Влияние параметров газовой атомизации сплава ХН60М на характеристики порошка для лазерной наплавки

Объектом исследования были порошки сплава ХН60М (ЭП367; 06Х15Н60М1). Приведен обзор методов изготовления изделий из жаропрочного сплава ХН60М с анализом их преимуществ и недостатков. Показано, что в сравнении с литьевой технологией и горячим прессованием порошков из высоколегированных специальных сталей и сплавов аддитивные технологии позволяют получать изделия сложной формы с высоким уровнем физико-механических свойств и коэффициента использования материала. Невысокие литейные свойства изучаемого сплава обусловливают проведение исследований процесса атомизации для удовлетворения требований к размерам, форме, морфологии и текучести порошков для аддитивных технологий. Цель работы состояла в изучении влияния давления аргона при газовой атомизации на физические, химические, технологические свойства порошков для лазерной наплавки, полученных из сплава ХН60М. Для изготовления металлического порошка марки ХН60М была использована технология газового распыления жидкого расплава аргоном на лабораторном атомайзере VIGA 2B при температуре 1560 °C и варьировании давления распыляющего газа в диапазоне 22–25 мбар. Для выбора параметров атомизации с помощью системы компьютерного моделирования литейных процессов «ProCAST» методом конечных элементов вычислены значения вязкости расплава и построена ее температурная зависимость. С помощью электронной и оптической микроскопии, лазерной седиментации исследованы форма и размеры частиц, гранулометрический состав. Данные количественной металлографии обрабатывали с помощью программы «ВидеоТест 4». Измерена текучесть порошков. Установлено, что при увеличении давления распыляющего газа повышалась доля сферических частиц и улучшалась текучесть порошков; значения диаметра Фере, среднего размера частиц и d50 изменялись незначительно. Получена экспериментальная зависимость повышения выхода порошка целевой фракции (40–80 мкм) при уменьшении объема подачи распыляющего газа. Установлена обратно пропорциональная зависимость доли сферических частиц от доли целевой фракции. Результаты исследования дают возможность прогнозировать величины выходных параметров порошков при атомизации стали ХН60М. Характеристики порошков фракции –80+40 мкм с коэффициентом формы 0,99 и текучестью 14–15 с позволяют использовать их для изготовления изделий с помощью аддитивных технологий.

моделирование, вязкость, технологические свойства, форма частиц, целевая фракция, порошок, давление газа, аддитивные технологии, сталь, газовая атомизация, атомайзер VIGA 2B

1. Сорокин В.Г., Волосникова А.В, Вяткин С.А., Гервасьев М.А., Гредитор М.А., Крылова К.М., Кубачек В.В., Мирмельштейн В.А. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989.

2. Братковский Е.В., Заводяный А.В., Шаповалов А.Н., Шевченко Е.А. Специальные стали: Учеб. пос. Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2013.

3. Сорокин И.Л. Свариваемость жаропрочных сплавов, применяемых в авиационных газотурбинных двигателях. Сварочное производство. 1997. No. 4. С. 4—11.

4. Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Оспенникова О.Г. Литейные жаропрочные никелевые сплавы. Все материалы. Энцикл. справочник. 2012. No. 5. С. 16—21.

5. Кулешова Е.А., Черкасова Е.Р., Логунов А.В. Дендритная ликвация в никелевых жаропрочных сплавах. Металловедение и терм. обраб. металлов. 1981. No. 6. С. 20—23.

6. Можарин В.П. Литейное производство. В 2 кн. Кн. 2. Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2011. Mozharin V.P. Casting production. Tomsk: Izdatel’stvo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2011 (In Russ.).

7. Каблов Е.Н., Толорайя В.Н., Демонис И.М., Орехов Н.Г. Направленная кристаллизация жаропрочных никелевых сплавов. Технол. легких сплавов. 2007. No. 2. С. 60—70.

8. Толорайя В.Н., Демонис И.М., Остроухова Г.А. Формирование монокристаллической структуры литых крупногабаритных турбинных лопаток ГТД и ГТУ на установках высокоградиентной направленной кристаллизации. Металловедение и терм. обраб. металлов. 2011. No. 1. С. 25—33.

9. Петрушин Н.В., Елютин Е.С., Раевских А.Н., Тренинков И.А. Высокоградиентная направленная кристаллизация интерметаллидного сплава на основе Ni3Al системы Ni—Al—Ta, упрочненного фазой ТаС. Тр. ВИАМ. 2017. No. 3. URL:http://viam-works.ru/ru/articles? art_id=1074.

10. Klocke F. Technological and economical assessment of alternative process chains for blisk manufacturer original research article. Procedia CIRP. 2015. Vol. 35. P. 67—72.

11. Агеев С.В., Гиршов В.Л. Горячее изостатическое прессование в порошковой металлургии. Металлообработка. 2015. No. 4 (88). С. 56—60.

12. Hur S.M., Choi K.H., Lee S.H., Chang P.K. Determination of fabricating orientation and packing in SLS process. J. Mater. Process. Technol. 2001. Vol. 112. P. 236—243.

13. Yasa E., Kruth J. Application of laser re-melting on Selective laser melting parts. Catholic University of Leuven, Dept. of Mech. Eng. Heverlee, Belgium. Adv. Product. Eng. Manag. 2011. Vol. 4. P. 259—270. URL: https://lirias. kuleuven.be (accessed: 03.09.2018).

14. Kruth J.-P., Froyen L., Van Vaerenbergh J., Mercelis P., Rombouts M., Lauwers B. Selective laser melting of ironbased powder. J. Mater. Process. Technol. 2004. Vol. 149. P. 616—622.

15. Felgueroso D., Vijande R., Cuetos J.M., Tucho R., Hernandez A. Parallel laser melted tracks: Effects on the wear behavior of plasma-sprayed Ni-based coatings. Wear. 2008. Vol. 264. P. 247—263.

16. Guozhi X., Jingxian Z., Yijun L., Keyu W., Xiangyin M., Pinghua L. Effect of laser remelting on corrosion behavior of plasma-sprayed Ni-coated WC coatings. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 460—461. P. 351—356.

17. Grabowski A., Formanek B., Sozanska M. Laser remelting of Al—Fe—TiO3 composite powder incorporated in an aluminum matrix. J. Achiev. Mater. Manuf. Eng. 2006. Vol. 18. No. 1—2. P. 95—98.

18. Rombouts M. Selective Laser Sintering/Melting of ironbased powders: Ph.D. thesis. Belgium: Katholieke Universiteit Leuven, 2006.

19. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении: Пос. для инженеров. М.: НАМИ, 2015.

20. Rai G., Lavernia E., Grant N.J. Powder size distribution in ultrasonic gas atomization. J. Met. 1985. No. 37 (8). P. 22—29.

21. Lubanska H. Correlation of spray ring data for gas atomization of liquid metals. J. Met. 1970. No. 22 (2). P. 45—49.

22. Morakotjinda M., Fakpan K., Yotkaew T., Tosangthum N., Krataithong R., Daraphan A., Siriphol P., Wila P., Vetayanugul B., Tongsri R. Gas atomization of low meltingpoint metal powders. Chiang Mai J. Sci. 2010. No 37 (1). P. 55—63.

23. Осокин Е.Н., Артемьева О.А. Процессы порошковой металлургии: Курс лекций. Красноярск: ИПК СФУ, 2008. URL: http://files.lib.sfu-kras.ru/ebibl/ umkd/63/u_lectures.pdf (дата обращения: 03.09.2018).

24. Antipas G. Gas atomization of aluminium melts: Comparison of analytical models. Metals. 2012. Vol. 2. P. 202—210.

25. Оглезнева С.А., Сметкин А.А., Митин В.И., Калинин К.В. Влияние параметров атомизации расплава на технологические характеристики порошка марки 12Х18Н10Т. Вестн. Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Машиностроение, материаловедение. 2017. Т. 20. No. 4. С. 34—48.