УДК 621.791.92
DOI: 10.15587/1729-4061.2022.253473
Визначення впливу параметрів технологічного процесу електронно- променевого наплавлення на якісні показники
В. А. Матвійчук, В. М. Нестеренков, О. М. Берднікова
В статті представлено розроблену технологію та обладнання для виготов- лення методами 3D друку деталей і вузлів із заздалегідь прогнозованими власти- востями. В основі технології лежить застосування пучка електронів високої по- тужності для сплавлення металевого порошку у вакуумній камері з утворенням послідовних шарів, які повторюють контури цифрової моделі виробу.
Об’єктом досліджень є процес наплавлення виробів з порошку титанового сплаву Ti6Al4V. Мета – визначення оптимальних режимів наплавлення на основі виявлення впливу параметрів процесу на якісні показники виробів.
В результаті досліджень проаналізовано вплив технологічних параметрів на властивості виробів. Визначена оптимальна густина енергії променя 44,5 Дж/мм3. За результатами досліджень надруковано 25 експериментальних зразків. Використано три режими швидкості променя: 270, 540 та 780 мм/с.
Для кожного режиму змінювали струм динамічного фокусування від –1,2 до 1,27 А з кроком біля 0,3 А.
Проведено детальні дослідження виробів. Методом растрової електрон- ної мікроскопії вивчено морфологію поверхонь зразків в декількох зонах, а саме у центральній зоні та по контуру, встановлено параметри шорсткості мікро- рельєфу поверхонь, наявність дефектів (пор, несплавлень, мікронерівностей, включень). Встановлено, що вироби характеризуються переважно однорідним мікрорельєфом профілю. Структура поверхонь, що формується у різних зонах в залежності від технологічних режимів, відрізняється за своєю морфологією.
Встановлено режими наплавлення, які мають практичне застосування: швид- кість променю 780 мм/c; потужність 675 Вт; струм динамічного фокусування від –1,2 до 0 А. Це забезпечує мінімальні параметри мікрорельєфу поверхонь та відсутність дефектів: усадочних пор, несплавлень, а також мінімальну кіль- кість включень.
Ключові слова: електронно-променеве наплавлення, Ti6Al4V, технологічні параметри, растрова мікроскопія, шорсткість поверхні.
1. Вступ
Інноваційні технології пошарового виготовлення виробів методом швидко- го прототипування відкривають нові можливості для виробництва деталей за- даної форми з прогнозованими властивостями.
Процес створення виробів таким методом із застосуванням електронного променя відносно новий, але успішно відкрив великі перспективи для виготов- лення широкої номенклатури виробів промислового та медичного призначення.
В основу покладена операція пошарового сплавлення металів в вакуумі елект-
Not
a reprint
ронним променем. Цей підхід відрізняє швидкий перехід до виробництва три- вимірних виробів безпосередньо від системи автоматизованого проектування з можливістю використання широкого спектру металів і сплавів, в тому числі ту- гоплавких та хімічно активних.
В світі є своєчасним створення адитивних технологій вирощування виро- бів методом електронно-променевого наплавлення. Актуальним є розробка об- ладнання та програмного забезпечення до нього для реалізації адитивного ви- робництва, орієнтованого на впровадження на підприємствах авіакосмічної промисловості і турбінобудування, та для потреб біомедичної галузі.
Виробники аддитивного устаткування поставляють технологію «під ключ», тобто технологічне обладнання, номенклатуру матеріалів і режими їх обробки. Це забезпечує лише деякі із можливих характеристик міцності та які- сних властивостей одержуваних виробів, що не дозволяє повноцінно впровади- ти методи адитивних технологій у промисловість. Технологічні режими часто невідомі, бо приховані у програмному забезпеченні, що не надає виробництву гнучкості в частині можливої заміни сировини і технологічного обладнання на аналоги [1]. Тому важливими є дослідження, присвячені пошуку технологічних режимів, які забезпечують формування виробів з необхідними властивостями та з потрібної виробнику сировини.
При цьому важливим є також вирішення задачі отримання якісних виробів з точки зору забезпечення бездефектної структури при відсутності несплавлень, пор, включень, тощо, у тому числі формування поверхонь з однорідним рельєфом.
2. Аналіз літературних даних та постановка проблеми
Визначення технологічних параметрів наплавлення за адитивною елект- ронно-променевою технологією є необхідною складовою отримання виробів з потрібними властивостями [1].
В роботі [2] наведені результати досліджень впливу режимів електронно- променевого наплавлення на шорсткість поверхонь виробів з Ti6Al4V. Показано, що струм променя та функція швидкості є найважливішими параметрами оброб- ки для стратегії спрямованого сканування. Але залишилися невирішеними пи- тання, пов'язані з впливом фокусування електронного променя (зміщення фоку- су) на формування поверхні виробів.
В роботі [3] результати показали, що зміщення фокусу надавало основний вплив на шорсткість поверхні виробів, більшою мірою, ніж струм і швидкість променя. Також в роботі зазначено, що зміщення фокусу сильно вплинуло на щільність виробів, більше ніж інші параметри. Але залишилися невирішеними питання, пов'язані з впливом технологічних параметрів на формування структур поверхні виробів.
В роботі [4] зроблено спробу системно, з використанням методів математи- чного аналізу зрозуміти вплив технологічних параметрів на формування поверх- ні виробів. Але практичного застосування ця робота не має, оскільки методи ви- значення режимів наплавлення відсутні.
В роботі [5] зазначено, що якість поверхні виробу залежить від функції швидкості та зміщення фокусу. Наплавлена поверхня виробу має виглядати рів-
For reading
only
ною і гладкою, щоб отримати повністю щільні частини. Але в роботі відсутні методи визначення технологічних параметрів та режими наплавлення.
В роботі [6] стверджується, що оптимізовані параметри процесу електрон- но-променевого наплавлення виробів із титанового сплаву Ti6Al4V призводять до виготовлення деталей з аналогічними, якщо не кращими, механічними властиво- стями, ніж вироби, виготовлені з кованого металу.
Таким чином, подальша оптимізація параметрів процесу електронно- променевого наплавлення має першоступеневе значення для досягнення кращої якості поверхні виробів [7].
В роботі [4] зазначено, що на сьогоднішній день є обмежена кількість дослі- джень щодо впливу технологічних режимів на стан поверхні виробів. Тому все це дає підстави стверджувати, що доцільним є дослідити процес електронно- променевого наплавлення та визначити оптимальні технологічні параметри.
3. Ціль та задачі дослідження
Метою роботи є визначення оптимальних технологічних режимів елект- ронно-променевого наплавлення на основі виявлення впливу основних параме- трів процесу на якісні показники виробів. Це дасть можливість застосувати отримані результати для виготовлення металевих виробів адитивним методом.
Для досягнення мети були поставлені такі завдання:
– проаналізувати технологічні параметри наплавлення;
– визначити технологічні режими друку;
– виготовити дослідні зразки;
– дослідити вплив параметрів друку на структуру поверхонь виробів та на- явність дефектів.
4. Матеріали та методи дослідження 4. 1. Дослідне устаткування
Фахівцями Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона проведені дослі- дження в сфері розробки технологій та обладнання для адитивного виробництва металевих деталей. Для досліджень створений макет адитивного устаткування на базі малогабаритної установки для електронно-променевого зварювання ти- пу СВ-212М [8].
Спільно з компанією Materialise, Бельгія створена програмно-апаратна платформа управління устаткуванням, яка складається з управляючого контро- лера і пакета прикладного програмного забезпечення для реалізації адитивного виробництва [9].
Загальний вид обладнання наданий на рис. 1.
Not
a reprint
Рис. 1. Устаткування для електронно–променевого 3D друку: 1 – вакуумна ка- мера; 2 – електронно-променева гармата; 3 – шафи управління; 4 – високоволь-
тне джерело
Установка складається з малогабаритної вакуумної камери 1 з механізмами переміщення платформи, а також механізмів подачі і розподілу металевого по- рошку. До складу установки входить електронно-променева гармата 2 та високо- вольтне джерело живлення 4. Електронно-променева гармата розміщена на ва- куумній камері. Вакуумна система забезпечує величину тиску в камері до 10–
4 Торр. Елементи системи управління устаткуванням розташовані в шафах 3, де знаходяться промисловий комп'ютер, монітор, управляючий контролер, елект- роприводи, блоки управління високовольтним джерелом і вакуумною систе- мою. Високовольтне джерело 4 дозволяє отримати регульовану напругу до 60 кВ і струм пучка електронів до 100 мА.
Процес електронно-променевого наплавлення відбувається у вакуумній камері 1 (рис. 2).
3
4 2
1
For reading
only
Рис. 2. Схема вакуумної камери установки для адитивного виробництва:
1 – вакуумна камера; 2 – променева гармата; 3 – бункери; 4 – рейка;
5 – порошок; 6 – виріб; 7 – платформа; 8 – шахта; 9 – стіл
Металевий порошок насипом подається на робочий стіл 9 з бункерів 3.
Рейка 4 переміщується вздовж стола 9 та формує на поверхні палети 7 шар по- рошку необхідної товщини. В початковому положенні платформа знаходиться зверху шахти 8. Сфокусований пучок електронів, сформований електронно–
променевою гарматою 2, оплавляє поверхню порошку за заданою траєкторією.
Таким чином, відповідно до алгоритму, формуються виріб 6. Далі платформа 7 опускається і наноситься наступний шар порошку. Процес повторюється. Виріб вирощується шар за шаром.
Після побудови і охолодження деталь можна зняти з устаткування.
Потім виконують очищення виробу від нерозплавленого порошку 5, полі- рування та оздоблення поверхні деталей. Також можлива додаткова їх обробка до потрібного стандарту. Це потребує використання інших машин та інструме- нтів [10].
На створеному макеті адитивного електронно-променевого обладнання на- друковані експериментальні вироби для подальших випробувань.
Для друку зразків задіяний порошок титанового сплаву Ti6Al4V ELI виро- бництва китайської компанії Sino-Euro Materials Technologies of Xi'an Co., Ltd.
Порошок отриманий методом плазмової плавки та відцентрового розпилення (технологія PREP). Гранули порошку мають сферичну форму з мінімальними дефектами (рис. 3).
1 2
3
4 5 7 6
8 9
Not
a reprint
Рис. 3. Порошок Ti6Al4V ELI
Технологічні характеристики та хімічний склад порошку Ti6Al4V ELI надані в табл. 1, 2 [11].
Таблиця 1
Технологічні характеристики порошку Ti6Al4V ELI
Фракція, мкм 45–106
Розподіл по фракціях (PSD), мкм
D10 53–58
D50 85–90
D90 125–130
Плинність, с/50г 20–25
Щільність, г/см3 2.5–2.7
Вміст кисню, ppm 500–1800
Таблиця 2
Хімічний склад порошку Ti6Al4V ELI
Склад легуючих елементів, мас. % часток Склад домішок, мас. % часток
Al V Fe Ti C N H
5,5–6,75 3,5–4,5 ≤0,3 Баланс ≤0,08 ≤0,05 ≤0,015 Порошок PREP є найкращим для електронно-променевого адитивного виробництва [12].
4. 3. Методи досліджень
Кожен експериментальний зразок був випробуваний. Досліджено вплив параметрів друку на формування поверхні виробу.
На першому етапі випробувань досліджено шорсткість поверхні зразків.
Для цього (рис. 4) визначено параметри висоти мікронерівностей рельєфу hi (відстань між лінією западин та виступів на поверхні виробу), які утворюються під впливом електронного променя, та параметр Si – крок нерівностей виступів між вершинами.
For reading
only
Дослідження структури поверхні зразків проводили з використанням ана- літичної растрової електронної мікроскопії (РЕМ, мікроскоп SEM-515 фірми Philips, Нідерланди).
а б
Рис. 4. Зображення мікрорельєфу випробувальної поверхні:
а – схема; б – структура
Для кожного виробу проведено зйомку структури в центральній зоні та за контуром при різних збільшеннях, у тому числі з нахилом зразка для вимірю- вання параметру hi. Досліджено наявність дефектів: пор, несплавлень, вклю- чень. Проведено опис структур та вимірювання параметрів шорсткості поверхні у досліджуваних зонах. Визначено вплив технологічних режимів на утворення дефектів.
5. Результати досліджень технологічних параметрів наплавлення та їх впливу на якісні показники виробів
5. 1. Аналіз технологічних параметрів наплавлення
В процесі електронно-променевого наплавлення існує багато параметрів які можливо прямо або опосередковано змінювати. Це передбачає, що деякі па- раметри задаються при налаштуванні обладнання, а деякі змінюються автома- тично в процесі друку. До основних технологічних параметрів належать: струм променя, його фокусування і швидкість переміщення, стратегія сканування, то- вщина шару порошку [13].
Швидкість переміщення променя має зворотній вплив на кількість введеної енергії на одиницю об’єму матеріалу (густина енергії), отже швидкість суттєво впливає на мікроструктурні властивості виробу. Також важливий вплив на густи- ну енергії має стратегія сканування – крок сканування та діаметр пучка, який за- лежить від фокусування. Взаємозв’язок між цими параметрами наданий в (1) [14].
Si_
hi_
Виступи
Западини
Si hi
Not
a reprint
,
E P
S l h (1)
де E – густина енергії, Дж/мм3;
Р – потужність електронного променя, Вт;
S – швидкість переміщення променя, мм/с.
l – крок зміщення траєкторії, мм;
h – товщина шару наплавлення, мм.
Потужність електронного променя визначається за рівнянням:
,
P U I (2)
де Р – потужність електронного променя, Вт;
U – прискорююча напруга електронно–променевої гармати, кВ;
I – струм електронного променя, мА.
Струм променя має прямий зв’язок із введеною енергією (1), (2) і може до- сягати максимуму 100 мА. Зв'язок між струмом променя та швидкістю скану- вання дуже важливий для наплавлення через їх значний вплив на усунення де- фектів і визначення зеренності структури [15].
Фокусування електронного променя залежить від струму в котушках ста- тичного і динамічного фокусування променевої гармати. При побудові виробу струм в котушці статичного фокусування не змінний, для корекції фокусу заді- яна котушка динамічного фокусування. Зміщення фокусу відбувається залежно від струму фокусування та його напрямку, що істотно впливає на геометрію ро- зплавлених доріжок.
Схематична ілюстрація зміщення фокусу надана на рис. 5.
а б в
Рис. 5. Схематична ілюстрація зміщення фокусу: а – фокальна точка над плат- формою; б – фокальна точка на платформі; в – фокальна точка під платформою
На розмір променевої плями впливає положення фокальної точки. Вона може бути вище платформи (a), на платформі (б) або нижче платформи (c), та в більшості залежить від струму динамічного фокусування. Струм може мати не- гативне або позитивне значення та змінюватися від –2,0 до 2,0 А.
Електронна
гармата Електронна
гармата
Електронна гармата Променева
пляма
Фокальна точка
Променева пляма
Фокальна точка
Фокальна точка Платформа
Платформа Платформа
For reading
only
Схематична ілюстрація зміщення траєкторії надана на рис. 6.
а
б
в
Рис. 6. Схематична ілюстрація: а – зміщення траєкторії; б – області перекриття з меншим зміщенням траєкторії; в – області накладання з більшим зміщенням
траєкторії
Зміщення траєкторії визначає відстань між двома сусідніми проходами сканування променя (рис. 6, а). Оптимізація цього параметра є одним із підхо- дів до зменшення кількості пор. Зменшивши до деякої міри величину зміщення
Зміщення траєкторії
Зона скану- вання Контур
Нерозплавлений порошок
Зміщення траєкторії Траєкторія сканування
Зміщення траєкторії
Not
a reprint
траєкторії, можна покращити перекриття між двома сусідніми проходами, що зменшує ризик присутності нерозплавленого порошку у виробі. Навпаки, для більшого параметра зміщення траєкторії ризик появи нерозплавленого порошку у нижній частині області перекриття може бути високим (рис. 6, б, в) [16].
Вибір траєкторії переміщення електронного променя під час наплавлення називається стратегією сканування, яку можна використовувати як інструмент для оптимізації структури виробу [17]. Можуть застосовуватися різні стратегії сканування (рис. 7), які включають односпрямоване, двоспрямоване (змійчасте) та точкове плавлення.
а б в
Рис. 7. Стратегії сканування: а – односпрямоване; б – двоспрямоване (змійчас- те); в – точкове плавлення
У разі одно- або двоспрямованої стратегії, зазвичай застосовують обертан- ня напрямку сканування під заздалегідь визначеним кутом між кожним шаром.
Крім того, для конкретної стратегії сканування швидкість променя і струм по- винні бути оптимізовані.
5. 2. Визначення технологічних режимів друку
Важливим етапом досліджень є визначення технологічних параметрів дру- ку. Для цього необхідно отримати режими електронного променя: потужність, швидкість переміщення, струм фокусування. Також потрібно винайти техноло- гічні параметри: товщину шару наплавлення, стратегію сканування, діаметр променя, крок зміщення траєкторії друку.
Товщину шару наплавлення встановлено 0,1 мм, що дорівнює максималь- ному розміру гранул порошку Ti6Al4V ELI. Гранулометричний склад наданий в табл. 1.
Діаметр пучка електронів становить 0,25 мм для струму фокусування про- меневої гармати 570 мА. Струм фокусування винайдений експериментально, шляхом впливу електронного променя на мішень із міді. Знайдено фокусуван- ня, яке відповідає найменшому діаметру плями променя на платформі, де ви- рощується виріб. Методом сканування вольфрамового дроту визначено ефекти- вний діаметр пучка електронів.
Крок зміщення траєкторії прийнятий 0,2 мм, що забезпечує достатнє її пе- рекриття при переміщенні електронного променя.
For reading
only
Далі необхідно визначити параметри швидкості переміщення променя та його потужність.
Оскільки ці параметри залежать від властивостей сировини (порошку Ti6Al4V ELI), то була проведена серія експериментів з наплавлення виробів за різними технологічними режимами. Фото отриманих зразків надане на рис. 8.
Рис. 8. Експериментальні зразки
В результаті експериментів отримані вироби з необхідною структурою по- верхні (рис. 9) та знайдені оптимальні режими наплавлення (табл. 3), які відпо- відають малій (240 мм/с), середній (540 мм/с) та великій (780 мм/с) швидкості переміщення променя.
а б в
Рис. 9. Зразки виробів: а – зразок № 1; б – зразок № 2; в – зразок № 3 Таблиця 3
Технологічні режими друку зразків
Номер зразка Параметри променя
Швидкість, мм/с Потужність, Вт
1 240 270
2 540 495
3 780 675
Not
a reprint
За результатами експерименту обраховано оптимальне співвідношення між швидкістю переміщення променя та його потужністю (рис. 10), створена функ- ція швидкості. В межах цієї функції із порошку Ti6Al4V ELI забезпечується ви- сока якість виробів.
Рис. 10. Функція швидкості для порошку Ti6Al4V ELI
Співвідношення між потужністю та швидкістю переміщення променя ви- значено рівнянням:
0,75 90,
P S (3)
де Р – потужність електронного променя, Вт;
S – швидкість переміщення, мм/с.
За (1) обраховано густину енергії яку необхідно ввести на одиницю об’єму матеріалу для формування шару наплавлення.
Оптимальне значення густини енергії необхідної для побудови виробу (зразок № 2, рис. 8) з порошку Ti6Al4V ELI відповідно до табл. 3, становить:
3
495 Вт Дж
45,8 ,
мм мм
540 0, 2 мм 0,1 мм с
E
(4)
де 495 Вт – потужність променя; 540 мм/с – швидкість його переміщення;
0,2 мм – крок зміщення траєкторії; 0,1 мм – товщина шару порошку.
Розрахункове значення густини енергії для інших режимів наплавлення надане в табл. 4.
Середнє значення густини енергії (табл. 4), необхідної для формування ви- робів із порошку Ti6Al4V ELI, становить:
3
44,5 Дж .
мм
E (5)
y=0,75x+90
0 100 200 300 400 500 600 700 800
240 540 780
Потужність променя, Вт
Швидкість сканування, мм/с
For reading
only
Параметри друку: густина енергії, швидкість променя, його потужність є ос- новою для подальших розрахунків технологічних режимів наплавлення виробів.
Таблиця 4
Густина енергії для порошку Ti6Al4V ELI
№
п/п Потужність
променя, Вт Швидкість перемі-
щення, мм/с Зміщення траєк-
торії, мм Товщина
шару, мм Густина енергії, Дж/мм3
1 240 270 0,2 0,1 44,4
2 495 540 0,2 0,1 45,8
3 675 780 0,2 0,1 43,3
Середнє значення 44,5
5. 3. Виготовлення дослідних зразків
Із порошку титанового сплаву Ti6Al4V ELI для подальших випробувань надруковано 25 дослідних зразків (рис. 11).
Вироби мають прямокутну форму розміром 24×24 мм та висотою 10 мм, з яких 5 мм складають технологічні опори і 5 мм тіло виробу.
Параметри друку наведені в табл. 5.
Таблиця 5
Технологічні режими наплавлення зразків Номер зраз-
ка
Параметри променя Струм динамічного фо- кусування, А Швидкість, мм/с Потужність, Вт
1 780 675 –0,9
2 780 675 –0,61
3 240 270 –0,9
4 540 495 –0,31
5 540 495 –0,61
6 780 675 –1,2
7 540 495 1,27
8 240 270 –0,61
9 780 675 –0,31
10 780 675 0,33
11 540 495 0,96
12 540 495 0,65
13 240 270 –0,31
14 240 270 0,33
15 240 270 0,65
16 780 675 0,65
17 780 675 0
18 240 270 –1,2
19 540 495 –0,9
20 540 495 –1,2
21 780 675 1,27
22 780 675 0,96
23 240 270 0
24 540 495 0
25 540 495 0,33
Not
a reprint
Рис. 11. Дослідні зразки
Для друку задіяли технологічні параметри: густина енергії 44,5 Дж/мм3; крок зміщення траєкторії променя 0,2 мм; товщина шару порошку 0,1 мм; стра- тегія сканування – двоспрямована з обертанням напрямку на 90° для кожного шару.
За (1) визначені швидкість переміщення променя та його потужність.
5. 4. Дослідження впливу параметрів друку на структуру поверхонь виробів та наявність дефектів
Досліджено зразки виробів, що надруковані на трьох технологічних режи- мах друку (табл. 3). Для кожного із виробів змінним параметром був струм ди- намічного фокусування (Idf), який змінювався від –1,2 А до 1,27 А (табл. 5).
Характерні мікроструктури поверхні зразків для третього режиму друку (табл. 3) наведено на рис. 12.
1
9 10 7 8
6
4 5 2 3
13 11 12
19 17 18
16
15 14
22 23 21
20
24 25
For reading
only
а б в
г д є
ж з і
Рис. 12. Рельєф поверхні (×120) у різних зонах виробів при швидкості променю 780 мм/с та потужності 675 Вт в залежності від струму динамічного фокусу- вання (Idf): а – у центральній зоні при Idf=-1,2 А (зразок № 6); б – у зоні конту-
ру з одного боку при Idf=-1,2 А (зразок № 6); в – у зоні контуру з іншого боку при Idf=-1,2 А (зразок № 6); г – у центральній зоні при Idf=0 А (зразок № 17);
д – у зоні контуру з одного боку при Idf=0 А (зразок № 17); є – у зоні контуру з іншого боку при Idf=0 А (зразок № 17); ж – у центральній зоні при Idf=1,27 А
(зразок № 21); з – у зоні контуру з одного боку при Idf=1,27 А (зразок № 21);
і – у зоні контуру з іншого боку при Idf=1,27 А (зразок № 21)
Для виробів, що надруковані із швидкістю переміщення електронного променя 780 мм/с та потужністю 675 Вт (№1, 2, 6, 9, 10, 16, 17, 21, 22, табл. 5),
Not
a reprint
встановлено наступне. У зонах контуру зразків у порівнянні з центральною зо- ною виробів (рис. 12, а–є), крім режимів при Idf: 0,65 та 1,27 А (рис. 12, ж–і), спостерігається збільшення параметру Si.
Така ж тенденція зберігається і для параметра висоти мікронерівностей ре- льєфу (hi). Максимальні значення Si у центральній зоні зразків характерні для виробів, які отриманні зі струмом динамічного фокусування Idf:
0,33; 0,65; 1,27 А (рис. 12, ж, рис. 13, а). Найменші значення Si у центральній зоні спостерігаються для режимів Idf: –1,2 (рис. 12, а); –0,9; –0,61; –0,31; 0 (рис. 12, г) та 0,96 А. При цьому мінімальна висота мікрорельєфу (hi) забезпечу- ється при Idf: –1,2; –0,9; –0,61; 0 А (рис. 12, г–є, рис. 13, б).
а
б
Рис. 13. Параметри мікрорельєфу поверхні у центральній зоні зразків при шви- дкості променю 780 мм/с та потужності 675 Вт: а – крок нерівностей виступів
між вершинами (Si); б – висота мікронерівностей рельєфу (hi)
Також для поверхонь виробів характерна наявність таких дефектів, як мік- ронерівності, усадочні пори, несплавлення (в зоні контуру) і оплавлені ділянки (на межі контуру зразків). Відсутність усадочних пор та несплавлень характер-
0 100 200 300 400 500
6 1 2 9 17 10 16 22 21
Si, мкм
Si (min) Si (max) № зразка
0 100 200 300 400 500
6 1 2 9 17 10 16 22 21
hi, мкм
hi (min) hi (max) № зразка
For reading
only
на для зразків, які отримані за режимами Idf: –0,61; –0,31 А. Поодинокі пори спостерігаються у центральній зоні виробів, що отримані за режимами Idf: –1,2;–0,9 А. Найбільша, але не значна, кількість усадочних пор спостеріга- ється у зразках, які отримані за режимами Idf: 0,65; 0,96; 1,27 А.
Аналогічні дослідження були проведені для всіх зразків виробів, що на- друковані (табл. 5).
Аналіз експериментальних досліджень мікроструктури поверхонь методом РЕМ, а також статистичні результати вимірювань параметрів мікронерівностей поверхні профілю досліджуваних зразків дозволили зробити узагальнення отриманих результатів. Встановлено, що вироби характеризуються переважно однорідним мікрорельєфом профілю поверхонь.
Вироби, які надруковані із швидкістю переміщення електронного променя 780 мм/с та потужністю 675 Вт характеризуються однорідним мікрорельєфом профілю поверхні та одиничними дефектами у вигляді усадочних пор та невели- ких несплавлень (у зоні контуру). Мінімальні параметри мікрорельєфу поверхонь (hi та Si) забезпечуються при Idf: –1,2; –0,9; –0,61; 0 А (рис. 13). Відсутність усадо- чних пор та несплавлень забезпечується при режимах: 0,61; –0,31 А, одиничні по- ри спостерігаються у зразках, отриманих на режимах Idf: –1,2; –0,9 А.
Мінімальні параметри мікрорельєфу поверхонь (hi та Si) виробів, які на- друковані із швидкістю переміщення електронного променя 540 мм/с та потуж- ністю 495 Вт забезпечуються при Idf: –0,61; –0,31; 0; 0,33; 0,65 А (рис. 14).
а 0
100 200 300 400 500
20 19 5 4 24 25 12 11 7
Si, мкм
Si (min)
Not
Si (max) № зразкаa reprint
б
Рис. 14. Параметри рельєфу поверхні у центральній зоні зразків при швидкості променю 540 мм/с та потужності 495 Вт: а – крок нерівностей виступів між ве-
ршинами (Si); б – висота мікронерівностей рельєфу (hi)
Вироби характеризуються також однорідним мікрорельєфом профілю по- верхні за наявності включень, незначних мікронерівностей хвилеподібного ха- рактеру та невеликих ділянок з несплавленнями (в зоні контуру). Одиничні по- ри спостерігаються у зразках, отриманих на режимах: Idf: 0; 1,27 А.
Вироби, що отримані зі швидкістю переміщення електронного променя 240 мм/с та потужністю 270 Вт характеризуються як однорідним мікрорельє- фом профілю поверхні з одиничними дефектами, так і наявністю неоднорідного рельєфу. На поверхні виробів з неоднорідним рельєфом спостерігається велика кількість усадочних пор та несплавлень.
Мінімальні показники параметрів висоти мікронерівностей рельєфу hi при приблизно однакових значеннях Si характерні для режимів Idf: –1,2 А; –0,9 А; – 0,31 А; 0,33 А (рис. 15).
а 0
100 200 300 400 500
20 19 5 4 24 25 12 11 7
hi, мкм
hi (min) hi (max) № зразка
0 100 200 300 400 500
18 3 8 13 23 14 15
Si, мкм
Si (min) Si (max) № зразка
For reading
only
б
Рис. 15. Параметри рельєфу поверхні у центральній зоні зразків при швидкості променю 240 мм/с та потужності 270 Вт: а – крок нерівностей виступів між ве-
ршинами (Si); б – висота мікронерівностей рельєфу (hi)
Відсутність усадочних пор та несплавлень забезпечується режимами при Idf: –0,61 А; –0,31 А. Максимальна кількість дефектів: значні мікронерівності (hi до 700 мкм), великі пори, скупчення включень, масивні несплавлення у зоні контуру та у центральній зоні, спостерігаються при режимі Idf=0 А. Най- меншою мірою дефектна структура характерна для зразка, отриманого при ре- жимі Idf=0,65 А.
6. Обговорення результатів досліджень впливу технологічних параме- трів наплавлення на якісні показники виробів
В результаті проведених досліджень доказано, що основні параметри тех- нологічного процесу електронно-променевого наплавлення: потужність проме- ня, швидкість його переміщення та струм динамічного фокусування мають сут- тєвий вплив на мікрорельєф поверхонь виробів та утворення дефектів. Це пояс- нюється особливостями процесів плавлення металевого порошку та властивос- тями розплавленого металу.
Дослідженнями встановлено оптимальне значення густини енергії елект- ронного променя для порошка титанового сплаву Ti6Al4V ELI, яке складає 44,5 Дж/мм3. Цей параметр має бути універсальним при використанні порошків сплаву Ti6Al4V ELI з гранулами розміром від 45 до 106 мкм.
За результатами досліджень (1) визначено вплив швидкості переміщення електронного променя на інші параметри технологічного процесу. Цей пара- метр важливий, оскільки від нього залежить загальний час побудови виробів.
Також в дослідженнях зазначений зв’язок між швидкістю електронного про- меня та його потужністю, який визначений функцією швидкості. Збільшення швидкості переміщення променя потребує збільшення потужності, та навпаки.
Важливим фактором впливу на формування виробів визначено струм ди- намічного фокусування, зміна якого призводить до зміщення фокусу, та значно впливає на мікрорельєф поверхонь.
0 100 200 300 400 500
18 3 8 13 23 14 15
hi, мкм
hi (min) hi (max) № зразка
Not
a reprint
Дослідження впливу параметрів друку при електронно-променевому по- шаровому наплавленні на структуру поверхонь виробів показали, що усі дослі- джувані поверхні мають шорсткість. Шорсткість поверхонь зразків відрізняєть- ся за параметрами мікронерівностей рельєфу.
При застосуванні режиму друку із швидкістю променю 240 мм/с та потуж- ністю 270 Вт на поверхні виробів формується мікрорельєф з параметрами hi (min/max)=78…211/262…390 мкм та Si (min/max)=121…271/403…500 мкм (рис. 15). При режимі друку із швидкістю променю 540 мм/с та потужністю 495
Вт параметри мікрорельєфу зменшуються до hi
(min/max)=54…123/240…350 мкм та Si (min/max)=102…146/262…407 мкм (рис. 14). А у разі використання режиму друку при швидкості променю 780 мм/с та потужністю 675 Вт поверхні виробів характерна шорсткість з міні- мальними параметрами рельєфу hi (min/max)=36…85/100…298 мкм при Si (min/max)=82…180/205…500 мкм (рис. 13). У разі збільшення швидкості пере- міщення променя спостерігається формування бездефектної структури, а саме відсутність крупних усадочних пор та включень. При швидкості променю 240 мм/с на поверхні виробів формується неоднорідний рельєф з великою кіль- кістю усадочних пор.
Але для кожного з трьох режимів швидкості переміщення променя шорст- кість поверхонь виробів також має різні параметри. У цьому випадку появляється вплив фокусування електронного променя. Зміщення фокусу (рис. 5), та, відповід- но зміна розміру променевої плями мають суттєвий вплив на параметри шорстко- сті поверхонь виробів та якість виробів (отримання бездефектної структури).
Так, для режиму друку із швидкістю променю 240 мм/с та потужністю 270 Вт максимальні значення кроку нерівностей профілю поверхонь по верши- нах (Si) у центральній зоні зразків характерні для виробів, отриманих при стру- мі динамічного фокусування Idf: -0,31; 0,65 А (рис. 15, а). Максимальна висота мікрорельєфу (hi) спостерігається при Idf: -0,61; 0,65 А (рис. 15, б). Максималь- на кількість дефектів: значні мікронерівності (hi до 700 мкм), великі пори, ску- пчення включень, масивні несплавлення у зоні контуру та у центральній зоні, спостерігаються при режимі Idf=0 А. Найменші показники параметрів висоти мікронерівності рельєфу (hi≤300 мкм) характерні для режимів Idf: -1,2; -0,9; -0,31; 0,33 А (рис. 15, б).
При режимі друку із швидкістю променю 540 мм/с та потужністю 495 Вт найменші відстані між вершинами рельєфу поверхонь спостерігаються для режи- мів Idf: -0,61; -0,31; 0,33; 0,65; 0,96, 1, 27 А (рис. 14, а). Мінімальна висота мікро- рельєфу (hi) забезпечується при: -1,2; -0,9; -0,61; -0,31; 0; 0,33; 0,65 А (рис. 13, б).
У разі використання режиму друку при швидкості променю 780 мм/с та потужністю 675 Вт найменші відстані між вершинами рельєфу поверхонь спос- терігаються для режимів Idf: -1,2; -0,9; -0,61; -0,31; 0; 0,96 А (рис. 13, а). При цьому мінімальна висота мікрорельєфу (hi) забезпечується при:
Idf: -1,2; -0,9; -0,61; 0 А (рис. 13, б).
Потрібно зазначити, що дослідження проведені в умовах деяких обмежень.
Технологічні параметри: швидкість електронного-променя та його потужність отримані експериментальним шляхом. Цей метод є складним, потребує багато
For reading
only
часу та зусиль для проведення серії експериментів. В подальшому необхідно розробити теоретичні основи процесів наплавлення, що забезпечить можли- вість визначення технологічних параметрів розрахунковим методом.
Також перспективним є комп’ютерне моделювання адитивних процесів з можливістю прогнозування властивостей виробів.
Таким чином, за результатами досліджень встановлено, як параметри дру- ку при електронно-променевому пошаровому наплавленні впливають на струк- туру поверхонь виробів. Наступний етап досліджень буде присвячено вивчен- ню структури отриманих виробів у поперечному перерізі зразків та зіставлення структурних параметрів в залежності від швидкості променя та потужності.
7. Висновки
1. Проведено аналіз технологічних параметрів наплавлення. Зазначено, що основні параметри друку: потужність електронного променя, швидкість пере- міщення, крок зміщення траєкторії, товщина шару наплавлення визначають гу- стину енергії електронного променя (1). Оптимальне значення густини енергії для порошку титанового сплаву Ti6Al4V становить 44,5 Дж/мм3. Також винай- дено співвідношення (3) між швидкістю електронного променя та його потуж- ністю, що надає можливість в процесі підготовки виробів до друку визначати потужність променя відповідно до його швидкості. Від швидкості променя за- лежить загальний час побудови виробу.
2. Винайдені технологічні режими друку виробів з порошку титанового сплаву Ti6Al4V ELI. Параметри друку становлять: товщина шару порошку 0,1 мм, крок зміщення траєкторії електронного променя 0,2 мм, стратегія ска- нування двоспрямована з обертанням напрямку на 90° для кожного шару. По- тужність електронного променя становить 240 Вт для швидкості його перемі- щення 270 мм/с, 495 Вт для 540 мм/с, 675 Вт для 780 мм/с.
3. За адитивною технологією виготовлено 25 дослідних зразків розміром 24×24 мм та висотою 10 мм, з яких 5 мм складають технологічні опори і 5 мм тіло виробу. Параметри друку індивідуальні для кожного зразка. В досліджен- нях використано три режими швидкості електронного променя: 270, 540 та 780 мм/с. Для кожного режиму змінювали струм динамічного фокусування від –1,2 А до 1,27 А з кроком біля 0,3 А.
4. Проведено лабораторні дослідження структури поверхні зразків з вико- ристанням аналітичної растрової електронної мікроскопії. Показано, що вироби характеризуються переважно однорідним мікрорельєфом профілю поверхонь.
Встановлено режими електронно–променевого пошарового наплавлення (шви- дкість променю 780 мм/c; потужність 675 Вт; Idf=–1,2; –0,9; –0,61; 0 А), що за- безпечують мінімальні параметри мікрорельєфу поверхонь (hi до 200 мкм; Si до 300 мкм) та відсутність дефектів.
Подяка
Фінансування роботи здійснювалось у рамках цільової програми наукових досліджень НАНУ за темою «Розробка адитивних електронно-променевих тех-
Not
a reprint
нологій виготовлення і ремонту виробів авіакосмічної промисловості і турбіно- будування» (номер державної реєстрації 0117U001264).
Також автори вдячні ТОВ «Вітова ЛТД» за фінансову підтримку в прове- дені досліджень.
Література
1. Нестеренков, В. М., Матвейчук, В. А., Русыник, М. О., Овчинников, А. В. (2017). Применение аддитивных электронно-лучевых технологий для из- готовления деталей из порошков титанового сплава ВТ1–0. Автоматическая сварка, 3, 5–10. doi: https://doi.org/10.15407/as2017.03.01
2. Wang, P., Sin, W., Nai, M., Wei, J. (2017). Effects of Processing Param- eters on Surface Roughness of Additive Manufactured Ti-6Al-4V via Electron Beam Melting. Materials, 10 (10), 1121. doi: https://doi.org/10.3390/ma10101121
3. Abdeen, D. H., Palmer, B. R. (2016). Effect of processing parameters of electron beam melting machine on properties of Ti-6Al-4V parts. Rapid Prototyping Journal, 22 (3), 609–620. doi: https://doi.org/10.1108/rpj-09-2014-0105
4. Safdar, A., He, H. Z., Wei, L., Snis, A., Chavez de Paz, L. E. (2012). Ef- fect of process parameters settings and thickness on surface roughness of EBM pro- duced Ti‐6Al‐4V. Rapid Prototyping Journal, 18 (5), 401–408. doi: https://doi.org/
10.1108/13552541211250391
5. Medina, F., Baughman, B., Godfrey, D., Menon, N. Optimizing EBM Alloy 718 Material for Aerospace Components. URL: https://fdocuments.in/
document/optimizing-ebm-alloy-718-material-for-aerospace-optimizing-ebm-alloy- 718-material.html
6. Tan, X., Kok, Y., Tan, Y. J., Descoins, M., Mangelinck, D., Tor, S. B. et.
al. (2015). Graded microstructure and mechanical properties of additive manufac- tured Ti–6Al–4V via electron beam melting. Acta Materialia, 97, 1–16. doi:
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036
7. Sun, Y. Y., Gulizia, S., Oh, C. H., Fraser, D., Leary, M., Yang, Y. F., Qian, M. (2016). The Influence of As-Built Surface Conditions on Mechanical Prop- erties of Ti-6Al-4V Additively Manufactured by Selective Electron Beam Melting.
JOM, 68 (3), 791–798. doi: https://doi.org/10.1007/s11837-015-1768-y
8. Матвійчук, В. А., Нестеренков, В. М., Берднікова, О. М. (2022).
Адитивна електронно-променева технологія виготовлення металевих виробів із порошкових матеріалів. Автоматичне зварювання, 2, 16–25. doi: https://doi.org/
10.37434/as2022.02.03
9. Матвійчук, В. А., Нестеренков, В. М. (2020). Адитивне електронно- променеве обладнання для пошарового виготовлення металевих виробів із по- рошкових матеріалів. Автоматичне зварювання, 2, 44–49. doi: https://doi.org/
10.37434/as2020.02.08
10. Karimi, P. (2018). Electron beam melting of Alloy 718 - Influence of process parameters on the microstructure. University West, 89. URL:
http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1264207/FULLTEXT01.pdf 11. Sino-Euro Materials Technologies. URL: https://en.c-semt.com/ti/
For reading
only
12. Востриков, А. В., Сухов, Д. И. (2016). Производство гранул мето- дом PREP для аддитивных технологий - текущий статус и перспективы разви- тия. Труды ВИАМ, 8 (44), 17–23.
13. Al-Bermani, S. S. (2011). An investigation into microstructure and mi- crostructural control of additive layer manufactured Ti-6Al-4V by electron beam melting. University of Sheffield. URL: https://etheses.whiterose.ac.uk/14694/
14. Hrabe, N., Quinn, T. (2013). Effects of processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy (Ti–6Al–4V) fabricated using electron beam melting (EBM), Part 2: Energy input, orientation, and location. Materials Science and Engineering: A, 573, 271–277. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.02.065
15. Helmer, H. E., Körner, C., Singer, R. F. (2014). Additive manufacturing of nickel-based superalloy Inconel 718 by selective electron beam melting: Pro- cessing window and microstructure. Journal of Materials Research, 29 (17), 1987–
1996. doi: https://doi.org/10.1557/jmr.2014.192
16. Sames, W. J., Medina, F., Peter, W. H., Babu, S. S., Dehoff, R. R.
(2014). Effect of Process Control and Powder Quality on Inconel 718 Produced Us- ing Electron Beam Melting. 8th International Symposium on Superalloy 718 and De- rivatives, 409–423. doi: https://doi.org/10.1002/9781119016854.ch32
17. Scharowsky, T., Juechter, V., Singer, R. F., Körner, C. (2015). Influence of the Scanning Strategy on the Microstructure and Mechanical Properties in Selec- tive Electron Beam Melting of Ti-6Al-4V. Advanced Engineering Materials, 17 (11), 1573–1578. doi: https://doi.org/10.1002/adem.201400542
