Высокотемпературный SLM: печать трудносвариваемых сплавов с подогревом до 1300 °C

Жаропрочные никелевые сплавы и интерметаллиды — материалы, ради которых и существуют газотурбинные двигатели: они держат температуры, при которых обычные стали уже текут. Но именно эти материалы считаются «непечатаемыми»: при стандартном СЛП они растрескиваются прямо в процессе построения. Решение, которое мы развиваем в СПбПУ с 2019 года, — высокотемпературный SLM с подогревом платформы до 1300 °C.

Почему трудносвариваемые сплавы трескаются при печати

Селективное лазерное плавление — это, по сути, тысячи микросварочных швов, наложенных друг на друга. Скорость охлаждения ванны расплава достигает 10⁶ °C/с — на порядки выше, чем при литье. Для хорошо свариваемых материалов вроде нержавеющих сталей или Ti-6Al-4V это не проблема. Но у жаропрочных никелевых сплавов с высоким содержанием γ′-фазы и у интерметаллидов (γ-TiAl, Ti₂AlNb) такой режим вызывает:

• высокие термические напряжения — вплоть до предела прочности материала;
• трещины при построении и при последующей термообработке;
• у интерметаллидов — хрупкое разрушение уже при комнатной температуре: материал просто не успевает релаксировать.

Классический выход — электронно-лучевое сплавление (EBM), где порошок работает при высокой температуре. Но у EBM свои ограничения по точности и шероховатости. Мировой тренд — перенести преимущества «горячего» процесса в лазерную технологию: печатать при температуре выше хрупко-вязкого перехода материала.

Эксперимент, который всё объясняет: Ti₂AlNb при 200, 500 и 600 °C

Орторомбический сплав Ti₂AlNb — лёгкий (почти вдвое легче никелевых сплавов) и жаропрочный интерметаллид, кандидат для лопаток и корпусных деталей ГТД. В работах, вошедших в мою кандидатскую диссертацию, мы напечатали его при разных температурах подогрева платформы:

• 200 °C — магистральные трещины длиной более миллиметра: напряжения превышают предел прочности;
• 500 °C — микротрещины 100–300 мкм: напряжения снижены, но недостаточно;
• 600 °C — бездефектная структура: температура выше хрупко-вязкого перехода (~580 °C), материал деформируется вязко.

Дальше подключается материаловедение: микролегирование иттрием, бором и углеродом снизило содержание кислорода с 0,20 до 0,085 %, измельчило зерно с 48 до 31 мкм и устранило остаточные микротрещины. Итог: плотность выше 99,9 %, прочность 970–1030 МПа при комнатной температуре и 800–860 МПа при 650 °C. Эти работы опубликованы в журналах Q1 (Additive Manufacturing, Intermetallics, Materials, Metals) и защищены патентом RU 2635204.

γ-TiAl: от 612 до 2277 МПа — одной температурой подогрева

Гамма-алюминиды титана — главная надежда авиадвигателестроения на лёгкие лопатки турбины низкого давления: плотность ~3,9 г/см³ против ~8,5 г/см³ у никелевых сплавов — до 50 % экономии массы лопаточного венца. Мы отработали печать сплава Ti-48Al-2Cr-2Nb и его отечественного аналога ВИТ7Л с подогревом платформы от 600 до 900 °C.

Разница в свойствах — не проценты, а разы:

При 900 °C печать идёт без трещин, плотность выше 99,9 %, микроструктура — ламели α₂/γ с размером колоний 5–10 мкм.

Жаропрочные никелевые сплавы: структура как у направленного литья

Для лопаток и других деталей горячего тракта ГТУ ключевой класс материалов — литейные жаропрочные никелевые сплавы (ЖС6У, ЖС32-ВИ, GTD-111). При высокотемпературном СЛП в них формируется направленная столбчатая структура: зёрна длиной более 5 мм с кристаллографической ориентацией, близкой к <001>, дендритные ячейки 5–20 мкм — мельче, чем у литья, без макроликвации. Кратковременная прочность ЖС32 при 1000 °C после СЛП — 685 ± 20 МПа — на уровне или выше литого аналога (670 ± 20 МПа).

Этот же подход — высокотемпературный подогрев платформы — работает в нашем серийном производстве завихрителей форсунок из сплава ВЖ159 и в программе освоения деталей горячего тракта ГТУ, о которой я писал в посте про рабочие лопатки ГТД.

Оборудование: от Aconity MIDI к собственному «Меркурию»

Работы начинались в 2019 году на немецкой установке Aconity MIDI с индукционным подогревом платформы до 1200 °C. К 2024 году вместе с компанией 3DLam в рамках программы «Приоритет-2030» мы построили собственную установку — ВПЛС «Меркурий»:

• индукционный подогрев платформы до 1300 °C;
• дополнительный верхний лазерный подогрев слоя порошка (2×1000 Вт);
• мультилазерная система, рабочая зона ⌀150×200 мм;
• технические решения защищены патентами.

Что дальше: многозонный подогрев

Подогрев «только снизу» имеет физический предел: чем выше деталь, тем сильнее падает температура в верхних слоях построения. Для высоких и толстостенных деталей это означает неоднородность структуры и риск трещин вдали от платформы. Отдельная задача — испарение алюминия из TiAl-сплавов при температурах ванны расплава и жёсткие требования к атмосфере. Ответ — установки с многозонным подогревом: платформа плюс верхний слой порошка, изотермическая зона по всей высоте построения и управляемое охлаждение. Это следующий шаг нашей программы развития.

Вывод

«Непечатаемость» жаропрочных сплавов и интерметаллидов — не приговор, а вопрос температуры процесса. Подогрев выше хрупко-вязкого перехода превращает материалы, которые трескались при построении, в плотные детали со свойствами на уровне литья и выше. За семь лет мы прошли путь от первых образцов на импортной установке до собственного оборудования и деталей, переданных на испытания заказчикам.