Разработка физических и технических основ формирования структурно-фазового состояния сплава системы кобальт-хром-молибден методом селективного лазерного плавления

Несмотря на интенсивное развитие аддитивных технологий, позволяющих воспроизвести трехмерный объект сложной геометрической формы из металлических порошковых материалов, на сегодня проблема изготовления деталей сложных геометрических форм из жаропрочных сплавов с высокой точностью, требуемыми механическими свойствами практически не решена и требует своего развития. В современном машиностроении жаропрочные мультикомпонентные кобальтовые сплавы применяется для изготовления лопаток, сопел, завихрителей, колец и прочих элементов турбин и двигателей внутреннего сгорания. Традиционные методы формообразования не обеспечивают в полной мере эксплуатационные и технологические характеристики перечисленных изделий машиностроительной отрасли. Микроструктура сплава, полученного из порошков Co, Cr и Mo в процессе лазерного плавления довольно сильно отличается от структуры сплава, полученного традиционными методами. Как известно, кобальт существует в двух кристаллических модификациях: альфа-фаза с гексагональной плотноупакованной решеткой, низкотемпературная фаза и бета-фаза с кубической гранецентрированной решеткой, высокотемпературная фаза. Значение твердости сплава напрямую зависит от количества низкотемпературной фазы. В процессе локального плавления металлического порошка лучом лазера, быстрого затвердевания и охлаждения из-за высокой теплопроводности металлического сплава можно достичь увеличения альфа-мартенситной фазы в сплаве, которое способствует повышению твердости и износостойкости детали. При использовании метода селективного лазерного плавления для получения изделий из порошковых материалов указанных элементов имеется технологическая проблема, требующая решения. Кобальт, хром и молибден имеют температуры плавления, отличающиеся на 1100 градусов и узкий диапазон режимов плавления (мощность лазера, скорость перемещения лазера, шаг сканирования и т.д.) получения сплава из порошков перечисленных порошков со стабильной фазовой структурой. Проблема формирования структурно-фазового состояния сплава системы кобальт-хром-молибден может быть решена путем поиска необходимых режимов и параметров синтеза под воздействием лазерного луча. Проект посвящен решению научной проблемы, связанной с фундаментальными и прикладными основами технологии аддитивного изготовления (метод лазерного плавления) с использованием теоретических и экспериментальных подходов изготовления сложнопрофильных деталей с высокой прочностью из сплава, получаемого в процессе плавления смеси порошков кобальта, хрома и молибдена. В ходе проведения численных экспериментов основное внимание будет уделено выявлению существующих закономерностей между физико-механическими свойствами, структурно-фазовым состоянием получаемых образцов и контролируемыми параметрами процесса лазерного плавления. Обобщения полученных ранее и в ходе выполнения проекта экспериментальных и теоретических результатов позволит выработать физические и технические основы по целенаправленному формированию необходимых физико-механических свойств в процессе такого управляемого синтеза функциональных объёмных изделий с заданной формой поверхности и стабильным структурно-фазовым состоянием для работы при высоких температурах. Особое внимание будет уделено изучению структурно-фазового состояния получаемых изделий с помощью современных методов анализа и испытаний, а именно, рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии c рентгеновским микроанализом, измерения механических свойств и др.Ожидаемым результатом является разработка научных и технологических подходов применения аддитивных технологий – послойного лазерного синтеза, получения модельных образцов сплава системы кобальт-хром-молибден (Сo-66 масс.% Cr-6 масс. % Mo) с заданным элементным и фазовым составом и управлением их структурой. Планируется решить задачу послойного трехмерного синтеза модельных образцов из порошковых материалов кобальта, хрома и молибдена, имеющих значительно отличающуюся температуры плавления, плотности, определить условия селективного лазерного плавления и оптимизировать режимы и параметры синтеза. Ожидаемые научные результаты, которые будут получены в ходе выполнения проекта, соответствуют мировому уровню и превышают его по ряду показателей (высокопрочные сплавы на основе плавления смеси порошков кобальта, хрома и молибдена в процессе лазерного синтеза с высоким содержанием альфа-мартенситной фазы). Будут изучены структурно-фазовые превращения и структурные особенности с помощью современных методов изучения физико-механических свойств. Результаты исследования, полученные при выполнении проекта, будут опубликованы в виде статей в ведущих научных журналах (6), в том числе индексируемых в базе данных WoS и Scopus (2). Будут проанализированы особенности поведения моделируемого материала с внутренней структурой, полученного в результате лазерного плавления при варьировании параметров синтеза. Будет установлена взаимосвязь варьируемых параметров синтеза модельного материала системы кобальт-хром-молибден и физико-механических свойств (пористость, плотность, микротвердость, модуль упругости) функциональных объемных изделий. На основе результатов теоретического подхода будут определены необходимые условия селективного лазерного плавления, позволяющие оптимизировать режимы и параметры синтеза. Будут установлены режимы послойного лазерного плавления для получения объемного изделия из жаропрочного сплава системы кобальт-хром-молибден с заданной структурой, элементным составом (Сo-66 масс.% Cr-6 масс. % Mo). Будет разработан метод изготовления функциональных изделий из жаропрочного сплава системы кобальт-хром-молибден в процессе селективного лазерного плавления из смеси порошков кобальта, хрома и молибдена.