ЦАГИ исследует возможности аддитивной технологии для получения сложнопрофильных стальных изделий в авиации

Особую актуальность в аэрокосмической отрасли сегодня приобретают аддитивные технологии (АТ), позволяющие реализовать мелкосерийное производство сложнопрофильных изделий. Специалисты Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского (входит в НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского») изучают один из методов АТ — селективное лазерное сплавление (СЛС).

Благодаря применению аддитивных технологий возможно достижение высокого коэффициента использования материала и, соответственно, значительного сокращения затрат на производство изделий авиационного назначения. Наряду с такими известными методами, как селективное лазерное спекание и тепловое сплавление, плазменная и лазерная наплавка металла, СЛС позволяет синтезировать из металлического порошка (сплавов различного химического состава) тонкостенные детали сложной формы, имеющие полости и выемки, которые традиционными способами выполнить невозможно.

Сегодня ученые ЦАГИ работают над экспериментальным подтверждением высоких механических характеристик и циклической долговечности изделий, полученных методом селективного лазерного сплавления.

На первом этапе с целью сравнительных исследований на площадке научно-технического центра научно-производственного комплекса института было изготовлено два вида образцов. Первые из них специалисты выполнили на установке СЛС из порошкового материала (нержавеющей стали марки EOS PH1) в виде пластин прямоугольной формы с центральным отверстием. Вторые — имели аналогичную форму и вырезались из катаной полосы закаленной стали марки 30ХГСА, широко применяемой в авиации.

Далее образцы были испытаны на сопротивление усталости на универсальной сервогидравлической установке. Следующим шагом стало определение механических характеристик: твердости и временного сопротивления разрыву. Результаты экспериментальных исследований, проведенных на универсальной испытательной разрывной машине и с помощью твердомера, сопровождались теоретическим анализом имеющихся нормативных данных по сталям EOS PH1 и 30ХГСА.

В завершение ученые института выполнили ряд исследований на сканирующем электронном микроскопе. Результаты микроскопии позволили установить, что особое строение и малочисленные несовершенства микроструктуры обеспечивают повышение прочностных характеристик и показателей сопротивления усталости в случае образцов из стали EOS PH1 аддитивного производства, оказавшихся сопоставимыми с аналогичными показателями для образцов из «традиционной» стали 30ХГСА.

В итоге показано, что сталь аддитивного производства EOS PH1 и традиционный авиационный полуфабрикат 30ХГСА, несмотря на различия в химическом составе и микроструктуре, имеют сопоставимые показатели временного сопротивления разрыву и циклической долговечности. Это свидетельствует о большом потенциале EOS PH1 для изготовления авиационных изделий сложной формы, к которым предъявляются высокие требования к прочности, твердости и усталостной долговечности.

«Таким образом, метод селективного лазерного сплавления при выбранных технологических условиях синтеза позволяет обеспечить получение образцов из нержавеющей стали с достаточно высокими механическими характеристиками и показателями сопротивления усталости», — говорит инженер лаборатории фрактографических исследований отделения ресурса конструкций ЛА ФГУП «ЦАГИ» Юлиана Леонтьева.

Метод селективного лазерного сплавления (СЛС) позволяет сократить время на производство изделий за счет получения за один техпроцесс сразу нескольких однотипных сложнопрофильных тонкостенных деталей, зачастую не требующих дополнительной механической обработки. Для СЛС-синтеза применяются такие порошковые материалы, как нержавеющие стали марок PH1, 17-4 PH, 15-5 PH, алюминиевые сплавы систем Al-Si-Mg и титановые сплавы Ti-Al-V (используются для изготовления лопаток газотурбинных двигателей). Полное сплавление в твердотельное изделие происходит за счет последовательного сканирования и наплавления лазерным лучом слой за слоем порошкового материала на подложку в инертной среде рабочей камеры установки СЛС.