[go: up one dir, main page]

RU2821638C1 - Method for additive formation of an article with a combined structure from a heat-resistant nickel alloy with high-temperature heating - Google Patents

Method for additive formation of an article with a combined structure from a heat-resistant nickel alloy with high-temperature heating Download PDF

Info

Publication number
RU2821638C1
RU2821638C1 RU2023117413A RU2023117413A RU2821638C1 RU 2821638 C1 RU2821638 C1 RU 2821638C1 RU 2023117413 A RU2023117413 A RU 2023117413A RU 2023117413 A RU2023117413 A RU 2023117413A RU 2821638 C1 RU2821638 C1 RU 2821638C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
temperature
alloy
powder
heating
Prior art date
Application number
RU2023117413A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Анатольевич Попович
Евгений Владиславович Борисов
Игорь Анатольевич Полозов
Кирилл Андреевич Стариков
Виктория Владиславовна Соколова
Павел Александрович Новиков
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2821638C1 publication Critical patent/RU2821638C1/en

Links

Abstract

FIELD: powder metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to production of articles from nickel alloys with controlled variable size, shape and crystallographic orientation of grains using additive technologies. It can be used in aviation and aerospace industries. Article is formed on a substrate from an alloy welded with a heat-resistant nickel alloy of the used powder. Prior to printing first part of part by lower heater, substrate is preheated, layer of applied powder is heated by means of upper heater in the form of infrared directed focused source in accordance with heating profile of layer of three-dimensional model. Layer-by-layer scanning is carried out at laser power 110 W. After printing the first part of the part, heat treatment is carried out at homogenization and stress relief temperature, and then, at temperature of not more than solvus temperature of the alloy with holding for at least 5 hours, and the part is cooled to room temperature in the additive manufacturing plant. After that, layer-by-layer growth of the second part is carried out on the first part of the part at laser power 320 W, at that, each layer is scanned by laser twice.
EFFECT: enabling formation of an article from a heat-resistant nickel alloy with a controlled structure and grain size in one process cycle and enlargement.
4 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области получения изделий из никелевых сплавов, с управляемым переменным размером, формой и кристаллографической ориентацией зерен методами аддитивного производства.The invention relates to the field of producing products from nickel alloys with controlled variable size, shape and crystallographic orientation of grains using additive manufacturing methods.

Жаропрочные никелевые сплавы являются весьма востребованным материалом в авиационной и аэрокосмической отраслях, благодаря проявлению химической и коррозионной стойкости при повышенных температурах, жаропрочности и хорошему сопротивлению ползучести. Одним из основных факторов, влияющих на характеристики жаропрочности никелевых сплавов является доля и форма упрочняющих включений γ'-фазы в структуре. Более жаропрочные сплавы имеют большее соотношение γ'-фазы к основной γ-матрице. Это позволяет повысить стойкость сплава к ползучести и разрушению при повышенных температурах, однако усложняет механическую обработку и снижает пластичность при низких температурах.Heat-resistant nickel alloys are a highly sought-after material in the aviation and aerospace industries due to their chemical and corrosion resistance at elevated temperatures, high-temperature strength and good creep resistance. One of the main factors influencing the heat resistance characteristics of nickel alloys is the proportion and shape of strengthening inclusions of the γ'-phase in the structure. More heat-resistant alloys have a higher ratio of the γ'-phase to the main γ-matrix. This makes it possible to increase the alloy's resistance to creep and fracture at elevated temperatures, but complicates machining and reduces ductility at low temperatures.

Производство жаропрочных никелевых сплавов встречает ряд сложностей, связанных с наличием в составе тугоплавких элементов, и необходимостью обеспечения высоких свойств. Для формирования направленной структуры в таких сплавах, как правило, широко применяют метод Бриджмена, согласно которому расплав подвергают направленной кристаллизации. При этом используют затравку и обеспечивают в оболочке условия переменной температуры, так что расплав перемещается вдоль заданного направления формирования микроструктуры.The production of heat-resistant nickel alloys encounters a number of difficulties associated with the presence of refractory elements in the composition and the need to ensure high properties. To form a directional structure in such alloys, as a rule, the Bridgman method is widely used, according to which the melt is subjected to directional crystallization. In this case, a seed is used and conditions of variable temperature are provided in the shell, so that the melt moves along a given direction of microstructure formation.

Изготовление жаропрочных компонентов, как, например, газотурбинных лопаток, в традиционном понимании осуществляется при помощи литейных процессов, и, в связи с этим встречает появление таких характерных проблем, как наличие сегрегаций и структурных неоднородностей в отливках и увеличение отходов производства. Литейное производство ограничивает производство функциональных материалов, в том числе из жаропрочных сплавов, а контролируемое получение определенного типа микроструктуры практически невозможно. Деятельность научных и инженерных сообществ в настоящее время в большей степени направлена на формирование преимущественно однородной микроструктуры, представленной монокристаллом.The production of heat-resistant components, such as gas turbine blades, in the traditional sense is carried out using foundry processes, and, in connection with this, encounters the emergence of such characteristic problems as the presence of segregations and structural inhomogeneities in castings and an increase in production waste. Foundry production limits the production of functional materials, including heat-resistant alloys, and controlled production of a certain type of microstructure is almost impossible. The activities of the scientific and engineering communities are currently largely aimed at the formation of a predominantly homogeneous microstructure represented by a single crystal.

Развитие методов порошковой металлургии привело к появлению новых технологий получения изделий из порошковых материалов. Одним из таких активно развивающихся направлений являются аддитивные технологии.The development of powder metallurgy methods has led to the emergence of new technologies for producing products from powder materials. One of these actively developing areas is additive technologies.

Среди применимых к ремонту и изготовлению направленной микроструктуры никелевых сплавов отмечается технология селективного лазерного плавления (СЛП), представленная рядом крупных производителей, таких как Concept Laser, 3D Systems, SLM Solutions и др. Использование данной технологии для производства компонентов газотурбинной установки восполняет потребность в формировании сложных геометрических элементов и уменьшении количества технологических операций, в том числе относящейся к подготовке дорогостоящей оснастки. Процесс лазерного аддитивного производства характеризуется высокими скоростями охлаждения, создавая неравновесные условия для кристаллизации образуемой в процессе высокотемпературного воздействия ванны расплава.Among those applicable to the repair and production of directional microstructure of nickel alloys, selective laser melting (SLM) technology is noted, presented by a number of large manufacturers, such as Concept Laser, 3D Systems, SLM Solutions, etc. The use of this technology for the production of gas turbine components fills the need for the formation of complex geometric elements and reducing the number of technological operations, including those related to the preparation of expensive equipment. The laser additive manufacturing process is characterized by high cooling rates, creating nonequilibrium conditions for the crystallization of the melt pool formed during the high-temperature exposure process.

Существующие научно-исследовательские и патентные публикации описывают ряд решений, направленных на снижение резкого температурного градиента и обеспечение направленной микроструктуры.Existing research and patent publications describe a number of solutions aimed at reducing steep temperature gradients and providing directional microstructure.

Комбинация источников нагрева, а именно нагревательного элемента, расположенного под поверхностью платформы построения, затем инфракрасного нагревателя, расположенного над первым слоем и сканирования лазерным лучом, используемая в процессе аддитивного производства, описана в заявке RU 2020100045. Технология аддитивного производства для порошкового материала из дисперсионно-твердеющих суперсплавов, например, из суперсплава на основе никеля, включает нагрев нанесенного на платформу построения порошка до температуры, составляющей 65-70% температуры ликвидуса дисперсионно-твердеющего суперсплава, и далее выборочное сканирование при помощи устройства с энергетическим лучом участков поверхности первого слоя для расплавления или спекания выборочно сканированных участков.The combination of heating sources, namely a heating element located under the surface of the build platform, then an infrared heater located above the first layer and scanning with a laser beam, used in the additive manufacturing process, is described in the application RU 2020100045. Additive manufacturing technology for powder material from dispersion-hardening superalloys, such as a nickel-based superalloy, involves heating a powder deposited on a build platform to a temperature of 65-70% of the liquidus temperature of the precipitation-hardening superalloy, and then selectively scanning, using an energy beam device, areas of the surface of the first layer to melt or sinter selectively scanned areas.

С помощью вышеуказанного способа и устройства для послойного селективного лазерного плавления можно строго контролировать температурный градиент в ванне расплава сверху вниз, уменьшать или даже устранять смешанные кристаллы, а также осуществлять послойный стабильный эпитаксиальный рост ориентированных кристаллов или монокристаллов вдоль направления [001]. Несмотря на вышеперечисленные преимущества, указанная мощность нагрева инфракрасной лампой является недостаточной для контроля температурного градиента в ванне расплава, устранения возможных дефектов в виде трещин и возникновения остаточных напряжений. Кроме того, отжиг детали проводят в дополнительном оборудовании, что требует дополнительных временных и производственных затрат.With the above layer-by-layer selective laser melting method and apparatus, it is possible to strictly control the temperature gradient in the melt pool from top to bottom, reduce or even eliminate mixed crystals, and realize layer-by-layer stable epitaxial growth of oriented crystals or single crystals along the [001] direction. Despite the above advantages, the specified heating power of an infrared lamp is insufficient to control the temperature gradient in the melt bath, eliminate possible defects in the form of cracks and the occurrence of residual stresses. In addition, annealing of the part is carried out in additional equipment, which requires additional time and production costs.

Заявка на способ подготовки к лазерно-аддитивному производству материала, чувствительного к горячим трещинам, на основе вспомогательного инфракрасного предварительного нагрева CN 114871450 подана NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS. Согласно способу, в процессе лазерного аддитивного производства таких материалов, как сплавы на основе алюминия, вольфрама и никеля, используется источник инфракрасного тепла для проведения предварительного нагрева нанесенного слоя порошка, который проводится перед этапом лазерной обработки слоя, что позволяет уменьшить градиент температуры расплавленной ванны и продлить время затвердевания, так что концентрация термического напряжения снижается. Для производства из никелевых сплавов состава Cr 21,3-22,5 мас. %, Fe 17,8-18,6 мас. %, Мо 8,4-9,2 мас. %, W 5,6-6,2 мас. %, Со 1,0-1,6 мас. %. %, остальное - Ni; размер частиц порошка сплава на основе никеля составляет 20-47 мкм. Представленный пример включает использование установки SLM-150, при этом температура предварительного нагрева вспомогательного нагревательного устройства источника инфракрасного тепла для порошка сплава на основе никеля контролируется на уровне 400-500°С; формование селективным лазерным плавлением производится при установке мощности лазера 300-450 Вт, скорость лазерного сканирования 1000-1400 мм/с, интервала сканирования 50 мкм, толщины слоя порошка 50 мкм и стратегии сканирования по шаблону разделенных островков.An application for a method for preparing a hot crack sensitive material for laser additive manufacturing based on assisted infrared preheating CN 114871450 was filed with NANJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS. According to the method, in the process of laser additive manufacturing of materials such as alloys based on aluminum, tungsten and nickel, an infrared heat source is used to preheat the deposited layer of powder, which is carried out before the stage of laser processing of the layer, which makes it possible to reduce the temperature gradient of the molten pool and prolong curing time so that the thermal stress concentration is reduced. For production from nickel alloys with a composition of Cr 21.3-22.5 wt. %, Fe 17.8-18.6 wt. %, Mo 8.4-9.2 wt. %, W 5.6-6.2 wt. %, Co 1.0-1.6 wt. %. %, the rest - Ni; The particle size of nickel-based alloy powder is 20-47 microns. The example presented includes the use of an SLM-150 apparatus, wherein the preheating temperature of the auxiliary heating device of the infrared heat source for nickel-based alloy powder is controlled at 400-500°C; Selective laser melting molding is carried out by setting laser power 300-450 W, laser scanning speed 1000-1400 mm/s, scanning interval 50 μm, powder layer thickness 50 μm and scanning strategy using a divided island pattern.

Представленные способы могут быть использованы для получения определенного класса никелевых сплавов, в которых определяющим фактором для обеспечения набора уникальных прочностных свойств является выделение упрочняющей γ'-фазы. Главным условием ее выделения и формирования требуемой равномерности и формы включений является обеспечение температурного режима в определенном диапазоне. Этот диапазон находится ниже температуры сольвуса, и в нем возможно выделение γ'-фазы. Наиболее оптимальные температуры выделения таких фаз определяются диаграммой состояния сплава.The presented methods can be used to produce a certain class of nickel alloys, in which the determining factor for providing a set of unique strength properties is the release of the strengthening γ'-phase. The main condition for its isolation and formation of the required uniformity and shape of inclusions is to ensure the temperature regime in a certain range. This range is below the solvus temperature, and in it the γ'-phase can separate. The most optimal temperatures for the precipitation of such phases are determined by the phase diagram of the alloy.

Существует способ, в котором реализуется возможность создания комбинированной структуры в рамках одного изделия, и, по сути, может использоваться для ремонта изделий, являющихся частью компрессора, камеры сгорания или турбинной секции газовой турбины. Для этого заранее подготавливают так называемую преформу, характеризующуюся монокристаллической (SX) структурой, позиционируют ее в установке аддитивного производства, выравнивают и подрезают поверхность преформы для дальнейшего послойного формирования с контролируемой ориентацией зерен в первичном и вторичном направлении, по заданному шаблону сканирования энергетическим лучом в соответствии с предполагаемой конструкцией компонента или с известными главными кристаллографическими направлениями преформы, обеспечивающими локальные условия нагрузки для указанного компонента.There is a method in which the possibility of creating a combined structure within a single product is realized, and, in fact, can be used to repair products that are part of the compressor, combustion chamber or turbine section of a gas turbine. To do this, a so-called preform, characterized by a single-crystalline (SX) structure, is prepared in advance, positioned in an additive manufacturing installation, the surface of the preform is leveled and trimmed for further layer-by-layer formation with controlled grain orientation in the primary and secondary directions, according to a given scanning pattern with an energy beam in accordance with the intended design of the component or with the known principal crystallographic directions of the preform providing local loading conditions for the specified component.

В патенте US 10569362 от корпорации General Electric представлен способ изготовления элемента с монокристаллической структурой, включающий: размещение затравочного кристалла на подложку, выравнивание кристалла с подложкой по высоте; нанесение металлического порошка на рабочую поверхность; направление луча лазера для расплавления порошка по рисунку, соответствующему слою поперечного сечения элемента; повторение этапов нанесения порошка и его плавления для создания элемента послойным способом; во время цикла осаждения и плавления поддержание заданного температурного профиля элемента с использованием внешнего устройства регулирования температуры, отдельного от лазера, так что полученный элемент имеет направленную или монокристаллическую микроструктуру. Заданный температурный профиль поддерживается совокупностью нагревательных устройств, одним из которых может быть резистивный нагреватель для нагрева формирующего колодца, а для верхнего подогрева изготавливаемого изделия и контроля затвердевания при повторном плавлении лазера слоя предлагается использование кварцевой лампы или индукционной катушки, выдвигаемой в как во время обработки слоя лазером, так и попеременно, что обеспечивает достаточно гибкое управление процессом формирования требуемой микроструктуры.US Pat. No. 10569362 from General Electric Corporation presents a method for manufacturing an element with a single crystal structure, including: placing a seed crystal on a substrate, aligning the crystal with the substrate in height; applying metal powder to the work surface; directing the laser beam to melt the powder in a pattern corresponding to the cross-sectional layer of the element; repeating the stages of applying the powder and melting it to create an element in a layer-by-layer manner; during the deposition and melting cycle, maintaining a specified temperature profile of the element using an external temperature control device separate from the laser, so that the resulting element has a directional or single-crystalline microstructure. The specified temperature profile is maintained by a set of heating devices, one of which can be a resistive heater for heating the forming well, and for upper heating of the manufactured product and control of solidification during re-melting of the laser layer, it is proposed to use a quartz lamp or an induction coil, extended in both during laser processing of the layer , and alternately, which provides fairly flexible control of the process of formation of the required microstructure.

Несмотря на возможность обеспечения более благоприятных условий для формирования направленной микрокристаллической структуры с помощью указанных нагревательных устройств, для получения направленной структуры в способе используется подложка с заранее заданной структурой.Despite the possibility of providing more favorable conditions for the formation of a directional microcrystalline structure using these heating devices, to obtain a directional structure, the method uses a substrate with a predetermined structure.

В заявке CN 112893874, поданной HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY, описывается метод формирования направленной и монокристаллической структуры в изделиях с помощью аддитивной технологии. Для этого используется инфракрасный подогрев поверхности слоя, расположенный в верхней части установки, с помощью которого производится подогрев и поддержание нужной температуры слоя в процессе лазерной обработки и последующей кристаллизации. Выращивание производится на монокристаллической подложке из того же материала, что и порошок, закрепленной на охлаждаемой платформе, с охлаждающими трубками с различными пропускаемыми хладагентами (жидкий азот, вода и др.), при этом температура нагрева инфракрасным излучателем составляет 50-500°С, а температура охлаждения составляет -196-0°С. Способ включает принцип повторного плавления и устранения равноосных смешанных кристаллов, которые могут появляться по краям трека, а также обеспечения температурного поля со строго и постепенно снижающейся температурой, так что кристаллиты растут в направлении, противоположном постепенно снижающейся температуре при затвердевании расплавленной ванны. Способ 3D-печати включает этапы:Application CN 112893874 filed by HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY describes a method for forming directional and monocrystalline structures in products using additive technology. For this purpose, infrared heating of the layer surface is used, located in the upper part of the installation, with the help of which the layer is heated and maintained at the required temperature during laser processing and subsequent crystallization. Growing is carried out on a single-crystalline substrate made of the same material as the powder, mounted on a cooled platform, with cooling tubes with various coolants passed through (liquid nitrogen, water, etc.), while the heating temperature with an infrared emitter is 50-500 ° C, and the cooling temperature is -196-0°C. The method includes the principle of re-melting and eliminating equiaxed mixed crystals that may appear at the edges of the track, as well as providing a temperature field with a strictly and gradually decreasing temperature, so that the crystallites grow in the opposite direction to the gradually decreasing temperature as the molten pool solidifies. The 3D printing method includes the following steps:

- Создание трехмерной модели формируемой детали, шлифовка и зачистка формообразующей поверхности монокристаллической подложки наждачной бумагой;- Creating a three-dimensional model of the part being formed, grinding and cleaning the form-forming surface of the single-crystal substrate with sandpaper;

- Закрепление монокристаллической подложки на поверхности охлаждающей подложки, и добавление просушенного металлического порошка в блок формования, и продувка камеры формования защитным газом до содержания кислорода ниже 100 частей на миллион;- Fixing the monocrystalline substrate on the surface of the cooling substrate, and adding dried metal powder to the molding unit, and purging the molding chamber with shielding gas until the oxygen content is below 100 ppm;

- Включение управляющего температурного блока для отслеживания температуры во время процесса формирования детали, так что пирометр и термопара определяют температуру порошка, ванны расплава и подложки в реальном времени;- Incorporation of a temperature control unit to monitor the temperature during the part forming process, so that the pyrometer and thermocouple detect the temperature of the powder, melt pool and substrate in real time;

- Отделение сформированной детали от монокристаллической подложки посредством линейной резки, удаление остаточного металлического порошка на поверхности детали и отжиг на снятие напряжений и устранение возможной рекристаллизации, когда деталь находится в эксплуатации, удаление слоя смешанных кристаллов с поверхности детали с помощью шлифовального круга или пескоструйной машины.- Separation of the formed part from the single crystal substrate by linear cutting, removal of residual metal powder on the surface of the part and annealing to relieve stress and eliminate possible recrystallization when the part is in service, removing the layer of mixed crystals from the surface of the part using a grinding wheel or sandblasting machine.

Способ, наилучшим образом характеризующий уровень техники, направленный на получение компонентов газотурбинного двигателя из никелевых сплавов с ярко выраженным образованием γ-фазы, выбран в качестве прототипа и представлен в патенте ЕР 3241634. Способ формирования компонента с направленной или монокристаллической микроструктурой включает следующие этапы:The method that best characterizes the state of the art, aimed at producing gas turbine engine components from nickel alloys with a pronounced formation of the γ-phase, was selected as a prototype and is presented in patent EP 3241634. The method for forming a component with a directional or monocrystalline microstructure includes the following steps:

1. Подготавливают модель детали турбины;1. Prepare a model of the turbine part;

2. Берут порошок никелевого сплава, содержащий γ-фазу с выделением твердого раствора Ni3Al;2. Take a nickel alloy powder containing a γ-phase with the release of a Ni3Al solid solution;

3. Наносят порошок на подложку из затравочного кристалла с определенной заданной ориентацией;3. The powder is applied to the seed crystal substrate with a certain specified orientation;

4. Расплавляют или спекают слой порошка посредством лазерного излучения в соответствии с сечением модели;4. Melt or sinter a layer of powder using laser radiation in accordance with the cross-section of the model;

5. Повторно сканируют образованный слой при температуре выше ликвидуса так, чтобы микроструктура образованного слоя соответствовала ориентации подложки;5. The formed layer is re-scanned at a temperature above the liquidus so that the microstructure of the formed layer matches the orientation of the substrate;

6. Дополнительно сканируют образованный слой при температуре ниже сольвуса в течение 1-3 секунд с целью выделения твердого раствора в ранее образованной γ-фазе;6. Additionally, the formed layer is scanned at a temperature below the solvus for 1-3 seconds in order to isolate a solid solution in the previously formed γ-phase;

7. Наносят новый слоя порошка и повторяют вышеуказанные этапы до завершения формирования детали;7. Apply a new layer of powder and repeat the above steps until the formation of the part is completed;

8. Обрабатывают полученную аддитивным способом деталь с помощью горячего изостатического прессования при температуре субсольвуса, в частности, при температуре от 1000°С до 1280°С, давлении 6,9-172,5 МПа от 1 до 10 часов;8. The part obtained by the additive method is processed using hot isostatic pressing at subsolvus temperature, in particular, at a temperature from 1000°C to 1280°C, a pressure of 6.9-172.5 MPa from 1 to 10 hours;

9. Проводят вибрационную, абразивно-струйную или химическую обработку одной или нескольких внешних или внутренних поверхностей с удалением до 30 микрон материала;9. Vibration, abrasive blasting or chemical treatment of one or more external or internal surfaces is carried out, removing up to 30 microns of material;

10. Наносят покрытие на поверхность детали.10. Apply coating to the surface of the part.

Особенностью способа является возможность формирования первичной ориентации кристалла, ортогональной плоскости построения или направления [001], а также вторичной, которая является ортогональной первичной ориентации и соответствует второму направлению [100] кристаллической решетки затравочного кристалла, так что формируемый объект может иметь и первичную и вторичную ориентацию. Таким образом, при обработке порошка слой приобретает монокристаллическую структуру, характеризующуюся наличием как первичного, так и вторичного направления.A feature of the method is the possibility of forming a primary orientation of the crystal, orthogonal to the construction plane or direction [001], as well as a secondary one, which is orthogonal to the primary orientation and corresponds to the second direction [100] of the crystal lattice of the seed crystal, so that the formed object can have both primary and secondary orientation . Thus, when processing the powder, the layer acquires a monocrystalline structure, characterized by the presence of both primary and secondary directions.

Преимуществами способа являются формирование твердого раствора непосредственно в процессе послойного выращивания, а не по его завершению, и возможность контроля формирования γ-фазы, выделения γ'-фазы (Ni3Al), а также ее рост за счет повторного сканирования при температуре ниже температуры сольвуса γ'-фазы.The advantages of the method are the formation of a solid solution directly during the layer-by-layer growth process, and not upon its completion, and the ability to control the formation of the γ-phase, the release of the γ'-phase (Ni3Al), as well as its growth due to repeated scanning at a temperature below the solvus temperature γ' -phases.

Тем не менее в способе не представлены подходы, позволяющие обеспечить вторичную ориентацию, а также наличие и первичной, и вторичной ориентации кристаллической структуры в детали с содержанием различной доли γ'-фазы, в частности, предварительная обработка лазером с целью уменьшения градиента температур не способна в полной мере обеспечить равновесные условия для формирования направленного зерна (кристаллита) вследствие возникновения напряжений Марангони в ванне расплава, для этого требуется использование дополнительных способов уменьшения градиента температур в материале. Кроме того, для реализации способа необходима предварительная подготовка затравочного кристалла, обладающего необходимым направлением микроструктуры, что увеличивает временные и материальные затраты на производство.However, the method does not present approaches that make it possible to ensure secondary orientation, as well as the presence of both primary and secondary orientation of the crystal structure in a part containing a different proportion of the γ'-phase, in particular, laser pre-treatment to reduce the temperature gradient is not capable of to fully ensure equilibrium conditions for the formation of directional grains (crystallites) due to the occurrence of Marangoni stresses in the melt bath; this requires the use of additional methods of reducing the temperature gradient in the material. In addition, to implement the method, it is necessary to preliminary prepare a seed crystal with the required direction of the microstructure, which increases the time and material costs of production.

Представленные методы не позволяют выборочно создавать области с равноосной и направленной структурой посредством аддитивных технологий, вследствие чего невозможно изготовить изделие из никелевого сплава с областями, имеющими структуру, обеспечивающую локальные повышенные механические свойства при невысоких температурах. Например, для замковой части турбинной лопатки, работающей при более низких температурах по сравнению с перьевой частью, работающей при повышенных температурах.The presented methods do not allow selectively creating areas with an equiaxial and directional structure using additive technologies, as a result of which it is impossible to produce a product from a nickel alloy with areas having a structure that provides local increased mechanical properties at low temperatures. For example, for the locking part of a turbine blade operating at lower temperatures compared to the feather part operating at elevated temperatures.

Кроме того, термический нагрев, используемый в ряде перечисленных известных решений с целью уменьшения градиента температур, зачастую невелик и достигает 500°С, в то время как для жаропрочных никелевых сплавов необходим нагрев выше 1000°С для минимизации возникновения остаточных напряжений и трещин и исключения необходимости в проведении дополнительной термической обработки, направленной на снятие напряжений.In addition, the thermal heating used in a number of the listed known solutions to reduce the temperature gradient is often low and reaches 500°C, while heat-resistant nickel alloys require heating above 1000°C to minimize the occurrence of residual stresses and cracks and eliminate the need in carrying out additional heat treatment aimed at relieving stress.

Таким образом, вышеперечисленные методы не предлагают в полной мере решение такой технической проблемы, как эффективное и производительное формирование изделий из жаропрочного никелевого сплава с управляемой комбинированной микроструктурой с возможностью сокращения количества технологических операций.Thus, the above methods do not fully offer a solution to such a technical problem as the efficient and productive formation of products from a heat-resistant nickel alloy with a controlled combined microstructure with the possibility of reducing the number of technological operations.

С целью решения вышеуказанной проблемы предлагается выполнение способа аддитивного формирования изделия с комбинированной структурой из жаропрочного никелевого сплава с использованием технологии аддитивного производства, включающей возможность использования дополнительных источников нагрева в процессе обработки слоя лазером, и включающий этапы подготовки трехмерной модели изготавливаемой детали, разделения трехмерной модели минимум на две части, характеризующимися разными типами структур и разными характеристиками нагрузки, предварительного нагрева подложки и нагрева нанесенного слоя порошка, согласно которомуIn order to solve the above problem, it is proposed to implement a method for the additive formation of a product with a combined structure made of a heat-resistant nickel alloy using additive manufacturing technology, including the possibility of using additional heating sources during laser processing of the layer, and including the stages of preparing a three-dimensional model of the part being manufactured, dividing the three-dimensional model into at least two parts, characterized by different types of structures and different loading characteristics, preheating of the substrate and heating of the applied powder layer, according to which

- для первой части детали выбирают мощность лазера 110 Вт, а для второй - 320 Вт, - выбирают положку из сплава, свариваемого со сплавом используемого порошка;- for the first part of the part, choose a laser power of 110 W, and for the second - 320 W; - select a support from an alloy welded with the alloy of the powder used;

- при печати первой части детали устанавливают температуру нагрева подложки, определяемой по выражению (Т солидуса +Т сольвуса)/2 и- when printing the first part of the part, the heating temperature of the substrate is set, determined by the expression (T solidus + T solvus)/2 and

- перед сканированием лазером слой нанесенного порошка нагревают с помощью инфракрасных направленных сфокусированных источников в соответствии с профилем нагрева, соответствующим слою трехмерной модели, температуру нагрева устанавливают в диапазоне температур, ограниченном температурой сольвуса и температурой солидуса сплава;- before laser scanning, the layer of applied powder is heated using infrared directed focused sources in accordance with the heating profile corresponding to the layer of the three-dimensional model, the heating temperature is set in the temperature range limited by the solvus temperature and the solidus temperature of the alloy;

- повторяют операции до полного послойного выращивания первой части изделия, печать останавливают и без изъятия из камеры подвергают первую часть изделия термической обработке в камере установки аддитивного производства с использованием верхнего и нижнего нагревателей сначала при температуре гомогенизации и снятия напряжений, затем при температуре не более температуры сольвуса с выдержкой не менее 5 часов для проведения процесса старения;- repeat the operations until the first part of the product is grown layer-by-layer, the printing is stopped and, without removing it from the chamber, the first part of the product is subjected to heat treatment in the chamber of an additive manufacturing installation using upper and lower heaters, first at the temperature of homogenization and stress relief, then at a temperature not exceeding the solvus temperature with exposure for at least 5 hours to carry out the aging process;

- затем деталь охлаждают до комнатной температуры без изъятия из установки аддитивного производства,- then the part is cooled to room temperature without removal from the additive manufacturing unit,

- после чего на сформированной первой части детали производят послойное выращивание следующей части детали без использования дополнительного нагрева таким образом, что каждый слой сканируют лазером дважды.- after which, on the formed first part of the part, the next part of the part is grown layer-by-layer without the use of additional heating in such a way that each layer is scanned with a laser twice.

Технический результат изобретения заключается в формировании изделия из жаропрочного никелевого сплава с комбинированной структурой за один технологический цикл, включающий этап формирования первой части изделия, а именно выбор мощности лазера, выбор подложки из свариваемого с используемым порошком сплава и температуры нагрева подложки в соответствии с температурами солидуса и сольвуса сплава, а также проведения перед сканированием энергетическим источником предварительного нагрева слоя нанесенного порошка с помощью инфракрасных направленных сфокусированных источников до полного выращивания первой части изделия и термической обработки и охлаждения полученной первой части изделия без изъятия из камеры установки аддитивного производства; и этап формирования в установке аддитивного производства второй части изделия без использования дополнительного нагрева, при этом каждый слой сканируют энергетическим источником дважды.The technical result of the invention consists in the formation of a product from a heat-resistant nickel alloy with a combined structure in one technological cycle, including the stage of forming the first part of the product, namely the choice of laser power, the choice of a substrate from the alloy welded with the powder used and the heating temperature of the substrate in accordance with the solidus temperatures and solvus of the alloy, as well as carrying out, before scanning with an energy source, preheating the layer of applied powder using infrared directed focused sources until the first part of the product is completely grown and the resulting first part of the product is heat treated and cooled without removing it from the chamber of the additive manufacturing installation; and the stage of forming the second part of the product in an additive manufacturing installation without the use of additional heating, with each layer being scanned twice by an energy source.

Таким образом, способ аддитивного формирования изделия с комбинированной структурой из жаропрочного никелевого сплава с высокотемпературным подогревом исключает этапы термической обработки с использованием дополнительного оборудования и уменьшает количество шагов обслуживания установки селективного лазерного плавления, включая разгрузочные и загрузочные операции. Помимо этого, обеспечивается сокращение производственных операций, увеличение производительности и упрощение производства изделий из жаропрочного никелевого сплава с управляемыми структурой и размером зерна.Thus, the method of additively forming a product with a combined structure from a heat-resistant nickel alloy with high-temperature heating eliminates the stages of heat treatment using additional equipment and reduces the number of maintenance steps for a selective laser melting installation, including unloading and loading operations. In addition, it reduces production operations, increases productivity and simplifies the production of heat-resistant nickel alloy products with controlled structure and grain size.

Дальнейшее описание способа поясняется следующими сопроводительными чертежами:A further description of the method is illustrated by the following accompanying drawings:

Фиг. 1 - Блок-схема способа изготовления изделия с помощью аддитивного производства;Fig. 1 - Block diagram of a method for manufacturing a product using additive manufacturing;

Фиг. 2 - Оптическое изображение микроструктуры заготовки с заданной структурой в первой части изделия;Fig. 2 - Optical image of the microstructure of the workpiece with a given structure in the first part of the product;

Фиг. 3 - Оптическое изображение микроструктуры заготовки с заданной структурой во второй части изделия.Fig. 3 - Optical image of the microstructure of the workpiece with a given structure in the second part of the product.

Более подробно, процесс получения изделий из никелевых жаропрочных сплавов с комбинированной структурой (Фиг. 1) заключается в следующем:In more detail, the process of producing products from nickel heat-resistant alloys with a combined structure (Fig. 1) is as follows:

1. Подготавливают трехмерную модель детали, разделяя ее на не менее чем две объемных области (части), отличающиеся по структуре и требуемым свойствам;1. Prepare a three-dimensional model of the part, dividing it into at least two volumetric areas (parts) that differ in structure and required properties;

2. Заранее выбирают параметры печати, таким образом, что мощность лазера для одной части составляет 120 Вт, а для второй 320 Вт;2. Printing parameters are selected in advance, such that the laser power for one part is 120 W, and for the second 320 W;

3. Берут порошок никелевого сплава с размером частиц 5-63 мкм, проводят входной контроль на морфологию и гранулометрический состав;3. Take nickel alloy powder with a particle size of 5-63 microns, carry out input control for morphology and granulometric composition;

4. Порошок загружают в бункер установки селективного лазерного плавления. В бункере порошок разогревают до температуры 100-500°С с использованием резистивного нагревателя. Предварительный нагрев порошка применяется для того, чтобы снизить температурные градиенты при нанесении более холодного порошка на более горячую платформу и добиться более равномерного распределения температур.4. The powder is loaded into the hopper of the selective laser melting installation. In the hopper, the powder is heated to a temperature of 100-500°C using a resistive heater. Powder preheating is used to reduce temperature gradients when applying cooler powder to a hotter platform and to achieve a more uniform temperature distribution.

5. В установку на рабочий поршень устанавливают подложку из свариваемого с используемым порошком сплава. Материал подложки должен иметь температуру солидуса более, чем максимальная температура подогрева, чтобы не происходило его расплавление. Помимо этого, материал подложки должен обеспечивать достаточную фиксацию детали и предотвращать ее смещение при нанесении слоя.5. In the installation, a substrate made of an alloy weldable with the powder used is installed on the working piston. The substrate material must have a solidus temperature greater than the maximum heating temperature to prevent melting. In addition, the substrate material must provide sufficient fixation of the part and prevent it from moving when the layer is applied.

6. Обеспечивают содержание кислорода в камере не более 50 частей на миллион;6. Provide oxygen content in the chamber of no more than 50 parts per million;

7. Производят нагрев подложки до температуры (Т солидуса + Т сольвуса)/2°С с использованием вольфрамовых нагревателей;7. The substrate is heated to a temperature (T solidus + T solvus)/2°C using tungsten heaters;

8. На подложку наносят порошковый слой и нагревают его сверху до температуры, диапазон которой ограничивается температурами сольвуса и солидуса, с использованием инфракрасных сфокусированных источников. Контроль температуры нагрева производят с использованием инфракрасных пирометров.8. A powder layer is applied to the substrate and heated from above to a temperature, the range of which is limited by the solvus and solidus temperatures, using focused infrared sources. Heating temperature is controlled using infrared pyrometers.

9. Производят сканирование порошкового слоя лазером с применением ранее определенных параметров печати;9. The powder layer is scanned with a laser using previously determined printing parameters;

10. Подложку опускают на толщину слоя и повторяют этапы 7-9 до получения первой части детали.10. The substrate is lowered to the thickness of the layer and steps 7-9 are repeated until the first part of the part is obtained.

11. Производят нагрев первой части детали до температуры (Т солидуса + Т сольвуса)/2°С в установке селективного лазерного плавления с использованием верхнего и нижнего нагревателей, и выдерживают при данной температуре не менее 1 часа для проведения гомогенизации и снятия напряжений. Для контроля температуры нижнего нагревателя использовали термопару, расположенную в непосредственной близости от платформы, для контроля верхнего нагревателя использовали пирометр.11. The first part of the part is heated to a temperature (T solidus + T solvus)/2°C in a selective laser melting installation using upper and lower heaters, and kept at this temperature for at least 1 hour to homogenize and relieve stress. To control the temperature of the lower heater, a thermocouple located in close proximity to the platform was used, and a pyrometer was used to control the upper heater.

12. Производят нагрев детали до температуры не выше температуры сольвуса в установке селективного лазерного плавления с использованием верхнего и нижнего нагревателей, и выдерживают деталь не менее 5 часов для проведения процесса старения.12. The part is heated to a temperature not higher than the solvus temperature in a selective laser melting installation using upper and lower heaters, and the part is kept for at least 5 hours to carry out the aging process.

13. Нагреватели выключают и производят охлаждение первой части детали до комнатной температуры.13. The heaters are turned off and the first part of the part is cooled to room temperature.

14. После охлаждения первой части детали послойно изготавливают вторую часть детали без дополнительного подогрева с использованием ранее определенного режима сканирования энергетическим источником мощностью 320 Вт. Сканирование производят два раза с одинаковой мощностью. При этом обеспечивается локальный подогрев поверхностного слоя, без проникновения тепла вглубь детали, однако за счет того, что остальной материал детали не подогревается, обеспечиваются более высокие скорости охлаждения при кристаллизации.14. After cooling the first part of the part, the second part of the part is manufactured layer by layer without additional heating using a previously determined scanning mode with a 320 W energy source. Scanning is performed twice with the same power. This ensures local heating of the surface layer, without heat penetrating deep into the part, but due to the fact that the rest of the part material is not heated, higher cooling rates during crystallization are ensured.

15. По завершению изготовления второй части детали и всей детали в целом извлекают деталь из установки и отделяют от платформы.15. Upon completion of the manufacture of the second part of the part and the entire part as a whole, the part is removed from the installation and separated from the platform.

После изготовления проводят проверку структуры посредством оптической или электронной растровой микроскопии, рентгеновской дифрактометрии либо других средств контроля, и, в случае необходимости, корректировку режимов печати. С целью уменьшения возможной при реализации аддитивной технологии пористости, можно проводить горячее изостатическое прессование. Помимо этого, при необходимости, проводят обработку поверхности детали механическим способом.After manufacturing, the structure is checked using optical or electron scanning microscopy, X-ray diffractometry or other means of control, and, if necessary, printing modes are adjusted. In order to reduce porosity possible when implementing additive technology, hot isostatic pressing can be carried out. In addition, if necessary, the surface of the part is treated mechanically.

В качестве конечного изделия могут выступать компоненты газотурбинного двигателя, например, лопатка, сопловой и другие сегменты камеры сгорания и компоненты, входящие в состав газотурбинного двигателя.The final product can be components of a gas turbine engine, for example, a blade, nozzle and other segments of the combustion chamber and components included in the gas turbine engine.

Представленный способ обеспечивает определенные прочностные свойства, соответствующие разным типам нагрузок в выбранных частях детали, изготавливаемой посредством послойного выращивания. Предпочтительно, микроструктурами, формируемыми в разных частях детали, являются равноосная, столбчатая и микрокристаллическая.The presented method provides certain strength properties corresponding to different types of loads in selected parts of the part manufactured by layer-by-layer growth. Preferably, the microstructures formed in different parts of the part are equiaxial, columnar and microcrystalline.

Кроме того, способ подходит для изготовления деталей газотурбинного двигателя, работающих при повышенных нагрузках в условиях высоких растягивающих напряжений, и обеспечивает в зоне направленной структуры повышенные прочностные свойства в условиях повышенных температур, а в зоне равноосной микроструктуры - большую прочность при пониженных температурах.In addition, the method is suitable for the manufacture of gas turbine engine parts operating under increased loads under conditions of high tensile stresses, and provides increased strength properties in the zone of the directional structure at elevated temperatures, and in the zone of the equiaxial microstructure - greater strength at low temperatures.

Представленный способ исключает использование затравочной подложки, используемой для задания определенного кристаллографического направления, а применение сфокусированного нагрева позволяет ускорить процесс аддитивного формирования.The presented method eliminates the use of a seed substrate used to set a specific crystallographic direction, and the use of focused heating allows the additive formation process to be accelerated.

Главный подход, используемый в способе, заключается в обеспечении максимально равновесных условий, позволяющих контролировать скорость и условия кристаллизации расплава. Обработка энергетическим источником, например, лазером, или электронным пучком, приводит к высоким скоростям охлаждения. Изменение скорости кристаллизации возможно с использованием нагрева как подложки, на котором производится послойное выращивание изделия, так и слоя порошка. Нагрев только подложки приводит к тому, что по мере увеличения высоты изделия эффективность нагрева падает, а градиент температур между верхним и нижним слоями растет, что может привести к возникновению дефектов структуры, и выход из зоны выделения упрочняющей гамма-фазы.The main approach used in the method is to ensure maximum equilibrium conditions, allowing to control the rate and conditions of crystallization of the melt. Treatment with an energy source such as a laser or electron beam results in high cooling rates. Changing the crystallization rate is possible by heating both the substrate on which the product is grown layer-by-layer and the powder layer. Heating only the substrate leads to the fact that as the height of the product increases, the heating efficiency decreases, and the temperature gradient between the upper and lower layers increases, which can lead to the occurrence of structural defects and the release of the strengthening gamma phase from the zone.

Нижний нагрев подложки включает использование индукционного вольфрамового нагревателя, с максимальной температурой 1300°С и быстрым откликом. Нижний нагрев используется для предварительного нагрева заранее установленной подложки, которая может не обладать заданной микроструктурой: равноосной, столбчатой или монокристаллической, требуемая ориентация и размер зерен обеспечиваются за счет подбора параметров обработки лазером, стратегии сканирования и условий нагрева.Bottom heating of the substrate involves the use of a tungsten induction heater, with a maximum temperature of 1300°C and fast response. Bottom heating is used to preheat a pre-installed substrate, which may not have a given microstructure: equiaxed, columnar or single crystal, the required orientation and grain size are provided by selecting laser processing parameters, scanning strategy and heating conditions.

Более подходящие условия кристаллизации в данном случае обеспечивается комбинированием верхнего и нижнего нагревов, что уменьшает резкий перепад температуры. Верхний нагрев предпочтительно осуществляется непрерывно с помощью инфракрасных сфокусированных источников, позволяющих обработать слой порошка по сечению изделия, например, системы VCSEL или сфокусированного лазерного луча и др. Температура обработки выбирается в диапазоне температур сольвуса и солидуса, поскольку в этом диапазоне присутствует только γ-фаза, сплав наиболее пластичен и релаксация напряжений происходит наиболее эффективно. Для сплавов из ряда известных (Inconel 625, Inconel 718, ВЖ159) данный диапазон характеризуется температурами 1050-1300°С. Температуры старения, обеспечивающие рост упрочняющих выделений γ'-фазы известны, и для ряда сплавов характеризуется температурами 600-1000°С. Точность нагрева инфракрасным сфокусированным источником определяется при помощи инфракрасных пирометров.More suitable crystallization conditions in this case are provided by a combination of upper and lower heating, which reduces the sharp temperature drop. Top heating is preferably carried out continuously using infrared focused sources that allow the layer of powder to be processed over the cross section of the product, for example, a VCSEL system or a focused laser beam, etc. The processing temperature is selected in the solvus and solidus temperature range, since in this range only the γ phase is present, the alloy is the most ductile and stress relaxation occurs most effectively. For some well-known alloys (Inconel 625, Inconel 718, VZh159), this range is characterized by temperatures of 1050-1300°C. The aging temperatures that ensure the growth of strengthening precipitates of the γ'-phase are known, and for a number of alloys it is characterized by temperatures of 600-1000°C. The accuracy of heating by an infrared focused source is determined using infrared pyrometers.

Использование инфракрасных сфокусированных источников позволяет минимизировать спекание порошка вне зоны сечения объекта, тем самым облегчая удаление лишнего порошкового материала с поверхности сформированного изделия. Помимо этого, инфракрасный нагрев сфокусированными источниками обеспечивает быстрый нагрев, поскольку выход на рабочую мощность значительно ниже по сравнению, например, с резистивными нагревателями. Охлаждение инфракрасных нагревателей после их выключения также происходит значительно быстрее.The use of infrared focused sources allows minimizing powder sintering outside the cross-sectional area of the object, thereby facilitating the removal of excess powder material from the surface of the formed product. In addition, infrared heating with focused sources provides rapid heating, since the operating power output is significantly lower compared to, for example, resistive heaters. Cooling of infrared heaters after they are turned off also occurs much faster.

Эффективность способа также обеспечивается за счет определенных размеров ванны расплава при проходе лазером. Размер ванны расплава ограничивается глубиной и шириной, обеспечиваемой сочетанием параметров сканирования, такие как мощность лазера, скорость сканирования и ширина трека не более 100 мкм. Ширину трека выбирают таким образом, чтобы обеспечивать перекрытие формируемых ванн расплава и полное сплавление порошка. В ряде случаев определяющую роль играет мощность лазера, влияющая на проплавление как слоя порошка, так и предыдущего слоя, так что происходит наследование кристаллографической ориентации от слоя к слою, при этом, микроструктура подложки не оказывает влияния на формирование структуры в изделии. Формирование направленности структуры происходит за счет высоких температур подогрева и используемых технологических параметров, а изменение параметров воздействия энергетическим источником приводит к управляемому изменению размера ванн расплава и микроструктуры в целом, обеспечивая изделие, обладающее комбинированной микроструктурой.The effectiveness of the method is also ensured due to the certain dimensions of the melt pool when passing through the laser. The size of the melt pool is limited by the depth and width provided by a combination of scanning parameters, such as laser power, scanning speed and track width of no more than 100 µm. The track width is selected in such a way as to ensure overlap of the formed melt pools and complete fusion of the powder. In some cases, the laser power plays a decisive role, affecting the penetration of both the powder layer and the previous layer, so that the crystallographic orientation is inherited from layer to layer, while the microstructure of the substrate does not affect the formation of the structure in the product. The formation of the direction of the structure occurs due to high heating temperatures and the technological parameters used, and changing the parameters of the influence of the energy source leads to a controlled change in the size of the melt pools and the microstructure as a whole, providing a product with a combined microstructure.

Пример реализации 1:Implementation example 1:

1. Был взят порошок никелевого сплава с составом: Ni основа; Cr - 4,9%; Со - 9,0; W - 8,5%; Al - 5,9; Re - 4,0%; Та - 4,0%; Nb - 1,6%. Размер частиц 5-63 мкм. Порошок загружали в установку селективного лазерного плавления. В бункере порошок разогревали до температуры 100°С с использованием резистивного нагревателя.1. Nickel alloy powder was taken with the composition: Ni base; Cr - 4.9%; Co - 9.0; W - 8.5%; Al - 5.9; Re - 4.0%; Ta - 4.0%; Nb - 1.6%. Particle size 5-63 microns. The powder was loaded into a selective laser melting installation. In the hopper, the powder was heated to a temperature of 100°C using a resistive heater.

2. Разделяли деталь на две части, отличающиеся по структуре и требуемым свойствам.2. The part was divided into two parts, differing in structure and required properties.

3. Выбирали следующие параметры печати:3. Select the following print options:

a. Первая часть детали: мощность лазера: 120 Ватт;a. First part of the part: laser power: 120 watts;

b. Вторая часть детали: мощность лазера: 320 Ватт;b. Second part of the part: laser power: 320 Watt;

Остальные параметры были зафиксированы и для обоих частей составляли: скорость сканирования: 1100 мм/с; толщина слоя - 50 мкм; расстояние между отдельными лазерными проходами - 100 мкм.The remaining parameters were fixed and for both parts they were: scanning speed: 1100 mm/s; layer thickness - 50 microns; the distance between individual laser passes is 100 microns.

4. В установку на рабочий поршень устанавливали подложку. Для изготовления образцов использовали подложку из сплава ВЖ159.4. In the installation, a substrate was installed on the working piston. To prepare the samples, a substrate made of VZh159 alloy was used.

5. Производили продувку рабочей камеры инертным газом аргоном до содержания кислорода 50 ppm.5. The working chamber was purged with inert gas argon until the oxygen content was 50 ppm.

6. Производили нагрев подложки до температуры 1280°С с использованием вольфрамовых нагревателей.6. The substrate was heated to a temperature of 1280°C using tungsten heaters.

7. На подложку наносили порошковый слой толщиной 50 мкм.7. A powder layer 50 µm thick was applied to the substrate.

8. Нагревали нанесенный порошковый слой до температуры 1280°С сверху с использованием инфракрасных сфокусированных источников. С помощью инфракрасных пирометров определили, что температурный профиль нагрева соответствовал слою трехмерной модели.8. The applied powder layer was heated to a temperature of 1280°C from above using focused infrared sources. Using infrared pyrometers, it was determined that the heating temperature profile corresponded to the layer of the three-dimensional model.

9. Производили лазерное сканирование порошкового слоя по ранее определенным параметрам печати9. Laser scanning of the powder layer was carried out according to previously determined printing parameters

10. Далее подложку опускали на 50 мкм и повторяли этапы 7-9 до получения первой части изделия.10. Next, the substrate was lowered by 50 microns and steps 7-9 were repeated until the first part of the product was obtained.

11. Не вынимая из камеры, первую часть детали нагревали до температуры 1280°С в установке селективного лазерного плавления с использованием верхнего и нижнего нагревателей, и выдерживали при данной температуре в течение 1 часа для проведения гомогенизации и снятия напряжений. Для контроля температуры нижнего нагревателя использовали термопару, расположенную в непосредственной близости от платформы, для контроля верхнего нагревателя использовали пирометр.11. Without removing it from the chamber, the first part of the part was heated to a temperature of 1280°C in a selective laser melting unit using upper and lower heaters, and kept at this temperature for 1 hour to homogenize and relieve stress. To control the temperature of the lower heater, a thermocouple located in close proximity to the platform was used, and a pyrometer was used to control the upper heater.

12. Затем производили нагрев детали до температуры 1000°С в установке селективного лазерного плавления с использованием верхнего и нижнего нагревателей, и выдерживали деталь в течение 5 часов для проведения процесса старения.12. Then the part was heated to a temperature of 1000°C in a selective laser melting installation using upper and lower heaters, and the part was kept for 5 hours to carry out the aging process.

13. Нагреватели выключали и производили охлаждение первой части детали до комнатной температуры.13. The heaters were turned off and the first part of the part was cooled to room temperature.

14. После охлаждения первой части детали выращивали оставшуюся часть детали без дополнительного подогрева. При этом использовали ранее определенный для второй части режим сканирования с мощностью лазера 320 Вт. Лазерную обработку производили два раза. При этом обеспечивается локальный подогрев поверхностного слоя, однако за счет того, что остальной материал детали не подогревается, обеспечиваются более высокие скорости охлаждения при кристаллизации.14. After cooling the first part of the part, the remaining part of the part was grown without additional heating. In this case, we used the scanning mode previously defined for the second part with a laser power of 320 W. Laser treatment was performed twice. This ensures local heating of the surface layer, but due to the fact that the rest of the material of the part is not heated, higher cooling rates during crystallization are ensured.

15. После полного выращивания всей детали извлекали деталь из установки и отделяли от платформы. Микроструктуру в первой части изделия (фиг. 1) и во второй части (фиг. 2), включая переходную зону (фиг. 3) исследовали с помощью оптической микроскопии.15. After complete growth of the entire part, the part was removed from the installation and separated from the platform. The microstructure in the first part of the product (Fig. 1) and in the second part (Fig. 2), including the transition zone (Fig. 3), was examined using optical microscopy.

Claims (4)

1. Способ аддитивного формирования детали с комбинированной структурой из жаропрочного никелевого сплава, включающий подготовку трехмерной модели изготавливаемой детали, разделение трехмерной модели на две части, характеризующиеся разными типами структур и прочностными свойствами, соответствующими разным типам нагрузок, предварительный нагрев подложки, нанесение слоя порошка жаропрочного никелевого сплава, нагрев нанесенного слоя упомянутого порошка и послойное выращивание детали путем сканирования лазером, отличающийся тем, что используют подложку из сплава, свариваемого с жаропрочным никелевым сплавом используемого порошка, перед печатью первой части детали нижним нагревателем осуществляют предварительный нагрев подложки до температуры, определяемой по выражению (Тсолидуса + Тсольвуса)/2, где Тсолидуса, Тсольвуса - температуры солидуса и сольвуса сплава, слой нанесенного порошка нагревают с помощью верхнего нагревателя в виде инфракрасного направленного сфокусированного источника в соответствии с профилем нагрева слоя трехмерной модели, при этом температуру нагрева устанавливают в диапазоне температур, ограниченном температурой сольвуса и температурой солидуса сплава, сканирование осуществляют при мощности лазера 110 Вт, операции повторяют до полного формирования первой части детали, после чего печать останавливают и подвергают первую часть детали термической обработке с использованием верхнего и нижнего нагревателей сначала при температуре гомогенизации и снятия напряжений, затем при температуре не более температуры сольвуса сплава с выдержкой не менее 5 часов для проведения процесса старения, затем деталь охлаждают до комнатной температуры в установке аддитивного производства, после чего на первой части детали осуществляют послойное выращивание второй части при мощности лазера 320 Вт, при этом каждый слой сканируют лазером дважды.1. A method for the additive formation of a part with a combined structure made of a heat-resistant nickel alloy, including preparing a three-dimensional model of the part being manufactured, dividing the three-dimensional model into two parts, characterized by different types of structures and strength properties corresponding to different types of loads, preheating the substrate, applying a layer of heat-resistant nickel powder alloy, heating the applied layer of the mentioned powder and layer-by-layer growth of the part by laser scanning, characterized in that they use a substrate made of an alloy welded with a heat-resistant nickel alloy of the powder used; before printing the first part of the part with a lower heater, the substrate is preheated to a temperature determined by the expression ( Tsolidus + Tsolvus)/2, where Tsolidus, Tsolvus are the solidus and solvus temperatures of the alloy, the layer of applied powder is heated using an upper heater in the form of an infrared directed focused source in accordance with the heating profile of the three-dimensional model layer, and the heating temperature is set in the temperature range, limited by the solvus temperature and the solidus temperature of the alloy, scanning is carried out at a laser power of 110 W, the operations are repeated until the first part of the part is completely formed, after which the printing is stopped and the first part of the part is subjected to heat treatment using the upper and lower heaters, first at the temperature of homogenization and stress relief, then at a temperature not exceeding the solvus temperature of the alloy with exposure for at least 5 hours to carry out the aging process, then the part is cooled to room temperature in an additive manufacturing installation, after which the second part is grown layer-by-layer on the first part of the part at a laser power of 320 W, with each The layer is scanned with a laser twice. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что послойное выращивание детали осуществляют при скорости сканирования 1100 мм/с, толщине слоя 50 мкм, расстоянии между отдельными лазерными проходами не более 100 мкм.2. The method according to claim 1, characterized in that layer-by-layer growth of the part is carried out at a scanning speed of 1100 mm/s, a layer thickness of 50 μm, and a distance between individual laser passes of no more than 100 μm. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инфракрасным сфокусированным источником осуществляют кратковременный нагрев до достижения требуемой температуры.3. The method according to claim 1, characterized in that short-term heating is carried out with an infrared focused source until the required temperature is reached. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе старения нагрев инфракрасными сфокусированными источниками производят непрерывно для поддержания требуемой температуры.4. The method according to claim 1, characterized in that during the aging process, heating with infrared focused sources is carried out continuously to maintain the required temperature.
RU2023117413A 2023-06-30 Method for additive formation of an article with a combined structure from a heat-resistant nickel alloy with high-temperature heating RU2821638C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2821638C1 true RU2821638C1 (en) 2024-06-25

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2212982C2 (en) * 2000-08-11 2003-09-27 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Method for laser synthesis of bulky articles (variants)
RU2566117C2 (en) * 2012-08-21 2015-10-20 Альстом Текнолоджи Лтд Production of 3d body
WO2017100811A1 (en) * 2015-12-17 2017-06-22 Klaus Stadlmann Method for producing a three-dimensional object
EP3241634B1 (en) * 2016-04-25 2020-01-08 Thomas Strangman Method for fabricating a component having a directionally solidified microstructure or a single crystal microstructure
RU2713255C1 (en) * 2019-09-23 2020-02-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" Method of forming composite material by selective laser melting of refractory nickel alloy powder on a substrate from titanium alloy
WO2021130433A1 (en) * 2019-12-23 2021-07-01 Safran Helicopter Engines Method for manufacturing a turbine engine vane and turbine engine vane
US11137143B2 (en) * 2014-02-25 2021-10-05 General Electric Company System having layered structure and method of making the same

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2212982C2 (en) * 2000-08-11 2003-09-27 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Method for laser synthesis of bulky articles (variants)
RU2566117C2 (en) * 2012-08-21 2015-10-20 Альстом Текнолоджи Лтд Production of 3d body
US11137143B2 (en) * 2014-02-25 2021-10-05 General Electric Company System having layered structure and method of making the same
WO2017100811A1 (en) * 2015-12-17 2017-06-22 Klaus Stadlmann Method for producing a three-dimensional object
EP3241634B1 (en) * 2016-04-25 2020-01-08 Thomas Strangman Method for fabricating a component having a directionally solidified microstructure or a single crystal microstructure
RU2713255C1 (en) * 2019-09-23 2020-02-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" Method of forming composite material by selective laser melting of refractory nickel alloy powder on a substrate from titanium alloy
WO2021130433A1 (en) * 2019-12-23 2021-07-01 Safran Helicopter Engines Method for manufacturing a turbine engine vane and turbine engine vane

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kumar et al. A review on properties of Inconel 625 and Inconel 718 fabricated using direct energy deposition
US6103402A (en) Crack free metallic articles
Peng et al. Microstructure, mechanical properties and cracking behaviour in a γ′-precipitation strengthened nickel-base superalloy fabricated by electron beam melting
Li et al. Microstructure evolution characteristics of Inconel 625 alloy from selective laser melting to heat treatment
Basak et al. Microstructure of nickel-base superalloy MAR-M247 additively manufactured through scanning laser epitaxy (SLE)
JP4659164B2 (en) Unidirectionally solidified cast product and manufacturing method thereof
KR100593053B1 (en) Process for laser welding superalloy articles
JP4969756B2 (en) Method for welding superalloy articles mainly composed of nickel or cobalt
EP3132885B1 (en) Apparatus and method for direct writing of single crystal super alloys and metals
US9844812B2 (en) Process for the production of articles made of a gamma-prime precipitation-strengthened nickel-base superalloy by selective laser melting (SLM)
Ma Novel casting processes for single-crystal turbine blades of superalloys
US7306670B2 (en) Method for producing monocrystalline structures
EP2751304B1 (en) Manufacturing a component of single crystal or directionally solidified material
Periane et al. Influence of heat treatment on the fatigue resistance of Inconel 718 fabricated by selective laser melting (SLM)
Gong et al. Characterization of microstructure and mechanical property of Inconel 718 from selective laser melting
CN112893874A (en) 3D printing device and method for oriented crystal or single crystal high-temperature alloy and product
Gorunov et al. Study of the effect of heat treatment on the structure and properties of the specimens obtained by the method of direct metal deposition
CN109982792A (en) For producing the method, purposes and equipment of Single-crystal workpieces
Jing et al. Formability, microstructure and mechanical properties of 300M steel single tracks fabricated by high power selective laser melting
KR100718405B1 (en) Controlling casting grain spacing
Shrivastava et al. Postprocessing challenges in metal AM: Strategies for achieving homogeneous microstructure in Ni-based superalloys
Sadek Optimization of the post-heat treatment of additively manufactured IN718
CA2423146C (en) A method of welding single crystals
CN113927044A (en) A solution treatment method for laser additive manufacturing of superalloys
RU2821638C1 (en) Method for additive formation of an article with a combined structure from a heat-resistant nickel alloy with high-temperature heating