Достижения в области биметаллических изделий

Возможности осаждения биметаллов часто называют основной причиной использования осаждения направленной энергией (DED) в различных отраслях промышленности. Объединение нескольких материалов в одной твердой детали открывает возможность улучшить производительность за счет целенаправленного выбора свойств материала в соответствии с требуемыми эксплуатационными свойствами в различных областях детали. Это преимущество тем больше, чем более разнородными являются комбинированные металлы и чем больше можно изменить свойства детали.

Исторически использование меди в DED было ограничено из-за ее отражающей природы. Новые технологические стратегии позволили как можно раньше внедрить плакирование медных компонентов. Однако более сложная геометрия и высокая стоимость меди делают желательным также нанесение меди. Последние достижения в лазерной промышленности позволяют использовать синие лазеры в машинах DED, которые позволяют наносить более совершенные медные сплавы, а также чистую медь.

При использовании инфракрасных лазеров (ИК = 1040 нм) коэффициент поглощения чистой меди составляет всего около 2%. Поэтому стали использовать медные сплавы, повышающие поглощение, такие как CuAl10, CuSn8, CU18150 и другие. Тем не менее, поглощение значительно ниже, чем у более широко используемых сталей, и поэтому мощные лазеры мощностью более 3000 Вт находят хорошее применение в таких приложениях. Кроме того, за последние несколько лет добились успеха предварительный нагрев медной подложки и усовершенствованные стратегии плакирования, в которых используются более эффективные углы осаждения.

Типичные области применения сосредоточены на нанесении покрытия из инконеля на медную подложку в различных космических приложениях, чаще всего в соплах ракет. Например, на рисунке 1 показана установка медного вкладыша, изготовленного из CU18150 в системе лазерного порошкового синтеза (LPBF) (LASERTEC 30 DUAL SLM от DMG Mori), закрепленного в главном шпинделе пятиосного поворотного станка. гибридная мельница LASERTEC 3000 DED. Медный лайнер в CU18150 был построен с использованием лазера мощностью 1000 Вт в системе LPBF, а по внешнему диаметру были добавлены открытые каналы охлаждения. Лазер мощностью 3000 Вт использовался на гибридной машине DED для нанесения Inconel 625 по окружности и соответственно закрытия каналов охлаждающей жидкости. Отражение медной облицовки представляет собой проблему для установления стабильного процесса, который приводит к правильному соединению материала.

При правильной стратегии осаждения и усовершенствованной траектории движения инструмента, созданной в пятиосной CAM-программе, такой как Siemens NX, можно добиться успешных результатов, как показано на рисунке 2. По окружности наносится равномерный слой инконеля, а микроструктурный анализ показывает хорошую связь между медная подложка и слой инконеля.

При использовании комбинации системы LPBF и системы DED размер таких компонентов ограничивается типичными размерами конверта в кубический фут или немного больше в более поздних разработках машин. Для удовлетворения требований космической отрасли желательно использовать полный спектр DED-гибридных станков с диаметром до 1250 мм и длиной деталей до 6000 мм между шпинделями. Следовательно, система DED, которая может наносить медь и, следовательно, создавать медную облицовку в той же оболочке, представляет собой огромную возможность для более совершенных космических компонентов с очень привлекательными экономическими выгодами.

Последние разработки в лазерной промышленности позволили создать диодные лазеры с более высокой мощностью лазера в альтернативных диапазонах длин волн. В частности, лазеры зеленого и синего света видимого спектра только недавно стали экономически целесообразными. На рисунке 3 показано преимущество использования лазеров синего света с длиной волны 450 нм по сравнению с ИК-лазерами с длиной волны от 900 до 1070 нм. Синие лазеры (450 нм) демонстрируют дальнейшее преимущество по сравнению с зелеными лазерами (515 нм). Поглощение энергии улучшается для всех металлов, при этом наиболее значительный выигрыш достигается у меди.

Сравнение основных элементов железа, никеля и меди показывает улучшенное поглощение. Медь почти не поглощает свет в ИК-спектре и достигает того же уровня поглощения, что и никель и железо, в синем спектре длин волн. Кроме того, никель поглощает свет с эффективностью на 19% выше в диапазоне синего лазера. В результате в процессе DED становится возможным осаждение чистой меди и низколегированных медных сплавов, таких как CU18150.