CC BY
30
УДК 621.762.04: 621.762.2:669.018.44
Канд. техн. гаук О. А. Глотка, д-р техн. наук О. В. Овчинников Запорiзький нацюнальний техычний уыверситет, м. Запорiжжя
АНАЛ1З В1ТЧИЗНЯНИХ ЖАРОМ1ЦНИХ ПОРОШК1В НА Н1КЕЛЕВ1Й ОСНОВ1, ЯК1 ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ В АДИТИВНИХ
ТЕХНОЛОГ1ЯХ
Серед технологш, що Iнтенсивнорозвиваються на сьогодт, особливе мгсце пос1дають адитивн!. Показано, що для адитивних технологгй перспективними матергалами е жаромгцнг матергали вгтчизняного виробництва. Встановлено, що порошки вгтчизняного виробництва мають великий фракцшний склад, мають на поверхнI сателти, вгдколи, а також гранули, морфологгя поверхнг I мгкроструктура частинок типова для жаромгцних нгкелевих сплавгв. Таким чином, жаромщний сплав на нгкелевш основI ЭП741п може бути застосований в адитивних технологгях.
Ключовi слова: адитивнг технологи, порошок жаромщного матергалу на нгкелевш основ!, текучгсть порошку, морфологгя, мжроструктура.
У нашi дш адитивш технологи використовуються дуже широко: науково-дослщш оргатзацп з !х допомо-гою створюють уткальш матерiали i тканини, промис-ловi пганти використовують 3D принтери для приско-рення прототипування ново! иродукцп, архiтектурнi та конструкторсьш бюро знайшли в 3D друку несинчен-ний бущвельний потенцiал, у той час як дизайн-студп буквально вдихнули нове життя в дизайнерський бiзнес завдяки адитивним машинам [1].
Окремим питаниям при вировадженш адитивних технологiй е вибiр сировини, якого не так уже й багато в ассортимента Pi3rn компанп-виробники AM-машин (вщ Additive Manufacturing - «адитивне виробництво») приписують роботу з певним перелжом матерiалiв, заз-вичай поставляються самою щею компанiею. У рiзних машинах використовуються порошки рiзного фракцш-ного складу, однак уа порошки повинш мати сферич-ну форму. Виходячи з цього, потрiбно пiдбирати той чи шший фракцiйний склад порошку для певного виду виробiв [2, 3].
Метою ще! роботи було проведення аналiзу мож-ливосп використання вiтчизняних порошкiв жаромшно-го матерiалу на нiкелевiй основi, що виготовляеться для порошково! металургл, для адитивних технологш.
MaTepia™ i методика дослщжень
Для проведення дослiджения було обрано порошок (гранули) жаромщного сплаву ЭП 741 п (ХН51КВМТЮБ), який застосовуеться для виробницт-
ва дисшв ГТД. Порошок за хiмiчним складом вщповь дае ГОСТ 52802-2007 (табл. 1) з розмром фракцii ввд 160 до 40 мкм i мае сферичну форму. Цей матерiал був отриманий методом газового розпилення на установщ УРЖМ-3 на ДП «УкрНДГспецсгаль».
Фракцiйний склад визначався вiдповiдно до ГОСТ 18318-94. Режими роботи установки: швидшсть обер-тання 300 об / хвилину, частота сгрушуваннi 180 на хви-лину. Сита мали дiаметр обичайки 200 мм i глибиною 50 мм. Розмiр отворiв сит вiдповiдав ГОСТ 6613 в дапа-зонi ввд 160 до 40 мкм.
Текучкть порошку вимiрювали за ГОСТ 20899-98 (прилад Хола), на калiброванiй воронцi з дааметром от -вору 2,5 мм, яка виготовлена з немагнiтного корозшно-стiйкого матерiалу. Порцiю в 50 грамiв зважували на електронних вагах з точтстю ± 0,05 г. Фактичне значения плинностi визначали на секуидомiрi з точнiстю ± 0,2 с.
Мiкроструктуру порошку дослiджували на оптич-ному М1М-8 i растровому електронному мiкроскопi РЕМ-106И. При цьому порошки шлiфували, полiрува-ли i травили в реактивi Марбле. Дослвдження на растровому мiкроскопi проводили при прискорювальнш на-прузi ввд 20 до 30 кВ, у вторинних електронах. Кiлькiсний рентгеноспектральний мiкроаналiз проводили на енер-годисперсiйнiй приставщ порiвияльним аналiзом спек-трограм, яю були отриманi вiд зразка i еталонних мате-рiалiв. Точнiсть детектування елеменпв спектрометром перебувала на рiвнi 0,1 % (мас.).
Al Ti Cr Co Nb Mo W Ni
Дослщний сплав 5,1 1,95 8,65 15,3 2,48 3,64 5,7 Основа
ГОСТ 52802 4,8-5,3 1,6-2 8-10 15-16,5 2,4-2,8 3,5-4,2 5,2-5,9 Основа
Таблиця 1 - XiMi4Hrn склад дослвджуваного сплаву ЭП 741п (ХН51КВМТЮБ) i по ГОСТ 52802-2007,% (мас.)
© О. А. Глотка, О. В. Овчинников, 2016
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2016
39
Результата дослщження та Ух обговорення
Жаромiцний сплав на нiкелевiй основi ЭП 741п представлений на ринку з великим фракцшним складом, який коливаеться вiд 400 до 40 мкм i мае сферичну форму (рис. 1). Для дослвдження були обранi фракци ввд 160 до 40 мкм, осшльки таи розмiри часгинок засгосову-югься в адитивних гехнологiях [4]. Грануломегричний склад порошку визначали за допомогою сигового методу ввдповвдно до ГОСТ 18318-94.
Рис. 1. Форма i po3Mip частинок порошку сплаву ЭП 741 п до розавання
Основним гранулометричним складом для машин, що працюють за технолопею DMT (Direct Metal Tooling), е склад -100 ... + 40 мкм. Таким чином, основна частина отриманого порошку може бути використана для тако! техшки.
Зпдно з штегральним розподiлом часток за розмь рами (рис. 2) кшьюсть лiквiдного порошку (з фракщею -100 ... + 40 мкм) становить 67 % (мас.). Внаслiдок цього, собiвартiсть цього матерiалу, пiсля подiлу на фракцii, зросте приблизно на 33 %, що порiвняно iз зарубiжни-ми аналогами навпь пiсля збiльшення вартостi на 33 % матиме значний екожмчний ефект [5].
Рис. 2. Графж iнтегрального розподiлу часток за розмiрами
Одним з числових характеристик гранулометрично-го складу порошку е медiанний розмiр за масою Д50, при якому 50 % (за масою) частинок мають дiаметр бiльше ввд Д50 i 50 % (за масою) частинок мають даметр частинок менше за Д50. Для знаходження медiанного розмiру побудована залежнiсть розмiру фракцii' (мкм) вiд сумарного вщсотка часток (% мас.) У логарифмiч-них координатах (рис. 3).
За графжом (рис. 3) визначаемо розмiр часток у кiлькосгi 84,1 % (мас.), А також знаходимо розмiр часток у шлькосп порошку 50 %. Огримуемо медiанний розмiр на рiвнi 88 мкм, а розмiр Д^1 = 138 мкм. За цими значениям розраховуемо величину стандартного ввдхи-лення ст = Д841 / Д50, вона становить 1,57 %. Стаидартне вiдхиления - це мiра розкиду можливих резульгагiв щодо середнього показника. Для порошив ця величина визначае розкид часгинок щодо медiанного розмiру i характеризуе однорiднiсгь часгинок за розмiрами. Згiдно з ГОСТ 23402-78, стандартне вiдхиления для по-рошкових магерiалiв не повинне перевищуваги 2 %.
1нтегральний розпод1л частинок порошку за розм1ром
Рис. 3. Графж штегрального розподшу часгок за розм1ром у логарифмiчиих координатах
Важливою гехнологiчною власгивiсгю для порош-кових матерiалiв, що застосовуються в адитивних тех-нолопях, е гекучiсгь. Ця характеристика повинна знахо-дигися на високому рiвнi, щоб забезпечуваги проход-жения порошку по гехнологiчних каналах АМ-машин. Одним iз жаромiцних сплавiв на нiкелевiй основi, що широко застосовуеться за кордоном для адитивних тех-нологiй е сплав 1нконель 718. Текучiсгь через лiйку з дiаметром отвору 2,5 мм для нього не повинна перевищуваги 18с/50г [6]. Подiбнi характеристики текучосп повиннi маги й вiгчизиянi сплави на шкелевш основi ВКНА-1ВР-В1 (ТУ 1-595-16-1513-2015) i ВЖЛ12У-В1 (ТУ 1-595-16-1515-2015), яю використовуються в адитивних технологиях. Так, для сплаву ЭП 741 п текучють не перевищувала встановлет показники i перебувала на рiвнi 15,7с/50г для фракцii з розмiром менше 100мкм. Так показники текучосп обумовленi сферичною формою порошку i високою питомою щiльнiсгю матерiалу.
Однак показники гекучосгi всiх вище розглянугих магерiалiв перебували на нижньому дозволеному рiвнi, що поясиюегься наявтстю на поверхнi великоi кiлькосгi дефекпв, що i призводигь до зменшення цього показника. Позбугися поверхневих дефекпв порошку мож-ливо iз засгосуванням методу ввдцеитрового розпилен-ня. На вiдмiну вiд газового розпилення, ввдцеитрове дае можливiсгь огримуваги порошки правильно].' сферич-ноi' форми з мшмальною кiлькiсгю дефекгiв.
У результап проведення порiвияльних дослiджень гранул впчизняного порошку сплаву ЭП 741п i зару^-
ного, промислово. серii встановлено, що гранули ма-югь сферичну форму з наявшстю на поверхнi сагелтв, вiдколiв, гранул, як1 маюгь аморфну оболонку i вигяг-нугу овальну форму. При цьому на порошку зарубь жного виробництва наявна гака сама кшьюсть дефекпв порiвняно зi сплавом вiгчизняного виробництва (рис. 4).
Шжу
20.<10к\' Ч.Ж 1«ии
Рис. 4. Морфолопя поверхиi сплаву ЭП 741 п (а, б) i сплаву 1икоиель 718 (в, г)
Морфолопя поверхш часгинок сплаву ЭП 741п ха-рактеризуеться дендригною будовою (рис.4 б), гака бу-дова угворюегься за рахунок концентрацшного пере-охолодження часгинок [8]. На меж1 рiдкоi' i твердо' фаз рвдина мiсгигь надмiрну к1льк1сгь розчиненого елемен-га. Завдяки наявносп концентрацшного градаеита в роз-плавi перед фронтом кристалзаци iсиуе зона, в якш температура нижча ввд точки крисгалiзадii'. Якщо глибина
переохолодження велика, го визначальну роль вщграе дендригне зросгання. Цей механiзм кристалiзацii' часгинок обумовлюе ефекг об'емно' мiкролiквацii, яку можна визначити, як змша концеитраци елемеитiв у межах просгорово' обласгi, мало' порiвняно з об'емом часгинки. Викорисговуючи метод ренггеноспекграль-ного мiкроаналiзу, було визначено, що оа дендригiв (рис. 5а, точка 1), яш крисгалiзуюгься в першу чергу, збiдненi розчиненими елеменгами з низькою температурою плавления (гитан, алюмшш), тсда як концентра -щя цих елеменпв у междендригних зонах пiдвищена (табл. 2). Разом з гим, у центрах дендрипв (рис. 5а, точка 2) спостертаеться шдвищена конценграцiя тугоплавких елеменпв (вольфрам, молiбден, нюбш), що пояснюегься 'х кристалiзацiею при пiдвищених температурах. Так елеменги як хром, залiзо i кобальт е ней-гральними i 'х гопографiя розподiлу не повинна зале-жаги ввд крисгалiзадii' дендрипв. Так, виходячи з табл. 2, можна зробиги висновок, що концентращя хрому i залiза практично не залежить ввд мюпя визначення, але кобальт мае градiеит близько 0,5 % (мас.). Це негипово для сплавiв на нiкелевiй основi, однак гаке зус^чаегь-ся [9].
Шкроструктура дослiджуваного жаромiцного сплаву на шкелевш основi ЭП 741 п гипова для ще' групи (див. рис. 5). Так, структура складаеться з у - твердого розчину на шкелевш основ^ у' - фази (типу №3(Т1,А1), первинних карбiдiв (ПС, NbC), вгоринних (типу М23С6, М2С, в утвореннi яких беругь участь Сг, W, Мо iнодi Т1, Nb). Оск1льки магерiал не проходив термiчне оброб-лення, го кшьшсть надлишкових фаз у ньому мшмаль-на. Таким чином, мiкросгрукгура вщповщае магерiа-лам ще' групи сплавiв, що дуже важливо, оск1льки гото-вий вирiб буде успадковуваги щ характеристики, адже пошарове нанесения матерiалу виконуегься в масштабах , порiвнянних з розмiрами часгинок магерiалу.
Таблиця 2 - Середиш вмет елеменпв у центрах дендрипв i мiждеидритних зонах,%(мас.)
Область дослщження А1 Т1 Сг Ее Со № Мо W N1
Центр дендрита 1,82 1,73 8,31 0,05 14,47 2,14 2,75 3,72 Основа
Мтж дендритами 2,12 2,25 8,43 0,06 13,95 1,92 2,34 3,36 Основа
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2016
41
Висновки
1. Показано, що для адитивних технологiй перспек-тивними матерiалами е жаромщт матерiали вiтчизня-ного виробництва.
2. Встановлено, що порошки вичизняного вироб-ництва мають великий фракцiйний склад i можуть зас-тосовуватися тiльки шсля розсiювання, кiлькiсть лiквiдноi фракцii' в порошку може доходити до 67 %, при Д50 = 88 мкм, плинносп 15,7с/50 г.
3. Встановлено, що при цьому методi отримання порошк1в на поверхиi утворюються сателiти, вiдколи, а також гранули, як1 мають аморфну оболонку i витягну-ту овальну форму, що призводить до зниження показ-ник1в текучостi порошку, значення яко! знаходиться на нижиiй меж1 допустимих показник1в. Для збiльшения технолопчного показника рекомендуеться застосову-вати ввдцентрове розпилення матерiалiв.
4. Виходячи з результапв проведених дослiджень, можна стверджувати, що жаромiцний сплав на шке-левiй основi ЕП741п, виготовлений на ДП «УкрНД1с -пецсталь», може бути застосований в адитивних техно-логiях як пiд час ремонту, так i виробництва нових ви-робiв в авiадвигунобудуваннi.
Список лтератури
1. Что такое аддитивные технологии? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://make-3d.ru/articles/chto-eto-takoe-additivnve-texnologii/
2. Литунов С. Н. Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 1 / С. Н. Литунов, В .С. Слободенюк, Д. В. Мельников / Омский научный вестник. - 2016. - № 1 (145). -С. 12-17.
3. Лян Ван Влияние комбинированного магнитного и электрического поля на распределение частиц WC при ла-
зерной инжекционной наплавке/ Ван Лян, Ху Юн, Шиу-инг Сонг/ Автоматическая сварка. - 2016. - № 4. -С. 26-34.
4. Довбыш В. М. Аддитивные технологии и изделия из металла [Электронный ресурс] / Довбыш В. М., Забед-нов П. В., Зленко М. А. - Режим доступа: http://nami.ru/ uploads/docs/centr_technologv_docs/ 55a62fc89524bAT_metall.pdf
5. Богуславский И. В. Аддитивные технологии в ПАО «ОАК» / И. В. Богуславский // Ш международный форум «]ЖЕХР0-2016» - «Высокие технологии для устойчивого развития». - Москва 5-7 апреля 2016 г. -С. 87-96.
6. Исследования и разработка экспериментальных аддитивных технологий для изготовления и ремонта слож-нопрофильных деталей газотурбинных двигателей с использованием металлических порошков жаропрочного сплава на никелевой основе : Отчет НИР (промежуточный)/ ФГУП «ВИАМ» ; руководитель А. Г. Евгенов ; №115011270127. - Москва, 2015. - 318 с.
7. Грязнов Ю. М. Физико-механические свойства и структура сплава ттем! 718, полученного по технологии послойного лазерного сплавления / Ю. М. Грязнов, С. В. Шотин, В. Н. Чувильдеев / Физика твердого тела. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2014. - № 4(1). - С. 46-51.
8. Гессингер Х. Г. Порошковая металлургия жаропрочных сплавов / Гессингер Х. Г. [пер. с англ. В. С. Казанский]. - Челябинск : «Металлургия», 1988. - 320 с.
9. Глотка О. А. Розробка та аналiз структурно-фазового стану та Fe-W стошв на основi важкотопкого W-Ni-Fe брухту для легування спещальних матерiалiв у газотурбобудуванш : дис. ... кандидата тех. наук : 05.16.01 / Глотка Олександр Анатолшович. - Запорожье, 2011. - 166 с.
Одержано 16.12.2016
Глотка А. А., Овчинников А.В. Анализ отечественных жаропрочных порошков на никелевой основе, которые применяются в аддитивных технологиях
Среди технологий, которые интенсивно развиваются в данное время, особенное место занимают аддитивные. Показано, что для аддитивных технологий перспективными материалами есть жаропрочный материалы отечественного производства. Установлено, что порошки отечественного производства имеют большой фракционный состав, имеют на поверхности сателиты, сколы, а также гранулы, морфология поверхности и микроструктура частичек типична для жаропрочных сплавов на никелевой основе. Таким образом, жаропрочный сплав на никелевой основе ЭП741п может быть применен в аддитивных технологиях.
Ключивые слова: аддитивные технологии, порошок жаропрочного материала на никелевой основе, текучесть порошка, морфология, микроструктура.
Glotka A., Ovchinnikov A. Analysis of domestic heat-resistant nickel-based powders which are applied in additive technologies
Among the technologies that are rapidly developing at this time, are additive ones. It is shown that for additive technologies, promising materials are heat-resistant materials of domestic production. It was found that powders of domestic production have large fractional composition with satellites on the surface, chips and granules. Surface morphology and microstructure ofparticles are typical for high-temperature nickel-based alloys. Thus, high-temperature nickel-based alloy ЭП 741p can be applied in additive technologies.
Key words: additive technologies, high-temperature powder nickel-based material, powder fluidity, morphology, microstructure.
