ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФАЗ АДДИТИВНЫМ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ
Российский научный фонд (РНФ), 2021-2023
Развивающаяся в настоящее время аддитивная технология селективного лазерного плавления (СЛП) заключается в послойном формировании детали из порошка по её цифровой модели путём локального сплавления порошка сканирующим лазерным пучком. Основное преимущество СЛП как аддитивной технологии состоит в её гибкости: не требуется применение специального инструмента или переналадка оборудования при изготовлении деталей сложных форм. Поэтому она уже нашла применение в ряде отраслей промышленности.
Существенный недостаток СЛП – чувствительность к типу материала. Переход к новому материалу фактически требует проведения исследования по поиску оптимальных технологических режимов. К настоящему времени уже освоен ряд широко применяемых в машиностроении сталей и сплавов. Известны работы по получению методом СЛП аморфных или частично кристаллических структур так называемых объёмных металлических стёкол (ОМС) – металлических сплавов с относительно низкой критической скоростью охлаждения, из которых методом литья удаётся получать детали с аморфной структурой размером от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров по всем трём осям.
Технология СЛП позволяет значительно варьировать тепловой цикл материала, управляя формированием его структуры. Скорости охлаждения могут достигать 10^8 К/с. При закалке из жидкого состояния с такими скоростями формируется равномерная мелкозернистая кристаллическая структура обычных конструкционных сплавов и аморфная структура сплавов ОМС. Полностью аморфная структура не всегда выгодна. Как правило, аморфные сплавы не проявляют пластических свойств при растяжении. Это связано с тем, что в однородных аморфных сплавах пластическая деформация локализуется в так называемых полосах сдвига, в которых происходит разупрочнение и разрушение. Поэтому часто ставится задача введения неоднородностей в аморфную структуру, которые способствуют зарождению многих полос сдвига и, таким образом, повышают пластичность материала. Такими неоднородностями могут служить кристаллические включения, формированием которых можно управлять в СЛП. В хорошо разработанной на сегодняшний день технологии литья ОМС скорость охлаждения, а значит и формирующаяся структура, жёстко связана с формой и размерами отливки. Это ограничивает возможности технологии при изготовлении деталей сложной формы. В аддитивной технологии СЛП деталь строится фактически из отдельных валиков переплавленного порошка диаметром порядка 100 мкм. Можно управлять тепловым циклом формирования каждого валика, а значит задача формирования структуры материала становится независимой от формы и размера детали, что предоставляет новые возможности для развития технологии получения аморфных металлических сплавов. Разработке методов формирования структуры материалов на основе аморфных металлических фаз при СЛП и посвящён данный проект. Научную значимость будет иметь изучение фазовых переходов и структурных изменений в экстремальных тепловых циклах СЛП.
Целью первого этапа выполнения проекта в 2021 г. был выбор сплавов, перспективных для получения двухфазных аморфно-кристаллических металлических материалов методом селективного лазерного плавления (СЛП), и исследование возможностей метода. Были выбраны так называемые объёмные металлические стёкла (ОМС) – сплавы с повышенной склонностью к стеклованию и экстремально низкой критической скоростью охлаждения. К настоящему времени в мире уже имеется опыт аморфизации таких сплавов методом СЛП. Принято решение остановиться на группе ОМС сплавов на основе циркония, как наиболее исследованных и доступных.
Качество материала, полученного в результате СЛП, определяется большим количеством технологических параметров. Для их последовательной оптимизации проведены эксперименты по получению методом СЛП как единичных переплавленных валиков (треков) и монослоёв, так и многослойных образцов. Подложки для единичных валиков и монослоёв брались из того же материала, что и порошок, поэтому такие эксперименты эквивалентны выращиванию объёмных деталей. При получении отдельных валиков оптимизировались сначала мощность лазерного пучка и скорость сканирования, а затем толщина слоя порошка. При получении монослоёв оптимизировался шаг сканирования. При получении многослойных образцов валидировались технологические параметры, найденные в экспериментах предыдущих типов.
На основании рентгеноструктурного анализа выявлены режимы, в которых происходит устойчивое формирование аморфной фазы. Решающим технологическим параметром оказалась скорость сканирования. Так, при скорости сканирования 1000 мм/с и мощности лазерного пучка 165 Вт наблюдалась полная аморфизация сплава Zr46Cu46Al8. Было показано, что уменьшая скорость сканирования при той же мощности можно постепенно снижать содержание аморфной фазы вплоть до её практически полного исчезновения при 20 мм/с.
Металлографичекое исследование зоны лазерного воздействия выявило образование следующих характерных структурных элементов: слоисто-вихревая область в центре, примерно напротив лазерного пятна, и дисперсная зона, в виде дуги охватывающая лазерное пятно по периферии зоны лазерного воздействия. Предполагается, что центральная слоисто-вихревая область образуется в результате интенсивной термокапиллярной конвекции. В отличие от лазерной обработки обычных сплавов, область конвекции в ОМС сплавах не охватывает всю ванну расплава, а ограничивается лишь её центральной наиболее нагретой областью из-за экстремально высокой вязкости расплава ОМС, которая резко увеличивается с понижением температуры. Сопоставление рентгеновских дифрактограмм с размером области дисперсной структуры показало, что именно эти дисперсная структура и есть кристаллическая фаза. Сканирующая электронная микроскопия выявляет, что дисперсная зона состоит из отдельных зёрен субмикронного размера.
При выращивании многослойных образцов в поперечном сечении, перпендикулярном направлению сканирования, формируется характерная чешуйчатая структура. В зоне термического влияния от каждого последующего лазерного прохода разрушается структура, сформированная предыдущими проходами, на которую накладывается новая дугообразная зона кристаллизации. В результате этого наложения доля кристаллической фазы возрастает при уменьшении шага сканирования.
Развиты новые подходы для теоретического расчёта взаимосвязанных явлений теплопереноса и кристаллизации и тепловых циклов в зоне лазерного воздействия при СЛП. Разработанная модель объясняет наблюдавшиеся особенности кристаллизации при СЛП. Так, было показано, что наибольшее время нахождения материала в температурном интервале кристаллизации, между температурами начала кристаллизации и ликвидуса, достигается на периферии зоны плавления, поэтому именно там в первую очередь начинается кристаллизация, и там же оказывается сосредоточена кристаллическая фаза в частично кристаллическом материале.
В целом, полученные результаты показали возможность аддитивного изготовления деталей методом СЛП из аморфных циркониевых ОМС сплавов с аморфно-кристаллической структурой и управляемым соотношением аморфной и кристаллической фаз. В полученных образцах приемлемый уровень пористости и не обнаружены дефекты сплавления. Управляемое соотношение аморфной и кристаллической фаз и незначительное количество микродефектов благоприятны для получения материалов с высокими механическими характеристиками. Недостатком таких материалов является неоднородное распределение кристаллов в аморфной матрице, что может ухудшать механические свойства. Поэтому в дальнейшем следует изучать возможность улучшения структурной однородности. Аддитивный характер процесса СЛП снимает жёсткие ограничения на размер деталей из материалов на основе аморфных металлических фаз, существующие в традиционных технологиях таких материалов, что может оказаться решающим фактором для широкого внедрения таких материалов.