металлопорошковая композиция что это
Металлопорошковая композиция что это
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Additive technologies. Metal powder compositions. General requirements
Дата введения 2021-03-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ») и Обществом с ограниченной ответственностью «Русатом-Аддитивные Технологии» (ООО «РусАТ»)
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 182 «Аддитивные технологии»
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает общие требования к металлопорошковым композициям (МПК), используемым в аддитивном производстве (АП), их основные характеристики и требования к сопроводительной документации.
Стандарт предназначен для использования изготовителями (поставщиками) и потребителями (заказчиками) с целью установления единых требований к МПК.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 13047.1 Никель. Кобальт. Общие требования к методам анализа
ГОСТ 13084-88 Порошки высоколегированных сталей и сплавов. Технические условия
ГОСТ 17745 Стали и сплавы. Методы определения газов
ГОСТ 18317 Порошки металлические. Методы определения воды
ГОСТ 18318 Порошки металлические. Определение размера частиц сухим просеиванием
ГОСТ 18897 (ИСО 4491-2-97) Порошки металлические. Определение содержания кислорода методами восстановления. Потери массы при восстановлении водородом (водородные потери)
ГОСТ 19440 (ИСО 3923-1-79, ИСО 3923-2-81) Порошки металлические. Определение насыпной плотности. Часть 1. Метод с использованием воронки. Часть 2. Метод волюмометра Скотта
ГОСТ 20899 (ИСО 4490-78) Порошки металлические. Определение текучести с помощью калиброванной воронки (прибора Холла)
ГОСТ 23148 (ИСО 3954-77) Порошки, применяемые в порошковой металлургии. Отбор проб
ГОСТ 22662 Порошки металлические. Методы седиментационного анализа
ГОСТ 23148 Порошки, применяемые в порошковой металлургии. Отбор проб
ГОСТ 23402 Порошки металлические. Микроскопический метод определения размеров частиц
ГОСТ 24018.0 Сплавы жаропрочные на никелевой основе. Общие требования к методам анализа
ГОСТ 25086 Цветные металлы и их сплавы. Общие требования к методам анализа
ГОСТ 25279 (ИСО 3953-85) Порошки металлические. Определение плотности после утряски
ГОСТ 25280 (ИСО 3927-85) Порошки металлические. Метод определения уплотняемости
ГОСТ 25849 Порошки металлические. Метод определения формы частиц
ГОСТ 27417 (ИСО 4491-4-89) Порошки металлические. Определение общего содержания кислорода методом восстановительной экстракции
ГОСТ 28473 Чугун, сталь, ферросплавы, хром, марганец металлические. Общие требования к методам анализа
ГОСТ 29006 (ИСО 4491-3-89) Порошки металлические. Метод определения кислорода, восстановимого водородом
ГОСТ Р 8.563 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений
ГОСТ Р 8.568 Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения
ГОСТ Р 8.774 Государственная система обеспечения единства измерений. Дисперсный состав жидких сред. Определение размеров частиц по динамическому рассеянию света
ГОСТ Р 8.777 Государственная система обеспечения единства измерений. Дисперсный состав аэрозолей и взвесей. Определение размеров частиц по дифракции лазерного излучения
ГОСТ Р ИСО 22309 Государственная система обеспечения единства измерений. Микроанализ электронно-зондовый. Количественный анализ с использованием энергодисперсионной спектрометрии для элементов с атомным номером от 11 (Na) и выше
ГОСТ Р 51672 Метрологическое обеспечение испытаний продукции для целей подтверждения соответствия. Основные положения
ГОСТ Р 57558/ISO/ASTM 52900 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 57558, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 металлопорошковая композиция; МПК: Объединенный в общую композицию металлический порошок, предназначенный для использования в АП.
3.2 паспорт МПК: Документ, сопровождающий каждую партию МПК и содержащий информацию об основных параметрах и характеристиках МПК данной партии.
4 Общие положения
4.2 При проведении контроля свойств МПК испытательное оборудование должно быть аттестовано по ГОСТ Р 8.568, средства измерений должны быть поверены и/или калиброваны, методики выполнения измерений должны быть аттестованы по ГОСТ Р 8.563. Определение погрешности и воспроизводимости результатов испытаний проводят в соответствии с ГОСТ Р 51672.
4.3 При необходимости возможно проведение контроля определенных свойств МПК на любой стадии ее использования. Вид и объем контроля определяют по согласованию между изготовителем (поставщиком) и потребителем (заказчиком) конечной продукции.
5 Требования к документированию
5.1 Для обеспечения прослеживаемости, качества, идентификации и безопасности используемого МПК каждая поставляемая партия МПК должна иметь следующие сопроводительные документы:
Прямое лазерное выращивание: процесс
С идеей разобрались, теперь можно погружаться внутрь. Какие процессы позволяют сформировать металлическое изделие? Что происходит с энергией и материалом? Какие факторы влияют на конечный результат? Чем отличаются разные подходы к решению одних и тех же задач?
Терминология
Прежде чем углубляться в процессы, происходящие при ПЛВ, давайте разберемся с терминологией. Аддитивные технологии – это новая область знания, которая сейчас активно развивается. На текущий момент терминология еще не полностью сформировалась, причем не только в России, но и в мире. Сейчас активно разрабатываются профильные ГОСТы, которые частично гармонизированы со стандартами ISO и ASTM, а частично опережают их. Разработкой ГОСТов по аддитивным технологиям занимается технический комитет по стандартизации ТК 182 «Аддитивные технологии» во главе с ФГУП «ВИАМ». Почитать свежие проекты стандартов можно на сайте комитета.
Терминология описана в ГОСТ Р 57558-2017 Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения. Этот стандарт гармонизирован со стандартом ISO/ASTM 52900:2015, Additive manufacturing. General principles. Terminology, IDT.
Прямое лазерное выращивание относится к классу аддитивных технологий с прямым подводом энергии и материала, которые описываются следующим образом:
Отсюда в названии ПЛВ слово «прямое». Собирая воедино, получаем:
Правильным образом порошковые материалы, которые используются в аддитивных технологиях, надо называть металлопорошковыми композициями. Согласно «ГОСТ Р Аддитивные технологии. Металлопорошковые композиции. Общие требования.»:
Металлопорошковая композиция (МПК) – объединенные в общую композицию различные фракции порошка сферической формы одного химического состава. МПК предназначена для использования в АП. Термин рекомендуется применять наравне с термином «порошковая композиция для АП» по ГОСТ 57558.
А еще иногда используется термин «гранулы», он пришел из классической гранульной металлургии. Особенно полезен он в качестве ответа на вопрос «что в банке?» от товарища лейтенанта, который тормозит вас при попытке пронести банку с порошком на вокзал.
Еще несколько терминов, которые не закреплены в ГОСТах, но будут часто встречаться в статьях:
Технологический инструмент – устройство, построенное на базе лазерной технологической головки, которое крепится на фланец промышленного робота и осуществляет наплавку отдельных валиков. Именно перемещение технологического инструмента по определенной траектории задает форму отдельных валиков и создает геометрию детали.
Технологический инструмент для ПЛВ
Сопло подачи порошка – устройство, входящее в состав технологического инструмента, основная задача которого – создание газопорошковой струи, которая направленным образом переносит порошок в ванну расплава. На фотографии это блестящая медная деталь.
Питатель – устройство массового или объемного дозирования МПК и подачи его в сопло по пневматическому шлангу с использованием транспортного газа (аргона).
Подложка – кусок листового металла, свариваемого с наплавляемым материалом, который используется как платформа построения при изготовлении детали.
Ванна расплава – сварочная ванна жидкого металла, формируемая лазерным излучением на поверхности подложки или предыдущего наплавленного слоя.
Лазерное излучение
Последние 30 лет лазерное излучение активно и широко используется при обработке материалов. Лазерная сварка и резка металлов, наплавка, термоупрочнение, гравировка и очистка. Лазерный луч – это универсальный, концентрированный, легко управляемый и автоматизируемый источник нагрева. Существует большое количество лазеров, построенных с использованием разных активных сред. Для обработки металлов необходима большая мощность – от 25 Вт до 25 кВт. Такой мощностью обладают СО2-лазеры, дисковые, диодные и волоконные лазеры. На территории России особую популярность получили иттербиевые волоконные лазеры. Это связано с тем, что у нас находится компания ИРЭ-Полюс, дочка американской корпорации IPG Photonics, которая является мировым лидером по производству мощных волоконных лазеров (80% мирового рынка). Надо заметить, что основатель и хозяин IPG – российский физик Валентин Павлович Гапонцев.
Я не буду углубляться в физику процесса генерации лазерного излучение, есть отличная статья на википедии.
Для технолога волоконный лазер – это черный ящик, из которого выходит желтое транспортное волокно. Ящик может генерировать лазерное излучение с длиной волны 1070 нм (это ближний ИК диапазон) с заданной мощностью. Мощностью можно управлять в диапазоне 10-100% с временем отклика порядка 8 мс. Транспортное волокно гибкое, его можно прокладывать в энергоцепях и кабельных каналах. Транспортное волокно подключается к специальной лазерной технологической головке, оснащенной набором линз, коаксиальной камерой, защитным стеклом и системой мониторинга состояния.
Технологическая головка фокусирует лазерное излучение в небольшое пятно. Размер пятна зависит от диаметра транспортного волокна (обычно 100 мкм) и коэффициента увеличения головки (у нас обычно – 2). Таким образом, размер сфокусированного пятна составляет 200 мкм. Такое маленькое пятно используется в лазерной сварке, когда необходимо проплавить 1-5 мм толщины за один проход. Волоконный лазер генерирует гауссов пучок, а это значит, что плотность мощности будет иметь нормальное распределение. Если нужно пятно большего размера – можно отойти от фокуса, при этом размер пятна вычисляется с помощью законов геометрической оптики.
Взаимодействие излучения с веществом подложки
Итак, допустим мы хотим наплавить один валик с шириной 2 мм. Для этого технологическая головка настраивается так, чтобы на поверхности подложки размер лазерного пятна составлял 2 мм.
В первом приближении оптимальный размер пятна равен ширине валика, отличия только на титановых сплавах или на широких валиках.
Выращивание на массивной подложке
Лазерное излучение падает на поверхность подложки. Часть излучения отражается (30-50%), остальное поглощается, и его энергия переходит в тепловую энергию металла. Коэффициент поглощения зависит от состава металла, длины волны излучения и шероховатости поверхности. Сталь, никель, кобальт, титан и другие часто встречающиеся в промышленности металлы хорошо поглощают излучения 1070 нм. А вот если взять чистую медь, алюминий, золото или серебро – то из-за высокой электропроводности коэффициент поглощения будет очень низким. Из меди, например, делают зеркала для этой длины волны. А вот если взять более коротковолновое излучение, например 515 или 450 нм, то оно будет в 10 раз лучше поглощаться медью. Поэтому в последние годы сварка меди зелеными и синими лазером мощностью 500-1000 Вт получила широкое распространение в немецком электромобилестроении. Да, такой лазер стоит в 10 раз дороже, чем ИК, но его технологические возможности уникальны.
Перенос тепла
Для того, чтобы наплавить валик, необходимо создать на поверхности подложки ванну расплава. Это значит, что количество энергии, поглощаемое подложкой, должно быть достаточным для разогрева металла выше температуры плавления. Генерируемое тепло стремится покинуть активную зону всеми доступными способами. Основной из них – это теплопроводность. Если у нас массивная холодная подложка, то она будет «высасывать» тепло. Если наоборот, мы уже вырастили часть изделия, то оно прогрелось и тепло уходит не очень охотно.
Подача порошка
Для выращивания изделий используются МПК с фракционным размером 50-150 мкм. Это стандартная фракция, которая широко применяется в самых разных технологиях нанесения покрытий. Такие порошки производятся сотнями и тысячами тонн, и поэтому имеют относительно низкую цену. Это более крупная фракция чем для SLM, и это опять же позволяет получить хорошую цену. Крупный порошок часто идет в отсев при производстве порошков для послойного лазерного сплавления, поэтому производитель продает его в разы дешевле. В отличии от SLM, для нашей технологии не требуется идеальная сферичность или отсутствие саттелитов. Единственное узкое место, которое определяет пригодность фракции и формы порошка, это порошковый питатель, и он довольно всеядный. Порошок должен иметь хоть какую-то текучесть и не иметь частиц более 200 мкм, тогда с ним можно работать. При этом необходимо помнить, что в аддитивных технологиях именно качество порошка определяет механические свойства изделия. Если в порошке присутствуют неметаллические включения – они попадут в изделие. Если есть растворенные газы – будет газовая пористость. Если есть нарушения химического состава – это скажется на прочности или вообще приведет к горячим трещинам.
Качественный порошок выглядит очень красиво
МПК засыпается в колбу порошкового питателя, который осуществляет массовое дозирование и подачу порошка в сопло. Питатель можно купить готовый, хотя хороший стоит дорого. Основную часть – колбу мы покупаем, пневматику, привод, датчик веса и систему управления собираем сами. За счет этого мы можем прецизионно управлять подачей порошка, что очень важно для экономики процесса. Основную стоимость изделия составляет стоимость металлического порошка. Если ты смог поднять КИМ в полтора раза, значит ты только что снизил стоимость изделия в полтора раза. Если ты сыпешь лишний порошок – ты в прямом смысле выкидываешь деньги.
По пневматическому шлангу порошок поступает в сопло подачи порошка. Это сердце установки. Это, наверное, самая важная часть, именно она определяет технологические возможности оборудования. Задача сопла – сформировать сфокусированную газопорошковую струю, которая доставит максимальное количество порошка в ванну расплава. Есть несколько различных конструкций: щелевые и струйные. У щелевого сопла есть коническая щель между двумя медными деталями, которая формирует струю в форме песочных часов. Струйное сопло подает порошок несколькими отдельными струями. Обычно, щелевое чуть лучше фокусирует, но более нежное, и его нельзя наклонять больше чем на 30 градусов. Струйное индифферентно к наклонам, неубиваемо, но чуть хуже фокусирует. Спроектировать универсальное сопло очень сложно. Приходится выбирать – либо хорошая фокусировка, но тогда можно забыть про большие мощности и высокие производительности, либо выбираем производительность и теряем в эффективности. Мы пять лет искали баланс и в этом году наконец его нашли. Без лишней скромности могу сказать, что наше сопло лучшее в мире (для нашего класса задач, естественно=)).
Металлический порошок долетел до ванны расплава и в нее попал. Он захватывается жидким металлом, переплавляется и кристаллизуется. Формируется наплавленный валик. Теперь мы можем запрограммировать робота наплавлять валики друг на друга, и из них сформируется деталь требуемой геометрии. Порошок, который пролетел мимо и не попал в ванну расплава, можно собрать и использовать вторично, но механические свойства от этого станут хуже.
Десерт
Прямое лазерное выращивание – это творческий процесс, когда одну и ту же задачу можно решить кучей разных способов. И даже если ты получил в итоге годное изделие – это не значит, что ты все сделал правильно. Необходимо всегда четко формулировать исходные требования, искать пути оптимизации временных и материальных затрат, планировать пути развития и обязательно посматривать по сторонам. В качестве примера хочу привести видео двух процессов изготовления одного и того же изделия – полой титановой сферы.
Первый исполнитель – корейская компания Insstek, которая обладает отличным маркетинговым ресурсом, активно пиарится и продвигается на российском рынке. А вот с техникой у них есть проблемы. Когда дойдет до сравнительных статей, я обязательно расскажу, почему так получается и почему несколько принятых на старте решений формируют облик и возможности оборудования.
Интересные моменты, которые можно вынести из этого видео:
Яркие белые искры, которые вылетают из активной зоны – это сгорающие на воздухе титановые порошинки. И да, все остальные производители обоснованно считают, что титановые изделия нужно выращивать только с глобальной защитой, чтобы исключить даже вероятность окисления. Но insstek считает иначе, за что и платится плохими механическими свойствами.
Обратите внимание на кучу вторичного порошка на полиэтиленовом пакете на дне кабины. Килограмм этого порошка стоит 15 000 рублей, к слову. О вторичном использовании этого, фактически сгоревшего, порошка речь не идет.
У компании Insstek исторически имеются проблемы с нависающими конструкциями и потолочными перекрытиями, вот и вырастить шарик целиком не получилось. Добавляется операции промежуточной мехобработки и сварки.
А теперь второе видео – наше:
Изделие выращивается с одного установа, за одну технологическую операцию. Сама сфера выращивается за одно включение лазера.
Качеством поверхности можно управлять. Для этого изделия технологические параметры адаптировались, чтобы получить минимальную шероховатость, дабы обойтись без механической обработки внутренней и внешней поверхности.
Коэффициент использования материала составил 93%. Мы экономим деньги заказчика.
Производительность. Время подготовки управляющей программы составило 8 часов. Время выращивания – еще 6.5. Если потребуется изменить геометрию – через два дня новое изделие будет стоять на столе. Никакая традиционная технология так не может.
Заключение
Мы вкратце разобрались с тем, что происходит в активной зоне. Впереди разговор о материалах, оборудовании, наших конкурентах, системе автоматического управления, подготовке управляющих программ, целевых деталях, экономике и паре десятков других, не менее объемных, вещей.
Металлопорошковая композиция что это
Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Авторизация
Статьи
Рассмотрен вопрос получения металлопорошковых композиций (металлических порошков) высокой чистоты из титановых сплавов методом индукционной газовой атомизации. При таком методе получения – в порошках титана низкое содержание газовых примесей, улучшаются технологические свойства и гранулометрический состав, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сырью для аддитивных технологий.
Вo ФГУП «ВИАМ» спроектирована и введена в эксплуатацию установка ВИПиГР 50/500, работающая по методу индукционной газовой атомизации и позволяющая получать порошки титана с низким содержанием газовых примесей: кислорода – не более 0,15% (по массе), водорода – не более 0,01% (по массе).
Представлены основные характеристики металлопорошковых композиций из сплавов ВТ6 и ВТ20 высокой чистоты, полученных на установке ВИПиГР 50/500.
Введение
Одним из наиболее бурно развивающихся направлений в аэрокосмической промышленности является ремонт и изготовление деталей сложной конфигурации посредством аддитивных технологий, особенно востребованным является применение титановых сплавов [1–5].
Первоначально масса титановых деталей составляла 5–10% от общей массы газотурбинных двигателей, а в современных изделиях весовая доля титановых сплавов составляет
40% [6]. Это обусловлено такими свойствами титановых сплавов, как высокая удельная прочность, теплостойкость и высокое сопротивление коррозии.
Аддитивные технологии имеют преимущества (по сравнению с традиционными) из-за высоких экономичности и производительности при изготовлении сложнопрофильных изделий, в том числе с внутренними полостями, снижения массы изделий за счет топологической оптимизации, а также возможности восстановления геометрической формы изношенных деталей. В связи с этим в настоящее время аддитивные технологии интенсивно развиваются [7–12].
Основными методами изготовления изделий с помощью аддитивных технологий являются:
– селективное лазерное сплавление (Selective Laser Melting – SLM);
– сплавление электронно-лучевой пушкой (Electron Beam Melting – EBM);
– горячее изостатическое прессование (ГИП).
Наибольшее распространение в последние годы получила технология SLM благодаря возможности изготовления сложнопрофильных изделий по компьютерной модели практически из любых металлических порошков – цинка, бронзы, стали, титана и титановых сплавов, алюминия и алюминиевых сплавов, драгоценных металлов.
Технология SLM состоит из нескольких этапов: на поверхность платформы наносится слой порошка заданной толщины. Лазерный или электронный луч, направляемый сканирующим зеркалом, расплавляет частицы порошка на нужных участках порошкового слоя согласно трехмерной модели. Одновременно они «привариваются» к нижележащему слою. Далее стол опускается на высоту слоя при помощи специального поршня и цикл повторяется до полного формирования детали. По окончании процесса изготовления неспеченный порошок удаляют. Особенностью процесса является то, что во время изготовления изделие погружено в неспеченный порошок, который служит опорой для частей детали, что упрощает создание тонких стенок, перегородок и нависающих участков.
ТехнологияEBM осуществляется следующим образом: электроны испускаются нитью накала, разогретой до 2500°С, и далее, проходя через анод, разгоняются до ½ скорости света. Пучок электронов фокусируется магнитным полем, другим магнитным полем контролируется отклонение пучка. При достижении электронами порошка кинетическая энергия превращается в тепло, и металлический порошок сплавляется. Для получения заготовок используются порошки чистые по химическому составу, без добавок и связующих.
Особенности технологии ограничивают размер пятна электронного пучка в зоне расплава диаметром 0,2–1,0 мм (при использовании лазера эта величина на порядок меньше), поэтому по чистоте поверхности и точности EBM—технологии уступают лазерным SLM-технологиям. Однако существует множество приложений, когда независимо от способа производства (литье или аддитивные технологии) деталь необходимо подвергать финишной обработке на станках с ЧПУ.
Следует отметить, что наиболее важными свойствами являются плотность и однородность материала, а не чистота поверхности созданной детали. Ряд независимых авторов отмечают, что при сравнительно низкой чистоте поверхности плотность материала деталей, изготовленных по EBM-технологиям,выше, а структура материала лучше, чем при использовании лазерных технологий. Высокая производительность EBM-машин: 55–80 см 3 /ч (2–20 см 3 /ч – у аналогичных по размерам лазерных машин), позволяет им занимать доминирующее положение в сфере производства серийной продукции.
Для решения проблемы изготовления деталей из титановых сплавов методами аддитивных технологий требуется решить задачу сырьевого обеспечения – получения мелкодисперсных металлопорошковых композиций титановых сплавов высокого качества. Отсутствие отечественных высококачественных порошков из титановых сплавов, пригодных к использованию при изготовлении деталей методом селективного лазерного сплавления, а также высокая стоимость порошков иностранных производителей являются главными сдерживающими факторами широкого развития данного направления в России.
Высококачественные металлопорошковые композиции должны иметь низкое содержание газовых примесей (содержание кислорода – не более 0,15% (по массе), содержание водорода – не более 0,01% (по массе)), а также хорошие технологические свойства (малый угол естественного откоса (высокая сыпучесть), высокая текучесть и насыпная плотность, сферичность), а также иметь высокий выход годного по фракциям в интервале 10–80 мкм для обеспечения рентабельности процесса и получения изделий с требуемыми прочностными и рабочими характеристиками.
Вследствие высокой реактивной способности для промышленного производства высококачественных порошков титановых сплавов для аддитивных технологий наибольшее распространение нашли всего три метода:
– индукционная плавка электрода с распылением газом (Electrode Induction Gas Atomization – EIGA);
– центробежное распыление вращающейся заготовки (Plasma Rotating Electrode Process – PREP);
– вакуумное индукционное газовое распыление, основанное на использовании технологии плавления с применением сосудов с холодными стенками (Vacuum Induction Melting. based on Cold wall Crucible Melting Technology combined with Inert Gas Atomization – VIGA-CC).
Из перечисленных методов гранулы, получаемые методом PREP, обладают наилучшими технологическими свойствами, но выход по фракциям ˂80 мкм для титановых сплавов имеет низкие значения 5–15% и для промышленного внедрения не подходит.
Порошки титановых сплавов, производимые методом VIGA-CC, применимы к использованию в аддитивных технологиях, но сам метод обладает невысокими экономическими показателями из-за использования сосудов с холодными стенками, а применение донного слива и дополнительных расходных материалов усложняет процесс и увеличивает стоимость порошка.
Порошки титановых сплавов, получаемые методом индукционной плавки электрода с распылением газом (EIGA), близки по качеству и значениям характеристик к порошкам, производимым методом VIGA-CC, и находят широкое применение в аддитивных технологиях в зарубежных странах.
Более 90% всех металлических порошковых материалов для аддитивных технологий производится методом VIGA. К преимуществам данной технологии относятся высокая производительность процесса, высокий выход годного по порошкам тонких фракций (˂40 мкм), чистота получаемых материалов по газовым примесям кислорода и водорода, высокий коэффициент сферичности гранул, возможность варьирования фракции получаемых частиц [13].
Во ФГУП «ВИАМ» спроектирована и введена в эксплуатацию установка ВИПиГР 50/500, работающая по методу индукционной газовой атомизации, для получения металлопорошковых композиций сплавов на основе таких активных металлов, как титан (в том числе интерметаллидных – системы Ti–Al), цирконий, или тугоплавких сплавов (ниобий, хром и др.), а также сплавов на основе никеля и железа.
Схема получения порошковых композиций методом газовой атомизации представлена на рис. 1. Принцип работы установки заключается в следующем: заготовка для распыления устанавливается в загрузочной камере с помощью цангового зажима, далее загрузочная камера и распылительная колонна вакуумируются и затем обе камеры заполняют аргоном высокой чистоты (99,999%).
Рис. 1. Схема получения порошковых композиций методом индукционной газовой атомизации:
1 – контрольный центр; 2 – электрод; 3 – камера плавления заготовки; 4 – линия подачи инертного газа; 5 – огнеупорное сопло; 6 – распылительная колонна; 7 – приемный бункер
В камере плавления заготовка расположена вертикально. После включения индуктора заготовка начинает вращаться вокруг своей оси. Посредством наведения электромагнитной индукции верхние слои заготовки, находящиеся в поле индуктора, начинают плавиться, пленка расплава стекает вниз под действием силы тяжести и попадает в поток газа, создаваемый кольцевой форсункой, где распыляется на мелкие частицы. Частицы расплавленного металла сфероидизируются за счет сил поверхностного натяжения, кристаллизуются и собираются в приемном бункере, где охлаждаются [14].
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10.3. «Технологии атомизации для получения мелкодисперсных высококачественных порошков сплавов на различной основе для аддитивных технологий и порошков припоев для пайки» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].
Материалы и методы
Для отработки технологии получения сверхчистых металлопорошковых композиций использовали титановые горячекатаные прутки Æ80 мм из сплавов ВТ6 и ВТ20. Во ФГУП «ВИАМ» проводили входной контроль химического состава прутков из сплавов ВТ6 и ВТ20, а по ГОСТ 28052–97 и ГОСТ 24956–81 определяли наличие газовых примесей. Химический состав горячекатаных прутков из сплавов ВТ6 и ВТ20 удовлетворяет требованиям ОСТ1-90013–81 и представлен в табл. 1 и 2. Для каждого сплава использовали по три прутка Ø80 мм.
Металлопорошковые композиции из сплавов ВТ6 и ВТ20 получены на установке ВИПиГР 50/500. Химический состав металлопорошковых композиций из сплавов ВТ6 и ВТ20 и наличие вредных примесей кислорода и азота определяли по ГОСТ 28052–97 и ГОСТ 24956–81.
Морфологию частиц (гранул) металлопорошковых композиций из сплавов ВТ6 и ВТ20 (фракция 10–80 мкм) исследовали на сканирующем электроном микроскопе FEI Verios 460 по РТМ1.2А-096–2001.
Химический состав прутков диаметром 80 мм из титанового сплава ВТ6
Содержание легирующих элементов, % (по массе)