eng
Выпуск #5/2024
А. Ю. Ковчик, А. М. Вильданов, Н. Р. Алымов, С. Ю. Иванов, Р. В. Мендагалиев
Применение методики компенсации остаточных деформаций при прямом лазерном выращивании крупногабаритных изделий
Применение методики компенсации остаточных деформаций при прямом лазерном выращивании крупногабаритных изделий
Просмотры: 1077
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.5.406.418
Прямое лазерное выращивание находит широкое применение в наукоемких отраслях промышленности благодаря возможности создания сложнопрофильных изделий, изготовление которых невозможно традиционными методами производства. Однако производственный процесс осложнен формированием остаточных напряжений и деформаций в изделии негативно влияющих на его качество. Поле распределения напряжений и деформаций в изделии связано с его геометрией. В данной статье представлены основные способы решения данной проблемы, описаны типовые для ПЛВ виды деформаций и методы их компенсации. Представлены результаты компенсации деформаций на примере четырех изделий различной формы, из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т и жаропрочного сплава ВЖ159.
Прямое лазерное выращивание находит широкое применение в наукоемких отраслях промышленности благодаря возможности создания сложнопрофильных изделий, изготовление которых невозможно традиционными методами производства. Однако производственный процесс осложнен формированием остаточных напряжений и деформаций в изделии негативно влияющих на его качество. Поле распределения напряжений и деформаций в изделии связано с его геометрией. В данной статье представлены основные способы решения данной проблемы, описаны типовые для ПЛВ виды деформаций и методы их компенсации. Представлены результаты компенсации деформаций на примере четырех изделий различной формы, из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т и жаропрочного сплава ВЖ159.
Теги: аддитивные технологии газотурбинная установка компенсация деформаций остаточные напряжения и деформации прямое лазерное выращивание
Применение методики компенсации остаточных деформаций при прямом лазерном выращивании крупногабаритных изделий
А. Ю. Ковчик, А. М. Вильданов, Н. Р. Алымов, С. Ю. Иванов
Институт лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (ИЛИСТ СПбГМТУ), Санкт-Петербург, Россия
Прямое лазерное выращивание находит широкое применение в наукоемких отраслях промышленности благодаря возможности создания сложнопрофильных изделий, изготовление которых невозможно традиционными методами производства. Однако производственный процесс осложнен формированием остаточных напряжений и деформаций в изделии негативно влияющих на его качество. Поле распределения напряжений и деформаций в изделии связано с его геометрией. В данной статье представлены основные способы решения данной проблемы, описаны типовые для ПЛВ виды деформаций и методы их компенсации. Представлены результаты компенсации деформаций на примере четырех изделий различной формы, из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т и жаропрочного сплава ВЖ159.
Ключевые слова: Аддитивные технологии, прямое лазерное выращивание, остаточные напряжения и деформации, газотурбинная установка, компенсация деформаций
Статья получена:18.06.2024
Статья принята:11.07.2024
Введение
Прямое лазерное выращивание (ПЛВ) – метод аддитивных технологий, основанный на послойной наплавке металлического порошка на подложку под воздействием высококонцентрированного лазерного излучения. Каждый наплавленный слой материала становится основанием для последующего, таким образом использование материала направлено исключительно на формирование изделия. Технология позволяет работать с широкой номенклатурой материалов, таких как титановые, алюминиевые, жаропрочные никелевые сплавы, а также нержавеющие стали [1]. Данный метод производства позволил изменить подход к проектированию изделий, стало возможным производство облегченных деталей, со сложной расчетной геометрией за более короткие сроки, в сравнении с традиционными методами производства. Благодаря этому прямое лазерное выращивание находит все большее применение в таких наукоемких отраслях промышленности как например: авиационное и ракетное двигателестроение, тепловая и атомная энергетика. [2].
Данные сферы промышленности требуют изготовления качественных изделий, соответствующих всем предъявляемым к ним требованиям, с минимальными издержками. Прямое лазерное выращивание любого изделия сопровождается образованием остаточных напряжений и пластических деформаций непосредственно в ходе выполнения наплавки. Производственный цикл ПЛВ представляет собой последовательность этапов (рис.1).
Пластические деформации формируются в изделии во время термического расширения материала вследствие локального воздействия высококонцентрированного лазерного излучения [3]. Остаточные напряжения образуются после пластических деформаций при кристаллизации и остывании материала. Они не исчезают с течением времени после завершения выращивания и снижают прочностные характеристики материала, поэтому изделие подвергается термообработке. Напряжения представляют собой внутренние усилия, неравномерно распределенные в изделии, они сопровождаются образованием упругих деформаций, и при их релаксации происходит изменение геометрии [4]. Устранить пластические деформации возможно путем изменения траектории наплавки так чтобы при деформации изделие приняло желаемую форму. Сложность заключается в том, что для получения достоверных данных о деформациях изделия необходимо произвести его пробное выращивание. Кроме того, после изменения траектории наплавки распределение деформаций также может измениться, что делает процесс итерационным.
Траектория выращивания определяется геометрией изделия, что делает поле распределения остаточных напряжений и деформаций уникальным. И тем не менее несколько изделий схожей формы и размеров могут иметь схожий характер деформаций, а значит решение по компенсации деформаций также может быть общим. Установив связь между геометрией изделия и характером его деформаций, получится снизить число итераций процесса ПЛВ и повысить его эффективность.
Виды деформаций и методы их компенсации
Перед описанием методов компенсаций деформаций, следует сформировать представление о характерных видах деформации. С точки зрения теории сварочных деформаций и напряжений [5], деформации делятся на две группы: «общие», которые вызывают искажения формы и размеров всего элемента, и «местные», которые распространяются на отдельные элементы конструкции. В контексте ПЛВ к общим деформациям можно отнести явление термической усадки изделия. При остывании происходит изменение объема наплавленного материала пропорционально изменению температуры, в результате линейные размеры изделия уменьшаются. Среди местных деформаций можно выделить несколько видов: седлообразные, распределенные деформации, коробление.
Величина термической усадки изделия определяется характеристиками материала. Компенсация данного явления осуществляется масштабированием геометрии на так называемый коэффициент усадки, который определяется отношением линейных размеров выращенного изделия относительно размеров целевого изделия. Методика определения коэффициента усадки представлена в источнике [6]. Компенсация усадки производится для изделий любой формы и размеров без исключения. Однако в случае с изделиями, представляющими собой тела вращения: кольца, цилиндры и т. д. масштабирование геометрии, зачастую, является единственной необходимой мерой для компенсации деформаций.
Металлическая подложка – это основа с которой начинает свой рост каждое изделие, следует отметить некоторые характерные особенности. Способ закрепления подложки может иметь критическое значение в зависимости от свойств материала и геометрии изделия. Рассмотрим два варианта закрепления: первый – подложка жестко зафиксирована на столе (рис. 2а), положение ограничено со всех сторон, второй – подложка закреплена в центре (рис. 2b), края подложки освобождены. Первый способ используется, если подложка является частью геометрии изделия, или изделие массивное, т. е. площадь наплавки слоя велика. Жесткое закрепление сопровождается высокой концентрацией напряжений в материале изделия, поэтому применяется при выращивании из пластичных материалов с высоким показателем относительного удлинения, однако необходимо также учитывать особенности геометрии изделия. Для малопластичных материалов или изделий с низкой жесткостью конструкции, как, например, тонкостенные оболочки, это может стать причиной разрушения (рис. 2а). При втором способе закрепления остаточные напряжения частично компенсируются за счет образования седловидной деформации подложки. Незафиксированные края поднимаются в направлении роста, это позволяет сохранить целостность изделия. Однако, управляющая программа не учитывает изменение формы подложки, наплавка продолжается по заданной траектории. Свободные концы подложки поднимаются быстрее чем происходит наплавка, таким образом часть геометрии изделия теряется (рис. 2b). Поэтому при выращивании с использованием деформируемой подложки в геометрию изделия добавляется увеличенный компенсационный слой, нивелирующий влияние деформаций (рис. 2c).
Компенсационный слой – сегмент, предшествующий выращиванию основного изделия, который добавляется в каждое изделие чтобы упростить процесс отрезки от подложки.
Распределенные деформации представляют собой крупные области с низким градиентом отклонений от требуемой геометрии изделия [7]. Данный вид деформаций наиболее часто встречается в изделиях, исключениями являются массивные конструкции с высокой жесткостью. Компенсация осуществляется предварительным изменением геометрии в направлении противоположном деформациям выращенного изделия (рис 3). При повторном выращивании изделия со скомпенсированной геометрией достигается желаемая форма. Чаще всего именно данный вид деформаций становится причиной дополнительных итераций процесса. Наиболее остро проблема проявляется при производстве крупногабаритных тонкостенных оболочек, для которых незначительные изменения геометрии приводят к существенным изменениям характера деформаций в виду низкой жесткости конструкций. Поэтому компенсация деформаций для данных изделий дополняется компьютерным моделированием напряженно-деформированного состояния.
Коробление или потеря устойчивости представляют собой волнообразные деформации стенки изделия с высоким градиентом отклонений от целевой геометрии. Образуется данный дефект в результате недостаточной жесткости изделия, встречается только при выращивании тонкостенных оболочек [8].
Метод компенсации, применимый для распределенных деформаций, в данном случае не эффективен. Решение данной проблемы заключается в повышении жесткости оболочки. Достигнуть этого можно несколькими способами: увеличением толщины стенки оболочки или добавлением элементов жесткости (стрингеров) на поверхности изделия. Стрингеры позволяют преобразовать коробление в распределенную деформацию, которая, как было описано ранее, компенсируется предварительным изменением геометрии изделия. Стрингеры являются технологическими элементами, по завершению изготовления их удаляют с поверхности изделия.
Применение компенсационных мер позволяет решить проблему деформаций, однако не приводит к их релаксации остаточных напряжений, поэтому после завершения технологического процесса изделие необходимо подвергнуть термической обработке.
В качестве примера применения методов компенсации деформаций являются изделия, входящие в состав газосборника камеры сгорания газотурбинной установки ГТЭ‑65.1. Полный производственный процесс комплекта изделий представлен в источнике [9]. Газосборник включает в себя 4 детали с различными типами геометрии, а также двух разнородных материалов (рис. 4). Внутренняя оболочка газосборника, рамка и кольцо изготовлены из жаропрочного сплава на основе никеля ВЖ159, внешняя оболочка газосборника – из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Внутренняя и внешняя оболочки (1, 4) представляют собой тонкостенные крупногабаритные изделия и предположительно являются легкодеформируемыми за счет невысокой жесткости конструкции. Предсказать характер и степень деформации которых затруднительно без применения расчетных методов моделирования процесса ПЛВ или пробного выращивания. Рамка (2) представляет собой толстостенное изделие с зеркальной симметрией, которое предположительно не претерпит масштабных деформаций. Кольцо (3) – жесткое изделие, состоящее из двух осесимметричных оболочек, соединенных ферменными элементами, в дополнение имеет усиления на внешней стенке, изменение геометрии кольца предполагаются главным образом вследствие термической усадки.
Оборудование и материалы
Изготовление заготовок элементов газосборника проводилось на установке прямого лазерного выращивания «ИЛИСТ-L» производства СПбГМТУ (рис. 5). Технические характеристики установки «ИЛИСТ-L» приведены в таблице. Траектории и управляющие программы для роботизированной лазерной обработки заготовок элементов газосборника создавались в программном пакете Autodesk PowerMill. Контроль геометрии заготовок производился с помощью измерительной пары, состоящей из оптического 3D сканера и трекера Metroscan Elite 750. Обратная деформация моделей изделий производилась c использованием пакета прикладных программ для технических вычислений Matlab по данным поля отклонений геометрии, полученным в программе Geomagic ControlX.
Техническая подготовка
Первым подготовительным этапом является преобразование моделей изделий в модели заготовок. В модели изделий были добавлены компенсационные слои, применены масштабные коэффициенты, в рамку и кольцо добавлены припуски под механическую обработку. На поверхность внешнего кожуха были добавлены стрингеры с толщиной стенки 2 мм с целю повышения жесткости изделия, при этом геометрия кожуха на начальном этапе не изменялась.
Для компенсации деформаций внешнего кожуха и внутренней оболочки газосборника потребовалось произвести моделирование напряженно-деформированного состояния производилось методом конечных элементов. Процесс моделирования состоял из решения задачи теплопроводности и упругопластической задачи, при этом учитывались температурные зависимости теплофизических и механических свойств, режим выращивания и последовательность наплавки слоев. Для экономии расчетного времени моделирование наплавки слоя производилось не последовательным добавлением материала с перемещением источника теплоты, а путем добавления слоя материала целиком. Как показывает практика, результаты данного решения хорошо совпадают с результатами расчета перемещения источника теплоты, при этом существенно сокращается количество расчетных шагов [10]. На рис. 6 и 7 показаны результаты моделирования напряженно-деформированного состояния изделий. Величина максимального итогового отклонения геометрии внешнего кожуха превышает 10 мм с учетом использования стрингеров (рис. 6а). Результат показал отклонение в несколько раз превышающее толщину стенки изделия, отсюда следует, что изделие не обладает достаточной жесткостью для применения обратной деформации. Обеспечения необходимой жесткости изделия удалось достигнуть за счет увеличения толщины стенки стрингеров до 4мм, также стрингеры были сгруппированы в области наибольших деформаций. В текущей конфигурации моделирование процесса показало (рис. 6b) отклонения, не превышающие 2,8 мм от поверхности стрингера и не более 2 мм от поверхности изделия, что является удовлетворительным результатом.
Добавление стрингеров на внутренний кожух не потребовалось, поскольку его собственной жесткости оказалась достаточно за счет большей толщины стенки, чтобы избежать образования коробления. Согласно результатам моделирования, максимальные отклонения геометрии внутреннего кожуха с учетом компенсации распределенных деформаций не превышает 1 мм (рис. 7). На основании полученных данных геометрия моделей заготовок внешней оболочки и внутреннего кожуха была изменена, после чего были созданы управляющие программы выращивания.
Чтобы снять остаточные напряжения изделий были отработаны режимы термической обработки для стали 12Х18Н10Т и ВЖ159. Термическая обработка внешнего кожуха требовала особого внимания. Обработка производилась, без отделения от металлической подложки, в противном случае произошло бы перераспределение напряжений, что привело бы к непредсказуемым деформациям изделия. Чтобы сохранить форму кольцевой части кожуха неизменной после термообработки был изготовлен специальный стапель также из стали марки 12Х18Н10Т (рис.8а). Стапель был установлен в изделие, как показано на (рис.8b).
Проведение эксперимента
После завершения предварительной подготовки моделей и технической подготовки было проведено прямое лазерное выращивание изделий в установке прямого лазерного выращивания ИЛИСТ-L.
Рамка – единственное изделие из представленных, характер деформаций которого был определен экспериментально. Подготовка и моделирование процесса ПЛВ рамки потенциально потребовало существенно больше времени, чем сам процесс выращивания. Согласно данным контроля геометрии была произведена обратная деформация модели изделия, составлена новая управляющая программа, после чего было выполнено повторное выращивание изделия.
Контроль геометрии внешней и внутренней оболочки показал отклонения недопустимые в указанных требованиях. Их модели заготовок были скорректированы, применением обратной деформации, после чего были составлены новые управляющие программы и произведено повторное выращивание.
Далее каждое из изделий было подвергнуто термообработке в соответствии с отработанными режимами. После ТО изделия были отделены от подложек и произведен контроль геометрии каждого из изделий.
Результаты и обсуждения
На рис. 9 и 10 показаны результаты контроля геометрии после проведения ТО рамки и кольца соответственно, пределы шкалы отклонений ±2мм. Оба изделия продемонстрировали в целом удовлетворительный результат. Максимальные отклонения рамки достигают 1, 8 мм, однако они локализованы в зонах припуска под механическую обработку, отклонения ключевых размеров не превышают 1 мм. Отклонения геометрии кольца не превышают 0,6 мм, что также является удовлетворительным результатом.
Контроль геометрии внутреннего кожуха газосборника после завершения выращивания и термообработки представлен на рис. 11, пределы шкалы отклонений ±2 мм. После отделения от подложки максимальные отклонения, не превышают 1,2 мм, в местах сборки с остальными деталями отклонения не превышают 0,5 мм.
После завершения выращивания внешний кожух газосборника был подвергнут термообработке, после чего с него были срезаны стрингеры и кожух был отделен от подложки. По завершению каждого технологического этапа, от окончания выращивания до отделения от подложки производился контроль геометрии изделия. Результаты контроля представлены на рис. 12, пределы шкалы отклонений ±5 мм. В области установки стапеля для ТО отклонения не превышают 1,2 мм, что соответствует требованиям допуска в ±2 мм, нежелательное отклонение в 2,8 мм наблюдается в основании изделия, в компенсационном слое, однако данный участок будет отделен от изделия. После удаления стрингеров и отделения от подложки геометрия изделия претерпела изменения в сравнении с результатами термообработки, это означает неполную релаксацию остаточных напряжений. Максимальные отклонения геометрии оболочки после отделения от подложки составили 3 мм, что является превышением требования допуска формы ±2 мм.
Изменение геометрии при отделении от подложки и удалении стрингеров обусловлено неполным снятием напряжения при термообработке. Таким образом, режим ТО требует корректировки.
Следует отметить, что при моделировании напряженно-деформированного состояния учитывались деформации изделий только в процессе наплавки, поэтому значения отклонений итоговой геометрии изделий и расчетных данных имеют расхождения. Однако порядок отклонений расчетной геометрии относительно итоговой не превышает ±2 мм, что говорит о жизнеспособности расчетной модели, и положительно характеризует применение компьютерного моделирования для прогнозирования и компенсации деформаций изделий при прямом лазерном выращивании.
Выводы
В зависимости от жесткости конструкции изделия меняется необходимый и достаточный объем предварительной подготовки и компенсационных мер. Кольцо, которое является примером изделия с высокой жесткостью конструкции требует только компенсации термической усадки. Внешний кожух – легкодеформируемая тонкостенная оболочка, требует комплексной подготовки с применением компьютерного моделирования.
Применение компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния изделия целесообразно для легкодеформируемых изделий, таких как тонкостенные оболочки, характер и степень деформации которых затруднительно предсказать. В комбинации с методами компенсации деформаций компьютерное моделирование позволяет снизить количество итераций процесса прямого лазерного легкодеформируемых изделий.
Технологический процесс обязательно должен предусматривать ТО изделия. Однако важно правильно подобрать параметры для ТО, в противном случае релаксация остаточных напряжений произойдет не в полном объеме, что послужит причиной образования дополнительных деформаций после отделения изделия от подложки.
Благодарность
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90206.
REFERENCES
Liu S., Shin Y. C. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review. Materials & Design. 2019; 164: 107552.
Blakey-Milner B., Gradl P., Snedden G., Brooks M. et al. Metal additive manufacturing in aerospace: A review. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008.
Li C., Liu Z., Fang X., Guo Y. Residual Stress in Metal Additive Manufacturing. Procedia CIRP 2018; 71:348–353.
Bastola N.; Jahan M. P.; Rangasamy N.; Rakurty C. S. A Review of the Residual Stress Generation in Metal Additive Manufacturing: Analysis of Cause, Measurement, Effects, and Prevention. Micromachines. 2023; 14: 1480. https://doi.org/10.3390/mi14071480.
Gatovskij K. M., Karhin V. A. Teoriya svarochnyh deformacij i napryazhenij. Izd. LKI: 1981; 12–13.
Гатовский К. М., Кархин В. А. Теория сварочных деформаций и напряжений. Изд. ЛКИ: 1981; 12–13.
Kovchik A., Babkin K., Vildanov A. Research of deformation compensation method in laser metal deposition process of 12Х18Н10Тstainless steel product. J. Phys.: Conf. Ser. 2077 012010
Babkin K. D., Zemlyakov E. V., Ivanov S. Yu. Distortion prediction and compensation in direct laser deposition of large axisymmetric Ti‑6Al‑4V part. Procedia CIRP. 2020; 94:357–361.
Vastola G., Sin W. J., C.-N. Sun N. Design guidelines for suppressing distortion and buckling in metallic thin-wall structures built by powder-bed fusion additive manufacturing. Sridhar. Materials & Design. 2022; 215.
Zemlyakov E. V., Alymov N. R., Vildanov A. M., Babkin K. D., Ivanov S. Yu., Kislov N. G., Tarasov D. S., Myatlev A. S., Ivanovsky A. A. Application of Laser and Additive Technologies in the Manufacturing of Advanced Industrial Gas Turbine Units. Photonics Russia. 2022;16(6):436–452. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2022.16.6.436.452.
Deng D., Murakawa H. Numerical simulation of temperature field and residual stress in multi-pass welds in stainless steel pipe and comparison with experimental measurements. Computational Materials Science. 2006; 37:269–277.
АВТОРЫ
Ковчик А. Ю., Институт лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (ИЛИСТ СПбГМТУ), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0001-5494-2405
Вильданов A. M., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0002-7319-0605
Алымов Н. Р., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0003-1066-1446
Иванов С. Ю., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0002-0077-2313
Мендагалиев Р. В, ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0003-4358-1995
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
А. Ю. Ковчик, А. М. Вильданов, Н. Р. Алымов, С. Ю. Иванов
Институт лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (ИЛИСТ СПбГМТУ), Санкт-Петербург, Россия
Прямое лазерное выращивание находит широкое применение в наукоемких отраслях промышленности благодаря возможности создания сложнопрофильных изделий, изготовление которых невозможно традиционными методами производства. Однако производственный процесс осложнен формированием остаточных напряжений и деформаций в изделии негативно влияющих на его качество. Поле распределения напряжений и деформаций в изделии связано с его геометрией. В данной статье представлены основные способы решения данной проблемы, описаны типовые для ПЛВ виды деформаций и методы их компенсации. Представлены результаты компенсации деформаций на примере четырех изделий различной формы, из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т и жаропрочного сплава ВЖ159.
Ключевые слова: Аддитивные технологии, прямое лазерное выращивание, остаточные напряжения и деформации, газотурбинная установка, компенсация деформаций
Статья получена:18.06.2024
Статья принята:11.07.2024
Введение
Прямое лазерное выращивание (ПЛВ) – метод аддитивных технологий, основанный на послойной наплавке металлического порошка на подложку под воздействием высококонцентрированного лазерного излучения. Каждый наплавленный слой материала становится основанием для последующего, таким образом использование материала направлено исключительно на формирование изделия. Технология позволяет работать с широкой номенклатурой материалов, таких как титановые, алюминиевые, жаропрочные никелевые сплавы, а также нержавеющие стали [1]. Данный метод производства позволил изменить подход к проектированию изделий, стало возможным производство облегченных деталей, со сложной расчетной геометрией за более короткие сроки, в сравнении с традиционными методами производства. Благодаря этому прямое лазерное выращивание находит все большее применение в таких наукоемких отраслях промышленности как например: авиационное и ракетное двигателестроение, тепловая и атомная энергетика. [2].
Данные сферы промышленности требуют изготовления качественных изделий, соответствующих всем предъявляемым к ним требованиям, с минимальными издержками. Прямое лазерное выращивание любого изделия сопровождается образованием остаточных напряжений и пластических деформаций непосредственно в ходе выполнения наплавки. Производственный цикл ПЛВ представляет собой последовательность этапов (рис.1).
Пластические деформации формируются в изделии во время термического расширения материала вследствие локального воздействия высококонцентрированного лазерного излучения [3]. Остаточные напряжения образуются после пластических деформаций при кристаллизации и остывании материала. Они не исчезают с течением времени после завершения выращивания и снижают прочностные характеристики материала, поэтому изделие подвергается термообработке. Напряжения представляют собой внутренние усилия, неравномерно распределенные в изделии, они сопровождаются образованием упругих деформаций, и при их релаксации происходит изменение геометрии [4]. Устранить пластические деформации возможно путем изменения траектории наплавки так чтобы при деформации изделие приняло желаемую форму. Сложность заключается в том, что для получения достоверных данных о деформациях изделия необходимо произвести его пробное выращивание. Кроме того, после изменения траектории наплавки распределение деформаций также может измениться, что делает процесс итерационным.
Траектория выращивания определяется геометрией изделия, что делает поле распределения остаточных напряжений и деформаций уникальным. И тем не менее несколько изделий схожей формы и размеров могут иметь схожий характер деформаций, а значит решение по компенсации деформаций также может быть общим. Установив связь между геометрией изделия и характером его деформаций, получится снизить число итераций процесса ПЛВ и повысить его эффективность.
Виды деформаций и методы их компенсации
Перед описанием методов компенсаций деформаций, следует сформировать представление о характерных видах деформации. С точки зрения теории сварочных деформаций и напряжений [5], деформации делятся на две группы: «общие», которые вызывают искажения формы и размеров всего элемента, и «местные», которые распространяются на отдельные элементы конструкции. В контексте ПЛВ к общим деформациям можно отнести явление термической усадки изделия. При остывании происходит изменение объема наплавленного материала пропорционально изменению температуры, в результате линейные размеры изделия уменьшаются. Среди местных деформаций можно выделить несколько видов: седлообразные, распределенные деформации, коробление.
Величина термической усадки изделия определяется характеристиками материала. Компенсация данного явления осуществляется масштабированием геометрии на так называемый коэффициент усадки, который определяется отношением линейных размеров выращенного изделия относительно размеров целевого изделия. Методика определения коэффициента усадки представлена в источнике [6]. Компенсация усадки производится для изделий любой формы и размеров без исключения. Однако в случае с изделиями, представляющими собой тела вращения: кольца, цилиндры и т. д. масштабирование геометрии, зачастую, является единственной необходимой мерой для компенсации деформаций.
Металлическая подложка – это основа с которой начинает свой рост каждое изделие, следует отметить некоторые характерные особенности. Способ закрепления подложки может иметь критическое значение в зависимости от свойств материала и геометрии изделия. Рассмотрим два варианта закрепления: первый – подложка жестко зафиксирована на столе (рис. 2а), положение ограничено со всех сторон, второй – подложка закреплена в центре (рис. 2b), края подложки освобождены. Первый способ используется, если подложка является частью геометрии изделия, или изделие массивное, т. е. площадь наплавки слоя велика. Жесткое закрепление сопровождается высокой концентрацией напряжений в материале изделия, поэтому применяется при выращивании из пластичных материалов с высоким показателем относительного удлинения, однако необходимо также учитывать особенности геометрии изделия. Для малопластичных материалов или изделий с низкой жесткостью конструкции, как, например, тонкостенные оболочки, это может стать причиной разрушения (рис. 2а). При втором способе закрепления остаточные напряжения частично компенсируются за счет образования седловидной деформации подложки. Незафиксированные края поднимаются в направлении роста, это позволяет сохранить целостность изделия. Однако, управляющая программа не учитывает изменение формы подложки, наплавка продолжается по заданной траектории. Свободные концы подложки поднимаются быстрее чем происходит наплавка, таким образом часть геометрии изделия теряется (рис. 2b). Поэтому при выращивании с использованием деформируемой подложки в геометрию изделия добавляется увеличенный компенсационный слой, нивелирующий влияние деформаций (рис. 2c).
Компенсационный слой – сегмент, предшествующий выращиванию основного изделия, который добавляется в каждое изделие чтобы упростить процесс отрезки от подложки.
Распределенные деформации представляют собой крупные области с низким градиентом отклонений от требуемой геометрии изделия [7]. Данный вид деформаций наиболее часто встречается в изделиях, исключениями являются массивные конструкции с высокой жесткостью. Компенсация осуществляется предварительным изменением геометрии в направлении противоположном деформациям выращенного изделия (рис 3). При повторном выращивании изделия со скомпенсированной геометрией достигается желаемая форма. Чаще всего именно данный вид деформаций становится причиной дополнительных итераций процесса. Наиболее остро проблема проявляется при производстве крупногабаритных тонкостенных оболочек, для которых незначительные изменения геометрии приводят к существенным изменениям характера деформаций в виду низкой жесткости конструкций. Поэтому компенсация деформаций для данных изделий дополняется компьютерным моделированием напряженно-деформированного состояния.
Коробление или потеря устойчивости представляют собой волнообразные деформации стенки изделия с высоким градиентом отклонений от целевой геометрии. Образуется данный дефект в результате недостаточной жесткости изделия, встречается только при выращивании тонкостенных оболочек [8].
Метод компенсации, применимый для распределенных деформаций, в данном случае не эффективен. Решение данной проблемы заключается в повышении жесткости оболочки. Достигнуть этого можно несколькими способами: увеличением толщины стенки оболочки или добавлением элементов жесткости (стрингеров) на поверхности изделия. Стрингеры позволяют преобразовать коробление в распределенную деформацию, которая, как было описано ранее, компенсируется предварительным изменением геометрии изделия. Стрингеры являются технологическими элементами, по завершению изготовления их удаляют с поверхности изделия.
Применение компенсационных мер позволяет решить проблему деформаций, однако не приводит к их релаксации остаточных напряжений, поэтому после завершения технологического процесса изделие необходимо подвергнуть термической обработке.
В качестве примера применения методов компенсации деформаций являются изделия, входящие в состав газосборника камеры сгорания газотурбинной установки ГТЭ‑65.1. Полный производственный процесс комплекта изделий представлен в источнике [9]. Газосборник включает в себя 4 детали с различными типами геометрии, а также двух разнородных материалов (рис. 4). Внутренняя оболочка газосборника, рамка и кольцо изготовлены из жаропрочного сплава на основе никеля ВЖ159, внешняя оболочка газосборника – из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Внутренняя и внешняя оболочки (1, 4) представляют собой тонкостенные крупногабаритные изделия и предположительно являются легкодеформируемыми за счет невысокой жесткости конструкции. Предсказать характер и степень деформации которых затруднительно без применения расчетных методов моделирования процесса ПЛВ или пробного выращивания. Рамка (2) представляет собой толстостенное изделие с зеркальной симметрией, которое предположительно не претерпит масштабных деформаций. Кольцо (3) – жесткое изделие, состоящее из двух осесимметричных оболочек, соединенных ферменными элементами, в дополнение имеет усиления на внешней стенке, изменение геометрии кольца предполагаются главным образом вследствие термической усадки.
Оборудование и материалы
Изготовление заготовок элементов газосборника проводилось на установке прямого лазерного выращивания «ИЛИСТ-L» производства СПбГМТУ (рис. 5). Технические характеристики установки «ИЛИСТ-L» приведены в таблице. Траектории и управляющие программы для роботизированной лазерной обработки заготовок элементов газосборника создавались в программном пакете Autodesk PowerMill. Контроль геометрии заготовок производился с помощью измерительной пары, состоящей из оптического 3D сканера и трекера Metroscan Elite 750. Обратная деформация моделей изделий производилась c использованием пакета прикладных программ для технических вычислений Matlab по данным поля отклонений геометрии, полученным в программе Geomagic ControlX.
Техническая подготовка
Первым подготовительным этапом является преобразование моделей изделий в модели заготовок. В модели изделий были добавлены компенсационные слои, применены масштабные коэффициенты, в рамку и кольцо добавлены припуски под механическую обработку. На поверхность внешнего кожуха были добавлены стрингеры с толщиной стенки 2 мм с целю повышения жесткости изделия, при этом геометрия кожуха на начальном этапе не изменялась.
Для компенсации деформаций внешнего кожуха и внутренней оболочки газосборника потребовалось произвести моделирование напряженно-деформированного состояния производилось методом конечных элементов. Процесс моделирования состоял из решения задачи теплопроводности и упругопластической задачи, при этом учитывались температурные зависимости теплофизических и механических свойств, режим выращивания и последовательность наплавки слоев. Для экономии расчетного времени моделирование наплавки слоя производилось не последовательным добавлением материала с перемещением источника теплоты, а путем добавления слоя материала целиком. Как показывает практика, результаты данного решения хорошо совпадают с результатами расчета перемещения источника теплоты, при этом существенно сокращается количество расчетных шагов [10]. На рис. 6 и 7 показаны результаты моделирования напряженно-деформированного состояния изделий. Величина максимального итогового отклонения геометрии внешнего кожуха превышает 10 мм с учетом использования стрингеров (рис. 6а). Результат показал отклонение в несколько раз превышающее толщину стенки изделия, отсюда следует, что изделие не обладает достаточной жесткостью для применения обратной деформации. Обеспечения необходимой жесткости изделия удалось достигнуть за счет увеличения толщины стенки стрингеров до 4мм, также стрингеры были сгруппированы в области наибольших деформаций. В текущей конфигурации моделирование процесса показало (рис. 6b) отклонения, не превышающие 2,8 мм от поверхности стрингера и не более 2 мм от поверхности изделия, что является удовлетворительным результатом.
Добавление стрингеров на внутренний кожух не потребовалось, поскольку его собственной жесткости оказалась достаточно за счет большей толщины стенки, чтобы избежать образования коробления. Согласно результатам моделирования, максимальные отклонения геометрии внутреннего кожуха с учетом компенсации распределенных деформаций не превышает 1 мм (рис. 7). На основании полученных данных геометрия моделей заготовок внешней оболочки и внутреннего кожуха была изменена, после чего были созданы управляющие программы выращивания.
Чтобы снять остаточные напряжения изделий были отработаны режимы термической обработки для стали 12Х18Н10Т и ВЖ159. Термическая обработка внешнего кожуха требовала особого внимания. Обработка производилась, без отделения от металлической подложки, в противном случае произошло бы перераспределение напряжений, что привело бы к непредсказуемым деформациям изделия. Чтобы сохранить форму кольцевой части кожуха неизменной после термообработки был изготовлен специальный стапель также из стали марки 12Х18Н10Т (рис.8а). Стапель был установлен в изделие, как показано на (рис.8b).
Проведение эксперимента
После завершения предварительной подготовки моделей и технической подготовки было проведено прямое лазерное выращивание изделий в установке прямого лазерного выращивания ИЛИСТ-L.
Рамка – единственное изделие из представленных, характер деформаций которого был определен экспериментально. Подготовка и моделирование процесса ПЛВ рамки потенциально потребовало существенно больше времени, чем сам процесс выращивания. Согласно данным контроля геометрии была произведена обратная деформация модели изделия, составлена новая управляющая программа, после чего было выполнено повторное выращивание изделия.
Контроль геометрии внешней и внутренней оболочки показал отклонения недопустимые в указанных требованиях. Их модели заготовок были скорректированы, применением обратной деформации, после чего были составлены новые управляющие программы и произведено повторное выращивание.
Далее каждое из изделий было подвергнуто термообработке в соответствии с отработанными режимами. После ТО изделия были отделены от подложек и произведен контроль геометрии каждого из изделий.
Результаты и обсуждения
На рис. 9 и 10 показаны результаты контроля геометрии после проведения ТО рамки и кольца соответственно, пределы шкалы отклонений ±2мм. Оба изделия продемонстрировали в целом удовлетворительный результат. Максимальные отклонения рамки достигают 1, 8 мм, однако они локализованы в зонах припуска под механическую обработку, отклонения ключевых размеров не превышают 1 мм. Отклонения геометрии кольца не превышают 0,6 мм, что также является удовлетворительным результатом.
Контроль геометрии внутреннего кожуха газосборника после завершения выращивания и термообработки представлен на рис. 11, пределы шкалы отклонений ±2 мм. После отделения от подложки максимальные отклонения, не превышают 1,2 мм, в местах сборки с остальными деталями отклонения не превышают 0,5 мм.
После завершения выращивания внешний кожух газосборника был подвергнут термообработке, после чего с него были срезаны стрингеры и кожух был отделен от подложки. По завершению каждого технологического этапа, от окончания выращивания до отделения от подложки производился контроль геометрии изделия. Результаты контроля представлены на рис. 12, пределы шкалы отклонений ±5 мм. В области установки стапеля для ТО отклонения не превышают 1,2 мм, что соответствует требованиям допуска в ±2 мм, нежелательное отклонение в 2,8 мм наблюдается в основании изделия, в компенсационном слое, однако данный участок будет отделен от изделия. После удаления стрингеров и отделения от подложки геометрия изделия претерпела изменения в сравнении с результатами термообработки, это означает неполную релаксацию остаточных напряжений. Максимальные отклонения геометрии оболочки после отделения от подложки составили 3 мм, что является превышением требования допуска формы ±2 мм.
Изменение геометрии при отделении от подложки и удалении стрингеров обусловлено неполным снятием напряжения при термообработке. Таким образом, режим ТО требует корректировки.
Следует отметить, что при моделировании напряженно-деформированного состояния учитывались деформации изделий только в процессе наплавки, поэтому значения отклонений итоговой геометрии изделий и расчетных данных имеют расхождения. Однако порядок отклонений расчетной геометрии относительно итоговой не превышает ±2 мм, что говорит о жизнеспособности расчетной модели, и положительно характеризует применение компьютерного моделирования для прогнозирования и компенсации деформаций изделий при прямом лазерном выращивании.
Выводы
В зависимости от жесткости конструкции изделия меняется необходимый и достаточный объем предварительной подготовки и компенсационных мер. Кольцо, которое является примером изделия с высокой жесткостью конструкции требует только компенсации термической усадки. Внешний кожух – легкодеформируемая тонкостенная оболочка, требует комплексной подготовки с применением компьютерного моделирования.
Применение компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния изделия целесообразно для легкодеформируемых изделий, таких как тонкостенные оболочки, характер и степень деформации которых затруднительно предсказать. В комбинации с методами компенсации деформаций компьютерное моделирование позволяет снизить количество итераций процесса прямого лазерного легкодеформируемых изделий.
Технологический процесс обязательно должен предусматривать ТО изделия. Однако важно правильно подобрать параметры для ТО, в противном случае релаксация остаточных напряжений произойдет не в полном объеме, что послужит причиной образования дополнительных деформаций после отделения изделия от подложки.
Благодарность
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90206.
REFERENCES
Liu S., Shin Y. C. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review. Materials & Design. 2019; 164: 107552.
Blakey-Milner B., Gradl P., Snedden G., Brooks M. et al. Metal additive manufacturing in aerospace: A review. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008.
Li C., Liu Z., Fang X., Guo Y. Residual Stress in Metal Additive Manufacturing. Procedia CIRP 2018; 71:348–353.
Bastola N.; Jahan M. P.; Rangasamy N.; Rakurty C. S. A Review of the Residual Stress Generation in Metal Additive Manufacturing: Analysis of Cause, Measurement, Effects, and Prevention. Micromachines. 2023; 14: 1480. https://doi.org/10.3390/mi14071480.
Gatovskij K. M., Karhin V. A. Teoriya svarochnyh deformacij i napryazhenij. Izd. LKI: 1981; 12–13.
Гатовский К. М., Кархин В. А. Теория сварочных деформаций и напряжений. Изд. ЛКИ: 1981; 12–13.
Kovchik A., Babkin K., Vildanov A. Research of deformation compensation method in laser metal deposition process of 12Х18Н10Тstainless steel product. J. Phys.: Conf. Ser. 2077 012010
Babkin K. D., Zemlyakov E. V., Ivanov S. Yu. Distortion prediction and compensation in direct laser deposition of large axisymmetric Ti‑6Al‑4V part. Procedia CIRP. 2020; 94:357–361.
Vastola G., Sin W. J., C.-N. Sun N. Design guidelines for suppressing distortion and buckling in metallic thin-wall structures built by powder-bed fusion additive manufacturing. Sridhar. Materials & Design. 2022; 215.
Zemlyakov E. V., Alymov N. R., Vildanov A. M., Babkin K. D., Ivanov S. Yu., Kislov N. G., Tarasov D. S., Myatlev A. S., Ivanovsky A. A. Application of Laser and Additive Technologies in the Manufacturing of Advanced Industrial Gas Turbine Units. Photonics Russia. 2022;16(6):436–452. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2022.16.6.436.452.
Deng D., Murakawa H. Numerical simulation of temperature field and residual stress in multi-pass welds in stainless steel pipe and comparison with experimental measurements. Computational Materials Science. 2006; 37:269–277.
АВТОРЫ
Ковчик А. Ю., Институт лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (ИЛИСТ СПбГМТУ), Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0001-5494-2405
Вильданов A. M., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0002-7319-0605
Алымов Н. Р., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0003-1066-1446
Иванов С. Ю., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0002-0077-2313
Мендагалиев Р. В, ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия.
ORCID 0000-0003-4358-1995
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Отзывы читателей
