Организация и развитие серийного производства установок
прямого лазерного выращивания
Описание проекта
Технология прямого лазерного выращивания (ПЛВ) позволяет изготавливать заготовки из сталей и сплавов на основе никеля, титана, меди, кобальта и алюминия с производительностью до 3 кг/ч.
Уровень механических свойств соответствует требованиям к металлопрокату.
Для реализации технологии ПЛВ в СПбГМТУ разработаны роботизированные установки серии
«ИЛИСТ»
со следующими техническими характеристиками:
макс. диаметр рабочей зоны: до 3 м;
макс. высота рабочей зоны: до 2 м;
масса изделия: до 4 т;
мощность лазера: до 12 кВт.
ИЛИСТ-М
робот + 2-х осевой позиционер;
изделие: Ø 600 мм, h = 400 мм;
масса изделия: до 100 кг;
производительность: 50 см3/ч;
волоконный лазер: 2 кВт;
порошковый питатель: 5 л.
ИЛИСТ-L
робот + 2-х осевой позиционер;
изделие: Ø 1300 мм, h = 800 мм;
масса изделия: до 400 кг;
производительность: 240 см3/ч;
волоконный лазер: 6 кВт;
порошковый питатель: 2 × 5 л.
ИЛИСТ-XL
робот + 2-х осевой позиционер;
изделие: Ø 2200 мм, h = 600 мм;
масса изделия: до 1200 кг;
производительность: 250 см3/ч;
волоконный лазер: 6 кВт;
порошковый питатель: 2 × 5 л
Заказчики
Установки прямого лазерного выращивания успешно эксплуатируются на предприятиях АО «ОДК», ГК «Росатом», ГК «Роскосмос»,АО «Композит», АО «ОСК», АО «Русполимет», АО «ЦАТ»,
ООО «Аэроком», ООО «Нормин», ПНИПУ, ПсковГУ и др.
Установки прямого лазерного выращивания серии «ИЛИСТ»
на базе лазера видимого диапазона
Описание проекта
Лабораторная УПЛВ на базе ИЛИСТ-М
габариты изделия: Ø 600 мм, h = 600 мм;
длина волны: 450 нм;
мощность лазера: 2 кВт;
герметичная кабина с ФВ;
порошковый питатель на 2 колбы.
Назначение
ПЛВ из жаропрочных бронз (БрХ1)
биметаллические изделия (БрХ1 + Inc718)
Дальнейшее развитие
разработка базовой технологии ПЛВ
адаптация технологического инструмента
усовершенствование защитной атмосферы
Мобильная технологическая установка дуговой наплавки
Описание проекта
обрабатываемые материалы: стали нормальной и повышенной прочности (а также черные и цветные металлы и их сплавы, жаропрочные сплавы);
производительность: до 6 кг/ч;
комплекс дугового оборудования: cварочный ток до 500 А;
рабочий инструмент: горелка дуговая;
размеры рабочей зоны (типовые): диаметр 1,2 × 1,5 × 1,5 м (возможно масштабирование).
Установка технологическая сварочная лазерно-дуговая (УТСЛД)
Основные технологические характеристики
диапазон толщин обрабатываемых
материалов (односторонняя сварка):
от 1 до 10 мм (за один проход);
скорость обработки: до 3 м/мин;
размеры рабочей зоны:
длина – 6 м, ширина – 1,5 м, высота – 1,5 м.
Основные технические характеристики
мощность лазера: не менее 10 кВт;
максимальный сварочный ток: до 500 А;
диапазон диаметров сварочной проволоки: от 1,2 до 2 мм;
диапазон регулировки скорости подачи проволоки: от 3 до 20 м/мин
Заказчик
Комплекс разработан и изготовлен по заказу АО «ОССЗ».
В ПИШ СПбГМТУ функционирует аналогичная установка, где отрабатывается технология ГЛДС объемных конструкций.
Схема размещения УТСЛД
Установка технологическая закалочная комбинированного
действия (лазерно‑индукционного нагрева)
Параметры установки
тип используемого лазера: волоконный;
длина волны излучения: ~1 мкм;
мощность лазера: до 6 кВт;
мощность индуктора: не менее 6 кВт;
система перемещения рабочего инструмента: робот манипулятор + трек;
количество координат, не менее: 7(6+1);
диапазон регулировки скорости рабочего инструмента: от 0,1 до 6 м/мин;
система позиционирования и перемещения обрабатываемого изделия: вращатель-позиционер одноосевой двухстоечный;
мониторинг зоны обработки, система видеонаблюдения;
глубина закалки: до 5 мм.
Портальный комплекс гибридной лазерно-дуговой сварки
Описание проекта
Предназначен для серийного строительства судов внутреннего и смешанного плавания нового
поколения.
Обеспечивает выполнение гибридной лазерно-дуговой сварки стыковых соединений в нижнем пространственном положении в составе автоматизированной линии сборки и сварки плоских секций на участке укрупнения
полотнищ.
Параметры установки
максимальный размер обрабатываемого проката: 12 × 3200 × 12000 мм;
мощность лазерного излучения: до 16 кВт;
сварочный ток: от 50 до 500 А;
напряжение на дуге: от 15 до 40 В;
скорость подачи сварочной проволоки: от 2 до 18 м/мин;
диаметр сварочной проволоки: от 1 до 1,6 мм;
толщина свариваемых изделий: до 15 мм за один проход;
наибольшая рабочая скорость: 4 м/мин;
максимальная скорость холостых перемещений: 10 м/мин;
предельное отклонение от прямолинейности при движении: 0,5 мм.
Стыковое соединение,
толщина 15 мм
Комплекс гибридной лазерно-дуговой сварки «ОРБИТА»
Описание проекта
Комплекс предназначен для применения на судостроительных предприятиях с целью изготовления сложных пространственных корпусных конструкций (с минимальными допусками) арктических судов и средств морской техники для освоения шельфовых месторождений.
Технологические характеристики
обрабатываемые материалы: высокопрочные и специальные стали;
технологические операции: лазерная и лазерно-дуговая сварка;
скорость обработки: до 3,5 м/мин;
диапазон толщин обрабатываемых материалов: от 4 до 50 мм.
Технические характеристики
мощность лазерного излучения: не менее 15 кВт;
тип используемого лазера: волоконный;
сварочный ток: до 400 А;
система перемещения рабочего инструмента: сварочная каретка на направляющих.
Установка технологическая сварочная лазерно-дуговая
Описание проекта
Предназначена для реализации процессов сварки в судостроении, отработки технологических процессов автоматической лазерной и лазерно-дуговой сварки элементов корпусных конструкций морской техники из судостроительных сталей, внедрения в промышленное производство на судостроительных верфях.
Технологические характеристики
размеры обрабатываемых изделий: до 6 × 1,5 × 1,5 м;
масса обрабатываемых изделий: до 40 000 кг;
система перемещения рабочего инструмента, количество координат: 7 (6+1);
мощность лазерного излучения: до 10 кВт;
сварочный ток: до 500 А;
толщина свариваемых изделий за один проход: до 10 мм;
рабочая скорость: до 6 м/мин.
Проведение исследований в области материаловедения
Описание проекта
Испытательная лаборатория разрушающего и неразрушающего контроля материалов аддитивного производства.
Создание компетентной лаборатории для выполнения конкретных задач по разрушающим методам испытания материалов, изготавливаемых аддитивными и электрофизическими технологиями (соответствующей ГОСТ ISO/IEC 17025-2019 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий»).
Свидетельство об аккредитации испытательной лаборатории № ИЛ/ЛРИ-02701, действительно до 24.09.2029 г.
Широкая область деятельности
включает ключевые методы испытаний материалов и весь цикл изготовления испытательных образцов, в который входят следующие работы:
вырезка заготовок для дальнейшей подготовки образцов для испытаний;
механическая обработка для изготовления образцов в соответствии с требованиями стандартов на проведение испытаний;
металлография и подготовка поверхности образцов для проведения коррозионных испытаний дальнейших структурных исследований.
Оснащение лаборатории
Лаборатория оснащена поверенным оборудованием, персонал лаборатории аттестован на проведение разрушающих испытаний по следующим группам методов:
механические статические испытания(при нормальной и повышенной температурах);
механические динамические испытания (принормальной и пониженной температурах);
методы измерения твердости;
методы испытаний на коррозионную стойкость;
методы исследования структуры материалов;
методы определения содержания элементов;
специальные методы испытаний
Выполняемые работы (услуги):
реализация качественной подготовки проб с использованием специальных техник финишной обработки для элементного, дилатометрического, металлографического, дифракционного рентгеновского, электронно-микроскопического анализа; изготовление образцов для механических испытаний;
проведение металлографического анализа с увеличением до 1000 крат с последующей или одновременной количественной обработкой получаемых изображений структуры;
исследование структуры на сканирующем электронном микроскопе при увеличении до 1 млн крат с одновременной оценкой общего и локального химического состава исследуемого образца с использованием метода EDS;
фазовый и микротекстурный анализ вещества методом EBSD на основе кристаллографических ориентировок структуры материалов;
изготовление и проведение механических испытаний различных материалов, в том числе композитов, а также сварных соединений;
испытания на статическое разрушение при комнатной и повышенной температуре до 1100 °С;
испытания на ударную вязкость при комнатной и отрицательной температуре до – 60 °С;
механические испытания на твердость и микротвердость металлов по Виккерсу;
исследование характера разрушения различных материалов и сварных соединений после механических испытаний;
проведение рентгеновского фазового анализа: определение наличия и доли различных фаз в сплавах на основе титана, никеля, алюминия, меди, железа и др., а также различных металлокерамик, композиционных и функционально-градиентных материалов, высокоэнтропийных сплавов, минералов и пр.;
исследование дислокационной структуры различных сплавов с возможностью темнопольного и дифракционного анализов при увеличениях до 1 млн крат с разрешением до 0,1 нм с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения;
проведение элементарного анализа наноразмерных включений в различных материалах на просвечивающем электронном микроскопе
Заказчики испытаний:
ПАО «НЛМК»,
ООО «ТК»,
ООО «Горизонт покрытий»,
ООО «ПРО ФЕРРУМ»,
АО «Лазерные системы»,
ООО «РЭС Инжиниринг»,
любые предприятия промышленного комплекса, которые нуждаются в проведении испытаний
Индустриальные партнеры:
АО «НИКИЭТ»,
АО «Композит»,
АО «КБХА»,
ПАО «РКК «Энергия»,
АО «Силовые машины – ЗТЛ, ЛМЗ,
Электросила, Энергомашэкспорт»,
АО «Синара – Транспортные Машины»,
АО «ВПК «НПО машиностроения»,
ПК «Салют» АО «ОДК»
Проведение исследований и разработок в области создания новых металлических материалов на основе использования лазерных, аддитивных и электрофизических технологий
Описание проекта
Проект направлен на разработку новых металлических материалов, которые будут обладать улучшенными физико-механическими свойствами.
Использование современных технологий, таких, как лазерные, аддитивные и электрофизические, позволит создать материалы, отвечающие требованиям современных промышленных и научных задач.
Получение разнородных градиентных материалов при прямом лазерном выращивании
Исследования ОИМ ИЛИСТ сосредоточены на
разработке новых способов получения функционально-градиентных материалов (ФГМ) с требуемыми структурами и свойствами;
отработке технологических параметров получения ФГМ;
детальном исследовании структуры и свойств ФГМ.
Кроме того, ведутся исследования по использованию комбинированных методов получения переходов, включая использование высокоэнтропийных сплавов.
На рисунках представлена структура градиентных переходов.
(а, в) Фотографии оптической микроскопии
с демонстрацией структуры градиентного перехода титан-сталь;
(б) Титановая заготовка с градиентным переходом предназначена для вварки в стальной корпус(а) Макроструктура биметаллических слоев:
коррозионно-стойкая сталь и коррозионно-стойкая жаропрочная сталь;
(б) Структура титанового композита: высокопрочный титановый сплав и чистый титан
Получение биметаллических материалов с различными свойствами.
Получение изделий из сталей аддитивными методами производства является перспективной
задачей для судостроения, машиностроения, авиастроения и других отраслей промышленности.
Особенностью технологии прямого лазерного выращивания является получение уникальных
изделий из композиционных и биметаллических материалов с высокими прочностными и коррозионными свойствами.
Высокоэнтропийные сплавы
Высокоэнтропийные сплавы (ВЭСы) рассматриваются как перспективные материалы для ряда конструкционных применений, в том числе высокотемпературных.
Исследования ОИМ ИЛИСТ сосредоточены на:
использовании высокопроизводительных вычислительных методов для определения составов сплавов с требуемыми структурами и свойствами;
отработке технологических параметров получения ВЭСов, в первую очередь на основе тугоплавких элементов, методами аддитивных технологий;
детальном исследовании структуры и свойств получаемых сплавов.
Кроме того, ведутся исследования по возможному использованию промежуточного слоя из ВЭСов в процессе разнородной сварки и наплавки.
Одним из возможных применений ВЭСов могут выступать защитные покрытия на лопатки для самых горячих частей тракта газотурбинных двигателей.
На иллюстрациях представлена электронная микроскопия высокоэнтропийных сплавов, полученных прямым лазерным выращиванием и примеры применения ВЭСов:
(a) – сплав CoCrFeMnNi,
(б) – сплавы Fe45(CoNi)39.24Cr14.92C0.8 и Fe55(CoNi)29.24Cr14.92C0.8,
(в) – сплав (NbTi)60Cr40
(г) – пример применения ВЭСов в качестве покрытий для лопаток газотбинных двигателей.
Получение разнородных композиционных градиентных материалов при прямом лазерном выращивании
В современном машиностроении к механическим характеристикам изделий предъявляются строгие требования.
Изделия, полученные методом прямого лазерного выращивания (ПЛВ), демонстрируют высокие показатели твердости, прочности и пластичности, а также обладают отличной коррозионной стойкостью.
Введение керамических частиц в металлическую матрицу способствует улучшению механических свойств при комнатной и повышенных температурах.
Заказчики:
ЦКБ МТ «Рубин»
АО «НИКИЭТ»
АО «Силовые машины»
АО ГосМКБ «Радуга» имени А.Я. Березняка
Металломатричный композит (ММК) с градиентным переходом из коррозионно-стойкой жаропрочной стали и карбида вольфрама (WC)
Проведение исследований и разработок в области развития
теоретических основ и создания инженерного программного
обеспечения процессов лазерной обработки и аддитивного
производства металлических материалов
Описание проекта
Система компьютерного инженерного анализа представляет собой цифровой интерактивный автоматизированный инструмент по моделированию процессов лазерной обработки: прямого лазерного выращивания, лазерной и лазерно-дуговой сварки, лазерной термообработки, лазерной порошковой наплавки.
С помощью такой системы можно без длительных экспериментальных исследований подобрать
оптимальное сочетание конструкции изделия, материала и режима обработки. Использование адекватных физических моделей и высокопроизводительных вычислительных алгоритмов обеспечит возможность быстрого и гибкого перехода на новые технологии с использованием материалов последнего поколения.
Ключевые направления исследований
газопорошковая струя как часть технологии прямого лазерного выращивания и лазерной порошковой наплавки;
комплексные численные модели температурного поля микро- и макроуровней для определения пространственно-временного распределения температуры в изделиив процессе его послойного формирования;
оптимизация термических показателей процесса с целью минимизации частоты формирования дефектов макроуровня;
формирование поверхности изделия при прямом лазерном выращивании и лазерной порошковой наплавке;
комплексная оптимизация процессов лазерной обработки с целью поиска решений, обеспечивающих бездефектное формирование внутренней структуры и поверхности изделия.