CC BY
46
СУЧАСН1 ТЕХНОЛОГИ У ПОРОШКОВ1И МЕТАЛУРП1. ДОСЯГНЕННЯIПЕРСПЕКТИВИ
Порошкова металургiя вщома досить давно як метод виробництва виробiв р!зномаштно! форми i po3MÍpÍB або створювання принципово нових матерiалiв, яш iншими шляхами важко чи зовам неможливо виготовити. Тому вона досить впевнено посiдаe свое ринкове мюце.
Найбiльшу частку продукцп з порошкових матерiалiв (до 85 % за масою) [1] становлять порiвняно невелик! вироби машинобудiвного призначення (шестерш, шльця, тдшипники ковзання, диски тощо). 1х виробництво у свт сильно залежить, зокрема, в!д основного споживача - автомобшьно! промисловосп. Так1 детал1 виготовляються здебiльшого традицiйними методами розсування - одно- i двоб!чного пресування, мундштучного пресування тощо. Проте за остант десятир!ччя спостерпаеться стшке зростання виробництва порошкових матер!ал!в деякими !ншими способами, особливо коли !х споживачами стала аерокосм!чна промисловють. До таких способ!в, зокрема, належать гаряче !зостатичне пресування, !нжекщйне формування та адитивш технологи.
Гаряче isocmamuHHe пресування (Г1П - Hot Isostatic Pressing) використовуеться для виготовлення вироб!в точно! форми масою до 1 тонни (переважно з нержавшчо! стал! та жаростшких сплав!в) для енергетики, вшськово! та медично! техшки, аерокосм!чного машинобудування. Розвитку ц!е! технологи сприяе впровадження удосконалених метод!в автоматичного проектування та можливють виготовлення деталей з! складною внутршньою геометр!ею. Оч!куеться, що виробництво деталей з шструментальних сталей методами Г1П з 2010 р. до 2020 р. зросте на 62 % [2]. Др!бшший сегмент ринку вироб!в, виготовлених методами Г1П, займае метал!зування, паяння i виб!ркове точне проф!лювання поверхонь.
Проввдними ф!рмами-вигопвниками обладнання для Г1П - газостапв - е ASEA (Швеция), Kobe Steel ltd. (Япония), Autoclave engineers inc. та Conway pressure systems (США), ВНИИметмаш (Роая).
Переваги !зостатичного пресування полягають у здатносп виготовляти детал! значно бшьших розм!р!в, шж це можливо шшими технолопями порошково! металургп, з практично необмеженими за складшстю геометричними формами i високою точтстю розм!р!в. Г1П застосовуеться для виготовлення вироб!в з таких малопластичних матерь ал!в, як жаростшш сплави, титан, шструменгальш стал! з високим коефщентом використання матер!алу. Методами Г1П можуть бути виготовлеш детал!, як1 мають стоввдсоткову щшьшсть з !зотропними мехашчними властивостями. Так, турб!нт диски, виготовлеш з порошков !зостатичним пресуванням, мають пор!вняно з литими шдвищену м!цшсть i жаростшшсть на 7.. .15 %, збшьшений у 1,3.. .1,8 рази робочий ресурс, та зменшеш у 2.. .3 рази припуски на механ-!чне оброблення (рис. 1). У структур! ринка порошкових деталей в £врош у 2009 р. вироби, виготовлеш гарячим 1зостатичним пресуванням, становили 3 % (за масою) [1].
Гаряче !зостатичне пресування використовуеться також для ущшь-нення попередньо спечених заготовок !з закритою поверхневою порис-т1стю.
Проте !зостатичне пресування використовують лише при достатньо-му розм!р! виробничо! парти, оск1льки це досить дорогий метод з-за низь-ко! продуктивносп i велико! вартосп необхвдного витратного оснащения.
Ыжекцшне формування (1Ф - Metal Injection Molding) - формування заготовок !з сушш! тонкого металевого порошку i 15.30 % (об) пла-стифжатора, який забезпечуе сумш! пластичшсть, шляхом впорскуван-ня !! i заповнення прес-форми при невеликому тиску i невисокому на-гр!ванш. Перевагами 1Ф е придатшсть процесу для вироб!в необмежено складно! форми з високою точшстю розм!р!в i високою мщшстю, тому що тонк1 порошки сткаються до практично суцшьно! щшьносп; висока продуктившсть за рахунок використання багатогшздного оснащення. За мехашчними властивостями так вироби усшшно конкурують з вироба-ми, виготовленими гарячим пластичним деформуванням. Розм!ри ви-роб!в - ввд десятих часток грама до 250 г при товщиш 0,7.5,0 мм.
Методами 1Ф виготовляють вироби з низьколегованих i нержавшчих сталей, сплав!в на основ! шкелю й кобальту та магштних матер!ал!в. Го -ловш споживач! вироб!в - автомобшьна та медична промисловосп, виробництво споживчих товар!в. Збшьшення у подальшому виробництва деталей, виготовлених методами 1Ф, пов'язане з! збшьшенням попиту на компонента для стшьникових телефошв, комп'ютер!в та шших електрон-них прилащв, а також деталей ав!ацшних двигушв, вогнепально! збро! (рис. 2).
Рис. 1. Заготовка корпусу компресора ГТД
д1аметром 700 мм компани Rolls-Royce, вигоговлеиа гарячим !зостатичним пресу-
Рис. 2. Блок напрямних лопатей ГТД з1 стшьниковим ущiльиеииям, виготовленим методом 1Ф
Технологи 1Ф розвиваються у США, Японп та Днших кра!нах виключно швидкими темпами. Щорiчний обсяг виробництва зросгае на 22 %. На сьогодш у свт працюе понад 250 компатй, як1 використовують 1Ф, з них 48 % в Ази, 29 % у Пiвнiчнiй Америцi i 23 % в Gвропi [2].
Для виготовлення виробiв використовують порошки з розмiрами частинок менше 20 мкм, але бажано, щоб середнДй розмiр частинок не перевищував 10 мкм. Тому головний недолДк процесу - висока вартiсть вихiдних порошив.
Перспективним напрямком розвитку технологш iнжекцiйного формування е покращення якостД та технологДч-ностД виробництва, досягнення ними ново! функцiональностi (наприклад, виготовлення двокомпонентних деталей), розроблення технологш виготовлення мДкродеталей тощо.
За остант десятилiття у порошковш металурги з'явилися деяк1 новi технологи, як1 дозволяють виготовляти точнi за формою i розмiрами деталi без оснащения шляхом нанесення матерiалу шар за шаром з використанням системи тривимiрного автоматичного виготовлення (3D-CAM). Цi технологи отримали загальну назву адитивне виготовлення (АВ - Additive Manufacturing). ВДдмштсть адитивних технологiй вiд традицiйних грунтуеться на пошаровому синтезi виробу шляхом додавання шарiв матерiалу виробу зпдно з програмою, заданою моделлю конструктора. 1х назва походить вДд аиглiйського дiеслова add - додавати, доповнювати, долучати, приедиувати, тому !х можна назвати також додаваними. Цд технологii дозволяють виготовляти з високою точшстю тривимiрнi деталi складно! структури без закрiпления у будь-якому оснащеннД.
На практицi використовуються два варiанти додаваних, або адитивних, технологiй,якi вДдрДзияються за методом формування шарiв металу [3].
Перший варiаит - осаджування на основг-тдкладщ (ООП - Bed Deposition) - полягае у тому, що на певнш основД (робочДй платформi) створюеться достатнiй об'ем порошку, в якому послДдовно, шар за шаром товщиною 20.. .50 мкм кожний певним джерелом енергii (найчастДше - лазерним променем) частинки порошку сплавляються, формуючи деталь. Фактично вона, оточена з ycix 6oKie порошком, i таким чином, спираючись на невитрачений матерiал, «вирощуеться» знизу вверх. Лазерний промДнь плавить порошок та з мДкронною точшстю створюе деталi найскладнiшоi конфiгурацii. При цьому отримують деталi зД щшьшстю понад 99 %.
РДзнД фДрми позначають сво! технологи цього типу по-рДзному. НайчастДше мова йде про Selective Laser Melting (SLM), Selective Laser Sintering (SLS) та Direct Metal Laser Sintering (DMLS) [3, 4]. Принципово! рДзницД мДж цими процесами немае. Вони вДдрДзияються лише тим, до якого ступеня доводиться сплавления частинок порошку: чи порошок лише сткаеться (Sintering), чи повнДстю плавиться (Melting) для створения монолтгно! деталД.
Другий варДант додаваних технологш - спрямоване осаджування (СО - Directed Deposition або Directed Energy Deposition) - полягае у тому, що за схемою 3D-технологiй вирДб формуеться на певнДй основД-шдкладщ послДдовно, шар за шаром, шляхом спрямованого тдведения одночасно енергД! (лазерний або електронний промДнь, електрична дуга) i будДвельного матерДалу (у виглядД порошку або порошкового дроту) безпосередньо у мДсце його побудови, створюючи на початковому етапД мДжатомний з'вязок мДж осадженим металом i пДдкладкою. Тобто вирДб без зовнш-ньо'1 опори (оснащення) створюеться знизу вгору послДдовним нанесениям розплавленого металу на основу-шдкладку i наступнД шари за певною програмою. ТакД технологи отримали назви: DMD - Direct Metal Deposition, LENS - Laser Engineered Net Shape, DM - Direct Manufacturing та Дн.
МожливостД обох процесДв наведеш у таблиц 1 [2].
SLS-технологи знайшли свое мДсце для виконания замовлень дрДбносершного виробництва, коли ДншД методи !х виконаиия занадто складш Наприклад, виготовлення металевих ливарних форм складно! конструкци, прес-форм для лиття пДд тиском металевих i пластмасових виробДв.
Методами SLM-техиологш можна виготовляти вироби дуже складно! конфиураци з титаиових, жаромщних сплавД, зокрема теплообмшники, Дмплаити тазостегнових суглобДв зД складним дизайном поверхиД. Поширюеться рентабель-не виготовлення виробДв суто шдивДдуального використання, зокрема равликових слухових ДмплаитДв, якД складаються з дрДбних титаиових елементДв, що повиннД мати точнДсть до ± 10 мкм. АвтоматизацДя виробництва з використанням 3D-принтерiв дозволяе виготовляти металевД деталД аерокосмДчно! технДки будь-яко! складносп й розмДрДв практично без браку. NASA впровадила цей метод виробництва для виготовлення деталей ракетного двигуна J-2X.
ФДрма Optomec почала конвеерне виробництво 3D-принтерiв металевих деталей LENS 450, якД можуть виготовляти вироби за техиологДею DMLS з нержавДючо! сталД, жаромДциих сплавДв, титану, нДкелю та Дн. Принтер LENS 450 мае технологДчну камеру об'емом 100 мм3, оптоволоконний лазер потужшстю 400 Вт здатен осаджувати метали з продук-тивнДстю до 80 г/год.
РДзновидом використания технологш СО - Directed Deposition для аерокосмДчних виробДв може слугувати лазерне порошкове наплавления LMD - Laser Metal Deposition. Прикладом може слугувати нанесения на переднюю кромку турбшно! лопатки з жаромщного сплаву висотою 0,7 м шару титанового сплаву з метою захисту и вДд газоабразивного зношування. Установка DMD фДрми РОМ використовуе СО2-лазер, мае швидкДсть наплавлення 14.. .147 см3/год з товщиною шарДв 0,3.0,6 мм. Технология лазерного порошкового наплавлення може використовуватися не лише для ремонту, але й для створения принципово нових градДентних матерДалДв за один технологДчний цикл виробництва.
ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2017
119
Таблиця 1 - Можливосп процеав Bed Deposition i Directed Deposition
СО - Directed Deposition ООП - Bed Deposition
дргт порошок
Мш^али лише дргг бiльше рiзноманiття за складом B^ip порошкв пор1вняно обмежений
Типовий розм!р частинок порошку, мкм - 50.100 20.50
Розм!р деталей, см обмежений розмiрами маншуляцшно! системи (висота - 100, довжина - 200) обмежений pозмipами технолопчно! камери (25 X 25 X 25)
Складтсть деталей таю, що вшьно стоять вертикально майже без обмежень
Розм!рш точшсть, мм > 0,2 > 0,1 > 0,1
Швидюсть нарощування, см3/год 60.100 5.25 5.10
Основа-тдкладка конформш поверхш гладк повеpхнi
Шорстюсть Ra, мкм 12,5.8 25.6,3 12,5.10
Товщина шарiв, мм > 0,03.3
Проблемою додаваних, або адитивних, технологий е необхвдшсть використання високоякiсних i досить коштовних порошков. Порошки для адитивних технологш мають бути хiмiчно однорщними, мати понижений вмiст газових домшок, бажано сферично! форми [5, 6]. Середнш розмiр частинок принаймнi на 50 % мае бути не б№ше 40 мкм. Чим менше середнiй розмiр частинок порошку, тим менший крок побудови виробу можна використати, а це озна-чае, що можна досягнути меншу шорстшсть поверхнi деталi та рельефнiше проробити !! дрiбнi елементи. Але, з шшого боку, якщо порошок мае занадто малий розмiр частинок, то тд час побудови виробу легш частинки будуть «вилггати» з зони розплавлення, внаслiдок чого збiльшуеться мшропориспсть i шорсткiсть виробу. Понад 90 % вах порошкiв, якi застосовуються в адитивному виробництвi, отримують методами диспергування розплаву.
Адитивш технологи, практично безвщходт на вiдмiну вiд традищйних, вигiднi в умовах дрiбносерiйного вироб-ництва, вимiрюваного десятками або сотнями виробiв. Таких виробiв, найчастiше складно! геометрп, зi спецiальних матерiалiв досить багато в авiацiйнiй промисловостi, космiчнiй ¡ндустрп, енергетичному машинобудуваннi i низщ iнших галузей. Перспективи !х розвитку пов'язанi з переходом згаданих технологш з розряду дослiдних робiт до використанням як основного формату виробництва. Наприклад, фiрма Boeing плануе максимально розширити використання SLS-технологiй у своему виробництвг Компанiя Pratt&Whitney створила сучасний Центр адитивного виробництва на базi технопарку унiверситету Коннектикуту.
Сучасне постiндустрiйне виробництво характеризуеться вiдносно швидкою змiною виробiв, причому часто мiняються не основнi компоненти, що визначають !х функцiональнi якостi, а дизайн - корпусш деталi. При викори-станнi традицiйних технологiй це вимагае часто! змiни оснащення, а iнодi й навiть складного i дорогого обладнання, а адитивнi технологи дозволяють швидко перейти на наявному обладнанш до виготовлення безпосередньо товарного виробу, а не оснащення. Згадаш технологи перспекгивш також для виготовлення комплексних вузлiв як едине цше, а не зi складових частин, що сприятливо впливае на яшсть i вартiсть виробу. Особливо це стосуеться об'ектiв зi складною геометрiею. Використання адитивних технологiй вигiдне у разi побудови внугрiшнiх порожнин цшсних деталей, недоступних за складнiстю традицшним методам виробництва. Мотивацiею тут слугуватиме економiчна доцiльнiсть.
Отже, як гаряче iзостатичне пресування, так i згадаш у статп iнжекцiйне формування та адитивш технологи за сво!ми можливостями мають досить широкi потужностi для використання i з кожним роком стають доступнiшими, оскiльки !х собiвартiсть поступово зменшуеться. Плануючи перспективнi вироби та розробляючи !х ефективне виробництво, необхвдно орiенгуватися на новi порошковi матерiали замiсть традицiйних та використовувати технологи, як! мають перспективи у майбутньому.
Список лтератури
1. Молоденская К. В. Особенности технологии, свойства и области применения пористых спеченных материалов. [Електрон-ний ресурс] Режим доступу: www.rosgorprom.com/images/_sb2013_pdf/Sb2013ed_31.pdf
2. Чернышев Л. И. Порошковая металлургия - трудности и перспективы современного этапа развития / Л. И.Чернышев, Д. А. Левина // Порошковая металлургия. - 2013. - №11/12. - С. 144-150.
3. Порошковые материалы для авиационной и ракетно-космической техники / А. А. Коцюба, А. С. Бычков, О. Ю. Нечипоренко, И. Г. Лавренко. - К. : КВИЦ, 2016. - 304 с.
4. Коломiець С. М. Сучасш технологи виробництва деталей машин / С. М. Коломiець// Вюник ХНТУСГ ¡м. П. Василенка. -2015. - № 158. - С. 74-79.
5. Использование титановых порошков в методах 3D печати изделий / А. А. Джуган, В. Е. Ольшанецкий, А. В. Овчинников и др. // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. - 2016. - № 2. - С. 77-81.
6. Глотка О. А. Аналiз втизняних жаромщних порошюв на нжелевш основу яю застосовуються в адитивних технолопях / О. А. Глотка, О. В. Овчинников // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуваннi. - 2016. - № 2. - С. 39-42.
Одержано 28.11.2017
© Канд. техн. наук В. М. Плескач
Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
Pleskach V. Modern technologies in powder metallurgy. Achievements and prospects
ОБ ОЦЕНКЕ НАДЕЖНОСТИ ОРТОГОНАЛЬНЫХ ПЛАНОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
В работе [1] автором была предпринята попытка улучшить подход для ряда практических случаев (например исследований в области металлургии и материаловедения) к созданию и оценке полнофакторных и дробных матриц планирования экспериментов (прежде всего для случаев ненасыщенных планов типа 23 и 23-1).
Использование же насыщенных матриц, когда число линейных уравнений, заданных в кодовом масштабе, равняется числу переменных, в качестве которых выступают коэффициенты этих уравнений, при стандартном планировании получают оценочные результаты которые, независимо от выбора центров планов, практически не содержат полезной информации. В то же время попытки использования композиционных надстроек из-за смешения полей распределения угловых коэффициентов и факторов влияния, отличающихся от стандартных единичных значений, приводит к результатам, не отвечающих принципу ротатабельности [2]. Это делает бессмысленным оценку ошибок расчетных значений функции отклика при их одинаковых отклонениях относительно центра ортогонального плана (из-за сильного отличия результатов таких оценок).
Полностью насыщенные матрицы ортогональных планов обязательно включают различные комбинации факторов у смешанных эффектах их совместного влияния, что приводит к уравнениям вида:
= Ь0 + Ь1Х1г + Ь2Х2г + Ь3Х3г + Ь12Х1г Х2г + Ь13Х1г Х3г + Ь21Х2г Х3г + Ь123Х1г Х2г Х3г , (1)
в которых, кроме вышеуказанных недостатков, невозможно корректно оценивать эффективность отдельных смешанных оценок касательно конкретных влияний, определяющих их факторов.
В случае ненасыщенных планов ортогональных моделей в отсутствии учета смешанных эффектов полезно использовать коэффициенты множественной корреляции Я, сопровождая их определением эмпирической ковариации (относительного корреляционного момента) согласно формулы, приведенной в работе [1, 3].
п
ЕХг1(2)>'г п _
СОУ (Х1(2),у) = ' _ при X(Х1(2)г -Х 1(2)) = 0 . (2)
п 1 1
Поскольку ковариация устанавливает глубину корреляционной связи, то для достижения приемлемого результата факторы влияния должны иметь единоразрядные значения [1]. Далее полезно привести корректный вывод формулы для оценки Я, используя для упрощения техники вывода только двух угловых коэффициентов Ь1 и Ь2 в дискретном векторном поле их значений при заданных нормированных характеристиках (+1, -1) факторов влияния.
Как следует из схемы для плоского векторного поля (рис. 1), имеем 4 пары кодовых единиц ортогонального плана 22. В случае же объемного векторного поля (ортогональный план 23 ) имеем 8 троек единичных факторов (полный факторный эксперимент). То есть, полнота заполнения факторного пространства в виде сферы с координатными точками (полюсами) на ее поверхности в этих случаях отвечает двум симплексам (в первом - в виде вписанного в сферу тетрагонального тетраэдра с элементами симметрии (42да), а во втором - полносимметричного гексаэдра
(т3т)). Для простейшего случая 4-х линейных уравнений соответствующие составляющие в виде векторов п(2)
^2 2 Г1 + г2 , где
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2017
121
