LENS — технология лазерной наплавки

Тема 3D принтеров или аддитивных технологий (послойного выращивания деталей) постепенно переходит из горячих новостей медиа в реальные условия промышленного производства. И здесь наиболее востребованными являются технологии и оборудование, работающие с порошками металлов и сплавов. Для обзора я хотел бы выбрать наименее известную тему для специалистов — модульную технологию лазерной наплавки, которая, в основном, предназначена для ремонта и восстановления дорогостоящих изношенных или разрушенных деталей (валы, опорные втулки, прокатные валки, детали пресс-форм и т. д.).

Технология может также использоваться как гибридная, то есть совмещать в одной установке возможности станка с ЧПУ для металлообработки и опцию лазерной наплавки для нанесения дополнительных элементов на готовых деталях или для восстановления утраченных или изношенных фрагментов деталей. По этой причине крупнейшие компании-производители станков с 2014 года начали производить гибридные обрабатывающие центры, оснащенные опцией лазерной наплавки. Например, компания DMG MORI (Германия) выпустила первую такую машину Lasertec 65, сочетающую гибкость лазерной наплавки с точностью металлообработки с возможностью переключения между опциями в процессе создания детали.

 

Технология

LENS технология была разработана компанией Optomec (США) в конце 90-х годов по заданию DARPA для мобильного ремонта техники в ВПК.

Металлический порошок доставляется в зону наплавки одновременно с лучом лазера (мощностью 0,5–4,0 кВт)  (рис. 1). Оператор может изменять состав наносимого порошка (за счет подключаемых питателей, до 8 штук), скорость перемещения головки, размер пятна лазерного луча, защитная атмосфера в зоне расплава, — все это обеспечивает получение необходимой структуры наплавленной зоны.

Рис. 1. Схема процесса наплавки.

Технология может быть реализована в виде автономных установок с рабочей зоной от 100?100?100 мм до 1500?900?900 мм с контролируемой атмосферой (рис. 2) или в виде модульной установки на основе имеющегося станка с ЧПУ или робота.

Рис. 2. Автономная установка.

 

              а)                                б)
Рис. 3. Восстановление изношенного вала: a) после нанесения слоя; б) после финишной обработки.

В качестве примера на рис. 3 показан процесс восстановления изношенного вала с помощью технологии LENS. Традиционная наплавка электродом в этом случае может привести к недопустимым термическим деформациям, а термическое напыление — к возможности его отслоения из-за недостаточной прочности сцепления покрытия с основой.

Материалы для лазерной наплавки

Можно использовать практически любые металлы и сплавы на основе титана, никеля, кобальта, нержавеющих сталей, жаропрочных и тугоплавких на основе вольфрама, молибдена и ниобия, сплавов на основе алюминия, меди и цинка, а также композитных материалов с использованием карбидов титана, вольфрама, хрома.

Требования к порошкам для технологии LENS помимо нужного химического состава следующие (рис. 4):
1. Сферическая форма;
2. Размеры частиц 45–150 мкм;
3. Отсутствие сателлитов;
4. Отсутствие газовых включений.

Рис. 4. Пример порошков Ti6Al4V (основа: 45-106 мкм; 0-45 мкм: 3,2% ; 106-250 мкм: 2,9%).

Рис. 5. Микростуктура зоны наплавки.

 

Достоинства технологии:

  • можно добавлять материал или элементы к существующей структуре;
  • правильная микроструктура и контроль за свойствами материала, процессом и газовой средой, следовательно, гарантированное качество наплавки;
  • возможность использования нескольких материалов;
  • возможность использования сплавов, которые не получить другим способом;
  • сложная геометрия: возможность ремонта объемных изделий от тонких элементов до выращивания крупноразмерных;
  • минимальное воздействие на микроструктуру материала подложки, малая зона теплового воздействия (рис. 5);
  • ремонт внутри каналов, в труднодоступных или невидимых зонах со сложной геометрией;
  • прямое цифровое производство;
  • минимум припусков на обработку: точное выращивание, минимум времени на финишную обработку;
  • полный компьютерный контроль, гибкое проектирование путей инструмента: автоматизация и повторяемость;
  • скорость наплавки металлических порошков зависит от мощности лазера (0,5 кВт — 0,1 кг/час; 4 кВт — 1,0 кг/час). Шероховатость поверхности наплавки в пределах 12–25 мкм.
  • быстрый возврат инвестиций за счет восстановления неремонтопригодных деталей (как пример, экономия в $20 млн в компании Annistom Army Depot, США).

Результаты наплавки

Серии испытаний, проведенные в США (Boing), в Европе (EADS), в России (ИРЭ-Полюс), показали, что основные прочностные характеристики деталей с наплавкой превосходят детали, полученные литьем, либо литьем с горячим изостатическим прессованием (HIP), либо сопоставимы с коваными деталями (рис. 6, 7).

Рис. 6. Усталостные характеристики (сплав Ti6Al4V).

1)                                           2)

Рис. 7. Испытания на разрыв: 1) без покрытия 2) с покрытием.

Испытания наплавленных покрытий в ИРЭ-Полюс показали следующие результаты:

  • • наименьшие значения интенсивности изнашивания покрытия и сопряженного с ним баббитового вкладыша наблюдаются при работе покрытия из стали на никелевой основе;
  • • износостойкость такого покрытия выше износостойкости стали 34ХН1 МА в 2 раза;
  • • прочность сцепления исследованных покрытий из стали на никелевой основе находится в пределах 290…540 МПа, а прочность на сдвиг основного материала составляет 330 МПа;
  • • испытания на усталость показали, что образцы из стали 34ХН1 МА и такие же образцы с наплавленными при оптимальных режимах порошках из стали на никелевой основе выдерживают под нагрузкой 377 МПа при изгибе с кручением 2?106 циклов.

Возможность создания модульной/гибридной установки на основе имеющегося оборудования с ЧПУ позволяет выстраивать обрабатывающий центр под специфические виды ремонта, для создания покрытий и т. д. (рис. 8). Для этого необходимо обеспечить поставку лазера с головкой и оптикой (волоконный лазер «ИРЭ-Полюс»); систему подготовки, очистки и подачи газа; систему подачи и рециркуляции материала; станок с ЧПУ; контроллер проектируется под выбранный комплекс оборудования.

 

Рис. 8. Выращивание с одновременной механической обработкой.

Рис. 9. Стандартная головка.

Рис. 10. Головка для сложной геометрии.

Существует набор головок для подачи порошков для разных задач: стандартная с несколькими соплами (рис. 9), короткофокусная для сложной геометрии (рис. 10), головка с одним соплом на штанге для нанесения материала в полостях (рис. 11).

Рис. 11. Головка для полостей на штанге.

Рис. 12. Литейные дефекты: поры на поверхности колеса. Основа колеса из никелевых/титановых сплавов, наплавка из того же материала.

Рис. 13. Восстановление компонентов из суперсплавов.
 


Рис. 14. Ремонт опорного фланца в двигателе вертолета — наплавка изношенных кольцевых элементов (указаны стрелками на рисунке). Материал — титановый сплав (Ti-6–4).


Рис. 15. Ремонт крупных компонентов (зубчатых передач).

Примеры выполненных работ приведены на рис. 12–15. Ремонт крупных компонентов (рис. 15) осуществляется при
ремонте энергоблоков, в частности, вместо термического напыления. Основные преимущества — сохранение структуры металла за счет небольшого теплового воздействия при лазерной наплавке, отсутствует отслоение как в случае с напылением. Лазерная наплавка с малым тепловым воздействием позволяет устранять дефекты, возникающие за счет износа при работе двигателя, без полной разборки и без нарушения геометрии из-за возможного перегрева при других способах ремонта (рис. 14).

Уникальная возможность лазерной наплавки

Уникальная возможность лазерной наплавки — получать изменяющиеся по толщине наносимого слоя состав и структуру материала. Это, так называемая градиентная наплавка. Например, сначала наносится из одного питателя материал, близкий по свойствам к подложке, а ближе к поверхности наплавки — более твердые или износостойкие сплавы в зависимости от задачи. Причем в объем наплавляемого слоя можно наносить и биосовместимые материалы в виде интерметаллидов, которые другими методами не соединить. В качестве примера на рис. 16–19 показаны градиентые наплавки биоматериалов, включая противомикробные добавки. Прочностные характеристики градиентной наплавки и ее сцепления с основой (рис. 18) превосходят соответствующие показатели для основного материала. Поэтому градиентная наплавка может использоваться при ремонте изношенных или разрушенных деталей, для упрочнения критически важных зон таких деталей (рис. 19).

Рис. 16. Нанесение порошка CoCrMo на кованую основу из CoCrMo.
 

       20 % TiC                 40 % TiC                 60 % TiC
Рис. 17. Однородное распределение TiC в Ti матрице.

Рис. 18. Микрошлиф градиентной наплавки и результат испытания образца на разрыв.

Рис. 19. Градиентная наплавка колеса из титанового сплава. B — Ti-6–4; A, C — Ti-22–23.

За счет регулирования скорости охлаждения (1000–5000°С/сек и более) возможно создание заданной микроструктуры наплавки. Быстрое отверждение наплавки позволяет создавать элементы с субмикронной микроструктурой, а при использовании градиентной наплавки можно получать элементы с нужной структурой — макро/микро/нано. Это важно, к примеру при нанесении упрочняющих покрытий на тяжело нагруженные детали зубчатых передач.

Использование композитных материалов и керамики позволяет получить детали с заданными свойствами. В состав наносимого основного порошка можно подмешивать углеродные нанотрубки, фуллерены, карбид бора и другие добавки, которые будут равномерно распределены в зоне наплавки (рис. 20, 21). На рис. 22, 23 показаны примеры использования технологии в медицине — функционально-градиентное построение (от твердой гомогенной структуры до пористой с заданными размерами пор) различных имплантатов с биосовместимыми покрытиями для более быстрого процесса прорастания костной ткани внутрь пористой структуры.

Рис. 20. Сплав Ti-35Nb-7Zr-5Ta легированный 2 % бора.

Рис. 21. TriCalcium Phosphate (TCP) + Ti для биосовместимости.

Рис. 22. Пористые поверхности чашки имплантата тазобедренного сустава из титанового сплава.


Рис. 23. Пористое покрытие стоматологического имплантата на основе из титанового сплава (Ti-6–4).
 

Заключение

Модульный принцип создания установки, объединяющей возможности металлообработки с лазерной наплавкой, ориентированной под конкретные задачи заказчика, открывает возможности для широкого внедрения прямого цифрового производства в реальную практику. Оснастить опцией лазерной наплавки можно практически любой станок с ЧПУ. Все востребованные расходные материалы — порошки необходимых параметров — доступны на российском рынке, также как и системы подачи порошков, подачи защитного газа и, наконец, сам волоконный мощный лазер.

Остается собрать отдельные модули в единую систему, настроить под выбранную задачу и обеспечить ее работу оптимальным решением. При необходимости экономисты могут просчитать выигрыш во времени выпуска изделий, экономию на материалах, на изготовлении оснастки, на сборочных и отладочных операциях. Но главная экономия в возврате в эксплуатацию восстановленных дорогостоящих деталей, которые без этой технологии нужно было бы заменять или возвращать после традиционного ремонта со значительной потерей качества и прочностных характеристик.

Еще одна важная проблема связана с необходимостью изменения менталитета нынешнего поколения конструкторов на понимание запросов и возможностей современного цифрового производства. Оно предполагает конструирование не только отдельных деталей, но и укрупненных сборочных единиц, а также максимальное облегчение деталей без ущерба для прочности и эстетики. Поэтому так важно готовить специалистов среднего звена для непосредственного обслуживания оборудования 3D технологий на производстве, а также конструкторов и технологов, которые будут свободно использовать все возможности современных технологий. Освоят их также, как в свое время освоили компьютерное конструирование в мощных пакетах комплекса САПР (CAD/CAM/CAE/PDM программ: AutoCAD, Catia, ProEnginer, SolidWorks и т. д.). Рабочее место современного конструктора должно быть оснащено не только необходимыми программными средствами расчета и конструирования, но и офисными 3D принтерами и 3D сканерами, для оперативной распечатки отдельных деталей и узлов, внесения изменений и получения в конечном итоге оптимальной конструкции для передачи ее технологу и далее в исполнительную часть цифрового производства — на станки с ЧПУ и 3D принтеры, работающие с металлическими порошками.

Николай Михайлович Максимов, к. т.н.
председатель совета директоров группы компаний
«Трехмерные технологии»
info@nikarus.com, +7 495 740-11-08