Диссертация (1173110), страница 10
Текст из файла (страница 10)
На нем для каждого расчётапоказаны распределения температуры в двух сечениях – одно по поверхностимишени, а другое – в вертикальной плоскости, параллельной направлениюсканирования и содержащей ось лазерного пучка. Видно, что при скоростисканирования 200 мм/с температура в центре зоны лазерной обработкидостигает точки кипения кобальта 3200 К, что может вызвать нежелательнуюпотерю кобальта из поверхностного слоя.
При скорости сканирования 600мм/с максимальная температура меньше, поэтому заметных потерь кобальтане ожидается.Ожидается, что консолидация порошка при СЛП и сплавление его сподложкой будут происходить при температуре выше точки плавлениякобальта 1768 К. Эти изотермы показаны на рисунке 3.4 штриховыми71линиями. Трёхмерные изображения изотермы плавления кобальта показанына рисунке 3.5. Область внутри такой изотермы можно условно назватьванной плавления, имея в виду, что плавится лишь кобальтовая связка, акарбид вольфрама остаётся в твёрдом состоянии.200 мм/с600 мм/с72Рисунок 3.4 – Распределение температуры (К) в зоне лазерной обработки:сверху – по поверхности мишени (OXY) и снизу – в вертикальной плоскости,проходящей по оси сканирования (OXZ).
Штриховой линией показанаизотерма плавления кобальта. Мощность излучения 100 Вт. Скоростьсканирования – 200 мм/с и 600 мм/с200 мм/с600 мм/с73Рисунок 3.5 – Изотерма плавления кобальта. Мощность излучения 100 Вт.Скорость сканирования – 200 мм/с и 600 мм/сИз рисунков 3.4 и 3.5 видно, что при увеличении скорости сканированияот 200 мм/с до 600 мм/с ширина ванны плавления уменьшается от 120 до 100мкм, глубина – от 40 до 30 мкм, а длина – от 140 до 120 мм. Таким образом,при увеличении скорости сканирования уменьшается объём зоны, нагретойвыше точки плавления кобальта, что ухудшает условия консолидациипорошка и сплавления его с подложкой при СЛП. Одновременноуменьшаются нежелательные потери кобальта на испарение.Рассчитанные потери мощности на испарение Pe показаны на рисунке3.6.
Они уменьшаются с ростом скорости сканирования, а при 600 мм/сравны нулю, так как температура уже не достигает точки кипения кобальта.Эти данные позволяют оценить массовые потери кобальта как [3]:Lmass = Pe/Qb .(3.26)Например, при скорости сканирования v = 100 мм/с потери мощностисоставляют 1.677 Вт, что соответствует потерям массы кобальта Lmass = 262мкг/с.
Объёмные потери кобальта будут [3]:Lvol = Lmass /Co = 0.0294 мм3/с.(3.27)Принимая ширину переплавленной зоны l = 120 мкм получим, чтокобальт будет полностью удалён из поверхностного слоя толщиной [3]:74h = Lvol /fvvl = 8 мкм.(3.28)Учитывая, что глубина переплавленной зоны всего 40 мкм, такие потерикобальта недопустимы. Глубина удаления кобальта пропорциональнаэнергетическим потерям и обратно пропорциональна скорости сканирования.С помощью Рисунка 3.6 легко оценить, что при скорости сканирования 200мм/с глубина удаления кобальта уменьшается примерно втрое, а при 300 м/с– в десять раз.
Такие потери уже могут быть удовлетворительными.Рисунок 3.6 – Потеря мощности на испарение Pe в зависимости от скоростисканирования v при мощности лазерного излучения P = 50 ВтПоэтому толщина порошкового слоя должна быть существенно меньшеглубины ванны расплава, показанной на рисунке 3.5. В данном случае,удовлетворительное значение толщины 10 мкм, что составляет примернополовину глубины.
Чтобы образовалась металлургическая связь междусоседними валиками, шаг сканирования должен быть существенно меньшедиаметра ванны расплава. В данном случае, удовлетворительное значениешага 60 мкм, что примерно вдвое меньше диаметра ванны расплава.753.4 Проверка модели на примере разработки рациональныхрежимов СЛП сплава ВК20.Для исследования лазерного излучения на материал WC-Co иопределения параметров лазерного излучения использовались пластиныВК20. Размер и общий вид пластин показан на рисунке 3.7.Рисунок 3.7 –Общий вид пластин ВК20Применялся иттербиевый волоконный лазер непрерывного действия IPGЛК-200В с диаметром пятна лазера 104 мкм. Обработка образцовпроводилась при мощности, принятой в расчетах 100 Вт.
Твердосплавныепластины обрабатывались единичными проходами лазера по поверхности сразными скоростями сканирования. Обработанная поверхность сначаларассматривалась в оптический микроскоп, а наиболее перспективныеобразцы разрезались перпендикулярно и изучались в поперечном сечении.Результаты эксперимента сведены в Таблицу 3.6.Таблица 3.6 – Образцы после прохода лазера по подложке№ образцаи егопараметрыВид сверхуПоперечное сечение761(скоростьсканирования V=100мм\с,мощностьизлученияP= 100Ватт)2(скоростьсканирования V=150мм\с,мощностьизлученияP =100Ватт)3(скоростьсканирования V=300мм\с,мощностьизлученияP =100Ватт)На снимках поперечного сечения образцов видны 3 зоны термическоговлияния: исходный материал, зона переплава легкоплавкого компонента изона переплава композиции.
Данные зоны разделены пунктирными линиями,показаны на рисунке 3.8.77Рисунок 3.8 – Температурные зоны. I - исходный материал, II – зонапереплава легкоплавкого компонента, III – зона переплава композицииИз-за роста карбидных включений в образце № 1 образоваласьпродольная трещина. В образце № 2 в зоне переплава композиции карбидывольфрама переплавились с кобальтовой матрицей. В образце № 3 зонапереплава композиции меньше по размерам с остальными образцами.При продолжительном температурном воздействии меняется не толькоструктура материала, но и соотношение химических элементов. Испарениеметаллической связки во время лазерной обработки будет приводить кнеоднородности химических элементов в единичных валиках, одиночныхслоях, а впоследствии и в изделиях.Для определения концентрации химических элементов образцы былиисследованы в каждой температурной зоне в трех участках с помощью ЭДС.Значения вынесены в таблицу 3.7.
Исследуемые участки зон показаны нарисунке 3.9 под номерами 1,2,3.Таблица 3.7. Процентное содержание элементов78№ образца и№ зоныеговоздействияпараметры1(скоростьсканированияI(исходныйматериал)198121882320801257522278320801496299131387I(исходныйматериал)122782208031882II(зона переплавалегкоплавкогокомпонента)III(зона переплавакомпозиции)123772267432179117832138731585I(исходныйматериал)117832208032080II(зона переплавалегкоплавкогокомпонента)125752277332575(зона переплавакомпозиции)сканированияV=150 мм\с,мощностьизлучения P=100 Ватт)3(скоростьсканированияV=300 мм\с,мощностьизлучения Pисследуемой кобальта, % вольфрама, %1II(зона переплавамощностьлегкоплавкогоизлучения P=компонента)100 Ватт)III(скоростьСодержание СодержаниеобластиV=100 мм\с,2№79=100 Ватт)абIII(зона переплавакомпозиции)11684218823188280вРисунок 3.9 – Исследуемые участки (а) образец № 1, (б) образец № 2, (в)образец № 3Содержание кобальта сильно варьируется между зонами термическоговлияния образцов, что говорит о его испарении.
В Таблицу 3.8 вынесенысредние арифметические значения концентрации карбида вольфрама исреднее квадратичное отклонение. Графически эти значения отражены нарисунке 3.10, где римские цифры соответствуют зонам, а геометрическиефигуры образцам (круг – образец №1, квадрат – образец №2, треугольник –образец №3).Таблица 3.8. Среднее содержание W и среднее квадратичное отклонение№ образца иегопараметры1(скоростьсканированияV=100 мм\с,мощностьизлучения P=100 Ватт)№ зоны воздействияI(исходный материал)II (зона переплавалегкоплавкого компонента)III(зона переплавакомпозиции)СреднеесодержаниеW (%)81Среднееквадратичноеотклонение(%)0,877.6291.33,7812(скоростьсканированияV=150 мм\с,мощностьизлученияP=100 Ватт)3(скоростьсканированияV=300 мм\с,мощностьизлученияP=100 Ватт)I(исходный материал)II (зона переплавалегкоплавкого компонента)III(зона переплавакомпозиции)I(исходный материал)II (зона переплавалегкоплавкого компонента)III(зона переплавакомпозиции)801,676.62851,6811,474,30,982,60,9Рисунок 3.10 – График среднего содержания W82Для определения однородности и концентрации элементов былиполучены карты распределения химических элементов в исследуемыхпоперечных сечениях, показанные на рисунке 3.12 а-в.аба83ваРисунок 3.12 - Карты распределения химических элементов (а) образец № 1,(б) образец № 2, (в) образец № 3.
Левый рисунок - распределение вольфрама(красный - вольфрам), правый – распределение кобальта (зеленый - кобальт)Дляинтерпретацииполученныхизображенийбылирассчитаныраспределения температуры в поперечном сечении образцов (Таблица 3.9).Зона II соответствует температурному интервалу от 1768 К (температураплавления кобальта) до 2500 К (начала плавления карбида вольфрама). Вовсех образцах зона II является зоной с повышенным содержанием кобальта.В зоне III температура достигает 3200 К (температура кипения кобальта) ивыше, а содержание кобальта уменьшается за счет его испарения,наблюдается рост карбидных включений.Эксперименты подтвердили адекватность модели и показали, чтолазерная обработка данного материал должна не допускать его перегрева.Высокие температуры повышают потерю кобальта и рост карбидныхвключений, что приводит к образованию трещин.Таблица 3.9.
Сравнение результатов эксперимента с рассчитанными тепловыми полями (К)Образец № 1Образец № 240 мкмОбразец № 340 мкм40 мкмВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 31. Разработана математическая модель зоны лазерной обработкикомпозиционного материала.2. Оценены оптические и теплофизические свойства композиционногоматериала с 20% кобальта по массе.3. Расчеты с использованием математической модели теплопереноса взоне лазерного воздействия показали, что при увеличении скоростисканирования уменьшается объём зоны, нагретой выше точки плавлениякобальта, что ухудшает условия консолидации порошка и сплавления его сподложкой при СЛП.
Одновременно уменьшаются нежелательные потерикобальта на испарение.4.Дляуменьшенияпотерькобальтанаиспарение необходимообеспечить прогрев порошкового слоя и поверхности материала, на которуюон нанесён, в интервале температур между точками плавления и кипениякобальта. Установлено, что это условие выполняется при малой толщинепорошкового слоя, существенно меньше глубины ванны расплава.5.
Чтобы образовалась металлургическая связь между соседнимиваликами, шаг сканирования должен быть меньше ширины ванны расплава.6. Лазерная обработка пластин ВК 20 подтвердила адекватность моделии показала недопустимость перегрева этого материала, приводящего к потерекобальта из-за испарения, увеличению размера карбидных включений, и, вконечном счёте, к растрескиванию.86ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКОВЫХМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СЛП4.1. Результаты исследования исходных порошковГранулометрический анализ выполнялся для микронного порошка Co идлямикронногопорошкаWC.Результатамиисследованиясталигранулометрические характеристики порошков, распределение размеровпорошков, изображения формы частиц. Исследования с использованием пооптической гранулометрии нанопорошка WC и нанопорошка Co непроводились, т.к.
возможностиоборудования для гранулометрическогоанализа не позволяют определить размерность порошка, заявленнуюпроизводителем.Анализгранулометриипроводилсявручнуюсиспользованием электронного микроскопа.Анализ на сканирующем электронном микроскопе с применением ЭДСанализа для контроля размеров, формы и химического состава частицприменялся для микронного порошка Co, нанопорошка WC, микронногопорошка WC и нанопорошка Co. Порошки исследовались последовательно.Описание результатов исследования приведено ниже.4.1.1 Микронный порошок кобальтаПорошок серого цвета, имеющий склонность к комкованию (из-замалого размера частиц порошка). Частицы имеют неправильную форму,немного вытянутую, состоящую из округлых частиц без повышенной87шероховатостиповерхности(рисунки4.1-4.3).Исследованныехарактеристики порошка сведены в таблице 4.1.Таблица 4.1. Характеристики микронного порошка CoПараметрЗначениеВсего исследовано частиц263654 штГранулометрия+1 -7 мкмСредний размер частиц2 мкмФорманеправильнаяХимический состав99% Co (следы Si, Cu, Ni, Fe, C, O)Структуралитой материалРисунок 4.1 – Фотографии расстилки микронного порошка Со88Рисунок 4.2 – Формы частиц исследованного порошкаПолученные данные показывают, что порошок имеет размеры основнойфракции 1-3 мкм, что соответствует заявлению производителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
