Технологія вибіркового лазерного плавлення (ВЛП) передбачає декілька етапів: (1) одночасний підйом і спуск платформ подачі порошку та робочої із сталевою змінною пластиною; (2) формування шару порошку товщиною 50 мкм за рахунок переносу його часток в робочу зону гнучким гумовим лезом; (3) формування двовимірного шару згідно тривимірної моделі лазерним плавленням [1]. Після чого операції повторюються з першої по третю до виконання повного друку за сформованої програмою. Схематично принцип роботи Concept laser M2 можна представити у вигляді схеми, яку представлено на  рис. 1. В моделі Concept laser M2 передбачено функцію корегування друку за даними лазерного сканування попереднього сформованого шару [1]. Таке корегування необхідне для поліпшення зв’язку між шарами та підвищення щільності друкованого матеріалу [2].

Рис. 1. Схема секційної будови Concept laser M2 системи подачі порошку

Друк здійснювався на основі порошку зі сплаву титану Ti‑6Al-4V, що постачався фірмою канадською AP&C, згідно ASTMB822 [3] із розміром часток 10…100 мкм. Зерна порошку мають округлу форму завдяки методу отримання, розподіл за гранулометричним складом та їх зображення наведено на рис. 2.

а                                                                        б

Рис. 2. Зерна порошку Ti‑6Al-4V: а – загальний вигляд; б – розподіл за гранулометричним складом

Традиційне лиття титану має ряд несприятливих факторів, які існують для цього металу,  а саме: розплавлений титан є дуже хімічно активний і взаємодіє із більшістю газів в атмосфері, матеріалами тигля та ливарної форми [4]. Тому плавка здійснюється в атмосфері аргону, також необхідно підтримувати шар твердого титану між тиглем і розплавленим металом для чого дуга спрямовується безпосередньо в центр засипки із підтримкою відповідного температурного градієнту. Технологія ВЛП не позбавлений цих вад. Вихідний порошок вже має в собі забруднення сторонніми металами та атмосферними газами. Номінальний хімічний склад вихідного порошку наводиться в табл. 1. Плавка лазером також проводиться в середовищі аргону. Проте вона має і ряд переваг наприклад відсутня необхідність в тиглі та ливарній формі.

Таблиця 1 – Номінальний хімічний склад порошку Ti‑6Al-4V

C

Al

V

Fe

H

O

N

Y

Доміш.

Ti

0,01

6,25

3,95

0,22

0,002

0,10

0,01

0,001

0,40

89,057

Дослідні зразки мали форму призми квадратного поперечного перетину, розміром 11х11х65 мм. Друк здійснювався в вертикальному напрямку. Схематично пошарове накладання можна представити у вигляді рис. 3, а відмінність відмічених на рисунку шарів А та В складається в тому, що напрямок проходу лазеру в них взаємно перпендикулярний (див. рис. 3, б), що підтверджується зображенням верхньої частини зразка із цифровим маркуванням рис. 3, в.

а                                                б                                            в

Рис. 3. Друкований зразок: а – схема друку в напрямку вісі z; б – схема проходу лазеру для шарів А та В в площині x,y; в – зображення поверхні зразка на ділянці цифрового маркування

Дослідження поверхні оптичними методами показали, що на поверхні базових зразків  залишаються частки порошку, що в неї вплавляються (рис. 4, а), поверхня термообробленого зразку часток не містить (рис. 4, б).

а                                                                       б

Рис. 4. Зображення поверхні дослідних зразків: а – базового;                                  б –  термообробленого

Для дослідних зразків було отримано профілограми поверхонь та обраховано параметри шорсткості. Так для базового зразку параметри шорсткості R_a = 7,49 мкм та R_z = 41,60 мкм, шорсткість термообробленого зразка була майже в двічі нижчою і склала R_a = 4,03 мкм та R_z = 20,73 мкм.

Густина порошку Ti‑6Al-4V, фактично співпадає із теоретичною густиною матеріалу і складає 4501 кг/м³. Густина зразку базового, після друку без додаткової обробки, складає 4402 кг/м³ відповідно густина термообробленого зразку складає 4459 кг/м³. За значеннями густини було обраховано значення істинної пористості, що склала 2,17% та 0,91% для базового та термообробленого зразку відповідно.

Також для зразків було вимірено коерцитивну сила на пристрої «Кобальт‑1». Коерцитивна сила для базового зразка склала 2,0 А/см натомість для термообробленого 3,4 А/см зміна коерцитивної сили свідчить про фазові переходи другого роду, а також зняття залишкових напружень, що виникли в зразку в процесі друку.

Попередні дослідження друкованих зразків сплаву титану Ti‑6Al-4V вихідного та термообробленого є поштовхом до більш детального вивчення. Наприклад вплив термічної обробки на шорсткість в процесі фінішної обробки. Варіювання температурного діапазону для дослідження її впливу на пористість. Зміна коерцитивної сили свідчить про структурні зміни, а також можливе збільшення міцності, що також потребує додаткових досліджень.

Література:

1. The influence of the laser scan strategy on grain structure and craking behavior in SLM powder-bed fabrication nikel superalloy/ L.N. Carter, C. Martin, P.J. Withers, M.M. Attallah // J. of Alloys add Compounds. – 2014. – № 615. – pp.338-347.

2. Дослідження впливу параметрів виготовлення за технологією вибіркового лазерного плавлення (ВЛП) та порівняння дослідження механічних властивостей алюмінієвого сплаву AlSi10Mg різного способу виробництва/ С.В. Аджманськи, Г.А. Кононенко, Р.В. Подольський // Нові матерали в металургії та машинобудуванні. – 2022. – №2. – С.40-44.

3. ASTM B822 Standard Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by Light Scattering. - 2020