Диссертация (Особенности формирования структуры и свойств аустенитной стали 03Х17Н14М3 в процессе селективного лазерного плавления и последующей термической обработки), страница 2

При этом токи коррозиине превышают значения токов для стали в закаленном состоянии, что,8предположительно, связано с благоприятным влиянием азота, диффундирующегов аустенит из защитной атмосферы в процессе СЛП.Рекомендованы режимы комплексной технологии, включающей в себя СЛПс последующей термической обработкой, для получения деталей из стали03Х17Н14М3 с заданным уровнем механических и коррозионных свойств.Достоверность результатов обеспечена проведением исследований сиспользованием современного экспериментального оборудования, привлечениемвзаимодополняющих методов исследований, а также статистической обработкойрезультатов эксперимента, апробацией результатов работы и сравнением сданными других авторов.9Глава 1.

Особенности структуры и свойств объектов, полученных методомселективного лазерного плавления1.1. Влияние технологических параметров процесса СЛП на структуру исвойства сплавовВ основе метода селективного лазерного плавления лежит послойноеполучение детали. С помощью САD программы сначала проектируетсятрехмерная модель изделия и разбивается на параллельные двухмерные слоитолщиной 20  100 мкм. Эти слои являются прототипами будущих слоевметаллической детали. Классическая схема установки СЛП представлена на Рис.1.1. Она включает в себя два контейнера, дно которых представляют собойпоршни.

Один из поршней является массивной, обеспечивающей интенсивныйтеплоотвод подложкой 2, на которой синтезируется деталь. В первоначальныймомент времени один из контейнеров полностью заполнен исходным порошком, авторой, с дном в виде подложки − пуст, и его дно находится на одном уровне сверхним краем заполненного контейнера. Далее, поршень полного контейнера 3смещается вверх на несколько десятков микрометров, подавая порцию порошка,которая роликом 4 разравнивается в тонкий слой на массивной подложке. Этотслой плавится и вновь кристаллизуется под действием сканирующего лазерноголуча6.Перемещениелазерноголучапоповерхностиконтролируетсяспециальной программой в соответствии с требуемым сечением детали всоздаваемом слое. Глубина зоны плавления превышает толщину слоя примерно вполтора - два раза, а в горизонтальном сечении при сканировании лазера зоныплавления перекрываются и по ширине, что приводит к формированию изпорошка единого объекта.

После синтеза первого слоя подложка опускается наего высоту. Смещение поршня вверх, подача слоя порошка на подложку,обработка лазером и перемещение подложки вниз повторяется многократно до10получения требуемого объекта. Такой способ позволяет получать объектыпрактически любой конфигурации.Рис. 1.1.Схема установки: 1 – синтезируемый объект; 2 – подающий поршень; 3 –контейнер с порошком; 4 – ролик; 5–поршень; 6 – лазер; 7–оптическая система [1]Структураселективногоисвойствалазерногоконечногоплавления,изделия,зависятотполученногобольшогометодомколичестватехнологических параметров.

На сегодняшний день выделяют до 120 различныхфакторов,влияющихнакачествоиэксплуатационныехарактеристикиполучаемых объектов [2, 3]. Разнообразие влияющих факторов показываетсложность физических процессов, протекающих при СЛП, и необходимостьнаучно обоснованного выбора оптимальных значений основных технологическихпараметров. Среди наиболее важных из них можно назвать мощность лазерногоизлучения, скорость сканирования лазерного пучка по поверхности порошка,толщину насыпанного слоя порошка, расстояние между проплавляемымитреками, диаметр фокусного пятна лазера, стратегию плавления, т.е.

траекторию11движения лазерного луча, а также химический состав, структуру и дисперсностьисходного порошка.На начальном этапе отработки технологии основным требованием ксинтезируемому объекту является минимальное количество макродефектов. НаРис. 1.2 представлены дефекты, наиболее часто встречающиеся в деталях,полученных методом СЛП: это поры, области непроплавленного порошка,трещины и оксидные включения. Кроме того, проблемой является шероховатостьповерхности синтезированных объектов, которая может достигать Ra 60 мкм.Рис. 1.2.Дефекты в образцах, полученных методом СЛП: а) поры, высокая шероховатостьповерхности [4]; б) непроплавы порошкового материала [5]; в) трещины [6];г) оксидные включения [7]Высокая пористость считается одной из главных проблем объектов,получаемых методом СЛП.

Однако, обеспечив постоянство геометрических12характеристик каждого отдельного трека, таких как ширина, высота, диаметр иего хорошую адгезию с предыдущим слоем, которая определяется глубинойпроплавления и углом между поверхностью трека и подложкой, возможнополучение объектов с пористостью менее 1% [8-14]. Трек с постояннойгеометрической формой, без разрывов по всей длине и с проплавлением вподложку называется стабильным.

Для получения объектов с минимальнойпористостью требуется кристаллизация стабильных треков.Геометрическая форма трека зависит от плотности энергии лазерного луча,которая, согласно [15], определяется по формуле:EPV hd ,(1.1)где Е – плотность энергии, [Дж/мм3];Р  мощность лазера, [Вт];V – скорость сканирования лазера, [мм/с];h – расстояние между треками, [мм];d – толщина слоя синтезированного объекта, [мм].Плотность энергии должна быть такой, чтобы обеспечить полноепереплавление порошка и его сплавление с подложкой. Кроме того, расплавдолжен обладать определенным уровнем жидкотекучести, которая возрастает сувеличением плотности энергии.

Если жидкотекучесть слишком высокая, то подвлиянием сил поверхностного натяжения трек будет растекаться по поверхности собразованием капель; при недостаточном нагреве расплава наблюдается эффекткомкования. Треки с такими дефектами являются нестабильными, и, согласноработам [8-10, 12, 16, 17] в материале будет присутствовать повышеннаяпористость из-за того, что насыпанный слой порошка будет обладатьзначительной шероховатостью.В работе [9] изучали форму трека при плавлении порошка стали03Х17Н14М3 дисперсностью 25 мкм в зависимости от скорости сканирования имощности лазера при толщине слоя порошка 50 мкм.

Скорость сканирования13изменяли в диапазоне 20220 мм/с с шагом 40 мм/с, а мощность в диапазоне12,550 Вт. На Рис. 1.3 представлены формы треков, полученные в ходеэксперимента. При малой мощности не происходит сплавления порошка сподложкой, а при большой  расплав кипит, и давление его пара вызываетискажение спекаемых дорожек. Уменьшение скорости сканирования припостоянной мощности приводит к увеличению расплавленного объема ижидкотекучести расплава, что вызывает каплеобразование. При большойскоростисканированиянаблюдалиэффекткомкования.Красныммногоугольником выделен диапазон параметров, при которых для данной сталикристаллизуется стабильный трек.

Важным наблюдением явилось то, что прибольшей мощности лазерного излучения получение стабильного трека возможнов более широком диапазоне скоростей сканирования и толщин порошкового слоя.Авторы также показали, что подбор плотности энергии индивидуален длякаждого материала и зависит от его свойств: для материалов с большейтеплопроводностью,например,сплаваМНЖ5-1(Cu-5%(Ni+Co)-1%Fe),допускаемый диапазон скорости сканирования уже, чем для сталей 03Х17Н14М3,0Х23Н28М3Д3Т [9].Рис.

1.3. Форма единичного трека стали 03Х17Н14М3 в зависимости от мощностии скорости сканирования [9]14При оптимизации технологических параметров после выбора интерваловзначенийРиV,обеспечивающихкристаллизациюстабильноготрека,оценивается форма его сечения. Влияние технологических параметров на формусечения трека обсуждалось в работах [6, 8–10, 12, 1724]. Например, авторыработы [6] для стали 03Х17Н14М3 изменяли мощность лазерного излучения вдиапазоне 60  100 Вт при постоянной скорости сканирования 50 мм/с.Оптимальной считается мощность, при которой трек проплавляется в подложкупримерно на 4050%; такая глубина проплавления была получена при мощности100 Вт (Рис.

1.4).Рис. 1.4. Сечение единичного трека стали 03Х17Н14М3 при мощности лазера 100Вт и скорости сканирования 50 мм/с [6]Далее, зафиксировав мощность 100 Вт изменяли скорость сканирования вдиапазоне 20 ÷ 150 мм/с. При высоких скоростях сканирования из-занедостаточного проплавления трек был неправильной формы со множествомприлипших к поверхности порошинок (Рис. 1.5, а), при малых скоростяхсканирования порошок практически полностью расплавлялся в подложке (Рис.1.5,в). Оптимальная форма трека была получена при скорости сканирования 60мм/с (Рис. 1.5, б).15Рис.

1.5. Поперечное сечение трека стали 03Х17Н14М3 при Р=100 Вт и скоростисканирования 150 мм/с (а), 60 мм/с (б), 20 мм/с (в) [6]В работах [6-8, 25-27] рассматривается выбор толщины подаваемогопорошкового слоя при синтезе объектов. Основным результатом является то, чтоплотность объекта увеличивается при уменьшении толщины слоя порошка.Например, в [7] исследовалась пористость стали Fe–18%Ni–9%Co–5%Mo–0.7%Ti–0.1%Al в зависимости от скорости сканирования и толщины насыпаемогослоя порошка при мощности лазера 100 Вт.