Регистрация / Вход
Прислать материал

14.582.21.0004

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.582.21.0004
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения"
Название доклада
Разработка технологии и оборудования для прецизионного производства ответственных сложнопрофильных изделий специального назначения с целью перехода промышленности Российской Федерации к новому типу производства продукции в рамках шестого технологического уклада
Докладчик
Смирнов Валентин Пантелеймонович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Современное развитие отечественного машиностроения неразрывно связано с внедрением новых производственных
технологий и методов обработки металлов, что соответствует переходу промышленности к шестому технологическому укладу.
Одним из приоритетных направлений такого развития является замена традиционных субтрактивных
(«вычитающих») методов на аддитивные («добавляющие») технологии обработки металлов.
На формирующемся Российском рынке 3D печати существует дефицит качественного отечественного промышленного
оборудования и расходных материалов (металлических порошков). Текущее освоение аддитивных технологий на российских
предприятиях осуществляется на дорогостоящем импортном оборудовании с использованием дорогостоящих расходных
материалов, основными поставщиками которых являются компании из стран Европы, США и Китая. Это
приводит к зависимости от нестабильных поставок в достаточном объеме как оборудования, так и материалов, а также от
колебаний курсов иностранных валют.
Целями проекта являются:
- разработка технологии и оборудования для прецизионного производства ответственных сложнопрофильных
крупногабаритных изделий специального назначения;
- разработка высокорентабельных технологий получения порошковых материалов титана ВТ1-00, сплава ВТ-6 и нержавеющей
стали 12Х18Н10Т, пригодных для использования в аддитивных технологиях, обеспечивающей возможность экономически
эффективной реализации металлических порошков по цене на 25% ниже мирового уровня цен на аналогичную продукцию, а
также возможность выпуска порошков с улучшенной однородностью химического состава, характеризующейся снижением отклонения относительного содержания легирующих элементов до 1-3%.
Актуальность и новизна исследования
Внедрение новых производственных технологий (НПТ) на базе аддитивного производства является комплексной научно-технической задачей в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика». В отличие от традиционных технологий порошковой металлургии использование аддитивных методов производства, в частности, метода послойного селективного лазерного плавления, при котором происходит полное расплавление сферических частиц порошка, обеспечивает получение конечных изделий с плотностью 99%.
Модернизация технологий по всем этапам цепочки создания стоимости позволит снизить себестоимость производимой продукции, соответственно, увеличить ее конкурентоспособность на мировых рынках и, следовательно, увеличить долю экспортных поставок.
Таким образом, результаты реализуемых прикладных научных исследований и экспериментальных разработок по разработке и созданию высокотехнологичного отечественного оборудования для аддитивного производства, разработке технологии изготовления ответственных сложнопрофильных изделий, разработке высокорентабельных технологий получения исходных порошковых материалов, пригодных для использования в аддитивном производстве позволят осуществить:
- эффективное замещение аналогичного импортного оборудования и расходных сырьевых материалов на внутреннем рынке РФ;
- оптимизировать затраты и повысить эффективность производства;
- перейти на легко адаптируемое под специфические требования потребителя мелкосерийное/серийное производство продукции.
Описание исследования

Необходимо выполнить аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей проблемы изготовления сложнопрофильных изделий методом селективного лазерного плавления, изготовления порошковых материалов из стали, титана и титановых сплавов.

Провести сравнительный анализ перспективных способов получения порошков металлов с использованием следующих критериев: сферичность порошков, высокое качество продукции (однородность химического и гранулометрического состава), минимальное количество технологических операций, минимальные затраты на материалы и энергию, высокий выход годного.

На основании теоретических изысканий, включающих термодинамические расчеты, должны быть созданы научные основы, исследована и разработана новая технология получения порошков стали, титана и титановых сплавов для селективного лазерного плавления.

Для практического подтверждения экономичности выбранной технологии и высокого качества получаемых порошков проводится экспериментальная отработка технологии в лабораторном масштабе.

Должны быть получены экспериментальные образцы порошковых материалов из стали, титана и титанового сплава.

Должны быть разработаны программы и методики испытаний (ПМИ) процессов получения порошков стали, титана и титанового сплава и испытаний экспериментальных образцов порошков. ПМИ должны использовать передовые методики исследований, включая рентгеноструктурный анализ, сканирующую электронную микроскопию, рентгеновскую спектроскопию, профилометрию и др. методики. ПМИ должны позволять определить следующие показатели: морфология (форма, размер частиц) и эволюция (зарождение, рост, агрегация частиц) порошков металлов в зависимости от технологических режимов, что необходимо для разработки способов получения порошков с околосферической формой частиц и регулируемым грансоставом в диапазоне 20-40 мкм под задачи СЛП; химическую и фазовую однородность порошков в зависимости от технологических параметров, что необходимо для разработки режимов получения высокооднородных порошков.

Должны быть проведены исследования экспериментальных образцов порошковых материалов из стали, титана и титанового сплава.

На основании полученных закономерностей должны быть разработаны технологические режимы получения порошков околосферической формы, обеспечивающие выход годного не менее 97 %, высокую однородность химического состава получаемых порошков (отклонение содержания компонентов не более 1-3 %), регулируемый гранулометрический состав в диапазоне от 20 до 40 мкм.

Должны быть определены вид и состав технологических отходов и оформлены паспорта отходов.

Должна быть осуществлена наработка экспериментальных партий порошков стали, титана и титанового сплава, проведено их тестирование (дисперсность, химический и фазовый состав, морфология, микроструктура, насыпная плотность, текучесть).

Должны быть разработаны ТУ на порошки стали, титана и титанового сплава, включающие требования к параметрам (дисперсность, морфология, однородность состава), отвечающим за качество получаемых изделий.

Должна быть разработана РКД на составные части экспериментального участка изготовления сложнопрофильных изделий.

Должны быть разработаны технические требования по составу и характеристикам разрабатываемого программного обеспечения для автоматизированного управления экспериментальной устновокой послойного наращивания (3D принтера).

Для проведения исследовательских испытаний должен быть создан экспериментальный Участок.

Должны быть разработаны программы и методики испытаний технологических операций изготовления сложнопрофильных изделий из порошков стали, титана и титанового сплава.

Должны быть изготовлены экспериментальные образцы сложнопрофильных изделий.

Должны быть проведены испытания экспериментальных образцов сложнопрофильных изделий, определены их химические и механические свойства: состав, твердость, коррозионная стойкость, прочностные свойства, пористость.

Должно быть выполнено параметрическое исследование, устанавливающее связь между технологическими параметрами СЛП и структурой, и свойствами сложнопрофильных изделий с использованием передовых методик.

Должно быть разработано технико-экономическое обоснование результатов ПНИЭР, разработаны рекомендаций по использованию результатов ПНИЭР в реальном секторе экономики.

Должен быть создан проект технического задания на проведение опытно-конструкторской (опытно-технологической) работы, необходимой для внедрения результатов проведённой ПНИЭР до промышленного освоения.

Результаты исследования

Первые эксперименты по выращиванию экспериментальных образцов изделий на разработанной экспериментальной установке послойного наращивания MeltMaster3D-550 методом селективного лазерного плавления (СЛП) была показана принципиальная возможность получения высокоплотных образцов. Исследования проводились в диапазоне мощностей лазерного излучения от 100 до 500 Вт и скоростях сканирования лазерным пучком зоны построения в диапазоне от 100 до 1000 мм/с. В ходе исследований
полученных образцов выявлено влияние параметров СЛП на плотность, микроструктуру и
микротвердость образцов. В качестве материала для проведения предварительных экспериментов по выращиванию
экспериментальных образцов изделий использовался сплав 316L. По
химическому составу сплав 316L близок к сплаву 12Х18Н10Т и при этом его свойства широко представлены в результатах исследований западных и отечественных компаний, работающих в области технологии СЛП металлических порошковых материалов. Из открытых источников известно, что на аналогичном оборудовании производителя SLM-Solutions получают сплавленные образцы из коррозионностойкой стали марки 316L с плотностью более 95% и микротвердостью 233 HV. Образцы, полученные на экспериментальной установке послойного наращивания из стали 316L с плотностью более 95% имеют микротвердость около 315 HV, что характерно для стали с большим содержанием закалочных структур и ведет к снижению механических свойств предела текучести и относительного
сужения. Работы по получению паспортных свойств материала будут проведены на 5 этапе ПНИЭР. Для дальнейших
исследований был предложен более узкий диапазон технологических параметров по мощности лазерного излучения и по
скорости сканирования для определенных значений толщин сплавляемых порошковых слоев.
Проведены эксплуатационные испытания технологического процесса (ТП), обеспечивающего получение порошка стали марки 12Х18Н10Т с необходимым гранулометрическим составом (20-40 мкм), сферической формой частиц, высокой гомогенностью химического
состава порошков. Подтверждена готовность технологической документации и средств
технологического оснащения ТП к заключительным испытаниям. В результате выполнения работ 4-го этапа был наработан порошок стали со следующими характеристиками:
· форма частиц - сферическая;
· средний размер частиц - 26 мкм (выход порошка во фракцию 20-40 мкм составляет 98,2 %);
· содержание элементов в порошке, масс. %: Fe - 71,91, Cr - 17,93, Ni - 9,36, Mn - 0,33, Si - 0,12, S - 0,02, Co - 0,05, P - 0,01.
При проведении исследовательских испытаний технологических параметров ТП получения порошков титана и сплава ВТ6 было уточнены, установленные ранее технологические параметры процесса гидрирования
титана и сплава ВТ6, что позволило добиться снижения количества мелкодисперсной фракции с размерами частиц менее 10
мкм, образующейся при измельчении соответствующих гидридов, до 4,5-5%. С целью выделения и удаления мелкодисперсной
фракции из дегидрированных порошков введен в эксплуатацию газодинамический центробежный классификатор с опцией
работы в инертной среде. Показана принципиальная возможность использования классификатора для обработки
полигональных порошков. Было показано, что применение системы рециркуляции плазмообразующего газа с
предварительным вакуумированием технологических узлов установки плазменной сфероидизации
обеспечит снижение содержания газовых примесей в получаемых порошках.

Практическая значимость исследования
Внедрение технологии создания сложнопрофильных изделий позволит:
- значительно сократить себестоимость конечной продукции, повысить её качество за счет повышения однородности химического состава и структуры, увеличить срок службы изделий, работающих в жестких и экстремальных условиях эксплуатации;
- повысить уровень безопасности объектов при их эксплуатации в экстремально сложных условиях;
- внедрение интеллектуальных технологий диагностики качества изделий и автоматического управления оборудованием;
- повышсить эффективность использования сырьевых материалов (снижение затрат на порошковые материалы);
- создать новые рабочие места, обеспечить занятость и дополнительное привлечение высококвалифицированных специалистов.
Формы и объемы коммерциализации результатов проекта:
Коммерциализация результатов проекта предполагается на производственной базе Индустриального партнера проекта
ФГУП "РФЯЦ - ВНИИЭФ" путем производства сложнопрофильных изделий и получения прибыли от их реализации. На основе полученных результатов интеллектуальной деятельности (РИД) возможно создание рынка сложнопрофильных
изделий. При привлечении инвестиций в размере 345-465 млн. руб. возможно создание производственного участка по
серийному производству сложнопрофильных изделий с сроком окупаемости 3-5 лет. Разрабатываемые технологии и экспериментальное оборудования для получения сырьевых порошковых материалов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, титана ВТ-1-00 и его сплава ВТ-6 могут послужить материально-технической основной для организации малотоннажного производства металлических порошков мощностью до 10 т/год. При этом объем продаж готовой продукции может составить до 200 млн. руб. в год.
Постер

Poster_cniitmash.ppt