Механические свойства 3D‑печатных песчаных форм со сложными полыми структурами

Это перевод статьи из журнала Materials от 21 февраля 2024 года. Авторы Jingying Xu, Jinwu Kang, Yongkang Hu, Houfa Shen, Weimin Mao

Аннотация

Литьё как фундаментальный процесс формообразования металлов широко применяется в производственной индустрии. Появление технологии 3D‑печати полых песчаных форм предлагает новый подход, позволяющий переосмыслить традиционные плотные песчаные формы и обеспечить большую гибкость в управлении качеством и совершенствовании литейных процессов. В настоящей работе исследованы механические характеристики 3D‑печатных песчаных форм со сложными полыми структурами, а также влияние податливости полых форм на отливки. Результаты показывают, что прочность при сжатии, остаточная высокотемпературная прочность при растяжении и прочность при изгибе зависят от типа полой структуры. Многослойные оболочки имеют более высокие значения перечисленных прочностей по сравнению с решётчатыми формами при близкой доле полости. По сравнению с плотными песчаными формами полые формы, несмотря на меньшую механическую прочность, демонстрируют лучшую податливость, что снижает остаточные напряжения и склонность к трещинам в отливках. Разрушение полых структур носит локальный характер, в отличие от сквозного растрескивания плотных форм. Испытания с двутавровой отливкой показывают, что полая структура способствует сохранению целостности формы в процессе литья. Многослойная оболочечная структура сочетает улучшенную податливость с относительно высоким уровнем прочности, снижает остаточные напряжения и предотвращает трещины как в отливках, так и в самой форме.

Ключевые слова: 3D‑печать; полая песчаная форма; литьё; механические свойства; многослойная оболочка.

1. Введение

Песчаное литьё — один из базовых методов обработки металлов, широко применяемый в аэрокосмической, авиационной, энергетической, автомобильной и общей машиностроительной отраслях. В настоящее время растёт спрос на высокотехнологичные отливки (монокристаллические лопатки, корпуса ракет и др.). Традиционные песчаные формы, как правило, имеют плотную массивную структуру, что влияет на протекание литейного процесса и затрудняет тонкое управление охлаждением. Технология 3D‑печати песчаных форм предоставляет более эффективный процесс получения сложных, высококачественных отливок.

Полая структура превосходит плотные формы благодаря гибкости проектирования, позволяя реализовать замкнутое управление охлаждением и улучшая характеристики отливок. Свойства песчаных форм и стержней существенно влияют на процесс и качество литья. Ранние исследования были сосредоточены на материалах и параметрах печати, при этом структура форм в основном проектировалась как плотная. Показано, что уменьшение толщины слоя, настройка скорости рекоутера, дозы связующего и отвердителя изменяют количество связующих мостиков, термодеградацию смолы и газопроницаемость, что влияет на прочность и дефекты отливок. В последние годы изучаются полые структуры (решётчатые и многослойные оболочки), которые снижают концентрации напряжений и передачу тепла к наружным слоям, повышая устойчивость форм к трещинообразованию.

2. Материалы и методы

2.1. Методика испытаний механических свойств

Прочность оценивали по испытаниям на сжатие, изгиб и остаточную высокотемпературную прочность при растяжении. Для сжатия использовали цилиндрические образцы; для изгиба — удлинённые призматические; для растяжения — образцы типа «собачья кость». Испытания проводили на универсальной испытательной машине MTS E45.105. В испытании остаточной ВТ‑прочности образцы нагревали до 373, 473, 573, 673 и 773 K со скоростью 3 K/с и выдержкой 600 с, затем охлаждали до комнатной температуры и испытывали на растяжение.

Рис. 1. Форма и размеры экспериментальных образцов: (a) сжатие, (b) растяжение, (c) изгиб (мм).

Рис. 2. Кривая изменения температуры при нагреве песчаного образца.

2.2. Проектирование полых образцов

Образцы проектировали в ПО FT‑Hollow. Конструкция включает наружную оболочку и внутреннюю опорную решётку. Для каждого типа испытаний подготовлено по пять серий. Образец № 1 — плотный (контроль). Образцы № 2–4 — решётчатые с шагом решётки c = 5 мм; толщина наружной оболочки t и сечение рёбер d различаются. Образец № 5 — многослойная оболочка с толщиной каждого слоя 3 мм; слои соединены решётчатой опорой. Из‑за ограниченной высоты для изгибных и растяжимых образцов число оболочек по вертикали: B5 и T5 — 2, для сжатия C5 — 3.

Таблица 1. Размеры образцов для прочностных испытаний

Рис. 3. Схема образца № 2 и его центрального сечения. Примечание: для сжатия/изгиба доля полости — объёмная; для растяжения — в среднем сечении.

Рис. 4. Схема образца № 5 и его центрального сечения.

2.3. 3D‑печать образцов

Формы печатали на установке ExOne S‑Max. Использовали кварцевый песок (~99,4% SiO₂, 100–150 мкм, неправильной формы). Связующее — фурановая смола (1,6–1,8 % от массы песка); отвердитель — сульфокислотный (~0,2 %). Рыхлый песок внутри полых полостей не удаляли перед испытаниями. Морфология и гранулометрия показаны на рис. 5.

Рис. 5. Морфология частиц и распределение размеров кварцевого песка.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Прочность при сжатии

Плотный образец C1 показал максимальную прочность при сжатии — 6,1 МПа. Полые образцы продемонстрировали снижение на 54–80 %. Связь между прочностью и долей полости нелинейна: C4 при наименьшей доле полости имеет не наибольшую прочность (2,6 МПа). Многослойный C5 при большей доле полости прочнее, чем решётчатый C3 при одинаковых t и d. Увеличение толщины наружной оболочки заметно повышает прочность; увеличение сечения рёбер решётки при фиксированной оболочке влияет слабее.

Рис. 6. Зависимость прочности при сжатии от доли полости.

Рис. 7. Характер разрушения после сжатия: (a) C1 — сквозные трещины; (b) C4 — локальные поверхностные.

3.2. Прочность при изгибе

Плотный B1 имеет 3,4 МПа; снижение прочности у полых менее выражено, чем при сжатии. Минимум у B2 (2,0 МПа), максимум среди решётчатых — B3 (2,6 МПа).

Толщина наружной оболочки оказывает больший вклад, чем сечение внутренних рёбер. Многослойная оболочка (B5) повышает изгибную прочность при одинаковых t и d.

Рис. 8. Зависимость изгибной прочности от доли полости.

3.3. Остаточная высокотемпературная прочность при растяжении

При комнатной температуре: T1 — 1,95 МПа; полые T2–T5 — 0,79; 1,13; 1,12; 1,24 МПа (ниже на 36–59 %). После нагрева до 373 K снижение небольшое; при ≥473 K прочность падает из‑за термодеструкции фуранового связующего (начало разрыва цепей ≈453 K). Среди решётчатых T2–T4: чем больше доля полости, тем ниже прочность. Многослойный T5 при большей доле полости показывает более высокую прочность, чем T3.

Рис. 9. Образцы после испытаний остаточной ВТ‑прочности при растяжении (разрушение в среднем сечении).

Рис. 10. Зависимость остаточной ВТ‑прочности при растяжении от доли полости и температуры.

Рис. 11. (a) Изменение остаточной ВТ‑прочности с температурой; (b) убывание прочности с ростом температуры.

Таблица 2. Относительное снижение прочности RS

3.4 Влияние податливости формы на отливки

При кристаллизации металл стремится к усадке; песчаная форма противодействует этому, а её тепловое расширение увеличивает сопротивление, вызывая концентрации напряжений. На практике податливость характеризуют прочностью при сжатии и изгибе: чем выше прочности, тем хуже податливость.

Полые формы, имея меньшие прочности, обладают лучшей податливостью и снижают остаточные напряжения, что уменьшает риск деформаций и трещин. В серии отливок‑двутавров без ограничений опоками плотная форма дала наибольшее трещинообразование, решётчатая — локальные трещины, многослойная — без явных трещин. После выбивки участки, прилегающие к металлу, осыпались из‑за выгорания связующего, в то время как внешние зоны формы сохранились.

4. Выводы

1) Многослойная оболочечная структура при близкой доле полости обеспечивает более высокие прочности (сжатие, изгиб, остаточная ВТ‑прочность при растяжении), чем решётчатая; относительное снижение прочности на единицу доли полости меньше. Улучшенная податливость снижает остаточные напряжения и предотвращает трещины.

2) Разрушение полых форм при сжатии локально‑поверхностное, у плотных — сквозное; в испытаниях «двутавра» трещины значительны у плотной формы, локальны у решётчатой и отсутствуют у многослойной.

3) Полые формы уменьшают остаточные напряжения в отливках.

4) У плотных образцов остаточная ВТ‑прочность при растяжении сильнее снижается с температурой; полые структуры замедляют теплоперенос и сохраняют прочность внешней оболочки.

5) Многослойные оболочечные формы обладают комплексными преимуществами и рекомендуются к применению в литейном производстве.