ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 6, с. 636-641
^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.25'26'28:539.4.016
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ © 2015 г. Т. В. Тарасова*, А. П. Назаров*, М. В. Прокофьев**
*Московский государственный технологический университет "Станкин", 127994Москва, Вадковский пер., 1 **Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 12599 Москва, Волоколамское шоссе, д. 4 e-mail: nazarovstankin@mail.ru Поступила в редакцию 04.08.2014 г. в окончательном варианте — 01.09.2014 г.
Приведен преимущественный режим селективного лазерного плавления для изготовления деталей из жаропрочного кобальтового сплава на отечественной установке ПТК-ПС, что может найти применение при производстве деталей из жаропрочных сплавов в авиационной и атомной промышленности, в автомобилестроении. Исследован фазовый состав и определены физико-механические свойства образцов, изготовленных по преимущественному режиму селективного лазерного плавления. Установлено, что структура сплава, полученного селективным лазерным плавлением, представляет собой два пересыщенных твердых раствора на основе гексагональной низкотемпературной и кубической высокотемпературной модификаций кобальта, что приводит к увеличению прочностных характеристик образцов в сравнении с литыми образцами.
Ключевые слова: селективное лазерное плавление, сплавы на основе кобальта. БО1: 10.7868/80015323015060108
ВВЕДЕНИЕ
В отличие от традиционных технологий порошковой металлургии, селективное лазерное плавление обладает рядом принципиальных преимуществ: безотходностью, универсальностью, возможностью изготовления с высокой точностью (до ±0.05 мм) сложнопрофильных деталей, не уступающих, а иногда и превышающих по своим физико-механическим свойствам детали, полученные традиционным формообразованием.
Метод селективного лазерного плавления (далее СЛП) позволяет использовать широкий спектр порошковых материалов. Одними из перспективных сплавов являются жаропрочные сплавы на основе кобальта. Сложнопрофильные детали, изготовленные селективным лазерным плавлением из порошкового материала на основе жаропрочных кобальтовых сплавов, могут найти широкое применение в авиационной промышленности, дви-гателестроении и автомобилестроении [1—3].
Целью данной работы является определение влияния режимов селективного лазерного плавления на структуру и физико-механические свойства жаропрочных кобальтовых сплавов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальные исследования проводились по стандартным и оригинальным методикам с использованием аттестованных приборов и контрольно-измерительной аппаратуры. Изготовление опытных образцов и деталей осуществлялось на отечественной установке селективного лазерного плавления ПТК-ПС. Технические характеристики установки: иттербиевый волоконный лазер с длиной волны — 1070 нм, максимальная выходная мощностью лазера — 200 Вт, режим работы лазера — непрерывный, скорость сканирования лазерным изучением составляет 0—7 м/с, диаметр выходного пятна лазера — 150 мкм, возможность создания защитной атмосферы (аргонной, азотной и др.), нагрев рабочего пространства до температуры 100°С.
Сканирование лазерным излучением осуществлялось согласно "Двузонной" стратегии сканирования с изменением направления сканирования на 90° от слоя к слою.
В качестве исходного материала для изготовления опытных образцов и деталей был выбран порошок из жаропрочного сплава СоСгМо, полученный газовой атомизацией. Химический состав порошка
в мас. %: Со (60-65)%, Сг (26-30)%, Mo (5-7)%, Si и Mn менее 1%, Fe менее 0.75%, С менее 0.16%, Ni менее 0.10%. Гранулометрический состав исследуемого порошка определяли при помощи микроскопа "OCCHIO 500nano" фирмы OCCHIO S. A. (Бельгия) со встроенным программным обеспечением Callisto для статистической обработки данных. Установлено, что средний размер частиц порошка CoCrMo составляет ^сред = 30.5 мкм. Частицы порошка имеют глобулярную форму и обладают высоким показателем сферичности (среднее значение 67.1%) и низким значением неровности (среднее значение 2.4%), что обеспечивает нанесение равномерного и однородного слоя [4, 5].
Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили на рентгеновском аппарате для структурного анализа ALR X'TRA (фирмы Thermo-Fisher Scientific, Швейцария) "9-9" методом сканирования с фокусировкой рентгеновских лучей по Бреггу-Брентано. Съемку проводили в Cu Ka-из-лучении.
Микроструктуру опытных образцов анализировали при помощи оптического микроскопа Olimpys BX51 (Япония) и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) VEGA 3 LM фирмы Tescan (Чехия).
Измерение шероховатости поверхностей опытных образцов проводили на профилографе-профи-лометре HOMMEL-TESTER T800 (Германия).
Твердости опытных образцов измеряли по стандартной методике на автоматическом твердомере ERCOTEST DIGI 25RS.
Изучение механических свойств: предел прочности на растяжение, предел текучести, относительное удлинение - проводилось согласно ГОСТ 1497-84 на испытательной машине MTS Insight 100 (фирмы MTS Systems Corporation, США). Ударную вязкость измеряли согласно ГОСТ 9554-78 на испытательной машине Walter and Bai PH 50 (Швейцария).
Износостойкость определяли с помощью высокоточного прибора kaloMAX NT (Германия). В качестве контртела использовали шар диаметром 30 мм из стали 100Сг6 (классификация по DIN). Дистанция скольжения составляла 1400-1500 м, нормальная нагрузка на образец - 0.54 Н. На поверхность шара периодически дозировалась абразивная суспензия.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исходя из технических характеристик установки ПТК-ПС, точности, предъявляемой к деталям (±50 мкм), а также с целью максимальной производительности установлен преимущественный режим процесса селективного лазерного
Таблица 1. Значения точности линейных размеров, шероховатости поверхности, плотности опытных образцов
Точность линейных размеров, мкм Шероховатость поверхности Ra, мкм Плотность, г/см3
±60 (для размеров до 15 мм) 8 ± 2 8.3 ± 0.1
плавления для жаропрочного сплава СоСгМо: защитная атмосфера — азот, мощность лазерного излучения — 200 Вт, диаметр пятна лазера — 150 мкм, толщина порошкового слоя — 50 мкм, скорость сканирования — 400 мм/с, расстояние между проходами лазера — 100 мкм.
По установленным параметрам были изготовлены опытные образцы, и проведен ряд исследований.
Значения точности линейных размеров, шероховатости поверхности, плотности опытных образцов приведены в табл. 1. Следует отметить, что плотность сплава КХС-"Д" (российского аналога порошка СоСгМо) после литья составляет 8.4 г/см3, что практически идентично плотности опытных образцов (табл. 1).
Опытные образцы обладают плотной структурой, поры и пустоты практически отсутствуют.
Рентгеноструктурный анализ сплава после СЛП и сплава исходного порошкового материала показал, что сплав, полученный по технологии СЛП, является двухфазным (рис. 1), тогда как сплав исходного порошка является однофазным и представляет собой твердый раствор хрома и молибдена в кубической модификации кобальта с параметром элементарной ячейки а = 0.3580(1) нм (здесь и далее в скобках указана погрешность в определении параметров после уточнения по всем линиям рентгенограммы методом итераций).
Индицирование линий на дифрактограммах и уточнение параметров элементарных ячеек позволило обеспечить хорошее согласование экспериментальных данных и расчетных значений межплоскостных расстояний ^эксп и ^выч (табл. 3), если исходить из возможности одновременного сосуществования в сплаве двух модификаций кобальта. Значения ^выч (табл. 3) рассчитывали исходя из уточненных параметров элементарной ячейки. Линий, отвечающих образованию интерметаллической фазы с тетрагональной структурой и номинальным стехиометрическим составом Со2Сг3, на дифрактограмме не наблюдается.
Как известно [7], гексагональная модификация чистого кобальта (Р63/ттс) устойчивая при комнатной температуре при 427°С переходит в кубическую модификацию (¥т3т). Данные о по-
15
25
35
45
55
65
75
85
95 105
29, град
Рис. 1. Дифрактограммы сплава исходного порошка (кривая 1) и сплава после СЛП (кривая 2).
диморфизме кобальта, хрома и молибдена приведены в табл. 2.
Если предположить, что легирование кобальта одновременно хромом и молибденом в условиях быстрого охлаждения может способствовать стабилизации высокотемпературной фазы при температурах ниже температуры полиморфного превращения чистого кобальта, то экспериментальные дифрактограммы могут быть полностью интерпретированы. Смещение линий на этих ди-фрактограммах относительно линий чистого кобальта, объясняется образованием твердых растворов на основе гексагональной и кубической модификаций. В результате расчетов видно, что параметры элементарных ячеек гексагональной а = 0.255(2) нм; с = 0.413(3) нм и кубической а = = 0.3595(6) нм модификаций кобальта увеличены. Так как атомный радиус хрома (0.125 нм) [8] близок к атомному радиусу кобальта (0.127 нм) [7], логично предположить совместное присутствие всех трех элементов в сплаве, а увеличение параметров элементарных ячеек объяснить нали-
чием в этих твердых растворах молибдена (радиус по Полингу 0.14 нм) [9—11]. Данные индицирова-ния дифрактограммы приведены в табл. 3.
Таким образом, несмотря на значительные трудности, которые создает физическое уширение линий на дифрактограмме образцов после селективного лазерного плавления, можно с уверенностью сказать, что она достаточно точно может быть интерпретирована как смесь кубической и гексагональной структур кобальта.
Значительное уширение линий, которое наблюдается на дифрактограммах сплавов после СЛП, может быть следствием наложения нескольких факторов. Во-первых, уширение интерференционных линий возникает при дифракции на кристаллитах сплава (областях когерентного рассеяния) размером менее 100 нм. Образование таких кристаллитов возможно вследствие быстрого охлаждения после нагрева лазером. Во-вторых, образованием пересыщенных твердых растворов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.