Лазерное, электронно-лучевое и дуговое аддитивное производство титана

Титановые сплавы сочетают в себе высокую удельную прочность, коррозионную стойкость и термостойкость, однако их традиционная обработка является дорогостоящей и сложной. Аддитивное производство позволяет создавать детали, близкие по форме к конечным, слой за слоем, что делает его привлекательным для изготовления сложных деталей для аэрокосмической и медицинской отраслей. Основными источниками энергии являются лазеры, электронные пучки и электрические дуги.

Лазерное аддитивное производство

Селективное лазерное плавление

При селективном лазерном плавлении с помощью сфокусированного лазерного луча плавятся последовательные слои порошкового слоя в соответствии с данными модели, разбитой на слои. После затвердевания одного слоя платформа для печати опускается, на нее насыпается новый порошок, и цикл повторяется.

Такие параметры технологического процесса, как мощность лазера, скорость сканирования, толщина слоя, шаг штриховки и стратегия сканирования, определяют плотность, наличие дефектов, остаточные напряжения и текстуру. В исследовании по Ti-6Al-4V, цитируемом в источнике, сообщается, что полное отжигание при 840 °C в течение 2 ч изменяет микроструктуру, полученную в процессе напечатывания, и повышает её однородность.

Лазерное наплавление металла

При лазерном наплавлении металла порошок или проволока подаются непосредственно в лазерную ванну. Этот метод позволяет создавать детали больших размеров и ремонтировать дорогостоящие узлы, однако точность наплавки и качество поверхности, как правило, уступают методу плавления на порошковой подушке. Быстрое направленное затвердевание может приводить к образованию крупных столбчатых зерен типа «приор-бета» и структуры «плетёнка», как показано на примере Ti-17.

Лазерные технологии обеспечивают высокую точность и эффективное использование материала, однако ограничивающими факторами по-прежнему остаются стоимость порошка, остаточные напряжения, ограниченные размеры изготавливаемых деталей, стабильность процесса и необходимость последующей обработки.

Аддитивное производство с использованием электронного пучка

Технология электронно-лучевого наплавления на порошковой подушке работает в вакууме и обеспечивает предварительный нагрев порошковой подушки, что позволяет снизить температурные градиенты и остаточные напряжения. Она хорошо подходит для реакционноспособных титановых сплавов и позволяет достигать высоких скоростей наплавления, хотя качество поверхности и точность размеров, как правило, ниже, чем при лазерном наплавлении на порошковой подушке.

Источник сообщает, что Ti-6Al-4V, полученный методом плавления на порошковой подушке, способен сохранять хорошую криогенную пластичность с относительным удлинением, равным примерно 20% при 20 К и 29% при 77 К, и связывает эти свойства с деформационным твиннингом.

Аддитивное производство с использованием дуговой сварки

В аддитивном производстве с использованием проволочной дуги применяются электрическая дуга и проволочный расходный материал. Высокая скорость наплавки и низкая стоимость расходного материала делают этот метод подходящим для изготовления крупных конструкционных деталей, однако при этом наблюдается высокий приток тепла, точность размеров ниже, и может потребоваться значительная механическая обработка. Термический цикл может приводить к образованию макроскопических полос и неоднородных микроструктур в наплавленных слоях Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V.

Какой процесс аддитивного производства титана выбрать?

В дальнейших исследованиях основное внимание будет уделяться композитам с титановой матрицей, сплавам, предназначенным для эксплуатации при температурах выше 600 °C, а также наноразмерным армирующим материалам, таким как TiB и TiC. Для более широкого внедрения в промышленность будут иметь решающее значение надежный мониторинг, моделирование, контроль дефектов и разработка правил проектирования с учетом специфики конкретных технологических процессов.