Прямое лазерное выращивание из титановых сплавов: сравнение методов получения изделий из порошка и проволоки



Статья посвящена сравнению процессов прямого лазерного выращивания титановых изделий из порошков и присадочной проволоки. Проанализировано влияние технологических параметров на формирование слоя и его микроструктуру для двух процессов.

Ключевые слова: титановые сплавы, прямое лазерное выращивание, выращенный слой, ванна расплава

Введение

Титановые сплавы обладают высокой прочностью, трещиностойкостью, низким удельным весом, высокой коррозионной стойкостью и поэтому широко используются в различных отраслях промышленности [1]. Разработка методов получения высококачественных компонентов из титановых сплавов экономически эффективным способом является одной из важнейших задач для промышленности в настоящее время. Аддитивное производство обладает высоким потенциалом для снижения себестоимости мелкосерийного производства сложных крупногабаритных деталей [2,3]. Преимуществами аддитивного производства являются снижение материальных потерь и времени производства изделия [4]. Изготовление тонкостенных конструкций является одним из основных применений аддитивных технологий [5]. Тонкостенные конструкции из титановых сплавов широко распространены в изделиях аэрокосмической промышленности [6–8]. Аддитивные методы построения изделий из титановых сплавов классифицируются по типу используемого источника и по виду присадочного материала. Присадочный материал может находится в виде проволоки или порошка, причем методы с порошком дополнительно подразделяют по способу его доставки в зону взаимодействия с источником нагрева. Это может быт как “послойное” выращивание, так и метод “прямого” выращивания [9]. В то время как проволока из титанового сплава при аддитивном производстве изделий подается непосредственно (прямо) в зону выращивания. Для аддитивных технологий производства изделий из титановых сплавов используется тепловой источник: лазерный луч, электронный луч, электрическая или плазменная дуга [9,10]. В последние годы активно развиваются лазерные технологии, в том числе и в аддитивном производстве. Наибольшую популярность при производстве титановых изделий с использованием лазера имеет метод прямого лазерного выращивания из порошка или проволоки. Сторонние исследователи мало занимались вопросом выявления преимуществ и недостатков обоих методов. В данной статье сравниваются особенности процессов, выделяются различия в них и их влияние на характеристики получаемого изделия.

Сущность процессов иэффективность использования материала

Процесс прямого лазерного выращивания из проволоки имеет более высокий коэффициент эффективного использования материала (вплоть до 100 %) по сравнению с выращиванием из порошка (до 80 %), который в случае титановых сплавов после первого использования может окисляться, что не позволяет его повторно использовать [11–13]. Таким образом, процесс выращивания из проволоки является более экологически безопасным процессом и обладает более высокими скоростями выращивания [9,12,13]. Стоимость проволоки ниже, чем соответствующего металлического порошка, она более доступна для производства [12]. Это делает технологию производства титановых толстостенных изделий из проволоки в случае с невысокими требованиями по точности изготовления более конкурентоспособной по сравнению с изготовлением из порошков.

Проводились исследования направленные и на совместное применение порошка и проволоки. В работе [14] показаны результаты исследования гибридного (порошок плюс проволока) метода выращивания изделия из титанового сплава. Авторами было получено равномерное распределение частиц TiC в новых смесях Ti-6Al-4V/TiC при соотношении TiC и Ti-6Al-4V 50 на 50 %. Также дана экспериментальная оценка прочности полученных образцов с использованием испытаний на растяжение и изгиб. Установлено, что режим перехода от одного материала к другому оказывает существенное влияние на прочность конструкций на растяжение.

Комплексы для прямого лазерного выращивания из проволоки состоят из лазера, автоматической системы подачи проволоки, рабочего стола с числовым программным управлением или роботизированной системы, рабочей кабины и нескольких дополнительных механизмов (например, системы подачи защитного газа, системы подогрева или охлаждения) [15,16]. В то время как в комплексах для выращивания изделий из порошка используются порошковый питатель и специальное сопло для доставки порошка в зону взаимодействия с лазерным излучением. Изделие в обоих случаях создается при наложении слоя на слой во время перемещения технологического инструмента относительно подложки или наоборот. В ходе процесса контролируются качество поверхности, форма и размеры в поперечном сечении выращенного слоя, его микроструктурные характеристики (размер зерна, текстура и т. д.) и возникающее механические свойства (прочность, твердость, остаточное напряжение) [17]. Результат зависит от химического состава и диаметра проволоки или порошка, параметров режима обработки (направление и угол подачи проволоки/порошка, скорость подачи проволоки/расход порошка, мощность лазерного излучения, скорость выращивания). Диаметр используемой присадочной проволоки обычно варьируется в диапазоне от 0,3 до 1,2 мм [12,13,18], в то время как дисперсность используемого сферического порошка находится в диапазоне 50–120 мкм [19–21]. К нему предъявляются жесткие требования по форме и качеству поверхности частиц. Прямое выращивание титановых изделий из порошков, как и из проволоки происходит в защитной среде (аргоне). Элементы создаваемого изделия опираются на подложку, при этом не используются поддержки в отличии от послойного выращивания изделий из порошков [22]. Метод выращивания из порошка отличается методом доставки порошка в зону обработки. Она реализуется благодаря соплу подачи с помощью транспортного инертного газа (аргон или гелий) перемещающего определенную порцию порошка, захваченную из порошкового питателя, согласно выставленному расходу. В случае использования проволоки за ее доставку в зону обработки отвечает сварочный механизм подачи, который благодаря вращению роликов с заданной скоростью подачи перемещает ее с катушки по кабель-каналу в более простое по конструкции сопло подачи. Подача присадочного материала при прямом выращивании осуществляется коаксиально или сбоку относительно лазерного луча. В результате их взаимодействия возникает выращенный слой.

Влияние мощности лазерного излучения, направления иугла подачи присадочного материала

В [15] отмечается влияние мощности лазерного излучения на размеры выращенного из проволоки слоя. С увеличением мощности лазерного излучения, уменьшается высота слоя и увеличивается его ширина. Авторами работы [23] обнаружено, что при росте мощности лазерного излучения коэффициент эффективного использования порошкового материала увеличивается, вызывая увеличение ширины выращенного слоя и степени перемешивания с подложкой. Это становиться возможным благодаря увеличению количества вводимого в подложку тепла. Ученые отмечают, что по мере роста мощности лазерного излучения при прямом лазерном выращивании из порошка, высота слоя растет до тех пор, пока мощность лазерного излучения не достигнет 1,6 кВт. После этого уровень высоты выращиваемого слоя начинает падать. Оптимальная полученная исследователями мощность лазерного излучения в 1,5 кВт позволяет добиться максимальной высоты выращиваемого слоя 0,35 мм при минимальной степени перемешивания с подложкой и максимальном коэффициенте эффективного использования порошка 80 %, при скорости сканирования лазерного луча 0,005 м/с, расходе порошка 1,44 г/мин и расходе транспортного газа 4 л/мин. Мощность лазерного излучения при выращивании из проволоки по данным различных авторов варьируется от 1,2 до 3,5 кВт [24–26]. Малый размер частиц используемого порошка по сравнению с диаметром проволоки приводит к снижению уровня мощности лазерного излучения по сравнению с вариантом использования проволоки.

Мощность лазерного излучения, скорость перемещения лазерного луча, расход порошка и стратегия нанесения слоя — это основные параметры процесса, влияющие на термический цикл, микроструктуру и уровень остаточных напряжений внутри выращенного изделия [1]. Прямое лазерное выращивание из порошков отличается более высокой стабильностью толщины стенки выращиваемого изделия [22].

Влияние ориентации проволоки на капельный перенос и на качество выращенного слоя рассмотрено в [16, 27, 28, 29]. Есть три основных типа переноса металла при выращивании из проволоки: режим погруженной проволоки (проволока плавится в сварочной ванне), за счет поверхностного натяжения (постоянное расплавление металлической проволоки и постоянный струйный перенос за счет сил поверхностного натяжения) и крупнокапельный перенос. В первом случае, когда проволока погружена в ванну расплава, она расплавляется за счет тепла от сварочной ванны, а не от воздействия лазерного излучения, что позволяет стабилизировать процесс выращивания. В случае струйного переноса капель за счет сил поверхностного натяжения процесс имеет узкий диапазон по изменению параметров режима и в результате чаще образуется гладкий наплавочный валик. Режим крупнокапельного переноса металла возникает, когда лазерный луч расположен слишком далеко от проволоки. Для обеспечения благоприятного режима выращивания лазерный луч должен покрывать проволоку по всей ширине. Это условие может быть выполнено путем расфокусировки луча или быстрого его колебания на необходимую ширину [30]. Расплавление проволоки спереди иногда может приводить к отражению части лазерного излучения, что в свою очередь влияет на качество процесса выращивания. Доля отраженного излучения зависит от таких факторов, как скорость подачи проволоки и мощность лазерного излучения. Оптимальная скорость подачи проволоки для случаев подачи сзади и подачи сбоку меньше, чем для подачи спереди. Качество поверхности выращенного слоя при подаче проволоки спереди выше, чем для двух других вариантов. Именно поэтом чаще всего используется этот вариант подачи проволоки при выращивании изделий. Угол подачи присадочной проволоки при данном методе выращивания может варьироваться от 30 до 60° [12, 15]. Наивысший коэффициент захвата порошка для случая боковой подачи наблюдается во время подачи его сзади в ванну расплава по сравнению с схемами этой подачи, аналогично выращиванию из проволоки. Слои, выращенные из порошка, обычно имеют лучшую форму и стабильность размеров по длине, чем из проволоки [11].

По сравнению с выращиванием из проволоки, где чаще всего используется боковая подача присадочной проволоки, в данном методе способ подачи выбирается в зависимости от требований к процессу. Боковая подача нужна для облегчения регулирования процесса и повышения его стабильности, но при этом невозможно резко изменять направление движения технологического инструмента. Коаксиальная подача необходима для повышения производительности, многоструйная осесимметричная подача необходима для расширения интервала возможного угла наклона в пространстве выращиваемой стенки. При многоструйной осесимметричной подаче перетяжка порошковой струи остается на оси излучения даже при значительном наклоне технологической головы, а при коаксиальной подаче газопорошковый поток отклоняется от оси, что нарушает стабильность процесса формирования слоев. Это происходит из-за недостаточной скорости вылетающих из сопла частиц порошка [22].

Влияние параметров процесса ипоследующей обработки, микроструктура исвойства выращенных изделий

Оптимальная скорость подачи проволоки зависит от уровня мощности лазерного излучения. При слишком большой скорости подачи проволока не может быть полностью расплавлена и в твердом состоянии погружается в ванну расплава и плавится в ней за счет высокой температуры расплавленного металла подложки [24–26]. Высокая мощность лазерного излучения необходима для увеличения размера пятна лазерного луча при сохранении достаточной для расплавления проволоки, подающейся со скоростью от 1 до 2 м/мин плотности мощности при скоростях выращивания от 0,05 до 0,6 м/мин [24,25], в то время как расход подаваемого порошка обычно варьируется от 1,3 до 9,4 г/мин [20,31]. Площадь наплавленного слоя определяется скоростью подачи проволоки, например, соотношением скорости подачи проволоки к скорости наплавки. С увеличением соотношения скорости подачи проволоки к скорости наплавки, увеличивается площадь наплавленного слоя и его высота, но на его ширину это не оказывает существенного влияния [9].

При помощи предварительного нагрева проволоки за счет пропускания через нее электрического тока может быть повышена эффективность процесса лазерного выращивания [32]. Это снижает необходимую для расплавления проволоки мощность лазерного излучения, снижает глубину проплавления подложки. При увеличении напряжения и тока увеличивается скорость расплавления проволоки. При слишком высоком напряжении происходит колебаний тока и разбрызгивание, возникает неконтролируемое образование дугового разряда, который увеличивает линейную энергию, вызывающую чрезмерное расплавление проволоки. Подогрев проволоки способствует более однородному сварочному процессу, но также добавляет сложности, касающиеся контроля дополнительных параметров процесса. Подогрев проволоки также может быть обеспечен, например, за счет контактного нагрева. Преимущество этого метода подогрева состоит в использовании стандартного сварочного оборудования, где в подающем устройстве функция подогрева проволоки уже реализована вместе с ее подачей.

Получаемые механические свойства выращенных из проволоки изделий находятся в интервале между свойствами литого и катанного металла. Последующая термообработка выращенных изделий при температуре 600°С в течение 4 часов [4, 33] не приводит к изменению морфологии и микроструктуры, что сильно увеличивает твердость изделий из Ti-6Al-4V с 327 до 342HV [33]. Для контроля процесса выращивания используются пирометры, измеряющие температуру в хвосте ванны расплава и на предыдущем выращенном слое. По результатам измерений при необходимости в реальном времени изменяется мощность лазерного излучения [9,16]. В последние годы увеличивается количество литературных данных о результатах исследований взаимосвязи размера зерен и морфологии структуры выращенных слоев из порошков титанового сплава и последующей термической обработкой выращенного изделия, ее влияния на механические свойства изделий [34–38]. В основном используются методы горячего изостатического прессования при температуре 900°С и термической обработки при температурах до 730°С в течение 2 часов [34], что меньше по времени, чем для случая выращивания из проволоки. Микроструктура выращенных изделий состоит из направленных плоскости подложки оси столбчатых до β зерен и прослойки α фазы между выращенными слоями, претерпевающей мартенситное превращение с образованием игольчатой ά фазы [1,21]. Причем для случая выращивания из порошков возможно наличия в структуре не расплавленных частиц между слоями [4]. Горячее изостатическое прессование позволяет сохранить пластинчатую структуру, состоящую из α + β и ά фаз. Это говорит о более медленном по скорости охлаждении изделия при данной обработке. Сравнение микроструктуры образцов, полученных двумя методами, выявило ее схожесть, при небольшой пористости в образцах из порошков [15,39]. Исследователи отмечают, что правильный выбор стратегии выращивания из порошков и температуры подложки в процессе, позволяют получить изделие со свойствами, не хуже, чем при традиционных методах обработки [1,25,33,39], а при некоторых стратегиях даже выше [40,41]. Прочность образцов, выращенных поперек направления приложения нагрузки, ниже, чем образцов, выращенных вдоль направления приложенной нагрузки [1,9]. Более того, в работе [23] показано, что расход порошка при высоких значения лазерной мощности должен быть небольшим, так как при больших расходах порошка образуется столбчатая микроструктура, но при увеличении скорости сканирования лазерным лучом размер пластин из α и β фаз уменьшается, увеличивается уровень пористости.

Заключение

В работе были рассмотрены два существующих вида процесса прямого лазерного выращивания изделий из титановых сплавов из порошков и проволоки. Проведено сравнение процессов, в результате которого выявлено:

‒ Более стабильное формирование стенки изделия наблюдается при выращивании из порошка;

‒ Выше эффективность использования присадочного материала и экологичность процесса при выращивании из проволоки;

‒ Существует зависимость качества получаемого изделия от угла и направления подачи присадочного материала в обоих вариантах;

‒ Схожесть и независимость микроструктуры получаемых изделий от вида присадочного материала, но возможно присутствие в ней нерасплавленных твердых частиц в случае порошкового выращивания;

‒ Последующая термическая обработка и газостатическое прессование влияет на увеличение механических свойств в обоих случаях.

Литература:

1. Saboori A, Gallo D, Biamino S, Fino P and Lombardi M. An overview of additive manufacturing of titanium components by directed energy deposition: microstructure and mechanical properties. 2017 Appl. Sci., 7, 883; 23p, doi:10.3390/app7090883;
2. Baufeld B, Biest O, Gault R, and Ridgway K. Manufacturing Ti-6Al-4V components by Shaped Metal Deposition: Microstructure and mechanical properties. 2011, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 26, 9p, 012001 doi:10.1088/1757–899X/26/1/012001;
3. Gockel J, Beuth J. Understanding Ti-6Al-4V Microstructure Control in Additive Manufacturing via Process Maps. 2013, Solid Freeform Fabrication Proceedings, Austin, TX, 9p;
4. Razavi S M J, Bordonaro G, Ferro P, Torgersen J and Berto F. Fatigue Behavior of Porous Ti-6Al-4V Made by Laser-Engineered Net Shaping. 2018, Materials, 11, 284; 8p, doi:10.3390/ma11020284;
5. Luzin V, Hoye N. Stress in Thin Wall Structures Made by Layer Additive Manufacturing. 2016, Materials Research Proceedings 2, pp. 497–502;
6. Neikter M, Akerfeldt P, Pederson R and Antti M-L. Microstructure characterisation of Ti-6Al-4V from different additive manufacturing processes. 2017, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 258, 012007, 8p.. doi:10.1088/1757–899X/258;
7. Hinderdael M, Strantza M, De Baere D, Devesse W, De Graeve I, Terryn H and Guillaume P. Fatigue Performance of Ti-6Al-4V Additively Manufactured Specimens with Integrated Capillaries of an Embedded Structural Health Monitoring System. 2017, Materials, 10, 993, 19p; doi:10.3390/ma10090993;
8. Williams S W, Martina F, Addison A C, Ding J, Pardal G, Colegrove P. Wire + Arc Additive Manufacturing, 2016, Materials Science and Technology, 32:7, pp. 641–647;
9. Ding D, Pan Z, Cuiuri D, Li H. Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests. 2015, Int J Adv Manuf Technol 81: pp. 465–481; DOI 10.1007/s00170–015–7077–3;
10. Hoye N. Characterisation of Ti-6Al-4V deposits produced by arc-wire based additive manufacture 2015. A thesis for the award of the degree doctor of philosophy, University of Wollonggong 279pp;
11. Syed W U H, Pinkerton A J, Li L. A comparative study of wire feeding and powder feeding in direct diode laser deposition for rapid prototyping. Applied Surface Science, 2005, 247(1–4): pp. 268–276;
12. Demir A G. Micro laser metal wire deposition for additive manufacturing of thin-walled structures. 2018, Optics and Lasers in Engineering 100, pp. 9–17;
13. Miranda R M, Lopes G, Quintino L, Rodrigues J P, Williams S. Rapid prototyping with high power fiber lasers. 2008, Materials and Design 29, pp. 2072–2075;
14. Wang F et al. Laser fabrication of Ti6Al4V/TiC composites using simultaneous powder and wire feed. 2007, Mater Sci Eng A 445: pp.461–466;
15. Caiazzo F. Additive manufacturing by means of laser-aided directed metal deposition of titanium wire, 2018, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology;
16. Heralic A. Monitoring and control of robotized laser metal wire deposition, 2012, doctoral thesis, Chalmers University of Technology;
17. Brandl E, Leyens C, Palma F. Mechanical Properties of Additive Manufactured Ti-6Al-4V Using Wire and Powder Based Processes. 2011, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 26, 11p. 012004 doi:10.1088/1757–899X/26/1/012004;
18. Brandl E, Baufeld B, Leyens C, Gault R. Additive manufactured Ti-6Al-4V using welding wire: comparison of laser and arc beam deposition and evaluation with respect to aerospace material specifications. 2010, Physics Procedia 5, pp. 595–606;
19. Shishkovsky I, Missemer F, Smurov I. Direct metal deposition of functional graded structures in Ti-Al system. 2012,Physics Procedia 39, pp. 382–391;
20. Graf B, Gumenyuk A, Rethmeier M. Laser metal deposition as repair technology for stainless steel and titanium alloys. Physics Procedia 39, 2012, pp. 376–381;
21. Dinda G, Song L, Mazumder J. Fabrication of Ti-6Al-4V Scaffolds by Direct Metal Deposition. 2008, Metallurgical and Materials Transactions A, Volume 39, Issue 12, pp. 2914–2922;
22. Ставертий А. Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов. 2017, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. МГТУ им. Баумана. Москва, 153 с;
23. Mahamood R M, Akinlabi E T, Shukla M, Pityana S. Material Efficiency of Laser Metal Deposited Ti6Al4V: Effect of Laser Power. 2009, Engineering Letters, 21:1, EL_21_1_03 (Advance online publication), 5pp;
24. Baufeld B, Brandl E, Biest O. Wire based additive layer manufacturing: Comparison of microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition. 2011, Journal of Materials Processing Technology (211), pp. 1146–1158;
25. Mok S H, Bi G, Folkes J, Pashby I, Segal J. Deposition of Ti–6Al–4V using a high power diode laser and wire, Part II: Investigation on the mechanical properties. 2008, Surface & Coatings Technology (202), pp. 4613–4619;
26. Lopes G, Williams S, Miranda R M, Quintino L, Rodrigues J P. Additive manufacturing of Ti-6Al-4V based components with high power fiber lasers. 2008, Virtual and Rapid Manufacturing: Advanced Research in Virtual and Rapid manufacturing Bartolo et al.(eds), pp. 369–374;
27. Kim JD et al. Plunging method for Nd: YAG laser cladding with wire feeding. 2000, Opt Lasers Eng 33: pp. 299–309;
28. Syed WUH et al. Effects of wire feeding direction and location in multiple layer diode laser direct metal deposition. 2005, Appl Surf Sci 248: pp. 518–524;
29. Mok SH et al. Deposition of Ti–6Al–4V using a high power diode laser and wire, Part I: investigation on the process characteristics. 2008, Surf Coat Technol 202: pp. 3933–3939;
30. Torkamany M J, Kaplan A F H, Ghaini F M, Vänskä M, Salminen A, Fahlström K, Hedegård J. Wire deposition by a laser induced boiling front. 2015, Opt. Laser Technol., Volume 69, pp. 104–112;
31. Brice A, Schwendner K l, Mahaffey W, Mooret H. Fraser L. Process variable effects on laser deposited Ti-6Al-4V. Proceedings of the Tenth Solid Freeform Fabrication (SFF) Symposium, The University of Texas, pp 369–374;
32. Wei, H., Zhang, Y., Tan, L., Zhong, Z. Energy efficiency evaluation of hot-wire laser welding based on process characteristic and power consumption. 2015, J. Clean. Prod., Volume 87, pp. 255–262;
33. Brandl E et al. Morphology, microstructure, and hardness of titanium (Ti-6Al-4V) blocks deposited by wire-feed additive layer manufacturing (ALM). 2012, Mater Sci Eng A 532: pp. 295–307;
34. Kobryn, P A, Semiatin S L. Mechanical properties of laser-deposited Ti-6Al-4V. 2001, Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, TX, USA;
35. Tian X J, Zhang S Q, Li A, Wang H M. Effect of annealing temperature on the notch impact toughness of a laser melting deposited titanium alloy Ti–4Al–1.5Mn. 2010, Mater. Sci. Eng. A, 527, pp. 1821–1827;
36. Qu H P, Wang H M. Microstructure and mechanical properties of laser melting deposited γ-TiAl intermetallic alloys. 2007, Mater. Sci. Eng. A, 466, pp.187–194;
37. Liu D, Zhang S Q, Li A, Wang H M. Microstructure and tensile properties of laser melting deposited TiC/TA15 titanium matrix composites. 2009, J. Alloys Compd. 485, pp. 156–162;
38. Bontha S, Klingbeil N W, Kobryn, P A, Fraser H L. Effects of process variables and size-scale on solidification microstructure in beam-based fabrication of bulky 3D structures. 2009, Mater. Sci. Eng. A, 513, pp. 311–318;
39. Brandl E et al. Deposition of Ti–6Al–4V using laser and wire, part II: hardness and dimensions of single beads. 2011, Surf Coat Technol 206: pp. 1130–1141;
40. Zhai Y, Galarraga H, Lados D A. Microstructure Evolution, Tensile Properties, and Fatigue Damage Mechanisms in Ti-6Al-4V Alloys Fabricated by Two Additive Manufacturing Techniques. 2015, Procedia Engineering 114, pp. 658–666;
41. Sterling A, Shamsaei N, Torries B, Thompson S M. Fatigue Behaviour of Additively Manufactured Ti-6Al-4V. 2015, Procedia Engineering 133, pp. 576–589.