Ученые ПНИПУ и УрФУ применили порошковую проволоку для совершенствования технологии 3D-печати

В различных отраслях промышленности широко применяются аддитивные технологии или получение изделия по трехмерной модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем. Разные виды 3D-печати позволяют создавать детали любой сложности и точности за короткое время. Большое распространение среди аддитивных сварочных методов получила технология проволочной наплавки. Ученые Пермского Политеха совместно коллегами из Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина усовершенствовали данную технологию, используя металлопорошковую проволоку вместо «обычной» сварочной. Разработанный состав проволоки позволяет наплавлять бездефектные заготовки с повышенной прочностью и пластичностью.

Статья с результатами опубликована в журнале «Металлург», 2024 год. Исследование проводилось при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (№ ФСНМ-2021-0011), Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ 20-48-596006 р_НОЦ_Пермский край) и Фонда содействия инновациям в рамках программы «Умник» (договор № 17779ГУ/2022).

Для изготовления крупных металлических деталей себя зарекомендовала технология проволочной наплавки. В качестве исходного материала используют металлическую проволоку, а в качестве источника энергии – электрическую дугу. Она расплавляет проволоку по мере того, как роботизированная рука наносит материал слой за слоем в области печати. При этом для формирования объемных изделий применяют преимущественно «обычную» сварочную проволоку, что ограничивает химический состав и свойства получаемых деталей.

Усовершенствовать технологию возможно благодаря применению порошковой проволоки. В ее состав могут входить металлические порошки и ферросплавы. Это обеспечивает более широкую возможность легирования сплава (насыщения различными добавками), а значит разнообразие его свойств и применимость в промышленности.

– Из-за теплофизических особенностей порошковых проволок, а также в зависимости от их типа, состава и выбранного режима наплавки можно на 10-30% повысить производительность процесса по сравнению с проволоками сплошного сечения. Также использование определенных компонентов в составе сердечника проволоки позволяет получить практически любой необходимый химический состав наплавляемого материала, – объясняет Глеб Пермяков, научный сотрудник лаборатории методов создания и проектирования систем «материал-технология-конструкция» ПНИПУ.

Ученые разработали проволоку с порошковым сердечником, содержащим хром, марганец, никель, молибден, медь и азот. Подбор именно таких компонентов позволил улучшить свойства получаемого материала – прочность и пластичность. С помощью такой проволоки отработали технологию 3D-печати, наплавили металлические образцы и провели их комплексное исследование.

– В наплавленном металле отсутствуют дефекты в виде пор, трещин, непроваров или шлаковых включений между слоями. По сравнению с существующими сплошными сварочными проволоками аустенитного класса, разработанный нами состав обладает на 20-30% более высокими прочностными характеристиками, при этом сохраняются высокие показатели пластичности. Предел текучести экспериментального сплава более чем в два раза выше, чем у широко используемой стали 08Х18Н10Т. Во многом именно низкие значения предела текучести, ограничивали применение известных марок аустенитных сталей для тяжелонагруженных конструкций – поделился Алексей Смоленцев, ассистент кафедры технологии сварочного производства УрФУ.

Исследование показало, что создание бездефектных заготовок с лучшими свойствами возможно благодаря применению в 3D-печати металлопорошковой проволоки. Разработанный состав и отработанная технология позволит изготавливать более прочные изделия для нужд промышленности.