Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0017

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0017
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Создание мультилазерного автоматизированного комплекса для послойного синтеза полиметаллических изделий с ячеистыми элементами.
Докладчик
Травянов Андрей Яковлевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного проекта является создание мультилазерного автоматизированного комплекса и разработка технологии послойного синтеза полиметаллических изделий, в том числе с ячеистыми элементами. Данная технология открывает для конструкторов перспективной техники (в области энергетики, авиации, космоса и др.) новые горизонты, поскольку в детали в различных ее участках становится возможным закладывать несколько функциональных характеристик. Обеспечивается возможность комбинирования в процессе изготовления сложного по форме изделия двух различных металлических порошков для получения заданного градиента свойств в выращиваемом изделии, включая локальную повышенную жесткость, прочность, теплоотвод, стойкость к агрессивным средам и прочее.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время, изделия, полученные из нескольких материалов, находят все большее применение в различных отраслях. К таким изделиям относятся композиционные материалы с металлической, керамической или полимерной основой; полиметаллические материалы, состоящие из двух и более металлов или сплавов; обладающие комплексом уникальных характеристик, ориентированных на конкретные условия эксплуатации.
Сегодня в промышленности полиметаллические изделия изготавливают с использованием традиционных технологий (литье, обработка давлением, сварка). Данные технологии позволяют получать относительно несложные по геометрии заготовки, что существенно сужает сферы их применения. Решением данной проблемы является использование цифровых технологий трехмерной печати полиметаллических изделий.
Использование дополнительных материалов может обеспечить желаемые свойства в локальных заданных местоположениях вокруг основных частей изделий. Например, теплопроводности в каналах охлаждения; механические свойства, такие как высокая твердость, жаростойкость в турбинных двигателях и теплоизоляционных покрытиях и т.д.
Реализация предлагаемого проекта обеспечит:
- развитие стратегически значимых отраслей экономики, включая энергетику, в том числе ядерную, тяжелое и транспортное машиностроение, приборостроение и др., внедрение новых производственных технологий;
- обеспечение технологической независимости, импортозамещение, снижение угрозы блокирования поставок импортного оборудования, запасных частей и материалов;
- сокращение технологических цепочек, снижение себестоимости продукции, повышение надежности и ресурса работы ответственных конструкций.
Описание исследования

В рамках настоящих ПНИЭР разрабатывается:

Мультилазерный автоматизированный комплекс, который предназначен для изготовления полиметаллических изделий, в том числе с ячеистыми элементами, машиностроительного профиля методом послойного лазерного синтеза (выращивания) с максимальным габаритным размером изделия 500х400х400мм и производительностью не менее 8 куб.мм/с (Далее - Комплекс). 

Технология послойного лазерного синтеза, которая должна обеспечивать возможность комбинирования в процессе изготовления изделия двух различных металлических порошков для получения заданного градиента свойств в выращиваемом изделии, включая локальную повышенную жесткость, прочность, теплоотвод, стойкость к агрессивным средам и прочее.

Работоспособность Комплекса будет подтверждена на основании изготовления и тестирования 2-х типов образцов-демонстраторов. Один из них представляет блиск турбины, лопатки которой составляют единое целое с диском ротора, из двух жаропрочных никелевых сплавов: материал лопаток - сплав ЭП718, а  материал диска - сплав ЭП708. Другой образец-демонстратор – изделие типа «вал» из двух титановых сплавов, основным материалом которого является сплав ВТ1-0, а места под подшипники, которые испытывают наибольшую нагрузку, изготавливаются из сплава ВТ6. Ко всем материалами и изделиям, изготовленным из них, предъявляются высокие требования.
В конструкцию Комплекса помимо мультипорошковой системы, которая обеспечивает размещение при построении различных порошков в заданных координатах в слое, заложены и другие передовые решения. В  частности двухлазерная система с лазерами разной мощности для управления структурой и свойствами изделия в процессе послойного синтеза, система регенерации, обеспечивающая разделение 2-х порошков, оставшихся в рабочей камере после выращивания, и др. Для конструирования и изготовления Комплекса привлечено АО «НПО «ЦНИИТМАШ» - организация, имеющая опыт конструирования установок послойного синтеза.

Для решения поставленных задач в рамках проекта реализуются следующие работы:

Теоретические исследования процессов мультилазерного послойного синтеза и формирования гетерогенных структур полиметаллических изделий, в том числе с ячеистыми элементами, с использованием разработанного алгоритма компьютерного моделирования остаточных напряжений и коробления выращиваемых изделий в процессе лазерного послойного синтеза.Экспериментальные исследования процесса образования гетерогенных структур между двумя парами порошков разных металлов (сплавов) в процессе лазерного послойного синтеза полиметаллических изделий с использованием Комплекса.
Экспериментальные исследования прочностных характеристик образцов изделий, полученных из разных пар металлических порошков в процессе послойного синтеза с использованием Комплекса.
Экспериментальные исследования процесса изготовления с использованием Комплекса образцов-демонстраторов полиметаллических изделий типа вала с посадочными узлами под подшипники (далее – Вал) и изделия типа блиска турбины, лопатки и диск ротора которого составляют единое целое (далее – Блиск турбины). 

Экспериментальные исследования прочностных характеристик Вала и Блиска турбины. 
Обобщение и оценка проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса изготовления полиметаллических изделий с ячеистыми элементами с использованием Комплекса и прочностных характеристик образцов пар различных материалов. 
Разработка конструкторской документации и изготовление опытного образца Комплекса. 

 

Результаты исследования

В 2016 году в рамках реализации проекта в соответствии с планом-графиком получены следующие основные результаты:

Проведены экспериментальные исследования процесса образования гетерогенных структур пары из титановых сплавов
ВТ1-0 и ВТ6 в процессе лазерного послойного синтеза полиметаллических изделий на образцах, изготовленных с
использованием установки послойного лазерного синтеза (аналога Комплекса). Исследованы диффузионные процессы,
протекающие на границе раздела материалов с образованием переходной зоны.
Разработан алгоритм компьютерного моделирования остаточных напряжений и коробления образцов пар материалов из
никелевых сплавов в процессе лазерного послойного синтеза. Проведены работы по разработке алгоритма для
полиметаллических изделий, основанного на формировании базы данных материалов - сплавов ЭП708 и ЭП718,
моделировании формирования порошкового слоя в зависимости от параметров порошков, моделировании расплавления
порошков с получением данных о процессах плавления, угара элементов, формирования газовой пористости и прогрева
соседних слоев в процессе лазерной обработки (микромодель) и моделировании остаточных напряжений и коробления (макромодель).
Изготовлены порошки сплавов ЭП708 и ЭП718 методом плазменного центробежного распыления электродов. Изготовлены образцы из никелевых и титановых сплавов с использованием установки послойного лазерного синтеза (аналога Комплекса). Проведена оптимизация технологичесского процесса.
Проведены исследования механических и теплофизических свойств образцов из никелевых и титановых сплавов, оптимизации режимов горячего изостатического прессования, исследования ячеистых структур.
Проведены экспериментальные исследования прочностных характеристик образцов из никелевых сплавов, изготовленных с
использованием установки послойного лазерного синтеза (аналога Комплекса). Проведены испытания образцов из сплава ЭП718 в 2-х состояниях (после выращивания и после ГИП) на кратковременную прочность при 20 и 800 С, на длительную
прочность при 600 град.С. Проведены исследования механических свойств при нагреве образцов до температуры, близкой к
температуре ликвидуса. Проведен дифференциально-термический анализ при различных скоростях охлаждения. Определена
теплоемкость в интервале температур 25-1200 град. С. Проведена оптимизация ГИП. Определена плотность. Исследована
структура образцов изделий в различном состоянии. Исследована структура порошков сплавов ЭП718 и ЭП708. Исследованы
свойства порошка сплава ЭП718: текучесть и насыпная плотность.
Разработана конструкторская документация Комплекса и изготовлены элементы опытного образца Комплекса, включая: модуль построения; газовая система; гидравлическая система; контроль-измерительная система; система загрузки/выгрузки модуля построения; элементы пневматической схемы; система магистральных трубопроводов; система электропитания; каркас установки; рабочая камера; система формирования защитной атмосферы

Разработана АСУ Комплекса, в том числе: программного обеспечения (ПО) для работы с электронными моделями изделий
для послойного синтеза изделий. В том числе файлы с исходным кодом программного обеспечения MultiLaser 1.0.,
исполняемые файлы (откомпилированная сборка) программного обеспечения MultiLaser 1.0, описание функций и интерфейса
программы MultiLaser 1.0. ПО для управляющих программ; ПО для управления работой Комплекса (1 этап).

Практическая значимость исследования
В период 2018-2020 г.г. ожидается масштабное промышленное освоение результатов ПНИЭР,в первую очередь на предприятиях в структуре Государственной корпорации Росатом, главным образом на АО "Уральский электрохимический комбинат". Реализация проекта на предприятиях Госкорпорации «Росатом» должно стать локомотивом развития других отраслей экономики России, т.е. имеется потенциал мультипликативного технологического влияния получаемых результатов на развитие нескольких отраслей экономики, требующих высокотехнологического производства изделий и комплектующих: машиностроение, электроэнергетика, нефтеперерабатывающая промышленность, химическая промышленность, металлургия.
Реализация предлагаемого проекта обеспечит:
- развитие стратегически значимых отраслей экономики, включая энергетику, в том числе ядерную, тяжелое и транспортное машиностроение, приборостроение и др., внедрение новых производственных технологий;
- обеспечение технологической независимости, импортозамещение, снижение угрозы блокирования поставок импортного оборудования, запасных частей и материалов;
- сокращение технологических цепочек, снижение себестоимости продукции, повышение надежности и ресурса работы ответственных конструкций.
Постер

Poster_template_IN.ppt