Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 11

Оси ОХ и ОУ + ось Z, ступенчато. Обозначение: «со смещением».Выращивание осуществляется по окружности, с помощью перемещениякоаксиального сопла в плоскости по осям ОХ и ОУ. После создания слоя,процесс останавливается, голова приподнимается на толщину слоя (на одиндискретный шаг) по оси Z, после этого процесс возобновляется. Однако, дляисключения дефектов стыка стартовая точка обработки перемещается на угол 90градусов по часовой стрелке по контуру выращивания после каждоговыращенного слоя.4. Поворотный стол + ось Z, Обозначение: «вращение стола».Технологическая голова приподнимается над столом непрерывно, с шагом,согласованным со скоростью вращения стола.Параметры выращенных объектов указаны в Таблице 9 и на графиках(Рисунок 3.10 - 3.11).

Видно, что максимальная средняя высота стенки полученапри вращении по спирали (стратегия 1), далее по убыванию – непрерывноеперемещение головы относительно неподвижной подложки. С учетом тогофакта, что процесс происходит без пауз и резких переходов, процессы можносчитать самыми производительными.Таблица 9.Средняя высота стенок, выращенных различными стратегиями, ммНаименованиеОбозначениеСтратегия 1«спираль»Стратегия 2«без смещения»Стратегия 3«со смещением»Стратегия 4«вращение стола»Число нанесенных слоев153045605,43311,35716,25121,4095,41610,28515,9621,0125,27410,18615,66520,2225,35510,716,02621,51972Измерение высоты объектов проводилось с помощью прибора типа«индикатор», совмещенного с двухкоординатной системой перемещения.Параметры индикатора представлены в Таблице 10.Таблица 10ПараметрЕд.изм.ЗначениеДиапазон измерениймм0 – 12,7Погрешностьмкм10Воспроизводимость результатов измерениймкм20С помощью данной системы выращенные стенки были измерены по 28точкам.

Результаты измерения стенок представлены на графиках развертки(Рисунок 3.10 – 3.11). Помимо средней высоты, для технологии интереснаравномерность высоты по развертке стенки. Выяснилось, что максимальнаяравномерность высоты так же соответствует непрерывным процессамвыращивания (стратегии 1 и 4). По измерениям видно, что высота объекта вслучае ступенчатого выращивания является неравномерной: в точке начала иокончания выращивания для стратегии 2 присутствует увеличение размеров,наплыв. При выращивании объектов на месте оконтуривания таким образомнеминуемо возникнет дефект. При выращивании по другому принципу обхода –стратегией 3, - дефект стыка исключен, однако присутствует общаянеравномерностьвысоты,ужеподругойпричине:отклоненииотсимметричности подачи порошка. При малейшем отклонении этого параметра втечение длительного процесса происходит накопление ошибки и возникновениеустойчивого дефекта.Таким образом, для бездефектного выращивания необходимо грамотноназначать стратегию обхода для каждого контура: в случае, если это возможно,осуществлять вращение заготовки относительно сопла.

Если это невозможно –обходить технологической головой по контуру, но со сдвигом стартовой точкиобхода при переходе к следующему слою. В связи с этим при создании станка73необходимо реализовать полноценную пятиосевую систему выращивания, вкоторой заготовка будет наклоняться и вращаться непрерывно по ходувыращивания.7425Высота стенки, мм2015ПрограммаСтратегия 1Стратегия 210Стратегия 3Стратегия 45015304560Число проходов выращиванияРисунок 3.10.Сравнение теоретических и фактических размеров одиночных стенок в зависимости от стратегии выращивания7525,0020,0015,00Высота стенки, ммСтратегия 1Стратегия 2Стратегия 310,00Стратегия 45,00Номер точки по ходу развертки0,0005101520Рисунок 3.11.Измеренная высота объектов в развертке253076Выводы по главе 3Разработка процесса выращивания объектов сложной формы требуетступенчатого проектирования технологического процесса, которое не можетбыть проведено в полностью автоматическом режиме.

Проектированиетехнологическоговыращивания,процессанаправленнуюдолжнонапреследоватьполучениенекуюдеталистратегиюстребуемымипоказателями. В этом случае, стратегия выращивания объектов, кактонкостенных, так и массивных, имеет несколько составляющих:- кинематическую составляющую, такую как шаг между валиками,толщина слоя и стратегия обхода. Относительное направление обхода поконтуру и взаимное расположение стартовых точек разных слоев влияют наточность полученных геометрических размеров объекта;- технологическую составляющую, такую как температура подложки впроцессе выращивания. На стадии проектирования процесса необходимоучитывать теплофизические свойства применяемых сплавов с цельюснижениядефектностиконечныхобъектов,такихкактрещиныигеометрические дефекты.При создании кинематической системы и системы управлениянеобходимо реализовать полноценную пятиосевую стратегию выращивания,в которой заготовка будет наклоняться и вращаться непрерывно по ходувыращивания под требования конкретного чертежа.

Стабильность дефектов вданном случае будет значительно выше.77Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССАПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА4.1. Постановка задачи расчетовНа стабильность процесса выращивания оказывает влияние, кроместратегии, также ряд технологических параметров.

Если не учитыватьвнешние факторы, то свойства детали после выращивания могут бытьнеудовлетворительными,дажеесли всеосновные требованиябылисоблюдены. В связи с этим, при создании траектории обработки их так женеобходимо учитывать. Наиболее значимые технологические параметры:- температура детали в процессе выращивания,- распределение и длина волны лазерного излучения,- распределение размера и формы частиц порошкового материала.Например, моделирование и ряд экспериментов по наплавке никелевогосплава Монель 400 [40] показали, что остывание металла до температуры ниже50 градусов между одиночными проходами приводит к значительному ростунапряженийи,какследствие,повышенномутрещинообразованию.Поддержание температуры предыдущих трех слоев в процессе выращиваниядетали на уровне 400 градусов не только снизил скорость охлаждения детали,но и уровень напряжений в наплавленном слое, на 400 МПа.

Последующаятермообработка – до 200 МПа. Проектирование траектории выращиваниядеталей из жаропрочных сталей, в частности, никелевых суперсплавов,необходимо осуществлять таким образом, чтобы обеспечить выравниваниетемпературы заготовки между проходами, но не допустить ее чрезмерногоостывания. Рассчитывать термические циклы процесса при выращиванииэлементарных объектов, возможно уже на стадии проектирования процесса, спомощью численного моделирования.78Технологию нанесения порошкового материала лазерным излучениемможно разделить на несколько процессов, каждый из которых имеет место вквазистационарном состоянии в течение всей операции выращивания.

Еслирассмотреть последовательно несколько квазистационарных операций исвязать их через граничные условия, то возможно представить очень сложнуюв целом физическую задачу несколькими более простыми этапами. Ранее вработах по численному моделированию рассматривались лишь отдельныеэтапы: либо формирование газопорошковой струи [41], либо модель нагревалазерным излучением твердого тела с уже существующим валиком [42].В данном численном представлении проведен расчет, связывающийнесколько этапов подачи порошка до образования конечного объекта:рассматриваем технологию относительно порошкового материала, посколькуданный элемент системы, уже в виде выращенного валика, наиболее важен длярезультата.Технология выращивания объектов заключается в следующем (Рисунок3.1).

Порошок материала подхватывается в питателе и подается втехнологическую оснастку инертным газом. В технологической голове за счетразвитой геометрии конического сопла формируется сходящийся газовыйпоток, подающий на подложку металла порошок с высокой эффективностью.В результате практически весь подаваемый металл переплавляется лазернымлучом, который действует соосно с этим потоком, частично расплавляетподложку и частицы порошка, и образует единичный валик нанесенногометалла. Наслоение этих валиков в различных последовательности инаправлениях приводят к получению объектов требуемой формы.79Рисунок 4.1.Схема процессаИнформация о процессах, происходящих как в зоне выращивания, так ивокруг нее в процессе нагрева и остывания материала, является важной дляанализа конечных свойств материала, но чрезвычайно трудно измеряемой.

Всвязи с этим, возникает задача компьютерного представления физическоймодели процесса для математического расчета этого процесса и последующегоанализа данных, таких как:- геометрические размеры валиков в зависимости от параметров процесса иколичества нанесенных последовательно валиков;- построение термических циклов, расчет скорости охлаждения и нагреваматериала при нанесении повторных валиков;Предварительный этап технологии – это подготовка порошковогоматериала.

Она позволяет выделить требуемый фракционный состав и формучастиц, если это необходимо. Как показано в работе [43], для технологиинанесения покрытий лазерным излучением необходимо использовать вполнеопределенный диапазон размеров частиц: от 50 до 100 мкм. К форме частицтребования не столь жесткие, как, например, при послойном выращивании80объектов методом SLM, однако, при нерациональном подборе параметров,форма частиц влияет на коэффициент использования порошкового материала.Просушка порошкового материала – необходимый этап технологии дляпроведения бездефектного выращивания. Как показал в своей работе ЧжанЦин [44], оптимальная длительность просушки порошка составляет около 30 60 минут при температуре 300 градусов, в зависимости от формы и размерачастиц и основы сплава порошкового материала.

Иначе в материале,нанесенномвданнойтехнологией,резкоповышаетсявероятностьвозникновения дефектов: трещин, пор и несплавлений.Важный этап процесса выращивания - доставка порошковогоматериалавтехнологическуюголову,осуществляетсяспомощьюпорошкового питателя. Конструкция питателя может быть различной: отустройства, которое подает материал с помощью шнека, до устройстваленточнойподачи,вкоторомматериалподхватываетсягазомнепосредственно с ленты, без механического воздействия. Для технологии,подразумевающей повторное использование порошкового материала, второйтип питателя (с устройством ленточной подачи) предпочтителен, посколькуразмер частиц и форма после нескольких использований остаютсянеизменными [45]. Используемый питатель более подробно описан ранее.Главное требование к порошковому питателю – высокая стабильность расходапорошка.

Если расход порошка колеблется с течением времени, толщинавыращенного слоя будет колебаться пропорционально расходу порошка.Лазерное выращивание объектов из порошкового материала –мультидисциплинарная технология, поскольку на конечный результатоказывают влияние несколько различных физических процессов. В процессе,включающем такое количество областей: оптика, материаловедение, тепло- имассоперенос, газодинамика, важно и сохранить простоту интерпретации, ипередать основные черты процесса без существенных допущений.