Главное о технологии порошковой лазерной наплавки: принцип работы, преимущества, применение

Как это работает?

Порошковая лазерная наплавка (LMD) — частный случай прямого подвода энергии и материала (Directed Energy Deposition, DED) — аддитивного процесса, при котором материал подается в зону действия сфокусированного источника энергии и там расплавляется.

Особенность LMD в том, что сопло подает металлический порошок сжатой струей газа в зону воздействия лазера, который формирует изделие по заданной 3D-модели. В процессе восстанавливается поврежденный объект или создается новый.

Сопло может ставиться на робота и вращаться под разными углами, перемещаясь по траектории, повторяющей контуры слоя изделия в поперечном сечении. Есть разные варианты подачи порошка: как вокруг лазерного луча, что удобнее для получения сложных деталей, так и под углом к нему.

Наплавка добавляет металл слой за слоем, а не удаляет его. Поэтому процесс оставляет меньше отходов и снижает затраты на материалы. Используется только тот порошок, который наносится на траекторию построения и расплавляется с помощью высокоточных лазеров.

Прямое лазерное выращивание

Эту технологию можно, в целом, назвать разновидностью LMD. Суть в том, что при прямом лазерном выращивании (ПЛВ) порошок не плавится лазером полностью. Частицы сохраняют твердое ядро, которое служит центром кристаллизации новых металлических зерен. В результате изделие приобретает мелкодисперсную структуру, что обеспечивает высокий уровень его механических свойств.

В России прямым лазерным выращиванием занимается Институт лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ.

Константин Бабкин, начальник отделения аддитивных технологий ИЛИСТ СПбГМТУ:

Источник

Преимущества

1. Сокращение отходов материала на 70-80%.

2. Снижение производственных затрат за счет минимизации отходов, ускорения сроков сборки и ремонта существующих деталей вместо их полной замены.

3. В одной детали можно смешивать материалы и получать участки с разным химическим составом и физическими свойствами.

4. Изготовление крупногабаритных деталей диаметром до двух метров.

5. Возможность создания сложнопрофильных тонкостенных изделий.

6. Создание гибридных конструкций: комбинация аддитивных и традиционных технологий (сварка, литье, штамповка, механическая обработка и др.).

7. Нанесение функциональных покрытий в процессе выращивания.

Дополнительные преимущества прямого лазерного выращивания

1. Себестоимость изделия снижается в 3–5 раз, в т.ч. за счет высокой производительности и отказа от промежуточных операций (фрезерования, сверления и т.д.).

2. Механические свойства изделий — на уровне горячего проката: отсутствуют трещины, поры и несплавления.

3. Максимальная температура эксплуатации выращенных изделий — не ниже 500 °C.

Недостатки

По сравнению с селективным лазерным плавлением (SLM):

1. Поверхность изделий значительно грубее. Чаще требуется постобработка.

2. Точность и детализация ниже.

3. Труднее изготавливать тонкие стенки, малые отверстия, решетчатые структуры, острые кромки и внутренние каналы.

4. Сложнее формировать мелкие элементы.

5. Нужно одновременно стабилизировать лазер, подачу порошка, газовую защиту, положение сопла и геометрию ванны расплава. Это усложняет настройку и воспроизводимость процесса.

6. После печати часто требуются термообработка и механическая обработка деталей.

Где применяют?

Основные задачи — производство новых деталей, а также восстановление уже существующих.

Сферы

• Двигателестроение
• Судостроение
• Оборона
• Авиастроение
• Медицина
• Энергетика
• Машиностроение
• Ракетно-космическая отрасль

Технология особенно эффективна для деталей:

• с длинным производственным циклом;
• крупногабаритных;
• тонкостенных;
• со сложной геометрией;
• поврежденных, нуждающихся в ремонте.

Основные материалы

В порошковой лазерной наплавке используют конструкционные и инструментальные стали, различные сплавы — никелевые, титановые, алюминиевые, кобальтовые и другие. Технология используется для дорогостоящих сплавов, где экономия материала имеет первостепенное значение.

Жаростойкий никелевый сплав Inconel 625: универсальный материал для деталей, работающих в высокотемпературных и коррозионных средах. Обладает хорошей свариваемостью.

Жаропрочный литейный сплав на никелевой основе ЖС6У: сложен для традиционной обработки, но хорошо подходит для прямого лазерного выращивания. Применяется для ответственных деталей, работающих при высоких температурах и длительных нагрузках.

Титановый деформируемый сплав ВТ20: хорошая коррозионная стойкость и термостойкость; свариваемость без ограничений.

Усовершенствованная нержавеющая сталь 316L: коррозионные характеристики сохраняются после сварки. Устойчивость к эксплуатации в агрессивных средах.

Реальное применение

Ремонт турбинных лопаток

Компания Optomec является поставщиком систем лазерной наплавки (DED), позволяющих ремонтировать лопатки авиационных и газовых турбин.

Восстановление кузнечных молотов

Рабочая поверхность кузнечных молотов подвергается многократным ударам, воздействию абразивной окалины, тепла и деформации, в то время как основной корпус инструмента может оставаться пригодным для использования. Порошковая лазерная наплавка используется для восстановления и укрепления поврежденной поверхности. Материал наносится только на тех участках, где это необходимо.

Нанесение износостойкого покрытия на два типа колец

Лазерная наплавка износостойкого покрытия методом LMD на седло клапана с крутой зоной покрытия и кольцо износа с более плоской канавкой.

Параметры седла клапана: внешний диаметр 86 мм, внутренний диаметр 55 мм, ширина покрытия 11 мм, толщина целевого покрытия около 2,5-3 мм.

Параметры кольца износа: внешний диаметр 55 мм, внутренний диаметр 33 мм, ширина покрытия 8,5 мм, толщина целевого покрытия около 1,5 мм.