Технология лазерного наклепа для снижения напряженного состояния изделий, выращиваемых методом селективного лазерного плавления

9. Galy C., Guen E. L., Lacoste E., Arvieu C. Main defects observed in aluminum alloy parts produced by SLM: From causes to consequences. Additive Manufacturing. 2018. 22. 165-175.

10. Griffiths S., Rossell M.D., Croteau J., Vo N.Q., Dunand D.C., Leinenbach C. Effect of laser rescanning on the grain microstructure of a selective laser melted Al-Mg-Zr alloy. Materials Characterization. 2018. 143. 34-42.

11. Zolotorevskiy V.S., Pozdniakov A.V. Determining the hot cracking index of Al-Si-Cu-Mg casting alloys calculated using the effective solidification range. Int. J. Cast Metals Res. 2014. 27(4). 193- 198.

12. Zolotorevskiy V.S., Pozdniakov A.V., Churyumov A.Yu. Search for promising compositions for developing new multiphase casting alloys based on Al-Cu-Mg matrix using thermodynamic calculations and mathematic simulation. Phys. Metals Metallogr. 2012. 113(11). 1052-1060.

13. Pozdniakov A.V., Churyumov A.Yu., Loginova I.S., Daubarayte D.K., Ryabov D.K., Korolev V.A. Microstructure and properties of novel AISH 1CuMn alloy manufactured by selective laser melting. Materials Letters 225. 2018. 33-36.

14. Manca D.R., Churyumov A.Y., Pozdniakov A.V., Prosviryakov A.S., Ryabov D.K., Krokhin A.Yu., Korolev V.A., Daubarayte D. K. Microstructure and Properties of Novel Heat Resistant Al-Ce-Cu Alloy for Additive Manufacturing. Metals and Materials International. 2019. 25. 633-640.

ТЕХНОЛОГИЯ ЛАЗЕРНОГО НАКЛЕПА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЙ, ВЫРАЩИВАЕМЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ

Мельников Д.М., Мельникова М.А., Шиганов И.Н.

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (НИУ), Москва, Россия

daenoor@gmail.com, maria.a.bogdanova@yandex.ru

Аддитивное производство методом селективного лазерного плавления (СЛП) - это передовой производственный процесс, в котором получают ЗО-деталь из САПР-модели путем сплавления лазерным излучением слоев металлического порошка [1]. При изготовлении детали методом СЛП наблюдается такое негативное явление, как накопление в материале растягивающих остаточных напряжений [2,3]. Большие растягивающие остаточные напряжения ведут к снижению усталостной выносливости, искажениям формы, увеличению риска коррозионного растрескивания под нагрузкой [4]. Для снижения остаточных напряжений прибегают к способам термической или механической постобработки [5], но такие подходы либо существенно увеличивают трудоёмкость изготовления детали, либо приводят к искажению формы изделия ввиду релаксации остаточных напряжений [2].

Эффективным решением снижения остаточных напряжений при СЛП процессе может быть использование послойной лазерной ударной обработки (ЛУО) или лазерного наклёпа. Через каждые несколько слоёв (от 5 до 10) вся верхняя плоскость выращиваемого изделия подвергается ЛУО. Затем накладывается следующая группа слоёв и так - в течение всего процесса формирования детали (рисунок 1).

-ЛУО -ЛУО

11 х СЛП -11 х СЛП - L

Подложка

Рисунок 1 - Схема внедрения ЛУО в СЛП

Такой подход позволит контролировать состояние остаточных напряжений не только в приповерхностном слое детали, но по всему объёму получаемого изделия. Таким образом, во-первых, станет возможным перевод растягивающих остаточных напряжений, накопленных в материале в процессе СЛП, в сжимающие. Во-вторых, сжимающие остаточные напряжения распространятся на большую глубину, чем при поверхностной ЛУО [6]. В-третьих, появится возможность формировать области со сжимающими остаточными напряжениями в одной или нескольких критических для изделия зонах, снижая тем самым шансы на разрушение или скорый износ изделия в этих зонах.

Целью данной работы являлась определение теоретических и практических условий совмещения технологий ЛУО и СЛП. Были решены задачи выбора технологических покрытий для ЛУО, использование которых имело бы практическую значимость при внедрении в процесс СЛП. Также определялись условия облучения, необходимые для обеспечения достаточной глубины распространения остаточных сжимающих напряжений.

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И., Третьяков Р.С. Лазерные аддитивные технологии в машиностроении. Издательство МГТУ. 2018. 280.

2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. Издательство МГТУ. 2006. 660.

3. Базалеева К. О., Ховова О.М., Цветкова Е.В., Лукьянов П. Изучение структурной стабильности аустенитной стали, полученной методом селективного лазерного плавления. Фотоника. 2015. 6 (54). 22-31.

4. Gujba А.К., Medraj М. Laser Peening Process and Its Impact on Materials Properties in Comparison with Shot Peening and Ultrasonic Impact Peening. Materials. 2014. 7. 7925-7974.

5. Zaeh M.F., Branner G. Investigations on residual stresses and deformations in selective laser melting. Prod. Eng. Res. Devel. 2010. 4. 35-45.

6. Шиганов И.Н., Мельников Д.М., Зо ЙеМьят. Влияние лазерной ударной обработки на свойства сварных соединений алюминиевых сплавов. Сварочное производство. 2018. 4. 12-17.

ЛАЗЕРНОЕ СЕЛЕКТИВНОЕ СПЕКАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

Мельникова М.А., Мельников Д.М.

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (НИУ), Москва, Россия maria.a.bogdanova@yandex.ru, daenoor@gmail.com

Селективное лазерное спекание является одним из наиболее востребованных направлений аддитивных технологий. Её преимущество заключается в возможности создания компьютерной модели, которая путём послойного лазерного выращивания воссоздаётся из различных порошковых материалов.

Основным инструментом для данной технологии принято считать непрерывный лазер. Его применение связано с удобством и простотой обработки: он позволяет формировать слои путём варьирования стратегий нанесения валиков в процессе выращивания каждого слоя [1]. Однако в данной технологии существует ряд проблем, которые можно решить путём внедрения и использования импульсного лазера [2,3,4]. В этом случае увеличиваются возможности по варьированию положения каждого следующего импульса по разным областям зоны обработки, помогая тем самым, уменьшить негативный перегрев прилегающих зон. Исходя из литературных исследований [5,6], путём импульсного селективного выращивания можно избавиться от сфероидизации и получить более мелкозернистую структуру за счёт обработки с заданными перекрытиями. А также, в перспективе сократить время изготовления детали. Поскольку эффект сфероидизации является причиной большинства несплавлений в процессе выращивания, то именно он взят в качестве основного критерия для исследования влияния входных параметров на процесс формирования единичных валиков.

Рисунок 1 - Единичные вектора в зависимости от Рисунок 2 - Микроструктура объёмной детали, частоты.

При импульсном режиме обработки выделяют ряд факторов, которые определяют характер воздействия лазерного излучения на порошок и его сплавление. В данной работе при постоянных значениях длительности импульса и перекрытия между точками варьировалась мощность излучения. Она в значительной мере определяла глубину и характер переплавления порошка, ограничивая окно параметров зоной сфероидизации. При анализе единичных векторов сочетание параметров длительности импульса и мощности определяли характер формирования валика и качества переплавления материала.

В ходе работы определены основные особенности формирования единичных валиков при различных параметрах и их влияние на сфероидизацию, ниже приведены примеры. Показана принципиальная возможность создания валиков и многослойных элементов.

1. Shiomi M., Yoshidome A., Abe F., Osakada К. Finite element analysis of melting and solidifying processes in laser rapid prototyping of metallic powders. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1999. 39. 237- 252.

2. Van Gestel C., Glardon R., Boillat E. Study of physical phenomena of selective laser melting towards increased productivity. Thèse du grade de docteurès sciences Suisse. 2015.

3. Kruth J.P., Froyen L., Van Vaerenbergh J., Mercelis P., Lauwers M. R. Selective laser melting of iron-based powder Journal of Materials Processing Technology. 2004. 149. 616-622.