Анализ шероховатости сплава AlSi10Mg, полученного методом СЛС для использования в теплообменных элементах космических аппаратов


Авторы

Басов А. А.1*, Коробов К. С.2**, Лесневский Л. Н., Николаев И. А.2, Рипецкий А. В.2***

1. ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С. П. Королёва», ул. Ленина, д. 4А, г. Королёв, Московская обл., Россия, 141070
2. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: sgcherkasov@yandex.ru
**e-mail: korobovks@mai.ru
***e-mail: a.ripetskiy@mail.ru

Аннотация

В работе рассмотрена возможность влияния режимов селективного лазерного сплавления (СЛС) на конечную шероховатость рабочих поверхностей теплообменных агрегатов космических аппаратов (КА), изготовленных методами аддитивных технологий из сплава AlSi10Mg в части уменьшения объема или полного исключения постобработки теплообменных поверхностей полученного изделия. Показано, что использование стратегий лазерного оконтуривания (чистовой обработки) и исследование ее влияния на шероховатость формируемых поверхностей теплообменников позволяет исключить постобработку таких поверхностей, связанную с необходимостью их очистки от частиц порошка. Построены расчетно-экспериментальные зависимости между ключевыми технологическими параметрами процесса СЛС: мощностью, скоростью сканирования, при чистовой обработке, а также углом наклона поверхностей и толщиной синтезируемого слоя. Разделение процесса СЛС на черновую и чистовую обработки, нахождение и применение режимов чистового режима сплавления позволило снизить шероховатость вплоть до Sa = 5,45 мкм. Проведенные исследования показали, что возможно не только исключить неизбежную и трудоемкую очистку внутренних поверхностей теплообменников, изготавливаемых методом СЛС, но и обеспечить требуемую шероховатость теплообменных поверхностей, оказывающих влияние на их коэффициент теплоотдачи и интенсификацию теплообмена в разрабатываемых компактных и эффективных теплообменных элементах КА.

Ключевые слова:

аддитивные технологии, селективное лазерное сплавление, теплообменные аппараты, управляемая шероховатость, объемный энерговклад

Библиографический список

  1. Гущин В.Н. Основы устройства космических аппаратов. М.: Машиностроение, 2003. 272 с.
  2. Малоземов В.В. Тепловой режим космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1980. 232 с.
  3. Кудрявцева Н.С. Основы проектирования эффективных терморегулирования КА. М.: Издательство МАИ, 2012. 226 с.
  4. Галиновский А.Л., Голубев Е.С., Коберник Н.В. и др. Аддитивные технологии в производстве изделий аэрокосмической техники: учебное пособие для вузов. М.: изд-во Юрайт, 2020. 115 с.
  5. Крохин А.Д. Аддитивные технологии в алюминиевой промышленности // Алгоритм успеха. 2017. № 1. С. 26–29.
  6. Мальцев И.Е., Басов А.А., Борисов М.А. и др. Анализ результатов комплексных испытаний экспериментального теплообменника космического назначения, изготовленного методом селективного лазерного сплавления // Электрометаллургия. № 6. 2021.
  7. Автушенко А.А., Басов А.А., Мальцев И.Е. и др. Адаптированная к аддитивным технологиям изготовления методика проектирования теплообменных устройств для радиоэлектронной аппаратуры // Цветные металлы. 2019. № 12.
  8. Мальцев И.Е., Басов А.А., Борисов М.А. и др. Исследование свойств фрагмента гидроконтура космического аппарата, полученного методами аддитивных технологий // Справочник. Инженерный журнал. 2020. № 4. С. 11–19.
  9. Поручикова Ю.В., Якупова Н.С., Басов А.А. и др. Оценка коррозионной стойкости типового фрагмента гидравлического контура системы обеспечения теплового режима космического аппарата, синтезированного селективным лазерным сплавлением // Вестник МАИ. 2023. № 4.
  10. Козинер Ю.Д., Мальцев И.Е., Басов А.А. и др. Направленная ультразвуковая очистка малодоступных внутренних поверхностей теплообменных устройств, изготовленных методами аддитивных технологий // Цветные металлы. 2022. № 9. С. 78–83.
  11. Козинер Ю.Д., Басов А.А., Кравцов Д.А. и т.д. Метод двухуровневой ультразвуковой очистки скрытых полостей теплообменных устройств, полученных методами аддитивных технологий // Электрометаллургия. 2024. № 6. С. 21–33.
  12. Nismath V.H., Beytullah A., Jaggers D. et al. On morphology and roughness of upskin surfaces in laser powderbed fusion additive manufacturing–Contouring strategy effects // Manufacturing Letters. 2024. Vol. 41. pp. 920–930.
  13. Buhairi M.A., Foudzi F.M., jamhari F.L. et al. Review on volumetric energy density: influence on morphology and mechanical properties of Ti6Al4V manufactured via laser powder bed fusion // Progress in Additive Manufacturing. 2023. Vol. 8. №. 2. pp. 265–283.
  14. Авдуевский В.С., Кошкин В.К. (ред.) Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М.: Машиностроение. 1992. 518 с.
  15. Маграквелидзе Т.Ш. Интенсификация теплообмена методом искусственной шероховатости-достижения и нерешенные проблемы // Материалы 6-го Минского международного форума по Тепломассообмену 2008. 16 с.
  16. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М.: Энергоатомиздат, 1986. 240 с.
  17. Смекалкин А.С., Иванов А.В. Влияние шероховатости поверхности на коэффициент теплоотдачи рабочих тел в выполненном по аддитивной технологии агрегате наддува // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21. №. 2. С. 109–114.
  18. Цаплин С.В., Болычев С.А., Романов А.Е. Теплообмен в космосе. Самаpа: Изд-во Самарского университета, 2018. 92 с.
  19. Коробов К.С., Рипецкий А.В., Николаев И.А. и др. Статистические подходы к анализу шероховатости вертикальных поверхностей образцов, изготовленных по технологии СЛС из порошка AlSi10Mg // Проблемы машиностроения и надежность машин. 2025. Т. 54. № 2. С. 150–158.
  20. DebRoy T. et al. Additive manufacturing of metallic components–process, structure and properties // Progress in materials science. 2018. №. 92. pp. 112–224.
  21. Rahmati S., Vahabli E. Evaluation of analytical modeling for improvement of surface roughness of FDM test part using measurement results. Int J Adv Manuf Technol. 2015. Vol. 79. pp. 823–829.
  22. Gu D., Shen Y. Balling phenomena in direct laser sintering of stainless steel powder: Metallurgical mechanisms and control methods // Materials & Design. 2009. Vol. 30. №. 8. pp. 2903–2910.
  23. Niu H.J., Chang I.T.H. Instability of scan tracks of selective laser sintering of high speed steel powder // Scripta materialia. 1999. Vol. 41. №. 11. pp. 1229–1234.
  24. Masiagutova E., Cabanettes F., Sova A. et al. Side surface topography generation during laser powder bed fusion of AlSi 10Mg // Additive Manufacturing. 2021. Vol. 47.
  25. Yang T., Liu T., Liao W. et al. Effect of processing parameters on overhanging surface roughness during laser powder bed fusion of AlSi10Mg // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 61. pp. 440–453.
  26. Сапрыкина Н.А. Анализ, моделирование и прогнозирование шероховатости поверхности меди, полученной методом селективного лазерного плавления // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2017. №. 3 (76).
  27. Горбатов И.В., Орлов Ю.А., Антюфеев В.А. и др. Определение геометрической точности и шероховатости поверхности малогабаритных деталей круглого и квадратного сечения, получаемых в зависимости от расположения в рабочем пространстве принтера по технологии селективного лазерного плавления из стали марки 12Х18Н10Т // Вестник Концерна ВКО Алмаз-Антей. 2019. №. 1 (28). С. 59–67.
  28. Лаптева М.А., Белова Н.А., Раевских А.Н. и др. Исследование зависимости шероховатости, морфологии поверхности и количества дефектов структуры от мощности лазера, скорости сканирования и типа штриховки в жаропрочном сплаве, синтезированном методом СЛС // Труды ВИАМ. 2016. №. 9 (45). C. 70–82.
  29. Subramaniyan A.K., Reddy A.S., Mathias S. et al. Influence of post-processing techniques on the microstructure, properties and surface integrity of AlSi10Mg alloy processed by laser powder bed fusion technique // Surface and Coatings Technology. 2021. Vol. 425.
  30. Yang T., Liu T., Liao W. et al. The influence of process parameters on vertical surface roughness of the AlSi10Mg parts fabricated by selective laser melting // Journal of Materials Processing Technology. 2019. T. 266. С. 26–36.
  31. Al Islam Sh., Hao L., Javid Z. et al. Surface Roughness of Interior Fine Flow Channels in Selective Laser Melted Ti-6Al-4V Alloy Components // Microvachines. 2024. Vol. 15. pp. 348–371. 

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2025