3D-печать становится все более популярной в медицине, автомобильной и аэрокосмической промышленности из-за возможности создавать сложные бездефектные изделия с хорошими механическими свойствами. Все чаще для аддитивного производства крупногабаритных деталей применяют технологию проволочно-дуговой наплавки. Так, например, в авиадвигателестроении можно производить многие детали для компрессора и элементов сопловой части. Но в процессе их печати возникают эффекты, которые меняют структуру и характеристики получаемых изделий, снижают качество и срок службы. Ученые Пермского Политеха разработали новый способ — лазерную проволочную наплавку с управляемым переносом металла. Создан прототип оборудования и подобраны нужные режимы наплавки никель-хромовых жаропрочных сплавов. Это позволит создавать надежные детали с минимальной необходимостью дополнительной обработки.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение» №3 за 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Проволочно-дуговая наплавка — это технологический процесс, когда вертикально действующий лазерный источник подает сбоку одну или несколько проволок, они плавятся и слой за слоем «выращивают» металлическое изделие. Технология активно развивается во всем мире благодаря почти безотходному применению материала и скорости производства. При этом для разных сплавов важно подобрать корректные режимы наплавки на 3D-принтере, иначе материал теряет свои механические свойства, становится менее прочным, неправильно формирует слой — нарушаются размеры и форма конечных деталей. Также велик риск появления на поверхности микропор, которые приводят к возникновению и распространению трещин.
Ученые Пермского Политеха разработали новый метод и изучили, как мощность лазерного излучения и скорость перемещения печатающей головки 3D-принтера влияют на качество и форму получаемого металлического слоя. На основе результатов эксперты определили предварительные режимы наплавки для никель-хромовых жаропрочных сплавов (например Inconel 718). Они отличаются высокой коррозионной стойкостью и из-за сложного химического состава считаются труднообрабатываемыми. Их применяют в оборудовании, работающем при высоких температурах или в химически агрессивных средах.
— Мы разработали уникальный метод лазерной проволочной наплавки, который позволяет печатать заготовки с минимальным припуском на последующую мехобработку. Новая технология аддитивного изготовления использует комбинированный лазерный источник тепла с управлением его распределением в наплавляемой области и переносом расправленного металла в изделие. С помощью этого оборудования мы выполнили наплавку 9 единичных образцов из никелевого сплава Inconel 718 и исследовали влияние различных факторов на их ширину и высоту. При увеличении скорости перемещения и уменьшении мощности лазерного излучения стабильность процесса ухудшается, что приводит к формированию дефектов. Также мы определили оптимальные параметры предварительного режима наплавки для аддитивного лазерно-проволочного выращивания заготовок из никелевых сплавов. Это поможет повысить прочностные характеристики деталей, — комментирует Дмитрий Трушников, профессор кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ, доктор технических наук.
Метод лазерной проволочной наплавки в 3D-печати, разработанный учеными Пермского Политеха, позволит создавать качественные металлические изделия для двигателестроительной отрасли, сохраняя механические свойства материала, заданные размеры и геометрию деталей.