СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ ТИПА АК Российский патент 2019 года по МПК B22F3/105 B33Y10/00 C22C33/02 

Изобретение относится к области технологии судового машиностроения, а именно к способам изготовления изделий из материалов с высокой хладостойкостью и прочностью, предназначенных, в том числе, для эксплуатации в условиях Арктики.

Благодаря такому сочетанию характеристик как, высокая прочность, сопротивление хрупким разрушениям, сопротивление к повторно-статическим нагружениям за счет высокой пластичности и вязкости, а также сопротивление коррозионно-механическим повреждениям в судостроении активно используются корпусные высокопрочные хладостойкие стали типа АК, специально предназначенные, в том числе, для эксплуатации в условиях Арктики. Широко распространены такие методы изготовления изделий из данных сталей, как сварка и лазерное выращивание.

Известен ряд публикаций [1-5], описывающих общие принципы метода прямого лазерного выращивания, использующегося для изготовления изделий различной конфигурации и из различных материалов. Он является родственным сварочному, но отличие заключается в том, что изделие создается из присадочного материала (в частности, металлического порошка) за счет обработки его лазерным излучением, а не конструируется из отдельных частей, путем выполнения сварных соединений. Особенностью данного метода является чувствительность качества конечного изделия к изменению режимов технологического процесса. Режимы варьируются не только в зависимости от геометрии изделия, но в большей степени зависят от специфических характеристик присадочного материала. Термофизические свойства сталей типа АК не позволяют применять имеющиеся в публикациях данные при изготовлении изделий и требуют выявления оптимальных значений технологических параметров режима выращивания.

Из уровня техники известен также «Способ прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошков» Заявка №2015147740 от 09.11.2015. В данном способе изготовление крупногабаритных 3х-мерных объектов осуществляют с использованием метода прямого лазерного выращивания с импульсной генерацией лазерного излучения с прямоугольной формой импульса. Недостатками способа являются использование для прямого лазерного выращивания изделий из металлических порошков только на основе Ni, Со и Fe без учета термофизических особенностей сталей типа АК, а именно, повышенной склонности к образованию закалочных структур при определенном сочетании температуры нагрева и скорости охлаждения. Осуществление данного способа не позволяет получить термический цикл выращивания изделия, исключающий образование холодных трещин в ходе создания и остывания изделия.

Наиболее близким техническим решением того же назначения по отношению к заявляемому является «Способ сварки корпусных конструкций из стали типа АК» патент РФ №2089363 (опубл. 22.10.1996), предназначенный для изготовления изделий непосредственно из сталей типа АК. В данном способе изготовление изделия/конструкций производят по меньшей мере из двух частей с использованием методов автоматической, полуавтоматической и ручной сварки плавлением стыкового соединения на постоянном токе обратной полярности. Для уменьшения остаточных и угловых деформаций в многопроходных швах стыковых соединений заполнение разделки кромок осуществляют в определенной последовательности: при сварке криволинейных швов вначале полностью заполняют шов с внутренней стороны обшивки, а потом полностью заваривают шов с наружной стороны обшивки; при сварке прямолинейных швов вначале заполняют разделку со стороны набора заподлицо с основным металлом, потом после строжки и зачистки заваривают полностью шов с другой стороны и в конце заканчивают сварку шва с первой стороны. Автоматическую и полуавтоматическую сварку под флюсом применяют в нижнем пространственном положении. Ручную дуговую и полуавтоматическую сварку швов и подварку корня шва производят с разбивкой каждого технологического участка шва на равные участки. Недостатком способа является применение нескольких видов сварки для разных пространственных положений, а также необходимость выполнения разделки кромок, что повышает трудоемкость процесса и увеличивает время подготовки к началу процесса. Кроме того, способ изготовления изделий методом сварки не может применяться при изготовлении изделий сложной геометрической конфигурации.

Задачей, на решение которой нацелено данное изобретение, является определение режимов прямого лазерного выращивания, обеспечивающих высокое качество изготавливаемых из сталей типа АК изделий судового машиностроения.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение прочностных характеристик изделий судового машиностроения, в том числе, сложной геометрической конфигурации, изготовленных из сталей типа АК при сокращении времени полного цикла изготовления изделия.

Для достижения указанного технического результата предложенный способ изготовления изделий из стали типа АК включает выполняемые последовательно подготовительный этап, этап создания заготовки изделия на специальном оборудовании и этап постобработки. В качестве специального оборудования используется установка для прямого лазерного выращивания. На подготовительном этапе строят 3D модель изделия, затем путем послойного разбиения 3D модели с помощью компьютерных программных средств или вручную создают массив траекторий перемещений головы лазерной установки относительно подложки, на которой происходит послойное выращивание заготовки изделия. Одновременно создают порядок применения траекторий. Шаг вертикального смещения слоев задается в пределах от 0,2 мм до 1 мм, а шаг поперечного смещения слоев - от 0,7 мм до 2 мм. Также на подготовительном этапе создают управляющую работой лазерной установки программу. Посредством данной управляющей программы в автоматическом режиме на этапе выращивания через сопло подачи порошка лазерной установки подают транспортный газ и металлический порошок из стали типа АК, выполняя при этом локальную газовую защиту ванны расплава. Одновременно генерируют лазерное излучение, фокусируют его на поверхности подложки и далее перемещают лазерную голову относительно подложки по траекториям из созданного массива в заданном порядке. При этом используют металлический порошок с размером фракций в пределах от 50 мкм до 150 мкм, расход подачи газа задают в пределах от 10 л/мин до 30 л/мин, массовый расход подачи металлического порошка задают в диапазоне от 5 г/мин до 100 г/мин, генерируют лазерное излучение мощностью в пределах от 1 кВт до 3 кВт, фокусируют его на поверхности подложки в пятно диаметром от 1 мм до 5 мм и перемещают лазерную голову по текущей траектории со скоростью в пределах от 5 мм/с до 45 мм/с. На этапе постобработки заготовку изделия механически отделяют от подложки. Локальную газовую защиту ванны расплава выполняют путем смешения транспортного газа с газом, защищающим оптическую систему лазерной головы, с последующей подачей смеси через сопло подачи порошка лазерной установки. В качестве транспортно-защитного газа используют аргон.

Указанный технический результат достигается за счет применения способа прямого лазерного выращивания изделия с выбором значений параметров режима выращивания в предложенных диапазонах. Данные диапазоны обеспечивают термический цикл процесса, позволяющий избежать образования холодных трещин в изделиях из стали типа АК, которая в силу своих термофизических свойств обладает повышенной склонностью к закаливанию. Определение оптимальных траекторий относительных перемещений лазерной головы, в том числе, с помощью компьютерных программных средств позволяет уменьшить время полного цикла изготовления изделия и расход материалов.

Примером реализация заявляемого способа является изготовление опытного изделия типа плоская стенка. На подготовительном этапе для послойного разбиения 3D модели при создании массива траекторий перемещений головы лазерной установки и задания порядка применения траекторий определены следующие значения параметров: шаг вертикального смещения слоев - 0,5 мм, шаг поперечного смещения слоев - 0,7 мм. На этапе выращивания значения параметров режима работы лазерной установки определяют следующим образом: через сопло подачи порошка лазерной установки подают транспортно-защитный газ аргон с расходом 40 л/мин и металлический порошок из стали типа АК с расходом 40 г/мин, генерируют лазерное излучение мощностью 1,4 кВт, фокусируют его на поверхности подложки в пятно диаметром 2 мм и далее перемещают лазерную голову относительно подложки по траекториям из созданного массива в заданном порядке со скоростью 30 мм/с. Высокое качество внутренней структуры опытного образца показало промышленную применимость заявляемого технического решения.

Экспериментально выявлено, что выход значений параметров режима выращивания за пределы указанных в способе диапазонов влечет критическое ухудшение качественных характеристик готового изделия. Размер диаметра пятна излучения оказывает влияние на площадь зоны обработки, точность изготовления заготовки изделия, производительность процесса и коэффициент использования порошка. В частности, заниженная мощность излучения (менее 1 кВт) приводит к образованию внутренних структурных дефектов изделия (образование пор, несплавлений). Высокая мощность (более 3 кВт) приводит к дефектам структуры, перегревая ванну расплава. Кроме того, все указанные параметры режима выращивания изделий взаимозависимы. Так, например, ширина наносимого валика зависит от соотношения значений диаметра пятна зоны лазерной обработки, мощности излучения и скорости перемещения лазерной головы. А высота валика зависит от сочетания значений диаметра пятна зоны лазерной обработки, скорости перемещения лазерной головы и расхода порошка.

Заявляемое техническое решение позволяет решить поставленную задачу, используя метода прямого лазерного выращивания изделий для сталей типа АК и обеспечить повышение качества формирования изделия из-за отсутствия дефектов, характерных для сварочного процесса, отказу от промежуточных стадий контроля изделия и дополнительных присадочных материалов.

Список литературы:

1. Г.А. Туричин и др. Прямое лазерное выращивание - прорыв в изготовлении крупногабаритных изделий. Аддитивные технологии, №4, 2018.

2. Turichin, G., Zemlyakov, Е., Babkin, K., Ivanov, S., Vildanov, A. Analysis of distortion during laser metal deposition of large parts. Procedia CIRP 74, 2018, pp. 154-157.

3. Turichin, G.A., Somonov, V.V., Babkin, K.D., Zemlyakov, E.V., Klimova, O.G. High-Speed Direct Laser Deposition: Technology, Equipment and Materials. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 125(1), 012009, 2016

4. Turichin G, Klimova O, Zemlyakov E, Babkin K, Somonov V and Shamray F 2015 Technological bases of high-speed laser direct growth of products by heterophase powder metallurgy method Photonika pp.68-83

5. Turichin G. A., Klimova O.G., Zemlyakov E.V., Babkin, K.D., Kolodyazhnyy D.Yu., Shamray F.A., Travyanov A.Ya., Petrovskiy P.V. Technological aspects of high speed direct laser deposition based on heterophase powder metallurgy. Physics Procedia 78, 2015, pp. 397-406.

Изобретение относится к послойному изготовлению 3D изделий из порошка стали типа АК. Создают 3D модель изделия, ее послойно разбивают на слои с шагом вертикального смещения слоев в пределах от 0,2 до 1 мм и шагом поперечного смещения - от 0,7 до 2 мм, создают управляющую работой лазерной установки программу и ведут последовательное послойное выращивание изделия из порошка стали типа АК с размером фракций от 50 до 150 мкм. Расход транспортно-защитного газа обеспечивают в пределах от 10 до 30 л/мин, массовый расход подачи порошка - в диапазоне от 5 до 100 г/мин, мощность лазерного излучения - от 1 до 3 кВт, диаметр пятна зоны обработки - от 1 до 5 мм, а скорость перемещения лазерной головы относительно подложки - от 5 до 45 мм/с. Обеспечивается повышение прочностных характеристик изделий, изготовленных из сталей типа АК. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления изделий из сталей типа АК, включающий выполняемые последовательно подготовительный этап, этап создания заготовки изделия и этап постобработки, характеризующийся тем, что для создания заготовки используют установку для прямого лазерного выращивания, на подготовительном этапе строят 3D модель изделия, затем путем послойного разбиения 3D модели с помощью компьютерных программных средств или вручную создают массив траекторий перемещений головы лазерной установки относительно подложки, на которой происходит послойное выращивание заготовки изделия, и порядок применения траекторий, при этом шаг вертикального смещения слоев задают в пределах от 0,2 до 1 мм, а шаг поперечного смещения слоев - от 0,7 до 2 мм, создают управляющую работой лазерной установки программу, осуществляют выращивание заготовки изделия в автоматическом режиме с использованием упомянутой программы, при этом через сопло подачи порошка лазерной установки подают транспортный газ с обеспечением локальной газовой защиты ванны расплава и металлический порошок из стали типа АК, генерируют лазерное излучение, фокусируют его на поверхности подложки и далее перемещают лазерную голову относительно подложки по траекториям из созданного массива в заданном порядке, причем используют металлический порошок с размером фракций в пределах от 50 до 150 мкм, расход транспортного газа задают в пределах от 10 до 30 л/мин, массовый расход подачи металлического порошка задают в диапазоне от 5 до 100 г/мин, лазерное излучение генерируют мощностью в пределах от 1 до 3 кВт, обеспечивают пятно фокусировки лазерного излучения на поверхности подложки диаметром от 1 до 5 мм и скорость перемещения лазерной головы по заданной траектории в пределах от 5 до 45 мм/с, при этом на этапе постобработки заготовку изделия механически отделяют от подложки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу транспортного газа через сопло подачи порошка лазерной установки ведут при смешивании его с газом, защищающим оптическую систему лазерной головы.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве транспортно-защитного газа используют аргон.