eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #6/2022
Е. В. Земляков, Н. Р. Алымов, А. М. Вильданов, К. Д. Бабкин, С. Ю. Иванов, Н. Г. Кислов, Д. С. Тарасов, А. С. Мятлев, А. А. Ивановский
Опыт применения лазерных и аддитивных технологий для изготовления элементов современных промышленных газотурбинных установок
Опыт применения лазерных и аддитивных технологий для изготовления элементов современных промышленных газотурбинных установок
Просмотры: 1676
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.6.436.452
Для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных производств требуется внедрение новых технологий обработки материалов. На примере изготовления газосборника камеры сгорания газотурбинной установки ГТЭ‑65.1 показаны технологические возможности современных лазерных и аддитивных технологий. Описаны основные стадии подготовки к изготовлению высокоточных заготовок методом прямого лазерного выращивания из жаропрочного никелевого сплава и нержавеющей стали и их последующей обработки. Приведены результаты металлографических исследований, механических испытаний и контроля геометрии, подтверждающие высокий уровень качества получаемых изделий. Продемонстрирована возможность комбинации аддитивных технологий, технологий лазерной сварки и резки и технологий термической, механической и электроэрозионной обработки при изготовлении технически сложных узлов и деталей.
Для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных производств требуется внедрение новых технологий обработки материалов. На примере изготовления газосборника камеры сгорания газотурбинной установки ГТЭ‑65.1 показаны технологические возможности современных лазерных и аддитивных технологий. Описаны основные стадии подготовки к изготовлению высокоточных заготовок методом прямого лазерного выращивания из жаропрочного никелевого сплава и нержавеющей стали и их последующей обработки. Приведены результаты металлографических исследований, механических испытаний и контроля геометрии, подтверждающие высокий уровень качества получаемых изделий. Продемонстрирована возможность комбинации аддитивных технологий, технологий лазерной сварки и резки и технологий термической, механической и электроэрозионной обработки при изготовлении технически сложных узлов и деталей.
Теги: additive technologies direct laser deposition gas turbine units heat-resistant nickel alloys laser technologies stainless steels аддитивные технологии газотурбинная установка жаропрочные никелевые сплавы лазерные технологии нержавеющие стали прямое лазерное выращивание
Опыт применения лазерных и аддитивных технологий для изготовления элементов современных промышленных газотурбинных установок
Е. В. Земляков 1, Н. Р. Алымов 1, А. М. Вильданов 1,
К. Д. Бабкин 1, С. Ю. Иванов 1, Н. Г. Кислов 1, Д. С. Тарасов 2, А. С. Мятлев 2, А. А. Ивановский 2
Институт лазерных и сварочных технологий
Санкт-Петербургского государственного морского
технического университета (ИЛИСТ СПбГМТУ), Санкт-Петербург, Россия
АО «Силовые машины», Санкт-Петербург, Россия
Для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных производств требуется внедрение новых технологий обработки материалов. На примере изготовления газосборника камеры сгорания газотурбинной установки ГТЭ‑65.1 показаны технологические возможности современных лазерных и аддитивных технологий. Описаны основные стадии подготовки к изготовлению высокоточных заготовок методом прямого лазерного выращивания из жаропрочного никелевого сплава и нержавеющей стали и их последующей обработки. Приведены результаты металлографических исследований, механических испытаний и контроля геометрии, подтверждающие высокий уровень качества получаемых изделий. Продемонстрирована возможность комбинации аддитивных технологий, технологий лазерной сварки и резки и технологий термической, механической и электроэрозионной обработки при изготовлении технически сложных узлов и деталей.
Ключевые слова: лазерные технологии, аддитивные технологии, прямое лазерное выращивание, газотурбинная установка, жаропрочные никелевые сплавы, нержавеющие стали
Статья получена:03.08.2022
Статья принята: 09.09.2022
1. Введение
Среди лазерных технологий обработки материалов особо выделяются технологии лазерной сварки и родственные технологии – технологии лазерной резки, наплавки и термоупрочнения. Высокая плотность энергии в зоне лазерного воздействия обеспечивает высокие скорости сварки и низкое тепловложение в материалы свариваемых деталей по сравнению с традиционными сварочными технологиями. Возможность минимизировать тепловложение особенно важна при сварке сложнолегированных суперсплавов, склонных к образованию трещин при сварке [1].
В области технологий обработки материалов отдельным классом выделяются аддитивные технологии (АТ). Их применение в высокотехнологичных отраслях промышленности растет вместе с расширением технологических возможностей аддитивных технологий. Национальный стандарт Российской Федерации (ГОСТ P 57558-2017) [2] так же, как и стандарты международной организации по стандартизации и американского общества испытаний и материалов (ISO / ASTM 52900:2015) [2], определяет семь типов аддитивных технологических процессов. Наиболее распространенными аддитивными процессами получения металлических заготовок являются процессы, основанные на прямом подводе энергии и подачи материала (directed energy deposition) и синтезе изделия на подложке (powder bed fusion).
Рациональное использование АТ обеспечивает получение уникальных эксплуатационных и массогабаритных характеристик деталей за счет внедрения новых материалов, топологически оптимизированных конструкций, возможности получения расчетных внутренних структур и каналов, объединения и укрупнения сборочных единиц и уменьшения числа последующих сварочных и сборочных операций [3]. Технологические возможности АТ позволяют значительно снизить материалоемкость производств, а также временные затраты, что особенно важно при производстве первых образцов и опытных партий. При этом необходимо отметить, что с помощью аддитивных методов, как правило, получают высокоточные заготовки, требующие определенного объема последующей обработки. Наиболее эффективные технологические процессы изготовления технически сложных и ответственных узлов и деталей строятся на комбинации аддитивных и традиционных технологических операций [4].
Основными потребителями АТ как в России, так и во всем мире являются авиационное и ракетное двигателестроение, тепловая и атомная энергетика [5].
В статье продемонстрированы возможности отечественных лазерных технологий на примере изготовления газосборника камеры сгорания газотурбинной установки ГТЭ‑65.1, разрабатываемой в настоящее время АО «Силовые машины» в кооперации с ведущими научно-исследовательскими институтами и предприятиями страны.
При создании современных промышленных газотурбинных установок (ГТУ) разработка малоэмиссионной камеры сгорания является необходимым условием для выполнения как национальных требований, так и требований международных стандартов по достижению экологических характеристик ГТУ NOx ≤ 25 ppm. Опыт ведущих мировых компаний-производителей энергетического оборудования (GE, Siemens, Alstom, Mitsubishi и др.) показал, что использование технологии сжигания бедных, заранее перемешанных топливовоздушных смесей позволяет снизить уровни эмиссии NOx более чем в десять раз. Жесткие требования по уровню эмиссии NOx привели к необходимости перехода на малоэмиссионную технологию сжигания топлив.
Для камеры сгорания ГТУ‑65.1 принята традиционная для камер сгорания стационарных ГТУ схема: трубчато-кольцевая камера сгорания с идентичными, противоточными жаровыми трубами, горелочными устройствами, корпусами и газосборниками. Количество индивидуальных горелочных блоков – 6 шт. В камере сгорания реализован способ обеспечения низкой эмиссии окислов азота за счет сжигания предварительно подготовленной бедной топливно-воздушной смеси.
Рассматриваемый в статье газосборник камеры сгорания предназначен для подачи продуктов сгорания из жаровой трубы и организации плавного перехода от шести индивидуальных горелочных блоков в общую кольцевую полость соплового аппарата первой ступени турбины. В газосборнике также происходит формирование заданного по высоте профиля температуры на входе в лопатки соплового аппарата.
Применение аддитивной технологии прямого лазерного выращивания наряду с технологиями лазерной сварки и резки и современными методами лазерного 3D-сканирования для контроля геометрии позволяет значительно сократить сроки изготовления, трудоемкость и материальные затраты по сравнению с традиционным способом изготовления методами штамповки, механической обработки и последующей сварки.
1. Теория и расчет
Газосборник камеры сгорания ГТЭ‑65.1 имеет двухстеночную конструкцию (рис. 1). Наружная оболочка изготавливается из аустенитной нержавеющей стали, остальные элементы газосборника изготавливаются из никелевого жаропрочного сплава типа Haynes‑230. Газосборник имеет следующие габариты: 670 × 389 × 634 мм. Общая масса газосборника 66 кг.
Последовательность изготовления газосборника включает в себя следующие этапы:
изготовление заготовок элементов газосборника методом прямого лазерного выращивания;
термическая обработка заготовок;
механическая обработка заготовок;
электроэррозионный прожиг отверстий в рамке;
лазерная сварка кольца входного, оболочки внутренней и рамки;
лазерная резка оболочки наружной: вырезка отверстий и разделение оболочки на «левую» и «правую».
Технология прямого лазерного выращивания (ПЛВ) позволяет изготавливать высокоточные заготовки сложнопрофильных крупногабаритных изделий из широкого спектра материалов, в том числе из никелевых, титановых, кобальтовых сплавов, сталей, бронз, а также их комбинаций [6, 7]. Основными критериями качества получаемых заготовок являются уровень механических свойств и величина максимальных отклонений от заданной геометрии (геометрическая точность).
Требуемые механические свойства для большинства материалов обеспечиваются за счет бездефектной внутренней структуры, получаемой в процессе ПЛВ с правильно подобранными режимами и стратегиями выращивания, а также за счет последующей оптимизированной термической обработки.
В процессе ПЛВ сравнительно небольшой объем изготавливаемого изделия претерпевает локальный и кратковременный нагрев до высоких температур. По мере перемещения источника теплоты нагреву подвергаются все новые объемы металла, а в ранее нагретых местах температура выравнивается. В выращиваемом изделии формируется неравномерное по объему температурное поле с большим температурным градиентом в области локального нагрева. Это вызывает в соседних участках изготавливаемых изделий разные по величине объемные изменения, которые ведут к появлению в металле внутренних усилий и образованию поля напряжений и деформаций. По мере распространения теплоты и выравнивания температуры происходит непрерывное изменение полей деформаций и напряжений. В отличие от температурного поля, которое исчезает после полного остывания конструкции, поле напряжений не исчезает, так как процесс его образования является необратимым. Поэтому после полного остывания в изделии имеются остаточные деформации и напряжения.
Точность изготовления изделий методом ПЛВ во многом определяется возможностью прогнозирования остаточных деформаций, их учета и компенсации при подготовке технологических 3D-моделей выращиваемых заготовок, генерации траекторий перемещения рабочего инструмента и подготовке управляющих программ.
Характер деформаций зависит от размеров и геометрии выращиваемого изделия. В случае массивных, жестких или осесимметричных изделий, как кольцо входное и рамка (рис. 1. поз. 1, 3), деформации проявляются в виде равномерной усадки в направлениях, перпендикулярных направлению роста. Величина усадки в первую очередь зависит от материала и сохраняется при изменении габаритов изделия. Это позволяет компенсировать деформации за счет масштабирования траектории на заранее определенный коэффициент.
Если жесткость выращиваемого изделия недостаточная для равномерного распределения напряжений, как у внутренней и наружной оболочек (рис. 1. поз. 2, 4), то они проявляются в виде крупномасштабных деформаций. Характер таких деформаций сохраняется при малом изменении геометрии выращиваемого изделия (обратный выгиб), что позволяет применять итерационный подход для увеличения точности изготовления. Подход заключается в изменении геометрии по результатам пробного выращивания с целью компенсировать обнаруженные деформации. Это позволяет с каждой итерацией увеличивать точность выращиваемого изделия вплоть до требуемых значений [8]. Надо заметить, что, ввиду большой затратности итерационного метода, на практике его комбинируют с математическим моделированием напряженно-деформированного состояния выращиваемых изделий и с определением разумных припусков с целью минимизации количества попыток для получения годной заготовки [9, 10].
Также на изделиях с малой жесткостью, таких как оболочка наружная (рис. 1. поз. 4), деформации проявляются в виде коробления, то есть потери устойчивости поверхности с образованием волн различной длины и амплитуды. На крупногабаритных изделиях величина деформации может достигать 3–5 см. В данном случае для увеличения точности выращиваемого изделия метод обратного выгиба не подходит, он только перераспределяет деформации. Такие изделия требуют изменения конструкции с целью увеличения ее жесткости, например за счет добавления ребер жесткости (стрингеров), которые предотвратят коробление и позволят использовать метод обратного выгиба. Эти элементы являются технологическими и, как правило, подлежат последующему удалению.
Процесс расчетного определения напряженно-деформированного состояния изделия в процессе ПЛВ состоит в последовательном решении связанных задач теплопроводности и термоупругопластичности [11]. Все временные промежутки между проходами разбиваются на временные шаги. Таким образом прослеживается вся кинетика изменений температуры, напряжений и деформаций. Процесс последовательного выращивания изделия учитывался с помощью следующего искусственного приема: в тех конечных элементах, в которых в текущий момент отсутствует наплавленный металл, задавались заниженные в 104 раз теплопроводность, энтальпия и модуль упругости. При решении учитывали температурные зависимости теплофизических и механических свойств материала.
Пример расчетного определения поля деформаций заготовки оболочки наружной с добавленными стрингерами показан на рис. 2. Применение численного моделирования напряженно-деформированного состояния заготовки позволило оптимизировать геометрию и расположение П-образных стрингеров, а также компенсировать возможные деформации с целью получения наименьших отклонений от заданной геометрии.
Полученная таким образом твердотельная модель использовалась для разработки технологической модели, генерации траекторий и создания управляющих программ.
При подготовке технологических моделей выращиваемых заготовок необходимо учитывать возможные деформации заготовок в последующих процессах их термической и механической обработки.
2. Оборудование и материалы
Оболочка наружная изготавливалась из металлопорошковой композиции (МПК) стали 316L. Рамка, оболочка внутренняя, кольцо входное изготавливались из жаропрочного сплава H23X-A (Haynes‑230). Химический состав используемых в работе материалов приведен в табл. 1.
Входной контроль используемых МПК проводился в соответствие с ГОСТ P 59035-2020 [14], отбор проб для входного контроля осуществляется в соответствии с ГОСТ 23148-98 [15].
Химический состав МПК и морфология частиц порошка исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira3 с системой энергодисперсионного микроанализа Aztec Live Advanced Ultim Max 65 с использованием программного обеспечения ImageJ и OriginPro8.
Металлографические исследования проводились с использованием инвертированного металлографического микроскопа Leica DMi8.
Механические испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной машине SHIMADZU AGS‑100Knx.
Контроль геометрии заготовок производился с помощью измерительной пары, состоящей из оптического 3D-сканера и трекера Metroscan Elite 750.
Изготовление заготовок элементов газосборника проводилось на установке прямого лазерного выращивания «ИЛИСТ-L» (рис. 3). Технические характеристики установки «ИЛИСТ-L» приведены в табл. 2.
Лазерная 3D-резка (отрезка заготовок от подложек, вырезка отверстий и раскрой оболочки наружной) выполнялась на универсальном роботизированном технологическом комплексе для лазерной обработки крупногабаритных деталей (рис. 4), создаваемом в рамках реализации мероприятия по оснащению лаборатории лазерных и АТ научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2020-903 от 16.11.2020 г.). Универсальный технологический комплекс строится на базе высокоточного робота Fanuc M‑800iA / 60, двухосевого наклонно-поворотного позиционера и волоконного лазером с мощностью 3 кВт.
Лазерная сварка заготовок элементов газосборника проводилась на установке «ИЛИСТ‑2ХL». Технические характеристики установки «ИЛИСТ‑2ХL» приведены в табл. 3.
Траектории и управляющие программы для роботизированной лазерной обработки заготовок элементов газосборника создавались в программном пакете Autodesk PowerMill.
3. Технологическая подготовка
Первым этапом технологической подготовки процесса ПЛВ является изготовление технологических проб для определения рабочих диапазонов режимных параметров процесса ПЛВ, обеспечивающих получение бездефектной структуры наплавляемого материала [16]. Изготовление технологических проб также является дополнительной операцией входного контроля МПК.
При изготовлении технологических проб варьируются следующие режимные параметры ПЛВ: мощность лазерного излучения, скорость перемещения рабочего инструмента, смещение между валиками (dx), шаг между слоями (dz), пауза между валиками. В табл. 4 и 5 приведены диапазоны изменения режимных параметров ПЛВ при изготовлении технологических проб из МПК стали 316L и жаропрочного никелевого сплава H23X-A соответственно.
Выбор оптимальных режимов выращивания осуществлялся на основе анализа результатов металлографических исследований изготовленных технологических проб (рис. 5, 6).
При мощностях 1 600 Вт и 1 800 Вт в образцах из стали 316L наблюдаются несплавления. Несплавления образуются в зоне перекрытий соседних валиков из-за недостатка подводимой энергии. Данный вид дефектов имеет неправильную форму в отличие от газовой пористости и характеризуется периодическим расположением в объеме материала. При мощностях свыше 2 000 Вт дефектов не обнаружено.
Аналогичная картина наблюдалась и на образцах из МПК жаропрочного никелевого сплава H23X-A.
При мощностях 1 200 Вт и 1 400 Вт и линейной скорости перемещения рабочего инструмента относительно образца в 25 мм / с в образцах наблюдаются несплавления. Повышение мощности также позволяет избавиться от несплавлений, но в отличие от нержавеющей стали в образцах из жаропрочного никелевого сплава H23X-A уже при мощности 1 800 Вт наблюдались горячие трещины [17]. Для расширения рабочих диапазонов режимных параметров, обеспечивающих бездефектную внутреннюю структуру, была проведена дополнительная серия экспериментов по изготовлению образцов с более низкой производительностью. При этом варьировались мощность, пауза между проходами, шаг между слоями, скорость наплавки, шаг между валиками.
Результаты дополнительных исследований показали, что снижение производительности процесса ПЛВ благоприятно влияет на качество выращенных образцов (рис. 7). При мощности 1100 Вт и скорости 15 мм / с видимых дефектов не наблюдается, при этом существует запас по мощности, т. к. при 1300 Вт также получилась практически бездефектная структура.
В результате проведенных экспериментов были определены рабочие технологические режимы ПЛВ из МПК стали 316L и жаропрочного никелевого сплава H23X-A (табл. 6).
Для определения механических свойств наплавляемого материала на выбранных режимах были изготовлены образцы-свидетели [18], из которых вырезались стандартные образцы для испытаний на растяжение (тип IV ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) [19]). Механические испытания проводились как на образцах без последующей термообработки, так и с термообработкой.
В табл. 7 и 8 представлены результаты механических испытаний на одноосное растяжение образцов из сплава Н23Х-А и стали 316L, соответственно.Образцы из сплава Н23Х-А без термообработки после испытаний имеют вязкий излом в продольном направлении (X) и слоистый излом в поперечном направлении (Z), что говорит о анизотропии свойств материала. Характер разрушения термически обработанных образцов вязкий и в продольном и поперечном направлении, что говорит об устранении анизотропии механических свойств с помощью правильно подобранной термической обработки. После испытаний образцов без термообработки из стали 316L характер разрушений представляет вязкий излом как в продольном (X), так и в поперечном (Z) направлении. После термической обработки сплава 316L характер разрушения не изменяется, происходит рост относительного удлинения и частичное снижение предела текучести и предела прочности за счет неполной рекристаллизации сплава и снятия внутренних напряжений.
4. Прямое лазерное выращивание заготовок
На основе результатов предварительных расчетов и технологической подготовки были сгенерированы управляющие программы для установки прямого лазерного выращивания «ИЛИСТ-L» для изготовления заготовок элементов газосборника.
Процесс прямого лазерного выращивания заготовок рамки, кольца входного, внутренней и наружной оболочек газосборника показан на рис. 8.
После выращивания был проведен контроль геометрии полученных заготовок, термическая обработка на снятие внутренних напряжений для заготовки из стали 316L и для достижения требуемых прочностных свойств для заготовок из сплава Н23Х-А. После термообработки проводился повторный контроль геометрии.
5. Обсуждение результатов
Результаты контроля геометрии выращенных заготовок представлены на рис. 9. Контроль геометрии показал, что отклонения геометрии заготовок кольца входного и рамки лежат в допустимых пределах и позволяют получить из выращенных заготовок годные детали при последующей обработке.
На заготовках внутренней и наружной оболочках были выявлены недопустимые отклонения геометрии – до 1,5 мм на внутренней оболочке и до 3,5 мм на наружной оболочке.
Для устранения обнаруженных отклонений геометрии были изменены технологические модели заготовок. С помощью обратного выгиба участков с максимальными отклонениями были скомпенсированы обнаруженные деформации. Результаты контроля геометрии заготовок, полученных в ходе повторного прямого лазерного выращивания по измененным технологическим моделям, представлены на рис. 10. Внесенные изменения позволили получить годные для последующей обработки заготовки.
Для изготовления газосборника полученные с помощью прямого лазерного выращивания заготовки были обработаны механически. Вырезка отверстий в наружной оболочке и ее разделение на две части осуществлялись с помощью роботизированной лазерной 3D-резки (рис. 11).
Объединение рамки, кольца входного и оболочки внутренней в одну сборочную единицу осуществлялось с помощью лазерной сварки (рис. 12). Предварительно в рамке был осуществлен электроэрозионный прожиг отверстий.
После финишных операций лазерной резки и лазерной сварки с помощью лазерного 3D-сканирования был проведен окончательный контроль геометрии изготовленного газосборника камеры сгорания ГТЭ‑65.1, подтвердивший его соответствие требованиям конструкторской документации.
Выводы
Технологические возможности современных лазерных и АТ позволяют значительно снизить материальные и временные затраты при разработке и изготовлении сложнопрофильных деталей для нужд высокотехнологичных производств.
При этом процесс получения высокоточных заготовок с помощью аддитивных методов многостадийный и требует проведения предварительных численных и натурных экспериментов.
Особое внимание при разработке технологий аддитивного производства крупногабаритных заготовок следует уделять вопросам прогнозирования, учета и компенсации возможных термических деформаций, возникающих как в ходе самого аддитивного процесса, так и при последующей обработке.
Высокий уровень получаемых прочностных характеристик и возможность комбинации аддитивных и традиционных технологических операций обеспечивают высокую эффективность процесса изготовления технически сложных и ответственных узлов и деталей.
Благодарность
В статье приведены результаты исследований, полученные при выполнении работ в рамках договора с АО «Силовые машины» от 01.10.2021 № 0000000002019РMO0002 / 76071 и реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет‑2030» (Соглашение о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидии от 30.09.2021 № 075-15-2021-1206, стратегический проект «Цифровые промышленные технологии»).
REFERENCES
Alireza Mirak, Behrooz Shams, Soroush Bakhshi. Dissimilar welding of Inconel 713 superalloy and AISI 4140 steel using Nd : YAG pulse laser: An investigation on the microstructure and mechanical properties. Optics and Laser Technology. 2022; 152. https://doi:10.1016/j.optlastec.2022.108143.
GOST R 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015. Additivnye tekhnologicheskie processy. Bazovye principy.
ГОСТ P 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы.
Blakey-Milner B., Gradl P., Snedden G., Brooks M., Pitot J., Lopez E., Leary M., Berto F., du Plessis A. Metal additive manufacturing in aerospace: A review. Materials & Design. 2021; 209. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008.
Korkmaz M. E., Waqar S., Garcia-Collado A., Gupta M. K., Krolczyk G. M. A technical overview of metallic parts in hybrid additive manufacturing industry. Journal of materials research and technology. 2022; 18; 384–395. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.02.085.
CHumakov D. M. Perspektivy ispol’zovaniya additivnyh tekhnologij pri sozdanii aviacionnoj i raketno-kosmicheskoj tekhniki. Trudy MAI. 2014; 78.
Чумаков Д. М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники. Труды МАИ. 2014; 78.
Mendagaliev R. V., Klimova-Korsmik O.G., Turichin G. A., Vildanov A. M. Direct energy deposition of Cu–Nb functionally graded layers for dissimilar joining titanium alloys and steels. Materials Letters. 2022; 324. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132721.
Gushchina M. O., Klimova-Korsmik O.G., Turichin G. A. Direct laser deposition of Cu–Mo functionally graded layers for dissimilar joining titanium alloys and steels. Mater. Lett. 2022; 307. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.131042.
Turichin G. A., Klimova-Korsmik O. G., Babkin K. D., Ivanov S. Y. Additive manufacturing of large parts. Additive Manufacturing. 2021; 531–568. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818411-0.00001-X.
Babkin K.; Zemlyakov E.; Ivanov S.; Vildanov A.; Topalov I.; Turichin G. Distortion prediction and compensation in direct laser deposition of large axisymmetric Ti‑6Al‑4V part. Procedia CIRP. 2020; 94; 357–361. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.145.
Golovin P. A., Vildanov A. M., Babkin K. D., Ivanov S. Y., Topalov I. K. Distortion prevention of axisymmetric parts during laser metal deposition. Journal of Physics: Conference Series. 2018; 1109; https://doi.org/10.1088/1742-6596/1109/1/012065.
Ivanov S., Artinov A., Zemlyakov E., Karpov I., Rylov S., Em V. Spatiotemporal evolution of stress field during direct laser deposition of multilayer thin wall of Ti‑6Al‑4V. Materials. 2022; 15; 263. https://doi.org/10.3390/ma15010263.
DiN 17744-2020. Wrought nickel alloys with molybdenum and chromium – Chemical composition.
ASTM A240-2015. Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications.
GOST R 59035-2020. Metalloporoshkovye kompozicii. Obshchie trebovaniya.
ГОСТ P 59035-2020. Металлопорошковые композиции. Общие требования.
GOST 23148-98 (ISO 3954-77). Poroshki, primenyaemye v poroshkovoj metallurgii. Otbor prob.
ГОСТ 23148-98 (ИСО 3954-77). Порошки, применяемые в порошковой металлургии. Отбор проб.
Vildanov, A.; Babkin, K.; Mendagaliyev, R.; Arkhipov, A.; Turichin, G. Using a Trial Sample on Stainless Steel 316L in a Direct Laser Deposition Process. Metals. 2021; 11. https://doi.org/10.3390/met11101550.
Calmungera M., Erikssonb R., Lindstrom T., Leidermarkb D. Effect of additive manufacturing on fatigue crack propagation of a gas turbine superalloy. Procedia Structural Integrity. 2019; 23; 215–220. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.01.089.
Mendagaliev R., Klimova-Korsmik O., Promakhov V., Schulz N., Zhukov A., Klimenko V., Olisov A. Heat Treatment of Corrosion Resistant Steel for Water Propellers Fabricated by Direct Laser Deposition. Materials. 2020; 13. https://doi.org/10.3390/ma13122738.
GOST 1497-84 (ISO 6892-84). METALLY. Metody ispytanij na rastyazhenie.
ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84). Металлы. Методы испытаний на растяжение.
URL: http://haynesintl.com/docs/default-source/pdfs/new-alloy-brochures/high-temperature-alloys/brochures/230‑brochure.pdf?sfvrsn=ae7229d4_86.
UNS S31603, ISO 2604-1 F59, ISO 2604-4 P57, ISO 2604-4 P58. Stainless steels AISI 316L.
АВТОРЫ
Земляков Е. В., ilwt@ilwt.smtu.ru, Институт лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (ИЛИСТ СПбГМТУ), Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0001-9594-2831
Алымов Н. Р., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0003-1066-1446
Вильданов А. М., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0002-7319-0605
Бабкин К. Д., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0003-1098-1319
Иванов С. Ю., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0002-0077-2313
Кислов Н. Г., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0002-1103-5802
Тарасов Д. С., АО «Силовые машины», Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0001-8673-7254
Мятлев А. С., АО «Силовые машины», Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0002-5300-836X
Ивановский А. А., АО «Силовые машины», Санкт-Петербург, Россия
Е. В. Земляков 1, Н. Р. Алымов 1, А. М. Вильданов 1,
К. Д. Бабкин 1, С. Ю. Иванов 1, Н. Г. Кислов 1, Д. С. Тарасов 2, А. С. Мятлев 2, А. А. Ивановский 2
Институт лазерных и сварочных технологий
Санкт-Петербургского государственного морского
технического университета (ИЛИСТ СПбГМТУ), Санкт-Петербург, Россия
АО «Силовые машины», Санкт-Петербург, Россия
Для обеспечения конкурентоспособности высокотехнологичных производств требуется внедрение новых технологий обработки материалов. На примере изготовления газосборника камеры сгорания газотурбинной установки ГТЭ‑65.1 показаны технологические возможности современных лазерных и аддитивных технологий. Описаны основные стадии подготовки к изготовлению высокоточных заготовок методом прямого лазерного выращивания из жаропрочного никелевого сплава и нержавеющей стали и их последующей обработки. Приведены результаты металлографических исследований, механических испытаний и контроля геометрии, подтверждающие высокий уровень качества получаемых изделий. Продемонстрирована возможность комбинации аддитивных технологий, технологий лазерной сварки и резки и технологий термической, механической и электроэрозионной обработки при изготовлении технически сложных узлов и деталей.
Ключевые слова: лазерные технологии, аддитивные технологии, прямое лазерное выращивание, газотурбинная установка, жаропрочные никелевые сплавы, нержавеющие стали
Статья получена:03.08.2022
Статья принята: 09.09.2022
1. Введение
Среди лазерных технологий обработки материалов особо выделяются технологии лазерной сварки и родственные технологии – технологии лазерной резки, наплавки и термоупрочнения. Высокая плотность энергии в зоне лазерного воздействия обеспечивает высокие скорости сварки и низкое тепловложение в материалы свариваемых деталей по сравнению с традиционными сварочными технологиями. Возможность минимизировать тепловложение особенно важна при сварке сложнолегированных суперсплавов, склонных к образованию трещин при сварке [1].
В области технологий обработки материалов отдельным классом выделяются аддитивные технологии (АТ). Их применение в высокотехнологичных отраслях промышленности растет вместе с расширением технологических возможностей аддитивных технологий. Национальный стандарт Российской Федерации (ГОСТ P 57558-2017) [2] так же, как и стандарты международной организации по стандартизации и американского общества испытаний и материалов (ISO / ASTM 52900:2015) [2], определяет семь типов аддитивных технологических процессов. Наиболее распространенными аддитивными процессами получения металлических заготовок являются процессы, основанные на прямом подводе энергии и подачи материала (directed energy deposition) и синтезе изделия на подложке (powder bed fusion).
Рациональное использование АТ обеспечивает получение уникальных эксплуатационных и массогабаритных характеристик деталей за счет внедрения новых материалов, топологически оптимизированных конструкций, возможности получения расчетных внутренних структур и каналов, объединения и укрупнения сборочных единиц и уменьшения числа последующих сварочных и сборочных операций [3]. Технологические возможности АТ позволяют значительно снизить материалоемкость производств, а также временные затраты, что особенно важно при производстве первых образцов и опытных партий. При этом необходимо отметить, что с помощью аддитивных методов, как правило, получают высокоточные заготовки, требующие определенного объема последующей обработки. Наиболее эффективные технологические процессы изготовления технически сложных и ответственных узлов и деталей строятся на комбинации аддитивных и традиционных технологических операций [4].
Основными потребителями АТ как в России, так и во всем мире являются авиационное и ракетное двигателестроение, тепловая и атомная энергетика [5].
В статье продемонстрированы возможности отечественных лазерных технологий на примере изготовления газосборника камеры сгорания газотурбинной установки ГТЭ‑65.1, разрабатываемой в настоящее время АО «Силовые машины» в кооперации с ведущими научно-исследовательскими институтами и предприятиями страны.
При создании современных промышленных газотурбинных установок (ГТУ) разработка малоэмиссионной камеры сгорания является необходимым условием для выполнения как национальных требований, так и требований международных стандартов по достижению экологических характеристик ГТУ NOx ≤ 25 ppm. Опыт ведущих мировых компаний-производителей энергетического оборудования (GE, Siemens, Alstom, Mitsubishi и др.) показал, что использование технологии сжигания бедных, заранее перемешанных топливовоздушных смесей позволяет снизить уровни эмиссии NOx более чем в десять раз. Жесткие требования по уровню эмиссии NOx привели к необходимости перехода на малоэмиссионную технологию сжигания топлив.
Для камеры сгорания ГТУ‑65.1 принята традиционная для камер сгорания стационарных ГТУ схема: трубчато-кольцевая камера сгорания с идентичными, противоточными жаровыми трубами, горелочными устройствами, корпусами и газосборниками. Количество индивидуальных горелочных блоков – 6 шт. В камере сгорания реализован способ обеспечения низкой эмиссии окислов азота за счет сжигания предварительно подготовленной бедной топливно-воздушной смеси.
Рассматриваемый в статье газосборник камеры сгорания предназначен для подачи продуктов сгорания из жаровой трубы и организации плавного перехода от шести индивидуальных горелочных блоков в общую кольцевую полость соплового аппарата первой ступени турбины. В газосборнике также происходит формирование заданного по высоте профиля температуры на входе в лопатки соплового аппарата.
Применение аддитивной технологии прямого лазерного выращивания наряду с технологиями лазерной сварки и резки и современными методами лазерного 3D-сканирования для контроля геометрии позволяет значительно сократить сроки изготовления, трудоемкость и материальные затраты по сравнению с традиционным способом изготовления методами штамповки, механической обработки и последующей сварки.
1. Теория и расчет
Газосборник камеры сгорания ГТЭ‑65.1 имеет двухстеночную конструкцию (рис. 1). Наружная оболочка изготавливается из аустенитной нержавеющей стали, остальные элементы газосборника изготавливаются из никелевого жаропрочного сплава типа Haynes‑230. Газосборник имеет следующие габариты: 670 × 389 × 634 мм. Общая масса газосборника 66 кг.
Последовательность изготовления газосборника включает в себя следующие этапы:
изготовление заготовок элементов газосборника методом прямого лазерного выращивания;
термическая обработка заготовок;
механическая обработка заготовок;
электроэррозионный прожиг отверстий в рамке;
лазерная сварка кольца входного, оболочки внутренней и рамки;
лазерная резка оболочки наружной: вырезка отверстий и разделение оболочки на «левую» и «правую».
Технология прямого лазерного выращивания (ПЛВ) позволяет изготавливать высокоточные заготовки сложнопрофильных крупногабаритных изделий из широкого спектра материалов, в том числе из никелевых, титановых, кобальтовых сплавов, сталей, бронз, а также их комбинаций [6, 7]. Основными критериями качества получаемых заготовок являются уровень механических свойств и величина максимальных отклонений от заданной геометрии (геометрическая точность).
Требуемые механические свойства для большинства материалов обеспечиваются за счет бездефектной внутренней структуры, получаемой в процессе ПЛВ с правильно подобранными режимами и стратегиями выращивания, а также за счет последующей оптимизированной термической обработки.
В процессе ПЛВ сравнительно небольшой объем изготавливаемого изделия претерпевает локальный и кратковременный нагрев до высоких температур. По мере перемещения источника теплоты нагреву подвергаются все новые объемы металла, а в ранее нагретых местах температура выравнивается. В выращиваемом изделии формируется неравномерное по объему температурное поле с большим температурным градиентом в области локального нагрева. Это вызывает в соседних участках изготавливаемых изделий разные по величине объемные изменения, которые ведут к появлению в металле внутренних усилий и образованию поля напряжений и деформаций. По мере распространения теплоты и выравнивания температуры происходит непрерывное изменение полей деформаций и напряжений. В отличие от температурного поля, которое исчезает после полного остывания конструкции, поле напряжений не исчезает, так как процесс его образования является необратимым. Поэтому после полного остывания в изделии имеются остаточные деформации и напряжения.
Точность изготовления изделий методом ПЛВ во многом определяется возможностью прогнозирования остаточных деформаций, их учета и компенсации при подготовке технологических 3D-моделей выращиваемых заготовок, генерации траекторий перемещения рабочего инструмента и подготовке управляющих программ.
Характер деформаций зависит от размеров и геометрии выращиваемого изделия. В случае массивных, жестких или осесимметричных изделий, как кольцо входное и рамка (рис. 1. поз. 1, 3), деформации проявляются в виде равномерной усадки в направлениях, перпендикулярных направлению роста. Величина усадки в первую очередь зависит от материала и сохраняется при изменении габаритов изделия. Это позволяет компенсировать деформации за счет масштабирования траектории на заранее определенный коэффициент.
Если жесткость выращиваемого изделия недостаточная для равномерного распределения напряжений, как у внутренней и наружной оболочек (рис. 1. поз. 2, 4), то они проявляются в виде крупномасштабных деформаций. Характер таких деформаций сохраняется при малом изменении геометрии выращиваемого изделия (обратный выгиб), что позволяет применять итерационный подход для увеличения точности изготовления. Подход заключается в изменении геометрии по результатам пробного выращивания с целью компенсировать обнаруженные деформации. Это позволяет с каждой итерацией увеличивать точность выращиваемого изделия вплоть до требуемых значений [8]. Надо заметить, что, ввиду большой затратности итерационного метода, на практике его комбинируют с математическим моделированием напряженно-деформированного состояния выращиваемых изделий и с определением разумных припусков с целью минимизации количества попыток для получения годной заготовки [9, 10].
Также на изделиях с малой жесткостью, таких как оболочка наружная (рис. 1. поз. 4), деформации проявляются в виде коробления, то есть потери устойчивости поверхности с образованием волн различной длины и амплитуды. На крупногабаритных изделиях величина деформации может достигать 3–5 см. В данном случае для увеличения точности выращиваемого изделия метод обратного выгиба не подходит, он только перераспределяет деформации. Такие изделия требуют изменения конструкции с целью увеличения ее жесткости, например за счет добавления ребер жесткости (стрингеров), которые предотвратят коробление и позволят использовать метод обратного выгиба. Эти элементы являются технологическими и, как правило, подлежат последующему удалению.
Процесс расчетного определения напряженно-деформированного состояния изделия в процессе ПЛВ состоит в последовательном решении связанных задач теплопроводности и термоупругопластичности [11]. Все временные промежутки между проходами разбиваются на временные шаги. Таким образом прослеживается вся кинетика изменений температуры, напряжений и деформаций. Процесс последовательного выращивания изделия учитывался с помощью следующего искусственного приема: в тех конечных элементах, в которых в текущий момент отсутствует наплавленный металл, задавались заниженные в 104 раз теплопроводность, энтальпия и модуль упругости. При решении учитывали температурные зависимости теплофизических и механических свойств материала.
Пример расчетного определения поля деформаций заготовки оболочки наружной с добавленными стрингерами показан на рис. 2. Применение численного моделирования напряженно-деформированного состояния заготовки позволило оптимизировать геометрию и расположение П-образных стрингеров, а также компенсировать возможные деформации с целью получения наименьших отклонений от заданной геометрии.
Полученная таким образом твердотельная модель использовалась для разработки технологической модели, генерации траекторий и создания управляющих программ.
При подготовке технологических моделей выращиваемых заготовок необходимо учитывать возможные деформации заготовок в последующих процессах их термической и механической обработки.
2. Оборудование и материалы
Оболочка наружная изготавливалась из металлопорошковой композиции (МПК) стали 316L. Рамка, оболочка внутренняя, кольцо входное изготавливались из жаропрочного сплава H23X-A (Haynes‑230). Химический состав используемых в работе материалов приведен в табл. 1.
Входной контроль используемых МПК проводился в соответствие с ГОСТ P 59035-2020 [14], отбор проб для входного контроля осуществляется в соответствии с ГОСТ 23148-98 [15].
Химический состав МПК и морфология частиц порошка исследовались с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan Mira3 с системой энергодисперсионного микроанализа Aztec Live Advanced Ultim Max 65 с использованием программного обеспечения ImageJ и OriginPro8.
Металлографические исследования проводились с использованием инвертированного металлографического микроскопа Leica DMi8.
Механические испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной машине SHIMADZU AGS‑100Knx.
Контроль геометрии заготовок производился с помощью измерительной пары, состоящей из оптического 3D-сканера и трекера Metroscan Elite 750.
Изготовление заготовок элементов газосборника проводилось на установке прямого лазерного выращивания «ИЛИСТ-L» (рис. 3). Технические характеристики установки «ИЛИСТ-L» приведены в табл. 2.
Лазерная 3D-резка (отрезка заготовок от подложек, вырезка отверстий и раскрой оболочки наружной) выполнялась на универсальном роботизированном технологическом комплексе для лазерной обработки крупногабаритных деталей (рис. 4), создаваемом в рамках реализации мероприятия по оснащению лаборатории лазерных и АТ научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2020-903 от 16.11.2020 г.). Универсальный технологический комплекс строится на базе высокоточного робота Fanuc M‑800iA / 60, двухосевого наклонно-поворотного позиционера и волоконного лазером с мощностью 3 кВт.
Лазерная сварка заготовок элементов газосборника проводилась на установке «ИЛИСТ‑2ХL». Технические характеристики установки «ИЛИСТ‑2ХL» приведены в табл. 3.
Траектории и управляющие программы для роботизированной лазерной обработки заготовок элементов газосборника создавались в программном пакете Autodesk PowerMill.
3. Технологическая подготовка
Первым этапом технологической подготовки процесса ПЛВ является изготовление технологических проб для определения рабочих диапазонов режимных параметров процесса ПЛВ, обеспечивающих получение бездефектной структуры наплавляемого материала [16]. Изготовление технологических проб также является дополнительной операцией входного контроля МПК.
При изготовлении технологических проб варьируются следующие режимные параметры ПЛВ: мощность лазерного излучения, скорость перемещения рабочего инструмента, смещение между валиками (dx), шаг между слоями (dz), пауза между валиками. В табл. 4 и 5 приведены диапазоны изменения режимных параметров ПЛВ при изготовлении технологических проб из МПК стали 316L и жаропрочного никелевого сплава H23X-A соответственно.
Выбор оптимальных режимов выращивания осуществлялся на основе анализа результатов металлографических исследований изготовленных технологических проб (рис. 5, 6).
При мощностях 1 600 Вт и 1 800 Вт в образцах из стали 316L наблюдаются несплавления. Несплавления образуются в зоне перекрытий соседних валиков из-за недостатка подводимой энергии. Данный вид дефектов имеет неправильную форму в отличие от газовой пористости и характеризуется периодическим расположением в объеме материала. При мощностях свыше 2 000 Вт дефектов не обнаружено.
Аналогичная картина наблюдалась и на образцах из МПК жаропрочного никелевого сплава H23X-A.
При мощностях 1 200 Вт и 1 400 Вт и линейной скорости перемещения рабочего инструмента относительно образца в 25 мм / с в образцах наблюдаются несплавления. Повышение мощности также позволяет избавиться от несплавлений, но в отличие от нержавеющей стали в образцах из жаропрочного никелевого сплава H23X-A уже при мощности 1 800 Вт наблюдались горячие трещины [17]. Для расширения рабочих диапазонов режимных параметров, обеспечивающих бездефектную внутреннюю структуру, была проведена дополнительная серия экспериментов по изготовлению образцов с более низкой производительностью. При этом варьировались мощность, пауза между проходами, шаг между слоями, скорость наплавки, шаг между валиками.
Результаты дополнительных исследований показали, что снижение производительности процесса ПЛВ благоприятно влияет на качество выращенных образцов (рис. 7). При мощности 1100 Вт и скорости 15 мм / с видимых дефектов не наблюдается, при этом существует запас по мощности, т. к. при 1300 Вт также получилась практически бездефектная структура.
В результате проведенных экспериментов были определены рабочие технологические режимы ПЛВ из МПК стали 316L и жаропрочного никелевого сплава H23X-A (табл. 6).
Для определения механических свойств наплавляемого материала на выбранных режимах были изготовлены образцы-свидетели [18], из которых вырезались стандартные образцы для испытаний на растяжение (тип IV ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) [19]). Механические испытания проводились как на образцах без последующей термообработки, так и с термообработкой.
В табл. 7 и 8 представлены результаты механических испытаний на одноосное растяжение образцов из сплава Н23Х-А и стали 316L, соответственно.Образцы из сплава Н23Х-А без термообработки после испытаний имеют вязкий излом в продольном направлении (X) и слоистый излом в поперечном направлении (Z), что говорит о анизотропии свойств материала. Характер разрушения термически обработанных образцов вязкий и в продольном и поперечном направлении, что говорит об устранении анизотропии механических свойств с помощью правильно подобранной термической обработки. После испытаний образцов без термообработки из стали 316L характер разрушений представляет вязкий излом как в продольном (X), так и в поперечном (Z) направлении. После термической обработки сплава 316L характер разрушения не изменяется, происходит рост относительного удлинения и частичное снижение предела текучести и предела прочности за счет неполной рекристаллизации сплава и снятия внутренних напряжений.
4. Прямое лазерное выращивание заготовок
На основе результатов предварительных расчетов и технологической подготовки были сгенерированы управляющие программы для установки прямого лазерного выращивания «ИЛИСТ-L» для изготовления заготовок элементов газосборника.
Процесс прямого лазерного выращивания заготовок рамки, кольца входного, внутренней и наружной оболочек газосборника показан на рис. 8.
После выращивания был проведен контроль геометрии полученных заготовок, термическая обработка на снятие внутренних напряжений для заготовки из стали 316L и для достижения требуемых прочностных свойств для заготовок из сплава Н23Х-А. После термообработки проводился повторный контроль геометрии.
5. Обсуждение результатов
Результаты контроля геометрии выращенных заготовок представлены на рис. 9. Контроль геометрии показал, что отклонения геометрии заготовок кольца входного и рамки лежат в допустимых пределах и позволяют получить из выращенных заготовок годные детали при последующей обработке.
На заготовках внутренней и наружной оболочках были выявлены недопустимые отклонения геометрии – до 1,5 мм на внутренней оболочке и до 3,5 мм на наружной оболочке.
Для устранения обнаруженных отклонений геометрии были изменены технологические модели заготовок. С помощью обратного выгиба участков с максимальными отклонениями были скомпенсированы обнаруженные деформации. Результаты контроля геометрии заготовок, полученных в ходе повторного прямого лазерного выращивания по измененным технологическим моделям, представлены на рис. 10. Внесенные изменения позволили получить годные для последующей обработки заготовки.
Для изготовления газосборника полученные с помощью прямого лазерного выращивания заготовки были обработаны механически. Вырезка отверстий в наружной оболочке и ее разделение на две части осуществлялись с помощью роботизированной лазерной 3D-резки (рис. 11).
Объединение рамки, кольца входного и оболочки внутренней в одну сборочную единицу осуществлялось с помощью лазерной сварки (рис. 12). Предварительно в рамке был осуществлен электроэрозионный прожиг отверстий.
После финишных операций лазерной резки и лазерной сварки с помощью лазерного 3D-сканирования был проведен окончательный контроль геометрии изготовленного газосборника камеры сгорания ГТЭ‑65.1, подтвердивший его соответствие требованиям конструкторской документации.
Выводы
Технологические возможности современных лазерных и АТ позволяют значительно снизить материальные и временные затраты при разработке и изготовлении сложнопрофильных деталей для нужд высокотехнологичных производств.
При этом процесс получения высокоточных заготовок с помощью аддитивных методов многостадийный и требует проведения предварительных численных и натурных экспериментов.
Особое внимание при разработке технологий аддитивного производства крупногабаритных заготовок следует уделять вопросам прогнозирования, учета и компенсации возможных термических деформаций, возникающих как в ходе самого аддитивного процесса, так и при последующей обработке.
Высокий уровень получаемых прочностных характеристик и возможность комбинации аддитивных и традиционных технологических операций обеспечивают высокую эффективность процесса изготовления технически сложных и ответственных узлов и деталей.
Благодарность
В статье приведены результаты исследований, полученные при выполнении работ в рамках договора с АО «Силовые машины» от 01.10.2021 № 0000000002019РMO0002 / 76071 и реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет‑2030» (Соглашение о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидии от 30.09.2021 № 075-15-2021-1206, стратегический проект «Цифровые промышленные технологии»).
REFERENCES
Alireza Mirak, Behrooz Shams, Soroush Bakhshi. Dissimilar welding of Inconel 713 superalloy and AISI 4140 steel using Nd : YAG pulse laser: An investigation on the microstructure and mechanical properties. Optics and Laser Technology. 2022; 152. https://doi:10.1016/j.optlastec.2022.108143.
GOST R 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015. Additivnye tekhnologicheskie processy. Bazovye principy.
ГОСТ P 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы.
Blakey-Milner B., Gradl P., Snedden G., Brooks M., Pitot J., Lopez E., Leary M., Berto F., du Plessis A. Metal additive manufacturing in aerospace: A review. Materials & Design. 2021; 209. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008.
Korkmaz M. E., Waqar S., Garcia-Collado A., Gupta M. K., Krolczyk G. M. A technical overview of metallic parts in hybrid additive manufacturing industry. Journal of materials research and technology. 2022; 18; 384–395. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.02.085.
CHumakov D. M. Perspektivy ispol’zovaniya additivnyh tekhnologij pri sozdanii aviacionnoj i raketno-kosmicheskoj tekhniki. Trudy MAI. 2014; 78.
Чумаков Д. М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники. Труды МАИ. 2014; 78.
Mendagaliev R. V., Klimova-Korsmik O.G., Turichin G. A., Vildanov A. M. Direct energy deposition of Cu–Nb functionally graded layers for dissimilar joining titanium alloys and steels. Materials Letters. 2022; 324. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132721.
Gushchina M. O., Klimova-Korsmik O.G., Turichin G. A. Direct laser deposition of Cu–Mo functionally graded layers for dissimilar joining titanium alloys and steels. Mater. Lett. 2022; 307. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.131042.
Turichin G. A., Klimova-Korsmik O. G., Babkin K. D., Ivanov S. Y. Additive manufacturing of large parts. Additive Manufacturing. 2021; 531–568. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818411-0.00001-X.
Babkin K.; Zemlyakov E.; Ivanov S.; Vildanov A.; Topalov I.; Turichin G. Distortion prediction and compensation in direct laser deposition of large axisymmetric Ti‑6Al‑4V part. Procedia CIRP. 2020; 94; 357–361. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.145.
Golovin P. A., Vildanov A. M., Babkin K. D., Ivanov S. Y., Topalov I. K. Distortion prevention of axisymmetric parts during laser metal deposition. Journal of Physics: Conference Series. 2018; 1109; https://doi.org/10.1088/1742-6596/1109/1/012065.
Ivanov S., Artinov A., Zemlyakov E., Karpov I., Rylov S., Em V. Spatiotemporal evolution of stress field during direct laser deposition of multilayer thin wall of Ti‑6Al‑4V. Materials. 2022; 15; 263. https://doi.org/10.3390/ma15010263.
DiN 17744-2020. Wrought nickel alloys with molybdenum and chromium – Chemical composition.
ASTM A240-2015. Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications.
GOST R 59035-2020. Metalloporoshkovye kompozicii. Obshchie trebovaniya.
ГОСТ P 59035-2020. Металлопорошковые композиции. Общие требования.
GOST 23148-98 (ISO 3954-77). Poroshki, primenyaemye v poroshkovoj metallurgii. Otbor prob.
ГОСТ 23148-98 (ИСО 3954-77). Порошки, применяемые в порошковой металлургии. Отбор проб.
Vildanov, A.; Babkin, K.; Mendagaliyev, R.; Arkhipov, A.; Turichin, G. Using a Trial Sample on Stainless Steel 316L in a Direct Laser Deposition Process. Metals. 2021; 11. https://doi.org/10.3390/met11101550.
Calmungera M., Erikssonb R., Lindstrom T., Leidermarkb D. Effect of additive manufacturing on fatigue crack propagation of a gas turbine superalloy. Procedia Structural Integrity. 2019; 23; 215–220. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.01.089.
Mendagaliev R., Klimova-Korsmik O., Promakhov V., Schulz N., Zhukov A., Klimenko V., Olisov A. Heat Treatment of Corrosion Resistant Steel for Water Propellers Fabricated by Direct Laser Deposition. Materials. 2020; 13. https://doi.org/10.3390/ma13122738.
GOST 1497-84 (ISO 6892-84). METALLY. Metody ispytanij na rastyazhenie.
ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84). Металлы. Методы испытаний на растяжение.
URL: http://haynesintl.com/docs/default-source/pdfs/new-alloy-brochures/high-temperature-alloys/brochures/230‑brochure.pdf?sfvrsn=ae7229d4_86.
UNS S31603, ISO 2604-1 F59, ISO 2604-4 P57, ISO 2604-4 P58. Stainless steels AISI 316L.
АВТОРЫ
Земляков Е. В., ilwt@ilwt.smtu.ru, Институт лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (ИЛИСТ СПбГМТУ), Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0001-9594-2831
Алымов Н. Р., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0003-1066-1446
Вильданов А. М., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0002-7319-0605
Бабкин К. Д., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0003-1098-1319
Иванов С. Ю., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0002-0077-2313
Кислов Н. Г., ИЛИСТ СПбГМТУ, Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0002-1103-5802
Тарасов Д. С., АО «Силовые машины», Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0001-8673-7254
Мятлев А. С., АО «Силовые машины», Санкт-Петербург, Россия
ORCID 0000-0002-5300-836X
Ивановский А. А., АО «Силовые машины», Санкт-Петербург, Россия
Отзывы читателей
