Диссертация (1173110), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Взаимодействие этого множества параметров оченьсложное, поэтому важно понимание того, как изменение каждого из нихвлияет на процесс СЛП в целом. Распространение этого метода на новыематериалы ставит ряд научных и технологических задач, требующихпроведения научных исследований, на решение которых и направлена даннаяработа.Цельюработыявляетсяразработкапроцессовполученияизносостойких композиционных материалов системы WC-Co методомселективного лазерного плавления с целью замены традиционных методовизготовления изделий из труднообрабатываемых материалов.Поставленная цель может быть достигнута решением следующих задач:- анализ и выбор исходных порошковых материалов для селективноголазерного плавления;- получение новых порошковых композиций системы WC-Co длятехнологии СЛП8- расчет температурных полей в зоне обработки при лазерномвоздействии;- теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметровобработки на структуру, химический и фазовый состав композиционногоматериала системы WC-Co;- исследования влияния параметров селективного лазерного плавленияна физико-механические свойства исследуемого материала;-выборрациональныхтехнологическихрежимовселективноголазерного плавления обрабатываемых материалов;Поставленные задачи решались методами теоретических, численных иэкспериментальныхисследований.Экспериментальныеисследованияпроводились по стандартным методикам с использованием контрольноизмерительной аппаратуры и аттестованных приборов.Научная новизна:-разработаныизносостойкиеметаллокерамическиекомпозициисистемы WC-Co с соотношением компонентов: 1) 25% (по массе)наноразмерного порошка карбида вольфрама и 75% (по массе) микроннойфракции кобальта; 2) 94% (по массе) микронного порошка карбидавольфрама и 6% (по массе) наноразмерной фракции кобальта дляизготовления изделий методом селективного лазерного плавления;- на основе математической модели, учитывающей оптические,теплофизические свойства и испарение композиционного материала системыWC-Co, показано, что высокие скорости сканирования при селективномлазерном плавлении минимизируют потери кобальта при испарении;- определены связи между параметрами селективного лазерногоплавления, структурой и фазовым составом композиционного материаласистемыWC-Co,установленызакономерностиструктурообразования,заключающиеся в возможности получения износостойких композиционных9материалов субмикронной структуры, состоящих из карбидов вольфрама итвердого раствора на основе кобальта;- установлено влияние структуры и фазового состава композиционногоматериаласистемыWC-Coнакомплексфизико-механическихиэксплуатационных свойств;- определены рациональные режимы селективного лазерного плавленияметаллокерамической композиции системы WC-Co для изготовлениядеталей, работающих в условиях повышенного абразивного износа.Практическая ценность работы заключается в:- разработке устройств селективного лазерного плавления при работе спорошковыми композициями (патенты на полезную модель №152914,№154761, №163795, 164759 и 173526);- разработке и реализации технологического процесса изготовленияизделийизметаллокерамическихкомпозицийсиспользованиемрациональных режимов селективного лазерного плавления (мощностилазерного излучения, толщины порошкового слоя, скорости сканирования,шага сканирования, стратегии сканирования);- использование результатов работ в учебном процессе при подготовкебакалавров по направлению 15.03.05 «Конструкторско-технологическоеобеспечение машиностроительных производств» профиля «Конструкторскотехнологическое обеспечение высокоэффективных технологий обработкиматериалов» в курсе дисциплины «Аддитивное производство».Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, спискалитературы и приложений (отдельный том).
В первой главе представленаналитический обзор современного состояния исследований по разработкетехнологий аддитивного производства. Во второй главе приведено описаниеоборудования, материалов и методик исследований, используемых в работе.В третьей главе представлены математическая модель зоны лазернойобработки и результаты расчетов технологических процессов. В четвертой10главепредставленырезультатыразработкисоставовигрануломорфологических исследований исходных порошковых смесей. Впятойглавеописанырезультатыэкспериментальныхисследований,направленных на разработку процессов селективного лазерного плавленияпорошкового материала системы WC-Co.
В приложениях приведены:расчеты технологической стоимости изготовления детали «Ротор», чертеж иаксонометрическая модель детали «Ротор».Достоверность результатов обеспечена математическими расчетами ииспользованием общих положений фундаментальных наук (уравнениетеплопроводности и т.п.), материаловедения и научных основ технологиимашиностроения. Результаты экспериментальных работ получены насертифицированном оборудовании. Основные положения работы отраженыв 20 научных трудах, которые включают 5 патентов на полезную модель 12статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудовсоискателейученыхстепенейизних9взарубежныхжурналах,индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus , 3 из которых входятв 1-2 квартиль. Основные результаты работы были представлены наследующих международных и всероссийских симпозиумах, конференциях:международная научная конференция "Science of the future» (17-20 сентября2014, г.
Санкт-Петербург, Россия); Лазеры и лазерно-информационныетехнологии: фундаментальные проблемы и применения ILLA (29 сентября-3октября2014,Шатура,Россия);Конференция«Фундаментальныеисследования и инновационные технологии в машиностроении» (13-15 мая2014, Москва, Россия); симпозиум международного союза по теоретическойи прикладной механике синтеза твердых тел – IUTAM Symposium on Growingsolids (23-27 июня 2015, Москва, Россия); II Международная конференция«Аддитивные технологии: настоящее и будущее» (16 марта 2016, Москва,Россия); конференция применения лазера в инженерии LIM Laser inManufacturing (22-24 июля 2015, Мюнхен, Германия); 8-ая Международная11конференция фотонных технологий LANE 2014 (8-11 сентября 2014, Фюрт,Германия); 9-ая Международная конференция фотонных технологий LANE2016 (19-22 сентября 2016, Фюрт, Германия).Автор искренне благодарит д.ф.-м.н.
Андрея ВладимировичаГусарова за ценные наставления и помощь в работе.12ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ВОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИИСПОЛЬЗУЕМЫХМАТЕРИАЛОВДЛЯАДДИТИВНОГОПРОИЗВОДСТВА1.1 Классификация методов аддитивного производстваАддитивноеперспективныхпроизводствотехнологий,(АП)активнопредставляетсобойразрабатываемыхвоклассвсехвысокоразвитых странах. Данная технология призвана стать альтернативойтрадиционному производству. Принцип аддитивного производства состоит втом, что изделия на основе трехмерных компьютерных моделей создаются спомощью послойного синтеза материала.
Такой метод позволяет создаватьизделия за один технологический цикл при минимальном количествеоборудования, рабочих и меньшей производственной площади, чем притрадиционных методах. Аддитивные технологии используют преимуществов изготовлениитрудоемкихдеталейсложнойгеометрии, например,теплообменников с внутренними каналами охлаждения, литейных форм длялитья изделий сложной формы, фильтрующих тонкостенных элементов,индивидуальных медицинских протезов и др. Аддитивное производствоявляетсябезотходным,чтовесьмаактуальновавиастроенииидвигателестроении при изготовлении изделий из дорогостоящих материалов.Разработкой и издательством различных технических нормативов истандартов для большого диапазона материалов, изделий, услуг и системаддитивногопроизводствазанимаетсяамериканскаямеждународнаядобровольная организация ASTM International (American Society for Testingand Materials).
Стандарт ASTM F2792 дает определение аддитивныхтехнологий так: «Процесс объединения материала с целью создания объекта13на основе данных CAD-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от"вычитающих" производственных технологий» [1].На сегодняшний день существует множество классификаций поразличным критериям.
Авторы классифицируют аддитивные технологии: поприменяемым материалам (жидкие, порошковые, полимерные), по способуконсолидации материала (с помощью лазера, ультрафиолета, электронноголуча, химического связующего) и по методу формирования слоя. Методформирования слоя разделяют на два принципа формирования слоя: beddeposition – синтез изделия в предварительно сформированном слоематериала и direct deposition – одновременная подача энергии и материала взону синтеза.В случае bed deposition перед началом синтеза на рабочей платформесоздается слой материала, далее материал разравнивается устройством в виденожа или валика, создавая, ровный слой определенной толщины; затемизбирательно, согласно электронной модели, материал обрабатывается всформированном слое лазером или иным способом, связывая его.
Положениеплоскости построения остается неизменной. Часть исходного материала (вданном случае - порошка), которая не попала в контур сечения модели,остаетсянетронутой.Дляданнойтехнологиииспользуетсятермин«селективное лазерное спекание» или «селективное лазерное плавление»(SLS/SLM–SelectiveLaserSintering/Melting),еслиисточникомконцентрированной энергии является лазер.Принцип прямого осаждения (direct deposition), относится к методу, вкотором используемый материал подается непосредственно в областьподвода энергии, где происходит в данный момент построение фрагментадетали. Наиболее распространенным видом такой технологии являетсялазерная наплавка (laser cladding).
К данному принципу также относится итехнология FDM (Fused deposition modeling) — послойное построениеизделия из расплавленной пластиковой нити. Это самый распространенный14способ 3D-печати в мире, на основе которого работают миллионы 3Dпринтеров — от самых дешевых до промышленных систем трехмернойпечати. FDM-принтеры работают с различными типами пластика, самымпопулярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластикаотличаются высокой прочностью, упругостью, прекрасно подходят длятестирования продукции, прототипирования, а также для изготовленияготовых к эксплуатации объектов [2].Последняяклассификация,предложеннаяASTMInternationalразделяет технологические процессы аддитивного производства по принципупостроения изделия на 7 групп:- Material Extrusion – выдавливание материала;- Material Jetting – распыление материала;- Binder Jetting – распыление связующего;- Sheet Lamination – синтез листовых материалов;- Vat Photopolymerization – фотополимеризация;- Powder Bed Fusion – сплавление материала в сформированном слое;- Direct energy deposition – прямой подвод энергии в место построения.В настоящее время коммерчески успешны и наиболее применяемы впромышленности следующие методы аддитивного производства: трехмернаяпечать методом FDM, стереолитография, послойная заливка экструдируемымрасплавом, 3-х мерная лазерная наплавка и селективное лазерное плавление.СЛП является наиболее перспективным методом, поскольку обладает рядомпреимуществ:безотходностью,возможностьюизготовлениясложнопрофильных деталей, не уступающих, а иногда и превышающих посвоим физико-механическим свойствам детали, полученные традиционнымформообразованием.151.2 Селективное лазерное плавление (СЛП)Разрабатываемое примерно с начала 2000-х годов селективное лазерноеплавлениепоказалосебякакэффективныйметодизготовленияфункциональных деталей сложной формы путём послойного синтеза [3-5].Изготовление сложнопрофильных деталей при единичном и мелкосерийномпроизводствеприиспользованииметодаСЛПспособносократитьсебестоимость изделия за счет уменьшения рабочего времени при меньшемколичестве технологических операций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
