Заготовки из металлических материалов создают с помощью технологий, основанных на плавлении. Но из-за перегрева и непостоянной температуры в процессе работы они не обеспечивают нужного качества деталей. Существует еще один способ получения таких изделий — с помощью послойной плазменной металлизации. Сегодня он почти не изучен, но разработка технологии формирования материала таким способом решит проблему изготовления габаритных изделий (например, коленчатых валов, корпусов подшипника), и обеспечит высокую производительность процесса. Ученые ПНИПУ проработали на практике технологию аддитивного формирования стальных заготовок таким способом. Результаты исследования позволят получать промышленные детали без дефектов с высокими эксплуатационными характеристиками.
В ПНИПУ сделали металлические детали прочнее / © Georg Eiermann, unsplash
Исследование опубликовано в журнале «СТИН». Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Пермского края, испытания полученных образцов проведены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России. Аддитивные технологии позволяют получать детали разнообразной формы с особыми свойствами. При таком способе материал слоями наносят на подложку или на часть готового изделия по цифровой модели. Это упрощает работу и сокращает затраты на производство.
Существует более 20 способов аддитивного производства металлических изделий. По большей части они основываются на технологиях плавления исходного материала. Чтобы получить заготовку с высокими характеристиками, нужно обеспечить необходимую структуру и свойства металла. Они определяются большим количеством характеристик: составом исходного материала, величиной зоны сплавления между слоями, скоростью нагрева/охлаждения и другими характеристиками. Например, постоянный подогрев формируемого изделия может мешать созданию необходимых размеров слоев и структуры, что приводит к дефектам детали.
В качестве источников нагрева в аддитивных технологиях в основном применяют электронный луч, лазер, электрические и плазменные дуги. Исходным сырьем для послойной наплавки могут быть проволоки и их комбинации. Существуют также технологии послойного формирования изделий без плавления наносимого материала. Например, спекание, диффузионное нанесение и другие. Но они трудоемки и применяются в специфических областях.
Качественного изделия при аддитивном формировании габаритных заготовок с помощью послойной плазменной металлизации в мире еще не получали, однако ученые ПНИПУ провели исследование и выяснили, что получить металлическую заготовку c минимальной дефектностью и заданными характеристиками таким способом возможно. Политехники провели опыты на основе комбинированной аддитивной технологии: холодного газодинамического напыления проволоки с последующим лазерным и плазменным переплавом.
Плазменную металлизацию можно выполнять с использованием одной, двух или нескольких проволок, они могут подаваться одновременно или последовательно. При этом появляется уникальная возможность управлять химическим составом, структурой и свойствами получаемых материалов. Чтобы получить качественную деталь, необходимо контролировать сразу несколько факторов: получить частицы однородного размера, обеспечить их качественное сцепление в слое и между ними, следить за минимальным выгоранием элементов и окислением поверхности, сформировать однородную структуру. Если все эти требования будут соблюдены, то в результате получатся детали с высокими характеристиками.
Ученые Пермского Политеха проводили исследования на жаростойкой и коррозионностойкой стали. Она широко применяется для изготовления конструкций в различных отраслях машиностроения. В качестве исходного материала для металлизации использовали проволоку. Ее плавление и распыление производили плазменной дугой. Однородность частиц заготовки и их равномерное распределение обеспечили с помощью управления газодинамическими процессами. Испытания полученных образцов на растяжение показали хорошие характеристики – предел прочности оказался близким к требованиям ГОСТ, а предел текучести – повышенным.
«Защита частиц от окисления поверхности при распылении позволяет получать материал со структурой, близкой литому, а также с высоким уровнем механических характеристик. Какие-либо дефекты и несплавления в формируемом металле при этом отсутствуют. Мы получили заготовки, которые хорошо обрабатывается резанием, например, токарной обработкой», – говорит кандидат технических наук, доцент кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов ПНИПУ Дмитрий Белинин.
Ученые ПНИПУ разработали способ получения качественных металлических изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками. Разработка позволит применять технологии аддитивного производства изделий, состоящих из нескольких материалов и с производительностью до 10 килограммов в час.
