Electron-beam surface treatment of metal materials produced by additive method.pdf Введение Сегодня сложно найти область производства, где бы не применялись аддитивные технологии: с их помощью изготавливаются детали автомобилей, самолетов, космических аппаратов, инструменты, протезы и имплантаты, ювелирные изделия и др. [1-4]. Суть аддитивного производства заключается в послойном «выращивании» изделия за счет добавления и соединения материала между слоями согласно заранее подготовленной 3D-модели. Этим оно отличается от традиционных методов изготовления изделий, подразумевающих механическую обработку путем удаление лишнего материала из заготовки. Существует несколько методов аддитивного изготовления изделий из металлов и сплавов [2]. Для этого используются технологии на основе селективного лазерного или электронно-пучкового спекания (сплавления) металлического порошка («bed deposition» метод) либо наплавки материала (порошок, проволока), подаваемого непосредственно в область плавления («direct deposition» метод). Общей проблемой, характерной для представленных видов аддитивных технологий, является проблема финишной обработки поверхности полученных из металлического материала изделий. Для порошковых технологий она обусловлена прилипанием отдельных частиц порошка к поверхности изделия в процессе послойного выращивания на границе спекания (сплавления). При этом на поверхности обычно образуется грубая пористая структура, шероховатость которой может достигать нескольких десятков и даже сотен микрометров [2, 3]. В случае технологий наплавки на боковой поверхности изделий обычно возникает грубая волнистая структура, характеризующая каждый отдельный слой наплавки, с шероховатостью до нескольких сотен микрометров. Традиционные способы обработки (механическая обработка, химическое, электрохимическое травление) [5] позволяют получить требуемый уровень шероховатости поверхности, но они обладают рядом недостатков, таких как времязатратность, расход обрабатывающего материала, остаточность обрабатывающего материала в поверхностном слое обрабатываемого изделия и т.д. В настоящей работе для уменьшения шероховатости поверхности образцов из титанового сплава ВТ6, изготовленных методом электронно-пучкового сплавления металлического порошка, и образцов из нержавеющей стали 308LSi, изготовленных путем послойной электронно-пучковой наплавки материала металлической проволоки, предлагается использовать интенсивный импульсный электронный пучок субмиллисекундной длительности. Целью данной работы являлась демонстрация возможности использования импульсного электронного пучка для финишной обработки поверхности металлических материалов, изготовленных разными методами аддитивного производства, и влияние такой обработки на структуру и физико-механические свойства поверхностного слоя. Экспериментальные установки, материал и методики исследования Для изготовления образцов были выбраны два материала, изготовленные двумя разными технологиями аддитивного производства: титановый сплава ВТ6 (до 0.6 мас.% Fe - до 0.1 мас.% С - до 0.1 мас.% Si - (3.5-5.3) мас.% V - до 0.05 мас.% N - (5.3-6.8) мас.% Al - до 0.3 мас.% Zr - до 0.2 мас.% O - до 0.015 мас.% H, остальное Ti) и нержавеющая сталь 308LSi (0.01 мас.% C, 19.9 мас.% Cr, 0.1 мас.% Cu, 1.8 мас.% Mn, 0.15 мас.% Mo, 10.5 мас.% Ni, 0.9 мас.% Si, остальное Fe). Образцы из сплава ВТ6 в виде плоских пластин размером 15×15×2 мм вырезались электроискровым способом из заготовок, изготовленных методом послойного селективного электронно-пучкового сплавления в вакууме (установка «Arcam A2X» (Швеция) [6]) металлического порошка с размером частиц 40-100 мкм. Для изготовления образцов из нержавеющей стали 308LSi использовалась проволока, которая широко применяется для сварки нержавеющих сталей (OK Autrod 308LSi, «ESAB», ø 1 мм). Синтез образцов осуществлялся в вакуумной камере с использованием электронно-лучевой пушки с накаленным катодом на установке, разработанной компанией ООО «ТЭТА» (г. Томск, д. Лоскутово) [7]. Изначально на массивной стальной заготовке было параллельно выращено несколько линейных образований - заготовок для изготовления образцов длиной до 10 см, высотой до 4 см и максимальной толщиной в нижней части до 0.8 см. Затем с помощью электроискровой резки из полученных заготовок были вырезаны плоские образцы размером 12×12×4 мм, рабочая поверхность которых соответствовала боковой поверхности заготовки (рис. 1). Из заготовок сплава ВТ6 и стали 308LSi для механических испытаний на растяжение были вырезаны пропорциональные плоские образцы в виде двухсторонних лопаток (форма образцов для растяжения приведена на рис. 1). Для определения анизотропии механических свойств стали 308LSi, образцы для растяжения вырезали в продольном и поперечном направлении относительно плоскости наплавки (рис. 1). Рис. 1. Схема изготовления образцов с помощью электроискровой резки из заготовки, полученной методом электронно-лучевой наплавки Полученные образцы были подвергнуты облучению интенсивным импульсным электронным пучком на установке «СОЛО» [8, 9]. Облучение образцов осуществлялось при последовательном воздействии в двух режимах: энергия ускоренных электронов 15 кэВ, плотность энергии в импульсе 40-45 Дж/см2, длительность импульсов 150-200 мкс, количество импульсов на участок поверхности 10, частота следования импульсов 0.3 c-1 (режим № 1) и соответственно 15 кэВ, 12-20 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп., 0.3 с-1 (режим № 2). Обработка проводилась в вакуумной камере в среде аргона при давлении 3.5•10-2 Па. Оптимальные режимы облучения для каждого материала были подобраны экспериментально в результате предварительных исследований, которые показали, что режим № 1 может использоваться для значительного снижения шероховатости и пористости поверхностного слоя образцов («грубая» полировка), а режим № 2 - для улучшения механических и трибологических свойств (финишная обработка). Для определения влияния режимов импульсной электронно-пучковой обработки поверхности образцов титанового сплава ВТ6 и нержавеющей стали 308LSi на структуру и физико-механические свойства был проведен комплекс исследований обработанных образцов и сравнение с исходными материалами. Для исследования структуры поверхности образцов использовался растровый электронный микроскоп SEM-515 «Philips» (Umax = 30 кВ). Определение элементного состава поверхности образцов осуществляли методом микрорентгеноспектрального анализа с использованием микроанализатора EDAX ECON IV, встроенного в растровый электронный микроскоп SEM-515 «Philips». Для определения трибологических свойств поверхности образцов для обоих материалов часть образцов перед обработкой импульсным электронным пучком была подвергнута шлифовке поверхности на алмазном круге, чтобы привести исходную шероховатость к единому уровню. Исключение данного шага могло привести к некорректному сравнению результатов трибологических испытаний ввиду большой разницы в исходной топологии поверхности образцов. Испытания проводились при сухом трении по схеме «палец-диск» на установке «TRIBOtechnic». Индентором (контртелом) служил шарик диаметром 6 мм из твердого сплава WC - 8% Co. Испытания проводили при комнатной температуре и относительной влажности 50% при следующих условиях: нормальная нагрузка на индентор 3 Н, скорость скольжения 2.5 см/с, диаметр дорожки 4 мм, дистанция, пройденная шариком, 15 м. Степень износа материала определяли по результатам профилометрии сформировавшегося при испытаниях трека. Шероховатость поверхности всех образцов ВТ6 и шлифованных образцов 308LSi до и после облучения исследовалась с помощью оптического профилометра МНП-1 (базовая длина 0.8 мм, не менее десяти измерений на образец). Шероховатость образцов 308LSi с исходной топологией поверхности до и после облучения исследовалась с помощью контактного профилометра «TRIBOtester», при этом для каждого образца измерения были проведены как параллельно плоскости наплавки, так и перпендикулярно (базовая длина 4 мм, не менее пяти измерений в одном направлении для каждого образца). Исследование микротвердости поверхности образцов проводили на приборе «ПМТ-3М». Измерение осуществляли не менее чем в десяти точках на разных участках поверхности при нагрузке 0.5 Н. Поверхность исходных образцов ВТ6 была отшлифована на алмазном круге перед измерениями. Механические испытания материалов на растяжение осуществляли на установке «Instron» (модель 3369). Начальная толщина, ширина и длина рабочей части образцов 1.8 мм, 1.8 мм и 10 мм соответственно; скорость испытания 0.2 мм/мин; температура, при которой проводились испытания, 23 °С. Облучение образцов перед испытаниями осуществлялось с обеих плоских сторон. Результаты и их обсуждение Результаты облучения поверхности титанового сплава ВТ6 Характерная структура поверхности образцов титанового сплава ВТ6, изготовленных методом аддитивного производства, до и после импульсного электронно-пучкового воздействия представлена на рис. 2. Исходная поверхность представляет собой грубую пористую структуру, на которой различимы отдельные прилипшие частицы порошка. После облучения импульсным электронным пучком в поверхностном слое формируется однородная поликристаллическая структура с размером зерен 15-60 мкм как для режима № 1 (15 кэВ, 45 Дж/см2, 200 мкс, 10 имп.), так и для режима № 1+2 (15 кэВ, 20 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп.). При этом пористость поверхностного слоя заметно снижается, отдельные частицы порошка отсутствуют. Элементный анализ поверхности образцов после облучения в режиме № 1+2 показал, что состав материала соответствует справочным значениям для титанового сплава ВТ6. Рис. 2. Структура поверхности титанового сплава ВТ6, полученного методами аддитивного производства: а - исходный; б - после импульсного электронно-пучкового облучения в режиме № 1; в - после последовательного облучения в режимах № 1 и 2 Результаты измерений шероховатости поверхности образцов до и после облучения представлены в табл. 1. Показано, что импульсная электронно-пучковая обработка позволяет снизить шероховатость поверхности образцов титанового сплава ВТ6, изготовленных методом аддитивного производства, в 20 раз (Ra). Финишная обработка в режиме № 2 позволяет дополнительно снизить шероховатость поверхности материала до значения Rа = (1±0.5) мкм. Таблица 1 Шероховатость поверхности образцов титанового сплава ВТ6, изготовленных методом аддитивного производства Номер режима Шероховатость Ra, мкм Шероховатость Rz, мкм Исходный 20.2±1.5 93.8±10 № 1 1.3±0.5 6.2±1.5 № 1+2 1±0.5 5±1.5 Измерения прочностных свойств поверхностного слоя образцов ВТ6 показали, что микротвердость после облучения не меняется и составляет 3240 МПа. Трибологические испытания облученных образцов также показали сохранение значения коэффициента трения (0.32) и параметра износа (величина, обратная износостойкости, k = 5.2∙10-4 мм3/(Н•м)) относительно исходного материала. На рис. 3 приведены результаты испытаний на растяжение образцов сплава ВТ6. Анализ представленных результатов показывает, что наиболее высоким сочетанием механических свойств обладают образцы, облученные интенсивным импульсным электронным пучком (предел прочности на разрыв повышается на 12%, пластичность при растяжении - на 10%). Повышение механических свойств материала объясняется формированием в поверхностном слое, толщина которого достигает 50 мкм с обеих сторон, однородной поликристаллической структуры с размером зерен 15-60 мкм с образованием в объеме зерен структуры ячеистой кристаллизации с размером ячеек 0.5-1.2 мкм (рис. 4). Таким образом, в результате проведенных исследований выявлен режим финишной электронно-пучковой обработки образцов титанового сплава ВТ6, изготовленных методом сплавления металлического порошка, позволяющий снизить уровень шероховатости образцов в 20 раз (Ra), увеличить (при растяжении плоских пропорциональных образцов) предел прочности на 12%, пластичности на 10%. Рис. 3. Кривые деформационного упрочнения образцов титанового сплава ВТ6, полученные при испытаниях на растяжение: 1 - исходный; 2 - после облучения импульсным электронным пучком с двух сторон (режим № 1+2) Рис. 4. Внутризеренная структура поверхностного слоя титанового сплава ВТ6, формирующаяся в результате облучения интенсивным импульсным электронным пучком образцов, изготовленных методом аддитивных технологий Результаты облучения поверхности нержавеющей стали 308LSi На рис. 5 представлены характерные фотографии структуры поверхности образцов нержавеющей стали 308LSi, изготовленных методом электронно-лучевой наплавки. Методами сканирующей электронной микроскопии показано, что импульсная электронная обработка во всех представленных режимах облучения приводит к образованию однородной поликристаллической структуры без трещин и капель, в отличие от исходного образца. Элементный состав поверхности исходных образцов идентичен справочным значениям для 308LSi, которая относится к коррозионностойким аустенитным нержавеющим сталям и практически не меняется после облучения. Для определения режима облучения для нержавеющей стали 308LSi, в результате которого формируется поверхность с минимальной шероховатостью, были проведены предварительные исследования на образцах, поверхность которых перед облучением была подвергнута механической обработке на алмазном круге для создания единой исходной шероховатости (Ra = (2.73±0.5) мкм). Результаты исследований показали, что минимальная шероховатость (Ra = (1.41±0.5) мкм) достигается при облучении в режиме № 1 (15 кэВ, 40 Дж/см2, 150 мкс, 10 имп.) + № 2 (15 кэВ, 20 Дж/см2, 50 мкс, 3 имп.). Этот режим облучения использовался для всех последующих исследований. Рис. 5. Структура поверхности образцов нержавеющей стали 308LSi, изготовленных методом электронно-лучевой наплавки, до (a) и после (б) обработки импульсным электронным пучком (режим № 1+2) В табл. 2 представлены результаты измерения «продольной» и «поперечной» шероховатости поверхности с исходной топологией. Показано, что финишная обработка поверхности образцов нержавеющей стали 308LSi, изготовленных методом электронно-лучевой наплавки, импульсным электронным пучком позволяет уменьшить шероховатость поверхностного слоя в 2.1 раза (Rа) в продольном направлении и в 5.2 раза (Rа) в поперечном. Таблица 2 Шероховатость поверхности образцов нержавеющей стали 308LSi с исходной топологией поверхности до и после импульсной электронно-пучковой обработки Режим обработки Вдоль направления наплавки Перпендикулярно направлению наплавки Ra, мкм Rz, мкм Ra, мкм Rz, мкм Исходный 3.01±0.3 17.67±2.5 7.09±3.9 39.06±29 Режим № 1+2 2.07±0.5 8.23±1.6 3.6±1.5 13.55±4.7 Исследования микротвердости поверхностного слоя образцов 308LSi после импульсной электронно-пучковой обработки не выявило изменений во всех режимах облучения относительно исходного материала. Исследования трибологических свойств поверхности показали, что параметр износа не меняется после облучения и составляет k = 6.4∙10-4 мм3/(Н•м). Коэффициент трения при этом уменьшается в 1.15 раза (до 0.71) по сравнению с необработанной поверхностью. Испытание образцов 308LSi на растяжение показало увеличение пластичности после импульсной электронно-пучковой обработки на 10.6% в продольном направлении при значении исходной деформации 72%. В поперечном направлении деформация при растяжении изначально достигала 88% и не изменилась после облучения. Предел прочности при растяжении исходных образцов составил 550 МПа в продольном направлении и 567 МПа в поперечном и не изменился после облучения. Ранее в [10] при исследовании механических свойств изделий, изготовленных методом селективного лазерного плавления порошковых материалов (титановый сплав Ti-6Al-4V и никелевый суперсплав Inconel 718), было показано, что основными факторами, влияющими на анизотропию механических свойств, являются: остаточные напряжения, которые устраняются путем термической обработки; плоские поры, расположенные перпендикулярно плоскости выращивания; вытянутая вдоль направления изготовления зеренная микроструктура. Рис. 6. Результаты испытаний на растяжение образцов нержавеющей стали 308LSi после импульсной электронно-пучковой обработки (режим № 1+2) в сравнении с исходными образцами для разных относительно плоскости наплавки направлений растяжения: 1 - исходный (продольный); 2 - после электронного пучка (продольный); 3 - исходный (поперечный); 4 - после электронного пучка (поперечный) Таким образом, была показана возможность применения импульсного электронного пучка для финишной обработки поверхности образцов нержавеющей стали 308LSi, изготовленных методом электронно-лучевой наплавки. Определены оптимальные режимы облучения и обнаружено влияние импульсной электронно-пучковой обработки поверхности на механические, трибологические и прочностные свойства образцов. Заключение Осуществлена импульсная электронно-пучковая обработка и определены оптимальные режимы облучения образцов титанового сплава ВТ6, изготовленных методом сплавления металлического порошка, и образцов нержавеющей стали 308LSi, изготовленных методом электронно-лучевой наплавки. Показано, что облучение материала импульсным электронным пучком приводит к визуальному снижению пористости и кратному снижению шероховатости поверхностного слоя (в 20 раз (Ra)) титанового сплава ВТ6, изготовленного аддитивным способом. Шероховатость поверхности образцов нержавеющей стали 308LSi, изготовленных методом электронно-лучевой наплавки, снижается до 2.1 раза в продольном направлении, до 5.2 раза в поперечном относительно плоскости наплавки. Элементный состав, прочностные и трибологические свойства образцов при облучении в оптимальных режимах не изменяются. Механические испытания, выполненные путем растяжения плоских пропорциональных образцов ВТ6 после облучения, показали увеличение предела прочности на 12%, пластичности на 10% относительно необработанных образцов. Испытания образцов 308LSi показали анизотропию механических свойств в зависимости от направления растяжения относительно плоскости наплавки. После электронно-пучковой обработки пластичность образцов 308LSi в продольном направлении увеличилась на 10.6% и не изменилась в поперечном. Представленный в работе способ финишной обработки поверхности металлических материалов, изготовленных методами аддитивного производства, интенсивным импульсным электронным пучком может быть альтернативой традиционным способам обработки. Коллектив авторов выражает благодарность профессору А.В. Коптюгу (Университет Центральной Швеции, г. Остерсунд, Швеция), профессору Р.А. Сурменеву (Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск) и директору ООО «ТЭТА» Г.В. Семенову (г. Томск, д. Лоскутово) за предоставленный материал для изготовления образцов.

Скачать электронную версию публикации