Диссертация (1173110), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Так какформирование изделия происходит за счет плавления металлической связки площадь поверхности порошка кобальта Sco должна быть больше либо равнаплощади поверхности порошка карбида вольфрама Swc. Для определенияплощади компонентов в смеси 94% (по массе) WC и 6% (по массе) Co, формапорошков принимались за идеально круглый шар. Тогда площадьповерхности одной частицы будет равна:Sфракции =4 r2(4.1)При среднем радиусе частицы карбида вольфрама rWC = 400 нм исреднем радиусе частицы кобальта rCo = 40 нм, площади одной частицы Sчастицы Со=20096 нм2 и одной фракции карбида вольфрама S частицы wc = 2009600нм2 будут соотноситься как 1/100. Следовательно,для равномерногоопудривания одной частицы WC необходимо 100 частиц Co.
Зная объем иплотность химического компонента можно найти массу одной частицы:mфракции = ρV(4.2)где V – объем одной фракции и равен:(4.3)V=4/3 r³Таким образом масса одной частицы порошка кобальта mчастицы Со=2384725,63 х 10-27 грамм, а масса частицы карбида вольфрама mчастицы WC=4233557333,86 х 10-27 грамм. Следовательно, в 100 граммах композиции 94%(по массе) WC и 6% (по массе) Co, можно определить количество частиц n:n = mобщ(WC или Co) / mфракции(4.4)Количество фракций кобальта n Со = 2,5 х 1021 штук, количество фракцийкарбида вольфрама nWC = 2,2 х 1019штук. Тогда площадь поверхностиодного компонента Sкомпонента смеси будет равна:Sкомпонента = n Sфракции(4.5)Из этого следует, что в 100 граммах композиции 94% (по массе) WC и6% (по массе) Co площадь поверхности порошка кобальта SСо = 50240 х 1021107нм2 больше площади поверхности порошка карбида вольфрама SWC = 44211,2х 1021 нм2.При соотношении 95% (по массе) WC и 5% (по массе) Co, площадьповерхности кобальта SСо меньше площади поверхности карбида вольфрамаSWC, что делает невозможным равномерное опудривание нанокобальтоммикронного карбида вольфрама.4.3 Исследование влияния параметров обработки планетарноймельницы на качество порошковой смеси.Сухое перемешивание, т.е.
обработка без жидкости в шаровой мельнице,оставляет часть конгломератов, для процесса СЛП это недопустимо,поскольку такой порошок будет наноситься и сплавляться неравномерно.Увеличение времени обработки не дало лучшего результата. Повторнаяобработка в жидкости уменьшила количество агломератов. Причем мокроеперемешивание с использованием изопропанола дало лучший эффект посравнению с перемешиванием в воде для всех смесей.
Изображенияпорошковой смеси 25% (по массе) WC и 75% (по массе) Co показано нарисунке 4.21.108абаваРисунок 4.21 – Поверхность порошковой смеси 25% (по массе) WC и 75% (помассе) Co после обработки (а) обработка без жидкости, (б) обработка в воде,(в) обработка в изопропанолеПосле высыхания жидкости порошок не содержит конгломератов испособен равномерно разравниваться, что позволяет получать методом СЛПоднородный материал в виде сплавленных единичных валиков, одиночныхслоев и объемных объектов.109ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 41.
Исследованы исходные порошковые материалы. Для получениянаноструктурированногоматериаланеобходимо использоватьприменяемыемельницысоднороднымраспределениемпланетарные шаровые мельницы. Другиенеобладаютдостаточнойэнергиейдляпроведения механического легирования.2. Большое содержание нанопорошка в композициях не позволяетдобиться однородного распределения химических элементов при обработке.При содержании 75% по массе конгломераты нанокарбида вольфрамаразбить не удавалось.3.
При подготовке порошковых смесей из микронного карбидавольфрама и нанокобальта, необходимо учитывать площади поверхностейпорошков так, чтобы площадь поверхности порошка кобальта Scoбылабольше либо равна площади поверхности порошка карбида вольфрама Swc.Установлено, что в смеси 94% (по массе) WC и 6% (по массе) Co площадьповерхности порошка кобальта больше площади поверхности порошкакарбида вольфрама (SСо = 50240 х 1021 нм2 SWC = 44211,2 х 1021 нм2). Применьшем содержании кобальтовой связки в композиции данное условие невыполняется.4.
Результаты проведенных исследований показывают, что обработкапорошковых смесей в жидкости улучшает процесс перемешивания,разбивает конгломераты и позволяет в процессе СЛП наносить равномерныепорошковые слои.110ГЛАВА5.СТРУКТУРАИСВОЙСТВАОБРАЗЦОВ,ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЛПРезультатами экспериментов стали полученные образцы одиночныхваликов, единичных слоев и объемных кубоидов [75-78].
На рисунке 5.1показаны поперечные сечения типичных образцов одиночных валиков иединичных слоев, полученных методом СЛП. Образцы получены приразличном варьировании параметров процесса. Параметры указаны вподписях к рисункам: H – толщина порошкового слоя, P – мощностьлазерного излучения, V – скорость сканирования, s – шаг сканирования.абаРисунок 5.1 - Поперечные сечения сплавленных образцов из смеси 25%(по массе) WC и 75% (по массе) Co: (а) одиночный валик при Н = 20 мкм, Р =70 Вт, а V =300 мм / с; (б) монослой при Н = 35 мкм, P = 70 Вт, V = 300 мм / с,s = 50 мкм1115.1 Исследование влияния параметров процесса селективноголазерного плавления на геометрические характеристики одиночноговаликаОдиночныйваликявляетсяэлементарнойединицейвметодеселективного лазерного плавления.
Процесс СЛП можно рассматривать каксовокупность валиков для формирования слоя и совокупность слоев дляформирования изделия. Следовательно, найденные параметры, при которыхполучаются стабильные валики, будут рациональными параметрами дляполучения единичного слоя.Определениетехнологическогоокнадляполучениястабильныходиночных валиков проводилось по трем параметрам: толщина порошковогослоя, мощность лазерного излучения, скорость сканирования.
Результатывнешнего осмотра и исследование поперечного сечения валиков методамиметаллографического анализа показали, что с уменьшением толщинынанесенного слоя порошка геометрия сечения валика более правильная, в товремя как при высоком параметре толщины слоя валики имеют рельефнуюповерхность с металлическими наростами на границах. Изображения валиковприведены на рисунке 5.2.а112бваРисунок 5.2 - Одиночные валики из смеси 25% (по массе) WC и 75% (помассе) Co, сплавленные с различной толщиной нанесенного порошковогослоя: а) толщина слоя 70 мкм, б) толщина слоя 50 мкм, в) толщина слоя 20мкмРациональной величиной толщины наносимого слоя была выбранатолщина 20 мкм т.к.
нанесение более тонкого слоя механическизатруднительно системой разравнивания машины, а увеличенная толщинатребует большей мощности лазерного излучения или снижения скоростисканирования,чтоможетпривестикперегревуипоследующемурастрескиванию.Внешний осмотр валиков из смеси 25% (по массе) WC и 75% (по массе)Co, показанных на рисунке 5.3, выявил, что в диапазоне скоростейсканирования от 30 до 300 мм/с при постоянной мощности в 70 Вт все ониудовлетворительного качества. Тем не менее, видно, что с увеличением113скорости количество мелких неоднородностей уменьшается, а геометриявалика становится более однородной (ширина валика, высота). Повышениескоростисканированиеснижаетперегревматериалаиповышаетпроизводительность, но при скоростях выше 300 мм/с валик не имеетпрочного металлургического контакта с подложкой.v = 270 240210 180 150 120906030 мм/сРисунок 5.3 – Сплавленные одиночные валики из смеси 25% (по массе) WC и75% (по массе) Co при Н = 50 мкм, P = 70 Вт, и V от 30 до 270 мм/с(отмечено выше)При увлечении мощности излучения от 70 Вт до 150 обратнопропорционально изменяется высота сплавленного валика, что объясняетсяиспарениемматериала.Экспериментальновыявлено,чтовысотасплавленного валика в 1,5 раза меньше нанесенного слоя при мощности от 50до 100 Вт.
При мощности в 150 Вт высота валика меньше в 4 раза. Примощности меньше 50 Вт валик имеет островковую форму и местами не имеетконтакта с подложкой, что говорит о недостаточной энергии дляпереправления материала.Идентичная методика получения одиночных валиков и исследованияприменялась к порошковым смесям:11450% (по массе) WC и 50% (по массе) Co,75% (по массе) WC и 25% (по массе) Co,94% (по массе) WC и 6% (по массе) Co.Изображение валиков из данных смесей приведены в таблицах 5.1, 5.2 ина рисунке 5.4.Таблица 5.1. Одиночные валики из композиции с соотношениемкомпонентов: 50% (по массе) WC и 50% (по массе) CoПараметры образцаP = 50Вт,V = 240мм/сP = 70ВтV = 210мм/сP = 70ВтV = 240мм/сДо удаленияпорошкаПосле удалениепорошкаПоперечное сечение115P = 70Вт,V = 270мм/сP = 70Вт,V = 300мм/сТаблица 5.2. Одиночные валики из к оппозиции с соотношениемкомпонентов: 75% (по массе) WC и 25% (по массе) CoРежимыP=33Вт,V=60мм/сP=33Вт,V=90мм/сP=50Вт,V=150мм/сДо удаления порошкаПосле удаления порошка116P=50Вт,V=180мм/сP=50Вт,V=210мм/сP=50Вт,V=240мм/сP = 50Вт V =270мм/сP=50Вт,V=300мм/сСостав 75% (по массе) WC и 25% (по массе) Co исследовался вдиапазонах мощности от 33 до 100 Вт и скорости от 60 до 300 мм/с.
Всеполученные валики имеют островковый характер и слабо держатся наподложке. Поэтому данный состав был признан негодным для использованияпри селективном лазерном плавлении и в последующих исследованиях неиспользовался.117Сплавление смеси 94% (по массе) WC и 6% (по массе) Co с большимсодержаниемупрочняющейкарбиднойфазыдалоравномерносформированные валики с прочным металлургическим контактом сподложкой.Рисунок 5.4.
Одиночный валик из 94% (по массе) WC и 6% (по массе) CoТакой результат объясняется размерностью компонентов порошка.Наноразмерный порошок кобальта имеет развитую поверхность и, какрезультат, температуру плавления ниже, чем у микронного, что обеспечиваетвозможностьполученияжидкойваннырасплавасравномернымраспределением нерасплавленных микронных частиц WC при более низкихтемпературах. Снижение температуры плавления наночастиц порошковописано в работах [79-81] Наибольшее понижение температуры плавленияопределено для наночастиц сульфида кадмия CdS.
Автором удалось снизитьтемпературу плавления с 1650 K до 400 K (для частиц радиусом от 1 нм до 4)[82]. В работе [83] исследовалось влияние размера частиц на температуруплавления золота. Существенное снижение температуры плавления (более100 градусов) установлено для частиц размером меньше 10 нм. Излитературных данных известно, что спекание нанопорошка кобальта сосредним размером фракции в 40 нм проводилось при температуре 803 К, в то118время как микронный порошок кобальта начинает спекаться при 883 К [84].В работе [85] указано, что температура спекания наночастиц зависит нетолько от размера частиц, но и от распределения, чем шире распределение,тем выше температура спекания.
Так нанопорошки кобальта, имеющиеодинаковые средние размеры частиц, но сильно отличающиеся по ширинераспределения частиц по размерам, будут начинать спекаться при сильноразличных температурах.Таким образом, для смесей: 25% (по массе) WC и 75% (по массе) Co;50% (по массе) WC и 50% (по массе) Co; 94% (по массе) WC и 6% (по массе)Co рациональными режимами являются следующие параметры:скорость сканирования - 300мм/с,толщина порошкового слоя - 20 мкм,мощность лазерного излучения 50-70Вт.5.2 Исследование влияния параметров процесса селективноголазерного плавления на шероховатость единичного слояКачество поверхностного слоя является одним из важнейших аспектовпри построении объёмных изделий методом СЛП.
Поверхность каждого слоябудет являться подложкой для последующего. Поэтому находимо выбиратьтакие режимы обработки, при которых шероховатость поверхности слоябудетминимальной.Определениешероховатостиединичныхслоевпроводилось на профилометре Mahr Pocket Surf III. Показания профилометразанесены в таблицу 5.3.Одиночные слои на полированной подложке показаны на рисунке 5.6.Параметры единичных слоев:119образец «а»- мощность лазерного излучения – 50 Вт, скоростьсканирования – 300 мм/с;образец «б» - мощность лазерного излучения – 60 Вт, скоростьсканирования – 300 мм/с;образец «в» - мощность лазерного излучения – 70 Вт, скоростьсканирования – 300 мм/с. Увеличенные изображения поверхности этих слоёвданы на рисунке 5.7.Рисунок 5.6 – Образцы для определения шероховатости из смеси 25% (помассе) WC и 75% (по массе) Coаб120вРисунок 5.7 – Изображение одиночных слоев 25% (по массе) WC и 75% (помассе) Co (а) образец «а», (б) образец «б», в образец «в»Таблица 5.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
