие плавления порошка, во время получения или изготовления изделия. Такая структура является, в частности, слоистой для сплавов на основе титана и не может удовлетворять большинству требований к структурным деталям для самолетов. Для улучшенных механических характеристик необходима бимодальная микроструктура, которая является как слоистой, так и узловой. Такая структура может быть получена только за счет операций горячего деформирования типа ковки, и при дорогостоящих и специальных условиях реализации.
Ввиду этих недостатков, подход заявителя заключался в обдумывании и нахождении решения, делающего возможным уменьшение этих различных проблем.
Полностью независимо и без какого-либо отношения к аддитивному производству, заявитель, с 1983 года, т.е. с периода, соответствующего периоду вышеупомянутого патента США, разработал новую концепцию, совмещающую технологии литья и ковки для литья и ковки изделия из алюминия или алюминиевого сплава. Эта технология была раскрыта в европейском патенте № 119 365, и она реализует первую фазу литья для литья изделия из алюминия или алюминиевого сплава в форму для формования заготовки, причем затем заготовка подвергается операции ковки в пресс-форме меньшего размера, и обеспечение возможности получить окончательную форму с очень специфическими характеристиками, указанными в этом патенте. Технология «литья и ковки» продана под торговой маркой "COBAPRESS", которая в настоящее время широко используется во всем мире.
Начиная с того периода 1983-1984 гг., т.е. на протяжении более чем тридцати последних лет, было обнаружено, что решения, призванные устранить вышеупомянутые недостатки, испытываемые аддитивным производством, являются продолжительными и дорогостоящими, и, что не было найдено решения для получения бимодальной микроструктуры, которая является необходимой в большинстве структурных деталей для самолетов, которые изготовлены из сплава титана.
Столкнувшись с проблемами, которые предстоит решать для аддитивного производства, заявитель заметил, что проблема микропористостей, которая встречается в таком производстве, также присутствует во время изготовления литых изделий.
Подход заявителя таким образом был сфокусирован на поиске неожиданной комбинации двух технологий, основанных на аддитивном производстве и технологии литья и ковки, на первый взгляд эти две технологии являлись несовместимыми, несмотря на то, что они были известны, начиная с периода 1983-1984 гг.
Совершенно неожиданно и на основе испытаний, проведенных заявителем, выяснилось, что реализация комбинации из двух технологий способна отвечать на недостатки, наблюдаемые в аддитивном производстве, и устранять их.
В соответствии с изобретением решение, которое было разработано, заключается в получении изделия из металлического сплава или композиционных материалов с металлической матрицей в результате аддитивного производства с тем, чтобы формировать заготовку, и в последующей ковке указанной заготовки, пока она горячая, полугорячая или холодная, на одном этапе, реализуемом между двумя пресс-формами с целью получения окончательной формы для изделия, которое необходимо получить.
Полученное в результате изделие таким образом имеет свою окончательную форму и, после удаления облоя или без удаления облоя, имеет функциональные размеры для соответствия целевому назначению, без необходимости в дополнительной обработке резанием, отличной от обработки функциональных зон с ограниченными полями допусков.
Совершенно неожиданным образом этот способ позволяет исключить вышеупомянутые недостатки и ограничения, наблюдаемые с изделиями, полученными в результате аддитивного производства.
Этап ковки, который заключается в деформировании материала, позволяет перекрыть и повторно связать микропористости с равномерным связыванием различных слоев аддитивной структуры. Это дает улучшенную пластичность и усталостную прочность.
Этот этап ковки между двумя полированными пресс-формами также позволяет сильно уменьшить шероховатость поверхности, тем самым позволяя улучшить показатель усталостной прочности и внешний вид.
Испытания, которые были проведены, оказались очень перспективными. Ни один признак каждой из технологий, известных с 1983-1984 гг., не мог наталкивать на их объединение, поскольку состояние, в котором получалась заготовка, отличалось, в технологии «литья и ковки» заготовка получалась путем литья, тогда как в аддитивном производстве она получалась путем плавления (сплавления вместе) или спекания следующих один за другим слоев.
В контексте реализации изобретения изделие может представлять собой изделие из сплава металлов (на основе стали, железа, алюминия, инконеля, никеля, титана, хрома-кобальта и прочего) или из композиционных материалов с металлической матрицей (титан-карбид титана, алюминий-оксид алюминия, алюминий-карбид кремния и др.).
Второй этап ковки согласно изобретению для ковки заготовки, полученной в результате аддитивного производства, может осуществляться с горячей, полугорячей или холодной заготовкой. Пресс-формы необязательно могут быть отполированы.
Эта технология ковки в пресс-формах заготовки, полученной в результате аддитивного производства, также может быть применена к заготовкам, которые имеют зоны с несвязанным или частично объединенным порошком, которые затем деформируются и связываются во время этапа ковки.
Ковка порошковых заготовок, изготовленных с помощью одноосного или изостатического прессования, является уже известным способом. Техника, применяемая в изобретении, является новой в том, что порошок удерживается заключенным внутри заготовки, которая имеет связанную периферию. Тот факт, что не весь порошок связан, позволяет сберечь существенную величину продолжительности цикла во время производства. Чтобы спечь или расплавить порошок во время аддитивного производства, лазер или электронный луч должен пройти всю поверхность изделия для каждого слоя. В результате выполнения сплавления порошка оптимально только по наружному контуру заготовки, заготовка таким образом состоит из твердой связанной оболочки, удерживающей частично объединенный или необъединенный порошок, заключенный внутри нее, получается заготовка в форме твердой оболочки, заполненной несвязанным порошком. Ковка этой заготовки позволяет получить конечное изделие или деталь. Связывание порошка во время горячей деформации в частности является эффективным на заготовках, изготавливаемых путем EBM, вследствие того, что такое изготовление происходит в вакууме, который позволяет уловить любой газ, находящийся внутри материала.
Эта техника также обеспечивает преимущество, заключающееся в получении микроструктуры, имеющей мелкие частицы, вследствие отсутствия плавления порошка. Во время аддитивного производства сплава титана наблюдался эпитаксиальный рост частиц на нижнем слое. Такой рост приводит к образованию микроструктуры с довольно шероховатыми частицами, что не хорошо для механических характеристик. При отсутствии плавления порошка, мелкозернистость микроструктуры сохраняется. Несвязанные зоны заготовки таким образом обеспечивают зоны с очень мелкозернистой микроструктурой в окончательном изделии или детали, поскольку связывание происходит в твердой фазе во время этапа ковки. Такая мелкозернистая структура, которая не имеет никакой кристаллографической текстуры, хорошо подходит для статических и циклических механических характеристик изделия или детали.
Освещенные выше преимущества и неожиданные результаты в отношении реализации изобретения представляют собой значительное развитие в обработке изделий из металла или композиционного материала с металлической матрицей, которые получают в результате аддитивного производства