Автореферат (1173109), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Основные результаты работы были представлены наследующих международных и всероссийских симпозиумах, конференциях:международная научная конференция "Scienceofthefuture» (17-20 сентября2014, г. Санкт-Петербург, Россия); Лазеры и лазерно-информационныетехнологии: фундаментальные проблемы и применения ILLA (29 сентября-3октября 2014, Шатура, Россия); Конференция «Фундаментальныеисследования и инновационные технологии в машиностроении» (13-15 мая2014, Москва, Россия); симпозиум международного союза по теоретическойиприкладноймеханикесинтезатвердыхтел–IUTAMSymposiumonGrowingsolids (23-27 июня 2015, Москва, Россия); IIМеждународная конференция «Аддитивные технологии: настоящее ибудущее» (16 марта 2016, Москва, Россия); конференция применения лазерав инженерии LIMLaserinManufacturing (22-24 июля 2015, Мюнхен,Германия); 8-ая Международная конференция фотонных технологий LANE2014 (8-11 сентября 2014, Фюрт, Германия); 9-ая Международнаяконференция фотонных технологий LANE 2016 (19-22 сентября 2016, Фюрт,Германия).Структура и объем работы.
Диссертация состоит из 5 глав, общихвыводов по работе, приложений, списка использованных литературныхисточников. Представленная работа содержит: 183 страницы, включая 88рисунков, 30 таблиц и 104литературных источника.Автор искренне благодарит д.ф.-м.н. Андрея ВладимировичаГусарова за ценные консультации и помощь в работе.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснованаактуальность работы,представлены цели ирешаемые задачи. Сформулирована научная новизна и практическаязначимость результатов работы.В первой главепроведен аналитический обзор методов аддитивногопроизводства и материалов, применяемых в данной технологии, рассмотреныисследования перспективных материалов для селективного лазерногоплавления.Аддитивное производство (АП)представляет собой классперспективныхтехнологий,активноразрабатываемыхвовсехвысокоразвитых странах.Данная технология призвана стать альтернативойтрадиционному производству.
Принцип аддитивного производства состоит втом, что функциональные изделия на основе трехмерных компьютерныхмоделей создаются с помощью послойного синтеза материала. Такой метод6позволяет создавать изделия за один технологический цикл приминимальномколичествеоборудования,рабочихименьшейпроизводственнойплощади,чемпритрадиционныхметодахформообразования. Селективное лазерное плавление является одним изметодоваддитивногопроизводства.Приселективномлазерномплавлениивозможно использование широкого спектра строительныхпорошковых материалов. Эта технология в применении к пластичнымматериалам, таким как аустенитные стали, позволяет сразу добитьсядостаточно высокой прочности за счёт формирования однородноймелкозернистой структуры,при этом не исключается модификациямикроструктуры и механических свойств последующей термообработкой.При применении СЛП к хрупким материалам деталь часто растрескиваетсяуже в процессе изготовления.
Это общий недостаток лазерныхтехнологий.Суть в том, что лазерный нагрев является локальным, поэтомунеизбежны значительные температурные градиенты при лазерной обработкеизделия. Неоднородные тепловые поля и неоднородные тепловыерасширения генерируют термомеханические напряжения. Напряжения могутпревышать механическую прочность материала. Другими словами,обрабатываемый лазером материал должен быть устойчив к тепловымударам.Одними из перспективных материалов являются композиционныематериалы на основе металлов с добавлением керамических включений.Такиематериалыдостаточночастоиспользуютвкачествекоррозионностойких сплавов, работающих, в том числе при высокихтемпературах, а также в качестве износостойких сплавов, работающих вагрессивных средах.Примеры применения композиционных материалов сметаллической матрицей в литературе описаны чаще для лазерной наплавки,чем для СЛП.Технология СЛП применялась для получения следующихсистем: WC-Co, TiC-инвар, ZrO2-Al, AlN-Al, TiN-Ti, SiC-Ti, TiC-Ti, TiB-Ti.Не всегда удавалось исключить образование пор и микротрещин.
Частополучаются материалы с сильно неоднородным распределениемупрочняющей фазы в матрице.Время нахождения материала в расплавесоставляет при СЛП, как правило, доли миллисекунды. Экспериментыпоказывают, что за это время не успевает произойти перемешиваниеисходных порошковых компонентов в пределах ванны расплава (ширинаобычно меньше 100 микрон). Поэтому первые попытки получитькомпозиционные материалы с металлической матрицей селективнымлазерным плавлением смеси порошков металла и твёрдой фазы с размеромчастиц в несколько десятков микрон приводили к образованию материала с7сильно неоднородным распределением крупных твёрдых частиц вматрице.Этот материал часто был менее прочным, чем аналогичныекомпозиционные материалы, полученные порошковой металлургией.Существенный прогресс был достигнут в последнее время благодаряусилиям по приготовлению специальных порошковых смесей с равномернымраспределением компонентов.
Для этого берут, как правило, субмикронныеили наноразмерные порошки твёрдой фазы и микронные или более крупныеметаллическиепорошки.Предварительноемеханическоесплавлениепорошков проводится на планетарной шаровой мельнице, где разрушаютсяагломераты наночастиц, а затем наночастицы твёрдой фазы вбиваютсяшарами в более мягкие металлические частицы.Анализ ряда работ исследователей показывает, что процесс СЛПпорошковых композиций определяется большим числом параметров(мощность лазерного излучения, скорость сканирования лазерного луча,толщина наносимого порошкового слоя…). Взаимодействие этого множествапараметров и влияние каждого из них на процесс СЛП, в частности длясистемы WC-Co, исследованы не достаточно и требуют дальнейшегоизучения.Во второй главепредставлено оборудование, материалы и методикиэкспериментов.В качествеэкспериментального материала для селективного лазерногоплавления была выбрана система WC-Co.
Для получения порошковкомпозиционных материалов использовался микронный металлическийпорошок кобальта и керамический нанопорошок упрочняющей фазы карбидавольфрама. Также использовалась композиция из исходных порошковмикронного порошка WC и нанопорошкаCo. Все используемые порошкипроизведены в России.Порошки исследовались с помощью гранулометрического анализа наизмерительном оборудовании OCCHIO500 nano ис помощьюсканирующегоэлектронногомикроскопеTescanVega3LMHсдетекторомэнергодисперсионнойспектроскопии(ЭДС).Получениепорошковогокомпозиционногоматериалапроводилосьметодоммеханического легирования в шаровой планетарной мельнице фирмыRetchPM 100.Изготовлениеэкспериментальныхобразцовпроводилосьнаспециальнойлабораторной установке селективного лазерного плавленияALAM (advancedlaseradditivemachine), которая была разработана и собрана вМГТУ «СТАНКИН» (Рисунок 1).
Технические характеристики установки:иттербиевый волоконный лазер с длиной волны - 1070нм, максимальная8выходная мощностью лазера - 200 Вт, режим работы лазера - непрерывный,скорость сканирования лазернымизучением составляет 0-7 м/c, диаметрвыходного пятна лазера - 104 мкм, возможность создания защитнойатмосферы (аргонной, азотной и др.)1 – лазерныйисточник;2 – оптическоеволокно;3 – коллиматор;4 – сканатор;5 – лазерныйлуч;6 – подложка;7 – поршни;8 – порошок;9 – электроннаялинейка;10 – компьютер;11- изделие;12 – нож.Рисунок 1 – Схема лабораторной установкиПоверхности и поперечные сечения полученных образцов изучались спомощью оптической и электронной микроскопии.
Химический составопределялся методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии спомощью сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA 3LMH.Анализ фазового состава проводился с использованием программногообеспечения PANalyticalHighScorePlus и базы данных ICCD PDF-2.Эксперименты по определению износостойкости в условиях абразивногоизнашиванияпроводили на установкеCalowearAntonPaar.Контртеломявлялсяшар из закаленной стали диаметром d = 25,4 мм. В зону контакта шара иповерхности образца подавалась абразивная суспензия. Использовались 2вида суспензии на основе карбида кремния с размером фракций 2-5 мкм иалмазная суспензия с размером кристаллов 9 мкм.Для определения твердостиобразцов использовался микротвердомерQness серии Q10А.
Численныехарактеристики жаростойкости образцов определялись в соответствии состандартами ГОСТ 6130-71.Для определения линейно-угловых размеровизготавливались методом СЛП экспериментальные образцы различнойформы и размеров из модельного порошкового материала.9Втретей главепредставлена математическая модель тепловых полей взоне лазерной обработки композиционного материала.Математическаямодель учитывает поглощение лазерного излучения материалом,вызывающее его нагрев, распространение тепла в материале и его возможноеиспарение, приводящее к потерям тепла.
С целью проведения расчетатепловых полей оценены оптические и теплофизические свойствакомпозиционного материала системы WC-Coс содержанием упрочняющейфазы 80%.Исследованияпроводили на лабораторной установкеALAM приследующих параметрах: радиус лазерного пучка r0 = 50 мкм,мощностьпадающего лазерного излучения P = 100 Вт, скорость сканирования vизменяется от 100 до 600мм/с. Примеры рассчитанных полей температурыпоказаны в таблице 1.
При скорости сканирования 200мм/с температура вцентре зоны лазерной обработки достигает точки кипения кобальта 3200 К,что может вызвать нежелательную потерю кобальта из поверхностного слоя.При скорости сканирования 600мм/смаксимальная температура меньше,поэтому заметных потерь кобальта не ожидается.Предполагается, что консолидация порошка при СЛП и сплавление его сподложкой будут происходить при температуре выше точки плавлениякобальта 1768 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
