Автор: Демченко А.И., Андрейко А.И., Максимов А.А., Мальцев А.А., ООО «Гранком»

Введение

В последние годы технология 3D-печати металлических изделий, или аддитивное производство (от англ. Additive Manufacturing), получила широкое распространение в авиационной, космической, энергетической и медицинской промышленности. Она позволяет создавать изделия сложной формы, минимизировать отходы материала и значительно сокращать сроки изготовления. 

Однако, несмотря на технологические преимущества, одним из ключевых недостатков остается несовершенная внутренняя структура получаемых изделий [1]. Пористость, микротрещины и остаточные напряжения, характерные для аддитивных технологий, могут существенно снижать механические свой­ства готовых деталей [2].

Одним из наиболее эффективных способов устранения этих дефектов является технология горячего изостатического прессования (ГИП, Hot Isostatic Pressing — HIP) [3]. В процессе ГИП изделие подвергается воздействию высокого давления и температуры в инертной газовой среде, благодаря чему происходит уплотнение материала [4], заварка пор и улучшение структуры. Совмещение технологий 3D-печати и ГИП предположительно позволит получать изделия с высокой точностью, сложной геометрией и улучшенными физико-­механическими характеристиками [5].

Целью настоящего исследования является сравнительный анализ свой­ств двух металлических образцов: одного — изготовленного методом 3D-печати, и второго — дополнительно прошедшего цикл ГИП. В ходе работы проведено исследование механических характеристик каждого образца, что позволяет оценить эффективность применения ГИП для повышения качества продукции, полученной с использованием аддитивных технологий.

Материалы и методы исследования

В качестве основного материала для исследования использовался жаропрочный никель-­хромовый сплав, дополнительно легированный ниобием, молибденом, титаном и алюминием Inconel 718 (INCO 718) производства ООО «Гранком». Несмотря на то, что материал Inconel 718 был разработан еще в начале 60‑х годов прошлого столетия, он является наиболее используемым материалом для изготовления деталей авиационных двигателей с рабочей температурой ниже 650°C [6].

Речь идет о поддающемся закалке сплаве нихром, который содержит также в значительной мере железо, ниобий и молибден. В небольшом количестве в состав входит также алюминий и титан. Сплав инконель обладает высокой стойкостью к коррозии, высокой прочностью к разрушению, очень хорошей свариваемостью и стойкостью к образованию трещин сварных швов [7, 8].

Он имеет хорошие значения предела прочности при растяжении при температуре ниже 700°C.

В качестве стандарта на исследование использовался ASTM B637 (стандартные спецификации для слитков, поковок и брусков из никелевого сплава для эксплуатации при умеренных или высоких температурах) с выбранными параметрами, указанными в таблице 1.

Изготовление образцов

Изготовление образцов проводилось на установке прямого лазерного выращивания ИЛИСТ-L производства Института лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ (рис. 1).

Рис. 1. Установка ИЛИСТ-L

Некоторые характеристики данной установки:

 — мощность лазера — 3 кВт (максимальная — 6 кВт);

 — точность печати — 100 мкм;

 — допустимая влажность воздуха — не более 75%;

 — максимальная грузоподъемность — 500 кг.

Для эксперимента был изготовлен один образец методом прямого лазерного выращивания. Процесс проводился при следующих параметрах:

 — мощность лазера: 1300–1450 Вт;

 — скорость выращивания: 20 мм/с;

 — среда: защитный газ (аргон);

 — размер полученного образца до деления:      31,5 × 113 × 143 мм.

После изготовления образец был разделен на две равные части: образец 1 прошел стандартную термическую обработку; образец 2 прошел сначала процесс горячего изостатического прессования (ГИП), затем — такую же термообработку.

Горячее изостатическое прессование

Для проведения процесса горячего изостатического прессования использовался комплекс ABB-ASEA QIH‑345 (рис. 2) с рабочими параметрами: температура рабочей камеры — 1200°C; давление в рабочей камере — 150 МПа.

Рис. 2. Комплекс ABB-ASEA QIH‑345

Режим горячего изостатического прессования был подобран специалистами компании ООО «Гранком» и подходит для большинства изделий из жаропрочных сплавов, так как максимальная температура должна быть ниже температуры плавления обрабатываемого материала приблизительно на 20% для предотвращения образования жидкой фазы.

Данные по режиму горячего изостатического прессования: температура: 1190 ± 10 °C; давление: 150 МПа;  выдержка при температуре: 3 часа; общее время цикла: 32 часа.

Термическая обработка

Обе части образца были подвергнуты одинаковой термической обработке, проведенной в условиях ЦЗЛ (Центральной заводской лаборатории) по стандарту ASTM B637 со следующими значениями:

1. Закалка: нагрев до 1000°C, выдержка 30 минут, охлаждение в воде.

2. Двой­ной отпуск:

• первый этап: нагрев до 718°C, выдержка 8 часов,
• плавное снижение температуры до 621°C,
• выдержка до достижения общего времени 18 часов.

3. Охлаждение: на воздухе.

Такой режим термической обработки обеспечивает растворение упрочняющих фаз и их последующее контролируемое выделение, что позволяет достичь максимальной прочности и стабильности свой­ств 

материала.

Методы испытаний

Были проведены механические испытания образцов — до и после ГИП-обработки. Все испытания выполнялись в Центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) по стандарту ASTM E21‑20 «Стандартные методы испытаний для испытаний на растяжение металлических материалов при повышенных температурах».

Испытания на длительную прочность

Для оценки сопротивления материала длительному статическому нагружению при высокой температуре были проведены испытания на длительную прочность.

Параметры, регистрируемые при данных испытаниях:

— прилагаемое напряжение (σ), МПа;

— продолжительность испытания до разрушения (t), ч;

— относительное удлинение до разрушения (δ),%;

— относительное сужение (ψ),%.

Такие испытания позволяют оценить надежность материала в условиях длительной эксплуатации при высоких температурах, характерных для турбин, двигателей и других тепловых агрегатов.

Результаты исследования

Результаты испытаний образцов приведены в таблице 1.

Испытания на растяжение

Анализ данных таблицы 1 показывает, что образец, прошедший ГИП и термообработку, демонстрирует лучшие показатели прочности и пластичности по сравнению с образцом, подвергшимся только термообработке:

— предел прочности при комнатной температуре увеличился с 1177 МПа до 1287 МПа, превысив нормативное значение (1275 МПа);

— предел текучести не изменился, оставаясь выше нормы (1064 и 1034 Мпа соответственно);

— Показатели пластичности улучшились существенно: относительное удлинение выросло с 1,6% до 23,5%, а относительное сужение — с 14% до 30%.

При температуре 650°C прочностные показатели ожидаемо снижаются, но образец после ГИП сохраняет лучшие значения:

— предел прочности составляет 895 МПа против 

998 МПа у второго образца, что несколько ниже,

— относительное удлинение и сужение при этом существенно выше (5,3% и 9,9% соответственно против 1,5% и 18%).

Это указывает на более устойчивую структуру материала после ГИП в условиях повышенных температур и снижение хрупкости.

Испытания на длительную прочность

При испытаниях на длительную прочность при температуре 650°C также выявлено преимущество ГИП-

обработанного образца:

— Допустимое напряжение увеличилось с 689 до 758 МПа.

— Продолжительность испытания до разрушения — с 8,4 ч до 33 ч, что указывает на значительное увеличение сопротивления ползучести.

Также наблюдается улучшение пластичности по показателям удлинения и сужения.

Обсуждение

Полученные результаты подтверждают, что горячее изостатическое прессование положительно влияет на свой­ства изделий, изготовленных методом 3D-печати. ГИП способствует устранению внутренних дефектов (микропор, пустот), выравниванию структуры и снижению остаточных напряжений, что проявляется в росте прочности и особенно пластичности.

Особенно важно, что при длительной эксплуатации при высокой температуре образец после ГИП демонстрирует значительно более высокую надежность, что делает технологию комбинированного применения аддитивного производства и ГИП перспективной для ответственных деталей в авиационной и энергетической промышленности.

Заключение

Проведенное исследование показало, что сочетание технологий аддитивного производства и горячего изостатического прессования (ГИП) позволяет значительно улучшить механические свой­ства изделий из жаропрочного сплава INCO 718.

В сравнении с образцом, прошедшим только термическую обработку, образец, дополнительно подвергнутый ГИП, продемонстрировал: увеличение предела прочности и текучести при комнатной температуре; многократный рост пластичности; повышение сопротивления ползучести и удлинение срока службы при высокотемпературных испытаниях.

Эти результаты подтверждают эффективность использования ГИП как завершающего этапа при производстве ответственных деталей методом 3D-печати, особенно для изделий, эксплуатируемых в условиях высоких температур и нагрузок.

Перспективы дальнейших исследований включают:

• анализ поведения других сплавов, применяемых в аддитивных технологиях;
• оптимизацию режимов ГИП для повышения эффективности и снижения затрат;
• исследование влияния геометрии изделий на однородность уплотнения;
• разработку комплексных подходов к контролю качества после ГИП.

Таким образом, применение ГИП после 3D-печати открывает новые возможности для повышения качества и надежности изделий в высокотехнологичных отраслях.

ООО «Гранком»

Нижегородская обл., г. Кулебаки, ул. Восстания, 1/14, 607018

Тел.: +7 (831) 4351754

info@grankom.com, https://grankom.com/

Литература

1. Гордеев Ю.И., Бинчуров А.С., Москвичев Е.В., Зеер Г.М., Зеленкова Е.Г., Ясинский В.Б., Филиппов С.В., Герасимов Е.В. Исследование свой­ств регулярных структур, полученных аддитивными технологиями в сочетании с методами порошковой металлургии // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. № 10 (763). 2023. С. 28–43.
2. Евгенов А.Г. Получение и опробование мелкодисперсного металлического порошка высокохромистого сплава на никелевой основе применительно к лазерной LMD-наплавке [Электронный ресурс] // А.Г. Евгенов, С.В. Неруш, С.А. Василенко.  Электронный научный журнал «Труды ВИАМ». 2014. № 5. Режим доступа: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=664.
3. Агеев С.В., Гиршов В.Л. Горячее изостатическое прессование в порошковой металлургии // Металлообработка. 2015. № 4 (88). С. 56–60.
4. Ивановская А.А. Технологии аддитивного производства // Вестник Воронежского института высоких технологий. 2024. № 18(4).
5. Рашковец М.В., Кислов Н.Г., Никулина А.А., Климова-­Кормсик О.Г. Влияние термической обработки на структурно-­фазовое состояние и ударную вязкость никелевого сплава Inconel 718 при аддитивном производстве // Фотоника. 2021. Том 15. № 7. С. 568–575.
6. ASTM B637‑98. Standard Specification for Precipitation-­Hardening Nickel Alloy Bars, Forgings, and Forging Stock for High-­Temperature Service / ASTM International.  West Conshohocken, PA, USA: ASTM, 1998.  12 p.
7. Леушин И.О., Романов А.С., Леушина Л.И., Явтушенко П.М. Конструктивные элементы капсул горячего изостатического прессования металлических порошков: современные тренды // Теория и технология металлургического производства. 2020. № 3(34). С. 26–30.
8. Солодкий П.М., Скребло Д.И., Прокопьев С.В. Аддитивные технологии в металлургическом производстве // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2022. Том 1. С. 540–542.

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2025