Применение прямого лазерного сплавления металлических порошков из жаропрочных сплавов в двигателестроении

Машиностроение и машиноведение

Сварка, родственные процессы и технологии

2021. Т. 28. № 3. С. 202-217.

DOI: 10.34759/vst-2021-3-202-217

Авторы

Балякин А. В.*, Скуратов Д. Л.**, Хаймович А. И.***, Олейник М. А.****

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: balaykinav@ssau.ru
**e-mail: skuratov-sdl56@yandex.ru
***e-mail: berill_samara@bk.ru
****e-mail: oleynik1997@mail.ru

Аннотация

Представлен обзор методов аддитивного производства, активно используемых при изготовлении деталей авиационных и ракетных двигателей, дана их классификация в зависимости от используемого источника энергии и формы исходного материала. Изложены преимущества аддитивных технологий по сравнению с традиционными методами формообразования деталей и изделий, рассмотрена технология изготовления заготовок деталей из жаропрочных сплавов методом прямого лазерного сплавления металлических порошков. Приведены примеры успешного использования аддитивных технологий в аэрокосмической отрасли при производстве различных деталей. Рассмотрены основные составляющие установок для прямого лазерного сплавления, влияющие на качество получаемых заготовок. Приведены параметры, влияющие на процесс прямого лазерного сплавления и на качество формообразования заготовок, а также изложены преимущества и недостатки данного процесса. Выполнен анализ дефектов, таких, как пористость, растрескивание, термические остаточные напряжения, нередко сопровождающих процесс сплавления, и определены возможные причины их появления.

Ключевые слова:

аддитивное производство, прямое лазерное сплавление, жаропрочный сплав, дефекты сплавления

Библиографический список

  1. Arunachalam R., Mannan M.A. Machinability of nickel-based high temperature alloys // Machining Science and Technology. 2000. Vol. 4. No. 1, pp. 127-168. DOI: 10.1080/10940340008945703

  2. Khaimovich A.I., Balaykin A.V., Kondratiev A.I. Methodology of rheological material properties phenoinenological modeling at high speed cutting by reverse analysis // Research Journal of Applied Sciences. 2014. Vol. 9. No. 11, pp. 753-760. DOI: 10.36478/rjasci.2014.753.760

  3. Vdovin R.A. Improving the quality of the manufacturing process of turbine blades of the gas turbine engine // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1399. No. 4. URI: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1399/4/044035

  4. Bi Z., Qin H., Dong Z. et al. Residual Stress Evolution and Its Mechanism During the Manufacture of Superalloy Disk Forgings // Acta Metallurgica Sinica. 2019. Vol. 55. No. 9, pp. 1160-1174. DOI: 10.11900/0412.1961.2019.00089

  5. Saleil J., Mantel M., Le Coze J. Stainless steels making: History of production processes developments. Part III. Casting methods, hot and cold forming processes // Matériaux & Techniques. 2020. Vol. 108. No. 1, p. 105. DOI: 10/gg4m5x

  6. Balyakin A.V., Dobryshkina E.M., Vdovin R.A., Alekseev V.P. Rapid Prototyping Technology for Manufacturing GTE Turbine Blades // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 327. No. 2. DOI: 10.1088/1757-899X/327/2/022025

  7. Balaykin A.V., Bezsonov K.A., Nekhoroshev M.V., Shulepov A.P. Developing Parametric Models for the Assembly of Machine Fixtures for Virtual Multiaxial CNC Machining Centers // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 302. DOI: 10.1088/1757-899X/302/1/012009

  8. Магеррамова Л.А., Васильев Б.Е. Влияние ориентации монокристалла на напряженно-деформированное состояние и прочность лопаток газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2012. Т. 19. № 5. С. 89-97.

  9. Quested P., McLean M. Solidification morphologies in directionally solidified superalloys // Materials Science and Engineering, 1984. Vol. 65. No. 1, pp. 171-180. DOI: 10.1016/0025-5416(84)90210-6

  10. Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: A technical guide. – 2nd edition. – ASM international, 2002. – 439 p.

  11. Maldini M., Marchionnii M., Nazmy M. et al. Creep and fatigue properties of a directionally solidified nickel base super alloy at elevated temperature // 8th International Symposium on Superalloys (22-26 September 1996, Seven Springs Mountain), pp. 327-334. URI: https://www.tms.org/superalloys/10.7449/1996/Superalloys_1996_327_334.pdf

  12. Busquet F., Forrat F. Method for the manufacture of single crystals. Patent US3584676A, 15.06.1971.

  13. Higginbotham G.J.S., Marjoram J.R., Horrocks F.J. Method of and mould for making a cast single crystal. Patent US4469161A, 04.09.1984.

  14. Климов В.Г., Никитин В.И., Никитин К. В., Жаткин С.С., Когтева А.В. Применение износостойких естественных композитов в технологии ремонта и модифицирования лопаток ротора газотурбинных двигателей // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 1. С. 251-266.

  15. Хрящев И.И., Данилов Д.В., Логунов А.В. Разработка экономнолегированного никелевого жаропрочного сплава для рабочих лопаток газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 205-218.

  16. Sotov A.V., Agapovichev A.V., Smelov V.G. et al. Investigation of the IN-738 super alloy microstructure and mechanical properties for the manufacturing of gas turbine engine nozzle guide vane by selective laser melting // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020. Vol. 107. No. 5-6, pp. 2525-2535.

  17. Amaero – Additive Manufacturing of Aerospace Equipment. URI: https://www.monash.edu/industry/success-stories/amaero

  18. Commercial aircraft propulsion and energy systems research: Reducing global carbon emissions // Commercial Aircraft Propulsion and Energy Systems Research: Reducing Global Carbon Emissions. 2016, 122 p. Washington, DC: The National Academies Press. DOI: 10.17226/23490

  19. Pollok T.M., Tin S. Nickel-Based Superalloys for Advanced Turbine Engines: Chemistry, Microstructure and Properties // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22. No. 2, pp. 361-374. DOI: 10.2514/1.18239

  20. Hosseini E., Popovich V.A. A review of mechanical properties of additively manufactured Inconel 718 // Additive Manufacturing. 2019. Vol. 30. DOI: 10.1016/j.addma.2019.100877

  21. Associates W., Wohlers T.T. Wohlers Report 2013: Additive Manufacturing and 3D Printing. State of the Industry: Annual Worldwide Progress Report. 2013: Wohlers Associates.

  22. TWI-Global. 2014. Revolutionary development cuts manufacturing times using Laser Metal Deposition. URI: http://www.twi-global.com/news-events/case-studies/revolutionary-development-cuts-manufacturing-times-using-laser-metal-deposition-583/

  23. Bourell D., Beaman J.J., Leu M.C. et al. A brief history of additive manufacturing and the 2009 roadmap for additive manufacturing: looking back and looking ahead // US-Turkey Workshop on Rapid Technologies (24–24 September 2009).

  24. Lyons B. Additive manufacturing in aerospace: Examples and research outlook // Frontiers of Engineering: Reports on Leading-Edge Engineering from the 2011 Symposium. 2011.

  25. Additive manufacturing: Pursuing the promise. – US Department of Energy, 2012.

  26. Allen J. The business case for additive manufacture // Laser materials processing in aerospace and precision manufacturing. 2005. Rolls Royce, Derby.

  27. Schneider M.F. Laser cladding with powder, effect of some machining parameters on clad properties. – PhD Thesis. Proefschrift Universiteit Twente, Enschede, 1998.

  28. Bremen S., Meiners W., Diatlov A. Selective Laser Melting // Laser Technik Journal. 2012. Vol. 9. No. 2, pp. 33-38. DOI: 10.1002/latj.201290018

  29. Téllez A.G.M. Fibre laser metal deposition with wire: Parameters study and temperature control. PhD thesis, University of Nottingham, 2010. URI: http://eprints.nottingham.ac.uk/id/eprint/12812

  30. Taminger K. Electron beam additive manufacturing: State-of-the-Technology, challenges & opportunities // Direct digital manufacturing workshop (11-12 May 2010; Solomons, MD). URI: http://cmapspublic3.ihmc.us/rid=1P89GM82G-1Y2FGKT-18DP/EBM%20Overview%20%26%20Challenges.pdf

  31. Baufeld B., van der Biest O., Gault R., Ridgway K. Manufacturing Ti-6Al-4V components by shaped metal deposition: microstructure and mechanical properties // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2011. Vol. 26. DOI: 10.1088/1757-899X/26/1/012001

  32. Магеррамова Л.А., Кратт Е.П., Ясинский В.В. Конструктивно-технологическое моделирование биметаллических блисков для газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. № 3. С. 82-88.

  33. GE aviation signs additive manufacturing cooperative agreement with Sigma Labs. In-Process Inspection Technology Progresses Additive Production Speeds. 2013. URI: http://www.geaviation.com/press/other/other_20130524.html

  34. Gasser A., Backes G., Kelbassa I. et al. Laser Additive Manufacturing // Laser Technik Journal. 2010. Vol. 7. No. 2, pp. 58-63. DOI: 10.1002/latj.201090029

  35. Leyens C., Beyer E. Innovations in laser cladding and direct laser metal deposition // Laser Surface Engineering: Processes and Applications. 2015, pp. 181-192. DOI: 10.1016/B978-1-78242-074-3.00008-8

  36. Ocylok S., Alexeev E., Mann S. et al. Correlations of melt pool geometry and process parameters during laser metal deposition by coaxial process monitoring // Physics Procedia. 2014. Vol 56, pp. 228-238. DOI: 10.1016/j.phpro.2014.08.167

  37. Turichin G.A., Somonov V.V., Babkin K.D. et al. High-Speed Direct Laser Deposition: Technology, Equipment and Materials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 125. DOI: 10.1088/1757-899X/125/1/012009

  38. Shamsaei N., Yadollahi A., Bian L. et al. An overview of Direct Laser Deposition for additive manufacturing; Part II: Mechanical behavior, process parameter optimization and control // Additive Manufacturing. 2015. Vol. 8, pp. 12-35. DOI: 10.1016/j.addma.2015.07.002

  39. Институт лазерных и сварочных технологий СПбМТУ, http://ilwt-stu.ru

  40. Jones J.B., McNutt P., Tosi R., Perry C., Wimpenny D. Remanufacture of turbine blades by laser cladding, machining and in-process scanning in a single machine // 23rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium (2012 Austin, TX, USA, University of Texas), pp. 821-827. URI: http://hdl.handle.net/2086/7552

  41. Qi H., Azer M., Singh P. Adaptive toolpath deposition method for laser net shape manufacturing and repair of turbine compressor airfoils // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010. Vol. 48, pp. 121-131. DOI: 10.1007/s00170-009-2265-7

  42. Gregori A., Bertaso D. Welding and Deposition of Nickel Superalloys 718, Waspaloy and Single Crystal Alloy CMSX-10 // Welding in the World. 2007. Vol. 51, pp. 34-47. DOI: 10.1007/BF03266607

  43. Климов В.Г. Применение лазерной импульсной наплавки при разработке технологии восстановления рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 1. С. 170-179.

  44. Theiler C., Seefeld T., Sepold G. Deposition of graded metal matrix composites by laser beam cladding. Bias Bremen Institute of Applied Beam Technology, Germany, 2005.

  45. Yushchenko K.A., Savchenko V.S. Classification and Mechanisms of Cracking in Welding High-Alloy Steels and Nickel Alloys in Brittle Temperature Ranges // Böllinghaus T., Herold H., Cross C.E., Lippold J.C. (eds) Hot Cracking Phenomena in Welds II. Springer, Berlin, Heidelberg. 2005, pp. 95-114. DOI: 10.1007/978-3-540-78628-3_6

  46. Pellini W.S. Strain theory of hot tearing // Foundry. 1952. Vol. 80, pp. 125-199.

  47. Pumphrey W.I., Jennings P.H. A consideration of the nature of brittleness and temperature above the solidus in castings and welds in aluminum // Journal of the Institute of Metals. 1948. Vol. 75, pp. 235-236.

  48. Ashan M.N. Modelling and analysis of Laser Direct Metal deposition of Ti-6Al-4V. PhD Thesis. University of Manchester. 2011.

  49. Cross C.E. On the Origin of Weld Solidification Cracking // Böllinghaus T., Herold H., Cross C.E., Lippold J.C. (eds) Hot Cracking Phenomena in Welds II. Springer, Berlin, Heidelberg. 2005, pp. 3-18. DOI: 10.1007/3-540-27460-X_1

  50. Потапов С.Д., Перепелица Д.Д. Исследование влияния остаточных напряжений в зоне расположения трещины на скорость ее роста при циклическом нагружении // Вестник Московского авиационного института. 2014. Т. 21. № 1. С. 104-110.

  51. Lawrence J.R., Waugh D. Laser surface engineering: Processes and Applications. – 1st Edition. – Woodhead Publishing, 2014. – 718 p.

  52. The ABC’s of Arc Welding and Inspection // Kobelco welding worldwide. 2015, 93 p. URI: http://www.kobelco-welding.jp/education-center/abc/ABC_2006-03.html

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024