Изготовление мультиматериальных образцов из сплавов ВЖ159 и БрХЦрТ В методом СЛП: численное компьютерное моделирование и экспериментальные результаты

Введение

На сегодняшний день многие высокотехнологичные инженерные задачи требуют применения изделий из металлов и сплавов с улучшенными и индивидуальными специфическими свойствами, которые невозможно достичь при использовании единого состава материала на всем протяжении изделия [1]. В решении таких задач могут помочь мультиматериалы – это включение в состав изделия нескольких материалов или сплавов, что позволяет объединять их свойства или обеспечивать точечное распределение последних для достижения требуемых качеств (локальная износостойкость, высокая теплопроводность, теплоизоляция, стойкость к химической коррозии и т.д.) в определенных местах изделия или детали [2].

В классификацию мультиматериалов входят такие композиции, как полимер–металл, металл–металл (биметалл), металл–керамика и др. [3]. Биметаллические изделия представляют собой комбинации двух металлов или сплавов, которые могут быть получены путем соединения указанных материалов с помощью сварки или пайки, что позволяет устранить их недостатки, сохраняя при этом желаемые свойства каждого из них [4]. Например, медные сплавы (GRCop-84) обладают очень высокой теплопроводностью для более быстрого охлаждения, прочностью при повышенных температурах с низким тепловым расширением и значительной стойкостью к окислению, что позволяет использовать их в камерах сгорания и сопловых втулках регенеративно-охлаждаемых ракетных двигателей (футеровка сопла), а также в областях с высокотемпературными потоками газов [5; 6]. В свою очередь, сплавы на основе никеля (например, Inconel 718) представляют собой устойчивые к высокотемпературной коррозии материалы, применяемые в аэрокосмической промышленности, особенно в газотурбинных и ракетных двигателях, ввиду высокой прочности на растяжение и на разрыв наряду со стойкостью к окислению при повышенных температурах. Однако данные сплавы обладают низкой теплопроводностью [7; 8]. Соответственно, нанесение медных сплавов на никелевые (типа Inconel 718 или его аналоги) позволит улучшить теплопроводность изделий при сохранении их прочностных характеристик [5].

Для создания указанных изделий возможно применение как классических технологий, так и аддитивных с возможностью изготовления изделий со сложной (развитой) геометрией [1; 3]. На текущий момент уже имеются научные работы, описывающие особенности получения биметаллических и функционально-градиентных изделий типа «никелевый сплав – медный сплав» (In718–Cu; In718–GRCop-84) как с помощью процесса прямого подвода энергии и материала [5; 6; 9], так и с использованием процессов синтеза на подложке – например, селективного лазерного плавления (СЛП) [10; 11]. Процесс СЛП обладает большим количеством параметров, влияющих на результирующие свойства и наличие внутренних напряжений и дефектов в получаемых изделиях и материалах [12–14]. Отработка параметров процесса для достижения наилучших результатов является важной незаменимой частью процесса выращивания изделий [15]. Использование численного компьютерного моделирования позволяет снизить длительность отработки и уменьшить стоимость возможных ошибок, в особенности при получении изделий со сложной геометрией [16–18].

На сегодняшний день моделирование процесса СЛП представлено достаточно широко [14; 16; 17; 19], однако предложенные работы не охватывают вопросы моделирования изготовления изделий из мультиматериалов, в частности биметаллических изделий. Соответственно, для дальнейшего развития и эффективного применения аддитивных технологий в получении биметаллических изделий/деталей различного назначения необходимо рассмотреть возможность моделирования процесса СЛП таких изделий.

Цель данной работы – проведение численного компьютерного моделирования процесса изготовления мультиматериальных образцов из никелевого сплава ВЖ159 и медного сплава БрХЦрТ В методом СЛП и верифицирование полученных результатов на основе изготовленных образцов.

Использованные материалы и методы

Численное компьютерное моделирование процесса выращивания мультиматериальных образцов методом СЛП реализовано с помощью пакета конечно-элементного анализа «ANSYS Workbench 2019 R2» с использованием модулей «Transient Thermal» и «Static Structural» [20]. Модель образца с указанием материала каждой из трех его частей (верхней, средней и нижней) представлена на рис. 1. Для реализации моделирования проводилось последовательное решение термомеханической задачи для каждой части образца – сначала термической задачи (в модуле «Transient Thermal»), потом механической (в модуле «Static Structural»). Блок-схема численного компьютерного моделирования представлена на рис. 2.

В ходе моделирования процесса выращивания изделия методом СЛП применялись следующие параметры этого процесса: для сплава ВЖ159 – мощность лазера 275 Вт, скорость сканирования 760 мм/с, расстояние между проходами лазера 0,1 мм, толщина слоя 0,05 мм; для сплава БрХЦрТ В – мощность лазера 400 Вт, скорость сканирования 300 мм/с, расстояние между проходами лазера 0,15 мм, толщина слоя 0,05 мм. Физико-механические свойства сплавов, используемых в процессе моделирования, представлены в таблице.

Для изготовления образцов биметаллических материалов применяли сферические порошки сплава ВЖ159 (квантили распределения d₁₀ = 17 мкм, d₅₀ = 32 мкм, d₉₀ = 55 мкм) и сплава БрХЦрТ В (d₁₀ = 14 мкм, d₅₀ = 29 мкм, d₉₀ = 52 мкм). СЭМ-изображения частиц этих порошков представлены на рис. 3.

Изготовление образцов осуществлялось в инертной газовой атмосфере с помощью установки SLM280HL (SLM Solutions GmbH, Германия), оснащенной иттербиевым волоконным лазером с длиной волны 1070 нм, максимальной мощностью 400 Вт, минимальным диаметром лазерного луча 80 мкм и максимальной скоростью сканирования 15 м/с. Верхние и нижние части образцов изготавливались из ВЖ159, средние – из БрХЦрТ В.

Визуальный анализ полученных образцов проводился с помощью светового оптического микроскопа «Leica DMI 5000» (Leica Microsystems, Германия). Резку образцов выполняли электроэрозионным методом.

Результаты и их обсуждение

На рис. 4 представлены результаты моделирования процесса изготовления мультиматериальных образцов методом СЛП – поля деформаций образца, определяемые по оси Y. Хорошо видно, что происходит деформирование сторон образца вовнутрь. Максимальная деформация составила 83 мкм.

Можно отметить, что наибольшему деформированию подвержена середина образца, изготовленная из БрХЦрТ В. Также наблюдаются сильные деформации верхней части образца, выполненной из ВЖ159, в особенности на границах раздела материалов.

На рис. 5 приведены результаты моделирования – определяемые поля напряжений после изготовления мультиматериальных образцов методом СЛП. Наибольшие значений напряжений наблюдаются на углах образца на границах раздела, где они составляют около 900 МПа. Отмечается наличие повышенных значений напряжений (400–500 МПа) для верхней части образца, изготовленной из ВЖ159. Наименьшие значения напряжений составили не более 100 МПа.

На рис. 6 представлены мультиматериальные образцы, изготовленные методом СЛП. При визуальном осмотре серьезных деформаций или дефектов (трещин, разрушений) обнаружено не было.

На рис. 7 показана верификация моделирования деформации образца, полученного методом СЛП, на границе раздела между верхней его частью (из ВЖ159) и средней (из БрХЦрТ В).

Видно (рис. 7, а), что деформации на границе раздела верхней и средней частей образца при моделировании составили 64–83 мкм. При этом изгиб идет вовнутрь у верхней и средней частей образца по отдельности, двумя участками. У экспериментально изготовленного методом СЛП образца (рис. 7, б) деформации на границе раздела составили около 100 мкм, что несколько превышает полученные при моделировании значения (наибольшее отклонение – 36 мкм). Наблюдается изгиб вовнутрь с максимальной деформацией вблизи границы раздела, в основном в средней части образца, изготовленной из БрХЦрТ В.

Различие между результатами моделирования и экспериментальными данными может быть связано с особенностью расчетов при моделировании: после начала расчета изготовления верхней части образца из ВЖ159 его средняя часть уже не участвует в определении напряжений и деформаций, поскольку система рассматривает ее как подложку. Это создает определенные ограничения в получаемых значениях напряжений и деформаций. Можно предположить, что различный характер деформирования образцов, когда моделируемый образец деформировался в двух отдельных участках, обусловлен непосредственно вышеописанным явлением. Это является определенным ограничением возможности использования моделирования процесса изготовления мультиматериалов методом СЛП.

В то же время полученные при моделировании значения деформаций в целом достаточно показательны и близки к экспериментальным значениям. Однако для более сложных конструкций необходима оптимизация системы для более точного соответствия реальным результатам.

Выводы

В результате выполнения работы проведено численное компьютерное моделирование процесса изготовления мультиматериальных образцов из никелевого сплава ВЖ159 и медного сплава БрХЦрТ В и осуществлено верифицирование полученных результатов. На основании результатов проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Полученные результаты моделирования являются показательными, однако не совсем точно описывают деформацию образца, изготовленного методом СЛП. Численные значений деформаций по результатам моделирования (64–83 мкм) несколько меньше, чем реальные (около 100 мкм), что связано с несовершенством выбранных алгоритмов расчета, когда после начала расчета изготовления верхней части образца средняя его часть уже не участвует в расчете и воспринимается системой как подложка.

2. Для возможности дальнейшего использования численного компьютерного моделирования процесса выращивания мультиматериальных образцов методом СЛП необходимо реализовать непрерывный процесс моделирования, без перехода между частями образца, когда одна его часть начинает рассматриваться системой как подложка. Необходим учет непрерывного изготовления образца и, соответственно, непрерывного деформирования и накопления напряжений.