Для экспериментальных исследований газодинамических процессов переноса порошка была использована высокоскоростная камера Citius Centurino C100 и камера высокого разрешения Basler acA-2000gm. Для автоматизации обработки изображений использовано специально разработанное программное обеспечение в среде LabVIEW 2012. Для формирования газопорошковой струи использовались некоаксиальные сопла с диаметром выходного отверстия 1-2 мм и аксиально-симметричное сопло с регулируемой шириной щели в интервале 0,2-1 мм. В качестве модельного материала для выращивания выбран порошковый никелевый сплав EuTroLoy16625G.04 производства Castolin Eutectic (Inconel 625).
Металлографические исследования выращенных изделий были проведены на микроскопе DMI 5000 (Leica) с программным обеспечением Tixomet. Исследования химического состава выполнены на сканирующем электронном микроскопе Phenom ProX и микроскопе Mira Tescan с использованием приставки Oxford INCA Wave 500. Для определения механических характеристик были проведены испытания на одноосное растяжение на испытательной машине Zwick/Roell Z250 серии Allround. Образцы были испытаны в исходном состоянии и после термической обработки (отжиг для снятия напряжения при 1000°С, три часа, воздушная атмосфера). Также были проведены испытания на длительную прочность и на малоцикловую усталость.
Для технологических экспериментов было использовано некоаксиальное сопло с выходным отверстием круглого сечения диаметром 2 мм. Сформированная им газопорошковая струя симметрична и расходится с углом расхождения 8-10 градусов. Она обеспечивает широкую область устойчивого выращивания. Эксперименты показали, что использование некоаксиального сопла позволяет изготавливать тела вращения с минимальным диаметром 6 мм, а также изделия более сложной геометрии, но с осевой симметрией. Толщина стенки выращиваемых изделий — от 1 мм до 3 мм. Шероховатость поверхности не превышает 50 мкм.
Для изготовления изделий сложной формы требуется применение более сложных, коаксиальных сопел. Технологические головки, оснащенные коаксиальными соплами, характеризуются независимостью параметров выращивания от направления движения инструмента. Это позволяет использовать сложные траектории обработки и получать изделия более сложной геометрии.
После многочисленных экспериментов разработан технологический регламент лазерного выращивания образцов деталей газотурбинных двигателей. Изготовлены экспериментальные образцы деталей двигателя НК-36СТ: кольцо наружного 4-й ступени и корпус выходной.
Пористость на исследуемых образцах не превышает 0,05 об.%. Трещины отсутствовали. Неметаллических включений не обнаружено. Микроструктура преимущественно литая. Продольный размер дендритов варьировался в интервале 50-250 мкм, иногда до 500 мкм (дендриты — возникающие при росте кристалла древовидные микроструктуры). Слоистой структуры с выраженными границами между различными наплавленными слоями не обнаружено. На металлографических снимках хорошо заметны нерасплавленные сердцевины частиц порошка. Выращенные образцы обладают наследственной микроструктурой используемого порошка.
Испытания показали, что прочностные характеристики выращенного сплава EuTroLoy16625G.04 до и после проведения термообработки находятся на одном уровне с металлическим прокатом. Показатель относительного удлинения оказывается несколько заниженным. Анизотропия свойств при изменении ориентации образцов относительно направления выращивания не превышает 10-15%.
По результатам НИР сформулированы детальные технические требования к металлическим порошкам для прямого лазерного выращивания (их химический и гранулометрический составы, сыпучесть, влажность и т. д.).
Установлено, что наиболее важной частью технологического инструмента прямого лазерного выращивания является сопло. При проектировании сопел необходимо обеспечить формирование такого распределения порошка в газопорошковой струе, при котором возмущения выращиваемой поверхности будут автоматически гаситься.