Титановые сплавы больше всего боятся кислорода. Почему же в этой работе удалось получить титановый сплав LDED в кислородной среде? 

В случае лазерного аддитивного производства из титановых сплавов защитная атмосфера никогда не была второстепенным вопросом, а практически определяла возможность реализации самого процесса. Ti-6Al-4V чрезвычайно чувствителен к кислороду, азоту и водороду при высоких температурах, а температура плавильной ванны в процессе LDED значительно превышает температуру его начального окисления. Это означает, что весь процесс наплавки — от предварительного нагрева и плавления до затвердевания — сопряжен с высоким риском окисления. Наиболее распространенным решением в промышленности является размещение оборудования и заготовки в герметичной камере с инертной атмосферой. Однако, несмотря на свою эффективность, этот метод имеет ряд очевидных недостатков: длительный цикл подготовки, большой расход газа, ограничения по размерам и сложность ремонта на месте. Ценность данной статьи Шанхайского технологического университета заключается в том, что в ней предлагается иной подход: отказаться от защиты всей камеры и вместо этого создать стабильную, однородную и достаточно большую локальную зону с низким содержанием кислорода, что позволит осуществлять LDED титановых сплавов в открытой или обогащенной кислородом среде. «Innovative inert gas shielding configuration for laser directed energy deposition of titanium alloys» «https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2026.115058»
01 Речь идет не просто о «защите плавильной ванны», а о том, «как создать устойчивую и поддающуюся количественной оценке зону с низким содержанием кислорода». В традиционном понимании локальная защита титановых сплавов обычно заключается в том, чтобы обернуть соосное сопло для подачи порошка кольцом защитного газа, стараясь максимально покрыть плавильную ванну. Однако проблема заключается в том, что область защиты при таком подходе зачастую ограничена, а оптимизация параметров в значительной степени зависит от опыта: слишком большой расход газа может нарушить поток порошка, а слишком малый — не обеспечит достаточную защиту; при различных конфигурациях и размерах заготовок часто требуется повторное пробное налаживание. Отправная точка данной статьи ясна: авторы не просто создают еще один защитный колпачок, «добавляя больше аргона», а рассматривают проблему локальной защиты как задачу построения поля газового потока. В статье предложена трехкольцевая система динамической защиты инертным газом, и четко указано, что целью должно быть формирование «равномерной, достаточно большой и стабильной» зоны с низким содержанием кислорода. То есть защита больше не является просто качественным описанием, а ее эффективность необходимо оценивать с помощью таких величин, как диаметр зоны с низким содержанием кислорода, распределение концентрации кислорода и стабильность поточного поля. Это очень важно, поскольку позволяет превратить локальную защиту, которая в прошлом в значительной степени зависела от опыта, в задачу, которую можно спроектировать, рассчитать и проверить.
02 Речь идет не просто о добавлении нескольких слоев струй, а о том, чтобы разные газовые кольца выполняли разные задачи. В статье предлагается многокольцевая конструкция защиты инертным газом. Основная идея заключается не в том, чтобы три кольца газа «равномерно обдували» пространство, а в том, чтобы разные кольца выполняли разные функции: внутреннее кольцо в большей степени обеспечивает стабильность и равномерность, предотвращая возмущение потока порошка; внешнее кольцо же выполняет барьерную функцию, препятствуя проникновению окружающего воздуха в зону с низким содержанием кислорода за счет более высокой скорости потока. Авторы резюмируют эту конструкцию следующим образом: внутреннее кольцо с ламинарным потоком отвечает за стабильность, а внешнее кольцо с турбулентным потоком — за создание барьера. Что касается конкретной конструкции, авторы уделяют особое внимание двум ключевым переменным: во-первых, углу сходимости защитного газа A, а во-вторых, параметрам зазоров между тремя кольцами T₁, T₂ и T₃. Для формирования градиента скорости потока, уменьшающегося от внешнего к внутреннему кольцу, зазоры между кольцами спроектированы так, чтобы T₁ > T₂ > T₃. Такая конструкция создана не для того, чтобы «выглядеть сложнее», а для формирования слоистого, плавно изменяющегося поля скоростей между выходом сопла и поверхностью подложки, что позволяет максимально стабилизировать низкокислородную среду во внутренней зоне и одновременно создать эффективную барьерную защиту от внешнего воздуха. Один из интересных моментов статьи заключается в том, что в ней не только предложена данная конструкция, но и предпринята попытка установить количественную зависимость между диаметром зоны с низким содержанием кислорода и параметрами конструкции. Это означает, что в будущем настройка подобных защитных систем будет осуществляться не только на основе опыта, но и в определенной степени может быть заранее определена путем проектирования поля течения.

Схема многокольцевой локальной газовой защиты для LDED. (а) Схема устройства многокольцевой локальной газовой защиты на основе кольцевого сопла для подачи порошка; (б) Параметры зазора между кольцами на выходе сопла; (в) Совокупный эффект устройства трехкольцевой локальной газовой защиты с соплом для подачи порошка.

Трехмерная модель и граничные условия локальной области расчета газовой защиты.

03 Согласование моделирования, визуализации и экспериментов по осаждению. Многие исследования, посвященные полю газового потока в защитной среде, зачастую ограничиваются этапом моделирования, однако данная статья представляет собой более полную работу. Авторы сначала построили модель газового потока с помощью CFD и проанализировали влияние различных комбинаций параметров на размеры и стабильность локальных зон с пониженным содержанием кислорода; затем с помощью метода Шлирена (schlieren method) провели визуальную верификацию формы газового потока. В статье отмечается, что результаты шлирен-визуализации в основном совпадают с прогнозируемым полем потока, что свидетельствует о высокой достоверности построенной модели. Судя по результатам, данная конструкция в конечном итоге обеспечила при общем расходе аргона 45 л/мин равномерную зону с низким содержанием кислорода диаметром 44,66 мм и концентрацией кислорода ниже 50 ppm. Для LDED титановых сплавов этот результат означает не просто «некоторое увеличение зоны защиты», а то, что локальная защита расширилась с области, ограниченной непосредственной близостью плавильной ванны, до возможности стабильного покрытия более обширной зоны высоких температур. В статье также отмечается, что такая зона атмосферы достаточна для покрытия областей, где температура превышает 400 °C и происходит наиболее интенсивное окисление в процессе наплавки титановых сплавов. Этот шаг на самом деле является очень важным. Дело в том, что при наплавке титановых сплавов наиболее опасным является не только окисление самой ванны плавления, но и постоянное поглощение кислорода в высокотемпературной зоне вблизи ванны, что приводит к образованию хрупких оксидов, которые в свою очередь влияют на последующую структуру и механические свойства. Используя показатель диаметра зоны с низким содержанием кислорода, авторы фактически направляют «локальную защиту» непосредственно на окно окисления титанового сплава, а не только на геометрический центр ванны плавления.

Графики распределения поля течения. (a–c) Распределения скоростей в плоскости Y–Z в режимах работы с одним кольцом, синергией двух колец и синергией трёх колец; (a1–a4) Соответствующие распределения в плоскости X–Y при Z = 15, 10, 5 и 0 мм для работы с одним кольцом; (b1)-(b4) Распределения в плоскости X-Y для двухкольцевого режима при Z = 15, 10, 5 и 0 мм; (c1)-(c4) Распределения в плоскости X-Y для трехкольцевого режима при Z = 15, 10, 5 и 0 мм.

04 Дело не только в красивом распределении потока, но и в том, что нанесение титанового сплава в открытой среде действительно удалось. В конечном счете, для исследований такого рода, посвященных локальной защите, все сводится к результатам, полученным с материалами. В статье описаны эксперименты по LDED с Ti-6Al-4V, проведенные в кислородной среде. Результаты показывают, что при многокольцевой локальной защите поверхность наплавленного слоя и основного металла приобретает серебристо-белый или светло-желтый оттенок, а не темный цвет, характерный для сильного окисления. Это изменение цвета поверхности само по себе является весьма убедительным технологическим сигналом, свидетельствующим о значительном снижении степени окисления. Более того, авторы отмечают, что в условиях локальной инертной атмосферы также наблюдается значительное подавление разлета порошка и образования дыма, причем степень подавления кислорода превышает 23,8 %. На самом деле это не просто означает, что «рабочая зона стала чище». Снижение разлета порошка и дыма означает большую стабильность локальной среды в зоне плавления и потока порошка, что положительно сказывается на однородности наплавки, межслойной связи и формировании конечной структуры. То есть ценность этой системы заключается не только в изоляции от кислорода, но и в одновременном улучшении общей стабильности процесса наплавки в открытой среде. Для ремонта крупногабаритных деталей на месте это имеет большее инженерное значение, чем просто низкий уровень кислорода.

Устройство локальной газовой защиты с несколькими кольцами. (а) Реальное устройство; (б) Устройство локальной газовой защиты для LDED.

Однослойные структуры Ti6Al4V (a1, a2) и блоки Ti6Al4V (b1, b2) в условиях локальной газовой защиты (a1, b1) и в кислородной среде (a2, b2).

05 Результаты механических испытаний показывают, что речь идет не о «с трудом достигнутом осаждении», а о реальном сохранении свойств материала. Если система локальной защиты способна лишь «сделать окисление менее заметным», но в конечном итоге механические свойства остаются неудовлетворительными, то её практическая значимость будет весьма ограниченной. Результаты, приведенные в конце этой статьи, довольно убедительны: детали из Ti-6Al-4V, сформированные в условиях многокольцевой защиты, продемонстрировали предел прочности при растяжении 1043 ± 18 МПа и предел текучести 951 ± 20 МПа, что на 16,6 % и 15,3 % выше, чем у поковок. Этот результат свидетельствует как минимум о двух вещах. Во-первых, локальная защита не привела к заметному ухудшению характеристик материала из-за открытой среды; во-вторых, этот метод защиты не является «эффективным только в лабораторных условиях», а уже обладает определенным потенциалом для использования в качестве инженерной альтернативы. В частности, при изготовлении крупногабаритных деталей из титановых сплавов и при ремонте на месте, если удастся избавиться от ограничений, связанных с необходимостью использования инертной атмосферы во всей камере, то гибкость процесса, адаптивность оборудования и возможности развертывания на месте значительно повысятся. В этом смысле данная статья действительно восполнила не просто конструкцию защитного сопла, а предоставила более реалистичный путь для перехода LDED титановых сплавов от «производства в закрытой среде» к «производству с локальной защитой в открытой среде».

Определение механических свойств деталей, изготовленных методом напыления Ti6Al4V. (a) Извлечение образцов; (b) Конструкция образцов и фактические образцы до и после испытаний; (c) Кривые «напряжение-деформация»; (d) Результаты определения механических свойств.

Наплавка титанового сплава Ti6Al4V в открытой среде для изготовления типовых деталей. (a) Напыление тонкостенного элемента каркаса без локальной газовой защиты; (b) Напыление тонкостенного элемента каркаса с локальной газовой защитой; (c) Напыленный тонкостенный элемент каркаса; (d) Напыление сферического резервуара с локальной газовой защитой; (e) Только локальное частичное окисление в шаровой части сферического резервуара; (f) Блестящая серебристая поверхность, полученная после механической обработки.

Подводя итог, следует отметить, что наиболее примечательным в данной работе является не просто создание «многоконтурной системы обдува», а то, что задача локальной защиты титанового сплава была преобразована из эмпирической технологической проблемы в инженерную задачу по моделированию, проверке и количественной оценке поточного поля. Для лазерного аддитивного производства титановых сплавов такой подход имеет большое значение. Ведь на самом деле ограничивающим фактором для LDED в открытой среде всегда была не только мощность лазера или эффективность подачи порошка, но и возможность стабильного создания достаточно надежной зоны с низким содержанием кислорода. С этой точки зрения в данной работе проблема сформулирована очень конкретно, а путь к ее решению обозначен достаточно четко. 【Заявление】Авторские права на оригинал статьи принадлежат авторам. Настоящая редакция предназначена исключительно для целей обмена опытом и обучения. Окончательное право на толкование принадлежит данному официальному аккаунту (AM home). Содержание данной статьи предназначено исключительно для обмена информацией. В случае возникновения вопросов, связанных с авторскими правами, просим связаться с нами для решения проблемы или удаления материала.