Адитивные технологии и получение металлопорошковых материалов

В настоящее время компания отказалась от типоразмерного ряда машин и производит только одну базовую модель Sciakys DM с размерами зоны построения 5700х1200х1200 мм и все модификации создает непосредственно под требования заказчика. Машина позволяет в автоматическом режиме последовательно строить до 10 различных деталей в течение одного цикла вакуумизации рабочей камеры. Стоимость машины болеее $2,0 млн. Относительно новый процесс IFF (Ion fusion formation) в 2004 г запатентовала компания Honeywell Aerospace [14]. Технология относится к группе Direct Deposition и аналогична технологии Sciaky, но в качестве источника энергии для плавления предполагает использование плазматрона 102, ионизирующего инертный газ и генерирующего поток плазмы 170 (рис. 36). Температура плазмы достигает 5000-30000K.

В качестве фидстока используется металлический пруток. Материалы: алюминиевые и титановые сплавы, инконели, конструкционные стали и др. Опытная машина имеет размеры зоны построения 1200х1200х1800 мм. К достоинствам этой технологии авторы относят относительно невысокую стоимость по сравнению с лазерными системами. Основной рабочий орган машин – это лазерная головка, представляющая собой чрезвычайно сложный агрегат, в котором расположены система фокусировки лазера, система охлаждения, система подачи материала, а также элементы системы управления (датчики, видеокамеры и т. д.). В процессе построения детали необходимо согласовать несколько параметров: мощность лазера, размер пятна расплава, интенсивность подачи материала, дисперсность порошкового материала, скорость движения головки, обеспечив при этом точную фокусировку подачи металлопорошковой композиции в зону расплава. В зависимости от сочетания параметров построения коэффициент использования материала может варьировать от 0,2 до 0,9, т. е. от 20 до 90% материала, поступившего через сопловые отверстия системы подачи, фактически формируют деталь.

Разные компании используют различные системы подачи материала: одноканальные, многоканальные (например, Optomec), коаксиальные (например, POM, Fraunhofer ILT), рис. 37, 38. Те и другие имеют свои достоинства и недостатки. Совершенствование систем подачи материалов ведется очень высокими темпами. В опытных образцах с мощными – 4-10 кВт лазерами, достигнута производительность (или темп осаждения материала) до 9-15 кг/ч [13].

АМ-процесс из группы Sheet lamination (соединение листовых материалов), применительно к металлу нашел практическое воплощение только в оборудовании компании Fabrisonic (США). Саму технологию в 90-х годах разработала компания Solidica. Суть технологии, ее называют UAM (Ultrasonic additive manufacturing), заключается в следующем, рис. 41 (см. также выше рис. 4). Металлическую фольгу накатывают роликом, к которому при этом прикладывают нормальную силу. С помощью ультразвукового генератора создают микро-перемещения в направлении, поперечном направлению движения ролика. В результате этого в месте контакта двух листов фольги происходит разрушение оксидной пленки, возникает пластическая деформация и тепловыделение, которого достаточно для диффузионного проникновения молекул одного металла в другой. Происходит своего рода сварка слоев фольги. Затем сформированный слой фольги обрабатывают фрезерованием, удаляя «лишний» металл. Таким способом могут быть получение композитных изделий из в принципе не свариваемых материалов, например композиция сталь-титан-медь. Данную технологию применяют как для создания композиционных материалов, так и для изготовления изделий: технологической оснастки, пресс-форм с конформной системой охлаждения, матриц для термовакуумной формовки и т. д.

Компания выпускает три различные машины: SonicLayer с рабочей зоной 508x305x524 мм, специально разработанную для университетов, научно-исследовательских организаций и малого бизнеса; и две индустриальные SonicLayer 4000 и SonicLayer 720с рабочей зоной, соответственно, 1016x1016x610 мм и 1829x 1829x914 мм. В обе последние машины интегрирован 3-х координатный обрабатывающий центр. Производительность машины SonicLayer 7200 составляет около 60 дюйм3/ч (983 см3/ч).

Основные параметры машин для послойного синтеза из металлопорошковых композиций Табл. 1. Часть

* н.с – нержавеющая сталь; и. c. – инструментальная сталь; Inc. – Inconel (Инконель); CpTi – чистый титан; Ni-Base – сплавы на основе никеля;

4. Материалы для «металлических»  AMмашин

4.1 Общие положения 

Под порошками понимают сыпучие материалы с характерным размером частиц до 1,0 мм. Порошки весьма условно классифицируют по размером частиц (по условному диаметру d), подразделяя их на нанодисперсные с d<0,001 мкм, ультрадисперсные - d =0,01-0,1 мкм, высокодисперсные d=0,1–10 мкм, мелкие - d= 10–40 мкм, средние - d=40–250 мкм и крупные - d=250–1 000 мкм [15]. В настоящее время не существует общих требований к металлопорошковым композициям, применяемым в AM-технологиях. Разные компании-производители AM-машин предписывают работу с определенным перечнем материалов, обычно поставляемых самой этой компанией. В разных машинах используются порошки различного фракционного состава. Одним из параметров, характеризующих порошок, является величина d50 – «средний диаметр частиц». Например, d50 = 40 мкм означает, что у 50% частиц порошка размер частиц меньше или равен 40 мкм. Так, в машинах Phenix Systems используется порошок с d50=10 мкм; для машин Conzept Laser дисперсность порошка лежит в переделах 25…52 мкм при d50=26,9 мкм; для Arcam размер частиц составляет 45-100 мкм, для машин SLM Solutions d50=10-30 и т. д. Существует определенное недоверие к порошкам разных производителей. Нет никакой гарантии, что купив материал у одного производителя и дополнительное количество у другого, вы получите изделия одинакового качества. Все это диктует необходимость стандартизации материалов для AM-технологий. Здесь тоже необходима большая исследовательская работа, поскольку современные методы, применяемые для оценки свойств материалов для традиционных технологий, не могут быть применены к аддитивным технологиям в силу наличия анизотропии, неизбежной при послойном принципе создания изделия. За рубежом вопросы стандартизации по материалам для аддитивных технологий находятся в компетенции NIST - National Institute of Standards and Technology (США); Международной организация по стандартизации ISO (комитет TC261 по аддитивным технологиям), и ASTM (международный комитет Fпо аддитивным технологиям). В настоящее время разработан только один стандарт (ASTM F) на материал Ti6Alдля применения в технологиях Powder Bed Fusion. Особенностью процесса лазерного синтеза, например, по технологии SLM является то, что при построении детали лазерный луч не только сплавляет частицы порошка, формируя тело детали, но и «портит» материал, непосредственно прилегающий к поверхности строящейся детали. Поэтому в практике работы с SLS-машинами применяют методы просеивания отработанного материала с целью удаления «бракованной» части с дальнейшем перемешиванием «работавшего» порошка со свежим. В какой пропорции – каждая компания решает по-своему. Таким образом, идентичность образцов, построенных на одной машине, из одного и того же порошка, но с учетом этих нюансов, также не гарантирована. Общим требованием к порошкам для AM-машин является сферическая форма частиц. Это связано, во-первых, с тем, что такие частицы более компактно укладываются в определенный объем. И, во-вторых, необходимо обеспечить «текучесть» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением. Это как раз достигается при сферической форме частиц.

Общим требованием к машинам, работающим с пироформными материалами, такими как алюминий, титан, является наличие противопожарной системы и системы предупреждения о возгорании. При работе с мелкодисперсными порошками (особенно при d50 <10) в силу их летучести необходимо также соблюдать правила техники безопасности. С одной стороны, чем меньше величина d50, тем меньше шаг построения может быть задан, тем более рельефно могут быть проработаны мелкие элементы детали и тем более гладкую поверхность можно получить у построенной детали. С другой стороны, как мы уже отмечали, в процессе построения в зону пятна лазера моментально вводится большое количество энергии, процесс плавления идет очень бурно, металл вскипает, происходит разбрызгивание расплава и часть металла (строительного материала) вылетает из зоны построения. Визуально это заметно по интенсивному искрообразованию. Если порошок имеет слишком малый размер частиц, то в процессе построения легкие частицы будут «вылетать» из зоны расплава, что приведет к обратному результату – повышенной шероховатости детали, микропористости. Еще один нюанс: для того, чтобы вылетающие из зоны расплава частицы на попадали на соседние уже сплавленные участки поверхность строящегося слоя, внутри рабочей камеры создают направленный «ветер», который сдувает вылетевшие частицы в сторону. Это также может привести к слишком интенсивному выносу строительного материала из зоны построения. В силу этих нюансов при работе с мелкодисперсными порошками с d50 <10 применяют маломощные лазеры, следовательно, малопроизводительные. Такие порошки (с соответствующими настройками машины) применяют в основном для изготовления микро-деталей, которые иным способом изготовить не представляется возможным. Определенные трудности при работе с мелкодисперсными порошками возникают в связи с их повышенной склонностью к комкованию. Это накладывает особые требования к условиям хранения материалов и эксплуатации AM-машин. 4.2 Методы получения металлопорошковых материалов для целей аддитивных технологий Существует множество методов получения металлопорошков, условно их разделяют на физико-химические и механические. К физико-химическим относят технологии, связанные с физико-химическими превращениями исходного сырья. При этом химический состав и структура конечного продукта – порошка, существенно отличается от исходного материала. Механические методы обеспечивают производство порошка из сырья без существенного изменения химического состава. К механическим методам относятся, например, многочисленные варианты размола в мельницах, а также диспергирование расплавов посредством струи газа или жидкости. Этот процесс называют также атомизацией. Частицы порошков, получаемых механическими методами путем размола, имеют осколочную, неправильную форму. В изготовленном порошке содержится относительно большое количество примесей – продуктов износа размольных тел и футеровки мельницы. Поэтому эти методы не применяют для получения порошков, используемых в аддитивных технологиях. Диспергирование расплава – наиболее производительный, экономичный и эффективный способ получения мелких и средних порошков металлов. 60-70% объема всех промышленных порошков получают именно этим методом [15]. Распыление (атомизацию) широко применяют при производстве порошков многокомпонентных сплавов, в частности, с аморфной структурой, которая позволяет достичь равномерного химического состава композиции, даже при содержании легирующих компонентов выше их предела растворимости в основном компоненте сплава. Кроме того, порошки, полученные с использованием методов диспергирования расплавов, имеют форму частиц, близкую к сферической. Более 90% всех порошков, применяемых в аддитивных технологиях получают методами диспергирования расплава. Основными технологиями получения порошков для AM-машин являются:

- газовая  атомизация;

- вакуумная  атомизация;

- центробежная  атомизация.

Газовая атомизация. Согласно этой технологии металл расплавляют в плавильной камере (обычно в вакууме или инертной среде) и затем сливают в управляемом режиме через специальное устройство – распылитель, где производится разрушение потока жидкого металла струей инертного газа под давлением. Для получения мелких порошков d=10–40 мкм, наиболее часто применяемых в аддитивных технологиях, используют так называемые VIM-атомайзеры (Vacuum Induction Melting), в которых плавильную камеру вакуумируют для минимизации контакта расплава с кислородом и азотом. А саму технологию получения порошков с использование машин для вакуумного плавления называют VIGA - Vacuum nduction Melt nert Gas Atomization., т. е. «технология газового распыления металла, раплавленного в вакуумной камере путем индукционного нагрева». Применяют как поворотные тигли, так и тигли с донным сливом. Для плавки можно использовать керамические или графитовые тигли. В зависимости от материала тигля, температура плавления может достигать 1900°C. Расплавленный металл сливают в специальный приемник, к которому подводят инертный газ под давлением (обычно аргон, иногда азот). Процесс распыления металла имеет три фазы – начальную, рабочую и заключительную. В начальной фазе система выходит на рабочий режим: открывается клапан для слива металла (необходимо некоторое время для стабилизации потока), включается подача распылительного газа, причем в точно определенном соотношении между количеством металла и распыливающего газа. Эта фаза длится несколько секунд.

Далее начинается рабочая фаза, в которой процесс слива металла стабилизируется и достигается требуемое соотношение расхода металла и аргона в распылителе. В конце рабочего процесса скорость выхода металла из тигля снижается, параметры потока изменяются, и нарушается баланс между отношением массы металла и газа. Этот процесс также длится несколько секунд. В первой и заключительной фазах порошок получается некондиционный. Поэтому для повышения производительности и эффективности системы необходимо увеличивать долю рабочей фазы в общем балансе времени цикла атомизации. Узел атомизации – там, где происходит собственно процесс распыливания металла, это весьма сложное устройство, которое по конструктивным и технологическим соображением не может быть выполненным с размерами, меньше определенных. Для качественного распыления должно быть выдержано определенное соотношение между расходом металла и расходом газа. Минимальный расход металла составляет примерно 8 кг/мин или около 1,0 л/мин (по стали). Поэтому, если атомайзер имеет тигель объемом 1,0..3,0 л, использовать его для коммерческого получения порошков нецелесообразно. Весь процесс будет слишком кратковременным для стабилизации распыливания в рабочей фазе, и выход кондиционного порошка будет невелик. Это приемлемо для исследовательских целей, но не целесообразно для коммерческого использования. Для производства порошков технически рациональной нижней границей объема тигля считается 5,0 л (около 40 кг по стали). В этом случае время распыления составит примерно 5 минут, и длительность рабочей фазы составит около 4,5 минуты. Фракционный состав порошка может быть расширен путем увеличения расхода металла через сливной канал, рис. 43.