Селективное лазерное плавление (СЛМ) — одна из наиболее перспективных технологий аддитивного производства (АП). Здесь имеет место процесс плавления порошкового слоя, когда посредством мощного лазерного луча осуществляется выборочное плавление порошкового сырья слой за слоем. Тут достаточно успешно применяются различные металлические порошки, включая чистые металлы (Ti, Al), а также сплавы и металоматричные композиты (ММК).
Селективное лазерное плавление момент сравнения
Если обратиться к сравнению с традиционными производственными процессами, селективное лазерное плавление предлагает ряд преимущественных моментов:
- изготовление почти готовой формы,
- быстрое производство компонентов сложной геометрии,
- малое количество отходов материала,
- приемлемые цены производства.
Именно благодаря этим преимущественным моментам, технология селективное лазерное плавление нашла широкое применение во многих стратегических отраслях промышленности. Здесь, в частности, следует отметить промышленность:
- аэрокосмическую,
- автомобильную,
- биомедицинскую,
- электронную.
Кроме того, технология успешно применяется на производстве вставок с конформными каналами охлаждения и компонентов с высокой геометрической сложностью. То есть основное применение области мартенситно-стареющих сталей.
Что такое мартенситно-стареющие стали?
Мартенситно-стареющие стали относят к группе инструментальных сталей по причине низкого содержания углерода. Такого рода стали легко поддаются сварке, а также селективной лазерной плавке. Соответственно, выступают одними из наиболее используемых и исследованных в области технологий аддитивного производства.
Достаточно хорошо исследованными мартенситно-стареющими сталями под аддитивное производство рассматривается классификация сталей: 18Ni-300 (США), 1.2709 (ЕС), X3NiCoMoTi (ФРГ).
В целом мартенситно-стареющие стали типа 18Ни-300 относятся к классу низкоуглеродистых железоникелевых сплавов. Тут отмечается исключительное соотношение прочности и вязкости, хорошая пластичность, обрабатываемость и свариваемость.
Эти свойства делают материал пригодным для использования в авиации, аэрокосмической промышленности, пресс-формах и инструментах. Сверхвысокая прочность является результатом механизма упрочнения во время старения. В процессе старения происходит осаждение интерметаллических частиц нанометрового размера.
Эти частицы равномерно распределяются в низкоуглеродистой мартенситной микроструктуре, где обеспечивают торможение подвижности дислокаций. Следовательно, способствуют повышению твёрдости и прочности на микроскопическом уровне.
Высокая вязкость и пластичность – эти свойства обусловлены пластичной и поддающейся механической обработке мартенситной матрицей. Однако по сравнению с другими (инструментальными и нержавеющими), мартенситно-стареющие стали обладают некоторыми недостатками, главным образом связанными с плохой износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Процессы поверхностной закалки (плазменное азотирование) полезны для улучшения свойств поверхности мартенситно-стареющей стали, производимой традиционным способом. Модифицированная поверхность достигается за счёт незначительного снижения свойств основного материала и без изменения размеров детали.
Благодаря очень схожим параметрам обработки (температура 450-520°C, продолжительность 1-4 часа) процесса плазменного азотирования и цикла старения, оба процесса допустимо объединить. С промышленности здесь видится значительное преимущество с точки зрения сокращения затрат и времени.
Селективное лазерное плавление сложный процесс
Селективное лазерное плавление – это сложная производственная технология, позволяющая создавать микроструктуры и свойства, имеющие существенные отличия от свойств, полученных традиционным методом. Поэтому параметры процесса селективного лазерного плавления необходимо точно устанавливать и контролировать. Так удастся получить соответствующую микроструктуру и свойства изготавливаемых деталей.
Существует достаточно много исследований мартенситно-стареющих сталей типа 18Ни-300, полученных аддитивным способом. Все эти исследования, как правило, затрагивают оптимизацию технологических параметров и влияние на механические свойства и микроструктуру.
Совсем немного имеется результатов исследований, направленных на сравнение аддитивного производства с обычной мартенситно-стареющей сталью. Обусловлено это трудностями сравнения таких материалов без учёта термической обработки.
Между тем, мартенситно-стареющая сталь требует термической обработки после процесса селективное лазерное плавление для достижения желаемых свойств. Кроме того, следует ожидать, что дополнительные улучшения для некоторых применений в суровых условиях могут быть достигнуты за счет плазменного азотирования.
Процесс аддитивного производства приводит к образованию ячеистой мартенситной микроструктуры с наносегрегациями и небольшим количеством остаточного аустенита. После термообработки отмечается процесс реверсии аустенита.
Кроме того, термическая обработка мартенситно-стареющей стали селективным лазерным плавлением также может отличаться от традиционных способов и требует оптимизации. Поэтому в последнее время много внимания уделяется постпроцессной термообработке, например, растворению и деформационному старению.
Механическое поведение и процесс азотирование
Практикой селективного лазерного плавления исследовались влияния различных температур и времени старения на механическое поведение мартенситно-стареющей стали 18Ni-300. Было обнаружено, что после старения можно получить значительное увеличение прочности и снижение пластичности.
Как выяснилось, обработка раствором не требуется. Мартенситно-стареющая сталь типа 18-Ni 300 в готовом виде допускает прямое деформационное старение. Однако сочетание обработки раствором и деформационного старения имеет решающее значение для улучшения механических характеристик.
Также исследовались влияние температуры и времени старения на микроструктуру, механические свойства (твёрдость, прочность, пластичность) и износостойкость. Максимальную прочность и износостойкость удалось получить после деформационного старения в течение 3 часов при температуре 490°С. Проводилась серия экспериментов по термообработке, включая:
- обработку в растворе,
- деформационное старение,
- комбинированную обработку,
под технологию селективное лазерное плавление для систематического исследования влияния на эволюцию микроструктуры, твёрдость, растяжение и прочность. Как выяснилось, аналогичные механические свойства могут быть достигнуты. Однако износостойкость и коррозионная стойкость остаются серьёзной проблемой.
Азотированием допустимо существенно увеличить срок службы вставок инструментов, обработанных традиционным способом, сделанных из мартенситно-стареющей стали. Однако о плазменном азотировании мартенситно-стареющей стали и влиянии азотирования на износостойкие и коррозионные свойства информации пока что нет.
