Диссертация (1173110), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Параметры , и Tmопределяются обрабатываемым материалом, а v, D и P – параметры лазернойобработки. Из (1.1) и (1.2) следует, в частности, что для сохранения подобияпри увеличении диаметра пятна, следует пропорционально увеличиватьмощность и обратно пропорционально уменьшать скорость сканирования.Это может обеспечить сохранение устойчивости процесса СЛП и качестваполучаемого материала.Учитывая многообразие материалов и параметров процесса СЛПследует сравнивать значения вышеприведённых безразмерных комплексов вразличных работах. Примем для материалов с титановой матрицей32следующие параметры, близкие к параметрам чистого титана: = 10 мм2/с, = 20 Вт/(м К) и Tm = 1600 К.
Тогда получим, что в работе [35] авторыработали при значениях Pe = 0.8 и Me = 20 .. 40, Аттар с соавторами в работе[38] – при Pe = 0.8 .. 1.1 и Me = 80 .. 90, Гу с соавторами с волоконнымлазером на иттербиевом стекле в работах [37, 42] – при Pe = 0.7 .. 3 и Me = 40,а Гу с соавторами обрабатывая лазером Nd:YAG в работе [41] – при Pe = 2 ..8 и Me = 20. В последней работе отмечалось, что при высоких скоростяхсканирования качество материала ухудшалось, так что рекомендованныйдиапазон чисел Пекле сужается до Pe = 2 .. 4.
Таким образом,рекомендованный разброс значений критерия Пекле составляет от 0.7 до 4, акритерия плавления – от 20 до 90. Повышенные значения критерияплавления у Аттара с соавторами [38] обусловлены скорее всегонеобходимостью проплавлять вдвое большую толщину порошка (100 мкм)по сравнению с другими авторами (50 мкм).Взаимодействие такого множества параметров достаточно сложное,поэтому важно понимание того, как изменение каждого из этих параметроввлияет на процесс СЛП в целом.1.6 Обоснование и выбор направления исследованийВ результате анализа литературных данных выявлены следующиекритерии, которым должна удовлетворять технология получения деталей изисследуемых металлокерамических композиций:1.
Возможность получения заданной микроструктуры материала, без пори трещин, с равномерным распределением упрочняющей фазы.2. Возможность получения наноструктурированного материала, чтоперспективно для улучшения его механических свойств.333. Возможность получения деталей сложной формы. Желательнаавтоматизация формования по заданной электронной модели.4. Точность изготовления должна минимизировать дополнительнуюмеханическую обработку.Всоответствиисданнымилитературногообзоравозможныминаправлениями исследований могут быть:I. Совершенствование традиционных методов порошковой металлургиидля исследуемых материалов.II. Совершенствование перспективных технологий быстрого спекания,таких как плазменно-искровое спекание или горячее изостатическоепрессование.III.
Разработка технологии многослойной лазерной наплавки дляисследуемых материалов.IV. Разработка технологии селективного лазерного плавления (СЛП) дляисследуемых материалов.Традиционные технологии порошковой металлургии удовлетворяюткритериям 1 и 4. Формование деталей сложной формы трудоёмко, особенно вслучае наличия криволинейных внутренних каналов. Непосредственноеизготовление по заданной электронной модели невозможно. Поэтомукритерий 3 удовлетворяется лишь частично. В традиционных порошковыхтехнологиях применяется многочасовая выдержка материала при высокихтемпературах,котораяспособствуетростузерна.Поэтомунаноструктурированные материалы получать не удаётся.
Таким образом,критерий 2 не выполняется.В технологиях быстрого спекания, таких как плазменно-искровоеспеканиеилигорячеевысокотемпературнойизостатическоевыдержкиудаётсяпрессование,сократитьнастолько,времячтонаноструктурирование становится возможным, правда для этого можетпотребоваться специальное легирование, замедляющее рост зерна.
Поэтому34для этих технологий критерий 2 выполнен. Критерии 1 и 4 такжевыполняются. В технологиях быстрого спекания затруднено получениедеталей сложной формы, так же как и при традиционном печном спекании,поэтому критерий 3 выполняется лишь частично.Перспективная технология многослойной лазерной наплавки позволяетформовать детали в автоматическом режиме по электронной модели,поэтому критерий 3 выполняется. Однако точность изготовления непревышает в настоящее время одного миллиметра, поэтому практическивсегда требуется дополнительная механическая обработка полученнойлазернойнаплавкойдетали.Длявысокопрочныхметалломатричныхкомпозиционных материалов это неприемлемо, поэтому критерий 4 невыполнен.Критерий1,всоответствиислитературнымобзором,выполняется.
Систематических работ по получению наноструктурированныхматериалов методом лазерной наплавки не проводилось. Но известно, чтодлительность теплового цикла при лазерной наплавке составляет околоодной секунды, что сопоставимо, или даже меньше длительности тепловогоцикла в технологиях быстрого спекания. Поэтому критерий 2 можно считатьчастично выполненным.Технологияселективноголазерногоплавления(СЛП)позволяетполучать материал без пор и трещин. Правда есть материалы, в которыхрастрескивания до сих пор не удавалось избегать. Поэтому критерий 1частичновыполнен.Многиематериалы,полученныеСЛП,имеютсубмикронную структуру, даже когда измельчение зерна не было целью.
Этообъясняется уникально коротким термическим циклом этой технологии вдоли миллисекунды, обеспечивающим скорости охлаждения 106 К/с и выше[59, 60]. Такие параметры позволяют создавать наноструктурированныематериалы, поэтому критерий 2 выполнен.
Так же как и лазерная наплавка,СЛП выполняется автоматически по электронным моделям, поэтомукритерий 3 выполнен. Точность изготовления при СЛП обычно меньше 10035микрон, что на порядок лучше, чем при лазерной наплавке, и сравнима стехнологиями порошковой металлургии. Поэтому критерий 4 выполнен.Результаты сравнения сведены в Таблицу 1.1, где оценка 1 соответствуетвыполнению критерия, оценка 1/2 – частичному выполнению, а 0 –невыполнению.Таблица 1.1. Сравнение возможных направлений исследованийКритерий оценки1234Суммапорошковая 101/212.5Быстрое спекание111/213.5Лазерная наплавка11/2102.5Селективное лазерное плавление1/21113.5ТрадиционнаяметаллургияВ соответствии с применяемыми критериями наиболее перспективнымидля данной работы могут быть группа технологий быстрого спекания иселективное лазерное плавление (СЛП), которые набрали одинаковоемаксимальное число баллов 3.5 по таблице 2.1.
Обе технологии не лишенынедостатков.Вметодахбыстрогоспеканиянерешенапроблемаавтоматического формования по электронным моделям, а при СЛПнекоторые материалы растрескиваются. Точность изготовления деталей поэтим технологиям сравнима. Значительное различие имеется по возможностинаноструктурирования.Хотяоновозможновобеихтехнологиях,экстремально малая длительность термического цикла при СЛП, порядкадолей миллисекунды, предоставляет гораздо больше возможностей длясоздания заданной структуры материала.
Поэтому в качестве направленияисследований в работе выбрана разработка и оптимизация методов СЛПкомпозиционных материалов.36ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 11.Твёрдые сплавы на основе матрицы из сплавов элементов группыжелеза, упрочнённые карбидами тугоплавких металлов с объёмнымсодержанием более 50%, имеют высокиемеханическую прочность,жаропрочность и жаростойкость. Жаростойкость и жаропрочность твёрдыхсплавоввометаллическоймногомопределяютсяматрицей.цементирующимЛегированиематрицыкомпонентомможет–повыситьжаропрочность и жаростойкость. В настоящее время твёрдые сплавыпроизводятсяпреимущественнометодамипорошковойметаллургии,трудоёмкость которых сдерживает их более широкое применение.2.Перспективным направлением улучшения механических свойствтвёрдых сплавов считается уменьшение размера зерна и получениенаноструктурированных композиционных материалов.3.В настоящее время успешно развивается метод наплавкикомпозиционных материалов с металлической матрицей для упрочненияповерхностных слоёв.
Упрочняющими фазами могут быть, например,карбидывольфрамаититана.Приизготовлениикомпозиционныхматериалов методом лазерной наплавки важно получить пластичнуюматрицу, чтобы материал не растрескался в процессе получения.4.Композиционные материалы с металлической матрицей свысоким содержанием твердых упрочняющих фаз плохо формуются иобрабатываются традиционными методами, что сдерживает их широкоеприменение. Послойное формование из порошков методом селективноголазерного плавления (СЛП) могло бы решить эту проблему. СЛПпринципиально не ограничено сложностью геометрической формы итугоплавкостью материала.
Более того, высокие скорости охлажденияпорядка 106 К/с, характерные для этого процесса, часто обеспечивают37получение мелкозернистой субмикронной или наноразмерной структуры сповышенными прочностью и износостойкостью.5.Технология СЛП применялась для получения систем WC-Co,TiC-инвар, ZrO2-Al, AlN-Al, TiN-Ti, SiC-Ti, TiC-Ti, TiB-Ti.
Не всегдаудавалось исключить образование пор и микротрещин. Часто получаютсяматериалы с сильно неоднородным распределением упрочняющей фазы вматрице.6.Для улучшения однородности композиционных материалов сметаллической матрицей, получаемых методом СЛП, в последнее времяприменяют предварительное механическое сплавление порошков.38ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ2.1 Выбор исходных материаловВ качестве экспериментального материала для селективного лазерногоплавления была выбрана система WC-Co. Литературный анализ показывает,что изделия из данного материала имеют высокие механические свойства, аего получение методом традиционного спекания более подробно изучено,чем для материалов остальных рассматриваемых систем.
Процесс спеканияпроисходит в соответствии с диаграммой состояния WC-Co (рисунок 2.1)[45].Рисунок 2.1 – Диаграмма состояния системы WC-CoИсходные материалы. Для получения порошков композиционныхматериалов использовался металлический порошок кобальта и керамическийпорошок упрочняющей фазы карбида вольфрама.39Данные,представленныепроизводителеммикронногопорошкакобальта «Пк1у»:кобальт в составе – 99,81% (масс.);кислород в составе – не более 0,25% (масс.);эквивалентный размер частиц основной фракции (90%) – 1 – 1,5 мкм.;производство – РФ, «Метотехника»;метод производства – электролиз.Данные,представленныепроизводителеммикронногопорошкакарбида вольфрама WC:карбид вольфрама в составе – 99% (масс.);углерод общий – 6% (масс.);углерод свободный – не более 1% (масс.);эквивалентный размер основной фракции не более 1,5 мкм;производство – РФ «Плазмотерм»;метод производства – восстановление.Данные, представленные производителем нанопорошка Co:кобальт в составе – 99,9% (масс.);кислород в составе – не более 0,25% (масс.);эквивалентный размер частиц основной фракции – 0,08 мкм;производство – РФ «Плазмотерм»;метод производства – высокотемпературный плазменный синтез.Данные,представленныепроизводителемнанопорошкавольфрама WC:карбид вольфрама в составе – 99% (масс.);углерод общий – 6% (масс.);углерод свободный – не более 1% (масс.);эквивалентный размер частиц основной фракции – 0,05 – 0,08 мкм.;производство – РФ, «Плазмотерм»;метод производства – высокотемпературный плазменный синтез.карбида40ПодложкамислужилитвердосплавныепластинымаркиВК20[ГОСТ]19106-73кобальт в составе – 20% (масс.);карбид вольфрама в составе – 80% (масс.);производство – РФ «Кировградский завод твердых сплавов»;метод производства – спекание.2.2 Методика исследования исходных материаловДля потребителя порошков важно понимать насколько качественныйпорошок был получен от производителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
