Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 4

Краевые эффекты технологии. На каждом отдельном валике в его началеи окончании возникает зона переменной толщины. При наслоении этих зонвозникает дефект: либо «нарост», либо «провал». Для его устранениянеобходимо корректировать траекторию обработки, создавая зазоры междуокончаниями валиков, либо наоборот, наслаивая отдельные валики длязаполнения объема пустот металлом.Регистрация таких дефектов на аппаратуру – проблема довольно сложная,в связи с чем необходимо привлекать методы численного моделированияпроцесса многослойного выращивания.

Для объективного представлениярешаемой задачи в системе моделирования необходимо провести рядисследований и создать систему алгоритмов по обработке начальных данных,возникающих при постановке задачи «выращивание детали из компьютерноймодели». Модельная задача должна учитывать такие физические явления, каквзаимодействие системы «лазерный луч – газопорошковый поток» и «лазерныйлуч – подложка металла». По отдельности такие задачи решены с достаточновысокой точностью, однако совместное их решение представляет особуютрудность по причине различной природы процессов: первая часть процессапроисходит в газе, вторая часть – в зоне лазерного воздействия, третья – втвердом теле переменной массы.181.2.2.

ПроизводительностьПроизводительностью процесса называют массу заготовки, выращенной вединицувремени.Зависимостьмощностилазерногоизлученияипроизводительности в диапазоне применяемых мощностей - практическилинейная. Ограничением является плотность мощности лазерного излучения.При достижении величины 3*109 Вт/м2 металл закипает, и выращенный объектстановится дефектным. Поднять производительность в таком случае возможнолишь увеличив ширину валика и, соответственно, толщину слоя. Чтобы при этомсохранить точность, на краю выращиваемого объекта необходимо проводитьпроцесс более тонким лучом. В связи с такой стратегией возникаетнеобходимостьиспользованиятехнологическойголовыспеременнымдиаметром луча в зоне обработки.При выборе источника лазерного излучения необходимо учитывать такиепараметры, как стабильность средней мощности, распределение мощностилазерного излучения по диаметру луча, расходимость лазерного излучения, таккак все они оказывают влияние на форму, качество получаемого материала и, какследствие, его производительность.

В разработанном комплексе использованволоконный лазер YLS-3000, обладающий необходимыми параметрамистабильности и качества излучения.По сравнению с технологией послойной обработки по насыпанному слою,метод прямого осаждения позволяет регулировать диаметр пятна обработки имощность лазерного излучения в гораздо более широких пределах. Такимобразом, по критерию производительности исследуемая технология являетсянаиболееперспективной.механическуюобработкуУчитываянеобходимуюзаготовок,единственнымвлюбомслучаенепреодолимымнасегодняшний момент ограничением технологии является создание сложныхобъектов с поднутрениями и внутренними каналами.

Такие объекты не могутбытьавтоматическиразбитысамопересекающихся объемов.наконечноечислопростыхне19На производительность процесса, помимо мощности лазерного излучения,оказывает влияние еще один параметр: эффективность подачи порошковогоматериала. Выделяют несколько способов подачи порошка:- боковая подача,- коаксиальная подача,- многоструйная подача порошка.Наиболее эффективной в условиях сложного выращивания и развитойнаклонно-поворотнойсистемыперемещенийзаготовкипринимаемкоаксиальную систему подачи порошковых материалов. Более подробноисследование подачи порошкового материала рассмотрено ниже.1.2.3. ДефектностьВыделим несколько типов дефектов, которые встречаются в технологиивыращивания.1.

Поры, несплавления. Возникают как между одиночными валиками, таки между слоями валиков, вследствие неполного расплавления присадочногоматериала в зоне выращивания. Как при получении покрытий, так и приполучении объектов, являются обычно недопустимым дефектом. Однако, привыращивании объектов дефект может возникать по причине неверноспроектированного взаимного расположения валиков в слое, независимо отмощности лазерного излучения.Для исключения этого дефекта необходимо учитывать ширину отдельноговалика при создании стратегии заполнения каждого выращиваемого слоя. Крометого, введено понятие «оконтуривание» объекта для исключения дефектов присрастания параллельно выращенных валиков «внутреннего объема» с валиками«наружного» объема выращиваемого объекта.2.

Трещины. Как показывают исследования, наиболее часто трещины,встречающиеся при выращивании объектов - холодные трещины, возникшие20вследствие высоких накопленных напряжений от предыдущих выращенныхслоев [18]. Снижение вероятности появления таких дефектов достигаетсяверным назначением параметров процесса и управлением термическимициклами выращивания: снижение числа повторных нагревов, снижение скоростиохлаждения кристаллизующегося металла.

Так, для никелевых сплавов подогревподложки до температуры 400 градусов снижает как напряженное состояние ввыращенной детали, так и вероятность трещинообразования.Для снижения данного дефекта проведено подробное численноемоделирование, позволяющее оценить и скорректировать параметры процессаеще на этапе разбиения трехмерного объекта и создания управляющейпрограммы в системе ЧПУ.3. Геометрические отклонения типа «нарост» и «провал» можно отнести кдефектам траектории и стабильности процесса.

О них упомянуто выше, в п. 1.2.2.Таким образом, в результате оценки трех наиболее важных критериеввыращивания сложных объектов можно выделить достоинства методакоаксиальной подачи порошка (Таблица 2): высокая производительность иприемлемая геометрическая точность.Таблица 2.Сравнительная характеристика методов выращивания объектовТехнологияСелективноеВоспроизводимость Производительность, Плотностьразмеров, ммсм3/часматериала0,110-4099%0,2-0,4300-40097%лазерное плавлениеКоаксиальноелазерное плавление211.3. Выводы по главе 11.

Процесс лазерного оплавления порошковых материалов, подаваемых взону обработки коаксиально с лучом, как видно из вышесказанного, являетсясложным и нестабильным. На ход процесса оказывают влияние более десяти несвязанных между собой параметров. Наиболее важными технологическимипараметрами являются мощность лазерного излучения, скорость относительногоперемещения лазерного луча и подложки, расход порошкового материала иэффективностьегоиспользования.Исследованиявзаимосвязиданныхпараметров применительно к выращиванию деталей являются разрозненными ине позволяют оперировать результатами в практических целях. В связи с этим,необходимо глубокое изучение влияния параметров на формирование какэлементарных объемов деталей, так и комбинаций таких объемов, необходимыхдля получения заготовок изделий, максимально близких по форме к будущейдетали.2.

Помимо технологических параметров, для получения твердотельнойдетали с заданными геометрическими размерами, необходимо учитывать рядкинематических параметров процесса. Эти параметры относятся не кформированию одиночных валиков, а к формированию слоев. Траекторияпослойной обработки компьютерной модели разрабатывается исходя из условийпроцесса каждый раз для каждой детали.

Главные требования к стратегииобработки: минимальные отклонения толщины слоя от теоретической иснижение размеров дефектных зон, которые возникают по причине краевыхэффектов. Рациональное задание параметров обхода в пределах слоя и междуслоями позволяет получать слой материала с постоянной толщиной, безнаплывов на стыках валиков и на их пересечении в случае сложной геометрии.В работе выделены такие краевые эффекты и проведен анализ снижения ихвлияния на конечные размеры объектов.

Установлены наиболее рациональныеметоды обхода лазерным лучом по отдельному слою и разработаны алгоритмызадания толщины слоя в зависимости от особенностей геометрии.223. В результате взаимного влияния всех указанных параметров можновыделить основные недостатки технологии выращивания объектов методомкоаксиальной лазерной обработки порошковых материалов:- сравнительно невысокая точность выращиваемых объектов;- высокая зависимость свойств полученного материала от параметровпроцесса и геометрических особенностей каждой конкретной детали;- высокая наукоемкость как самого технологического процесса, так ипроцесса разработки файла траектории обработки.Для снижения перечисленных недостатков в данной работе проведеныисследования:- взаимосвязи между геометрическими параметрами одиночных валиков иразмерами полученных объектов;- взаимосвязи структуры материала и геометрической формы объекта;- влияния параметров процесса на производительность и эффективностьиспользования материалов.23Цели и задачиЦелью настоящей работы являлась разработка технологии и исследованиепроцесса прямого лазерного изготовления объектов из никелевого суперсплаваИнконель 718.Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:1.

Проектирование и запуск комплекса для выращивания объектовметодом коаксиальной лазерной обработки порошкового материала.2. Разработка математической модели для проведения численного расчетапроцесса взаимодействия газопорошкового потока с лазерным излучением.3. Разработка математической модели для проведения численного расчетамногопроходного процесса выращивания стенок из исследуемого порошковогоматериала.4. Разработка стратегии выращивания объектов из материала с учетомтехнологических особенностей и требований.5.

Проведение теоретических и экспериментальных исследований влияниятермических циклов многопроходной лазерной обработки на геометрические итехнологические свойства выращенных объектов.6.Разработкасистемыуправлениякомплексом,обеспечивающейуправление такими параметрами процесса, как пауза между проходами, диаметрпятна, расход сопутствующего газа.7.Проведениеособенностейэкспериментальныхформированияобъектовисследованийпридлявыявленияизмененииосновныхтехнологических параметров процесса.8.

Проведение прочностных испытаний для объектов, выращенныхсогласно разработанной технологии.24Глава 2. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯВЫРАЩИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ2.1. Анализ существующих системДля выращивания габаритных объектов из металлических порошковтребуется высокопроизводительное оборудование с множеством наукоемкихмеханизмовиустройств,обладающихширокимифункциональнымивозможностями.В работе было проведено исследование наиболее известных зарубежныханалогов. После анализа их кинематических и технологических особенностей,были определены наиболее значимые для воспроизведения в разрабатываемомкомплексе.Использование отдельных готовых технических решений из различныхотраслей промышленности позволило разработать и изготовить комплекс,способный реализовать все технологические операции, начиная с созданиятрехмерной модели детали и кончая получением ее твердотельного образца изпорошкового материала с помощью технологии коаксиального лазерноговыращивания.Длясистемыуправлениякомплексабылоразработаноспециальное программное обеспечение, позволяющее упростить работу иобеспечить быструю переналадку комплекса на выпуск различных деталейсложной геометрии.Технология лазерной обработки порошковых материалов известна более30 лет.