Когтев Федор. Лазерный синтез объемных изделий

Авторы изобретения Когтев Ф.Ф., доктор технических наук Варавка В.Н.,

доктор технических наук Игнотенко И.В.

 МПК12 B22F3/105

 Способ изготовления объёмных изделий из порошковых композиций

Изобретение относится к технологическим процессам порошковой металлургии, в частности к технологиям лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ), и может быть использовано для производства деталей сложных форм из мелкодисперсных порошков в различных отраслях машиностроения.

Известен способ изготовления объемных изделий из металл полимерной порошковой композиции (заявка на изобретение РФ № 95110182, B22F3/105, 1997г.), включающий последовательное послойное размещение порошковой композиции в станке для селективного лазерного синтеза (СЛС), обработку каждого слоя лазерным излучением (ЛИ) по заданному контуру и извлечение полученного изделия из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия.

Недостатком способа является то, что  он характеризуется большими и резкими перепадами температур в зоне спекания, что приводит к появлению внутренних напряжений в материале, короблению, растрескиванию и снижению прочности и качества модели.

Наиболее близким по выполнению является способ изготовления объемных изделий, предусматривающий для снижения температурных перепадов в зоне спекания, перед обработкой лазерным излучением по заданному контуру каждого слоя, преварительный подогрев порошка дополнительным лазерным излучением, а именно  сканированием высокоэнергетическим лучом вдоль дорожек, распределенных по области  предварительного нагрева слоя порошка (заявка на изобретение РФ 2009106868, B22F3/105, 2010г.).

Недостатком такого способа с использованием предварительного подогрева лазерным лучом зоны обработки является то, что подогрев носит локальный характер вследствие точечного режима облучения лазерным лучом, что создаёт перепад температур в зоне обработки, сохраняя угрозу внутренних напряжений в материале, приводящих к короблению, растрескиванию и снижению прочности и качества изделия.

Техническим результатом является снижение температурного градиента в зоне обработки.

Технический  результат достигается тем, что  в способе изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающем послойное размещение ингредиентов порошковой композиции по требуемой топологии в реакционной камере,  их предварительный нагрев и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия при режимах, достаточных для осуществления фазовых переходов, извлечение полученной модели из камеры с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, отличием является то, что    предварительный нагрев осуществляют  до предфазовых температур наименее тугоплавкого компонента композиции источником, обеспечивающим нагрев всего объёма обрабатываемой порошковой композиции.

Слои композиции могут содержать разные ингредиенты. Режим лазерной обработки  устанавливают индивидуально для каждого слоя  композиции.

Размещение ингредиентов в слое может осуществляться с помощью набора трафаретов или программным управлением питателей.

Режим лазерной обработки (температура  и площадь нагрева лазерным лучом, скорость сканирования   и время облучения)  подбирают таким образом, чтобы избежать испарения компонентов смесей.

Предфазовая температура выбирается так, чтобы все компоненты после  прекращения воздействия лазером не оставались в жидком состоянии и не растекались. Она зависит от теплопроводности и теплоизоляционных свойств камеры и устанавливается предварительно на 5…10% ниже наименьшей температуры фазового перехода смеси и её компонентов, а затем уточняется опытным путём.

Для уменьшения шероховатости поверхности модели и увеличения её прочности возможно пропитка их поверхности клеящим раствором, например, эпоксидным или силикатным клеем, с последующей сушкой изделия.

Ниже приведены примеры осуществления изобретения.

Пример 1. Порошки Mg (температура плавления 6510С) и Zn (температурой плавления 419 0С) предварительно просеивают на системе сит 005-05 (ГОСТ  3584-73). Порошки с размером фракции <50 мкм смешивают механически в мольной пропорции 1:2 до равномерного распределения. Реакционную камеру станка для лазерной обработки нагревают до предфазовой температуры в электропечи 4300С (для рассматриваемого случая температуры фазовых переходов  это температуры плавления компонентов – 651 и 491 0С и температура плавления получаемого материала – 5900С). В подогретую камеру насыпают слой смеси и по требуемой топологии текущего сечения изделия и проводят обработку энергетическим лазерным лучом до начала расплавления смеси, сканируя требуемую область. Затем насыпают следующий слой, сканируют лазерным лучом и так повторяют обработку слоёв до получения модели законченной формы, после чего модель извлекают из станка, удаляют порошковую композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия.  В результате проведённой ЛСОИ получают изделие из лёгкого интерметаллида MgZn2.

В течение 1 месяца выдержки при комнатной температуре растрескивания  и коробления изделия не наблюдалось.

Для уменьшения шероховатости поверхности на неё наносят клеящий раствор из  силикатного клея, с последующей сушкой изделия.

В течение 1 месяца выдержки при комнатной температуре растрескивания  и коробления изделия также не наблюдалось.

Пример 2. Порошки корунда Al2O3 (температура плавления 2050 0С), окиси хрома Cr2O3 (температура плавления 2275 0С) и  трёхокись ванадия (температура плавления 19700С) предварительно просеивают на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73), получая фракции  размером <20 мкм. Температуру подогрева в электропечи устанавливают 19000С градусов (температура кристаллизации конечного продукта —  типа синтетического  рубина составляет  19500 С). Насыпают первый слой чистого корунда и в него вводят по трафарету  в качестве примеси окись хрома Cr2O3  в разных  мольных пропорциях, с последующей  обработкой  энергетическим лазерным лучом аналогично примеру 1.  Затем насыпают следующий слой, состоящий  из чистого корунда и в него вводят по трафарету  в качестве примеси  окись железа Fe2O3 в разных  мольных пропорциях, с последующей  обработкой лазерным лучом аналогично примеру 1.  Так повторяют процесс, чередуя вышеописанные слои с разным содержанием  примесей до получения модели законченной формы. В результате проходящего  ЛСОИ по аналогии с примером 1 получают модель из искусственного синтетического рубина с полосатой расцветкой различных оттенков.

В течение 1 месяца выдержки при комнатной температуре растрескивания  и изменения цветности  изделия не наблюдалось.

 Формула изобретения

1. Способ изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающем послойное размещение ингредиентов порошковой композиции по требуемой топологии в реакционной камере,  их предварительный нагрев и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия при режимах, достаточных для осуществления фазовых переходов, последующее извлечение полученной модели из камеры с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, отличающийся тем,  что    предварительный нагрев осуществляют  до предфазовых температур источником, обеспечивающим нагрев всего объёма обрабатываемой порошковой композиции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слои композиции содержат разные ингредиенты.

3. Способ по п.2,  отличающийся тем, что режим лазерной обработки  устанавливают индивидуально для каждого слоя  композиции

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что размещение ингредиентов в слое осуществляют с помощью набора трафаретов или программным управлением питателей.

5. Способ по п.1,  отличающийся тем, что  температуру предварительного нагрева устанавливают на  5…10% ниже наименьшей температуры фазового перехода смеси и её компонентов.

6. Способ по п.1,  отличающийся тем, что  после окончания процесса  поверхность готового изделия обрабатывают клеящим раствором, например, эпоксидным или силикатным клеем, с последующей сушкой.

 Реферат

Изобретение относится к технологическим процессам порошковой металлургии, в частности к технологиям лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ), и может быть использовано для производства деталей сложных форм из мелкодисперсных порошков в различных отраслях машиностроения.

Техническим результатом является снижение температурного градиента в зоне обработки.

Технический  результат достигается тем, что  в способе изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающем послойное размещение ингредиентов порошковой композиции по требуемой топологии в реакционной камере,  их предварительный нагрев и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия при режимах, достаточных для осуществления фазовых переходов, извлечение полученной модели из камеры с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, отличием является то, что предварительный нагрев осуществляют  до предфазовых температур наименее тугоплавкого компонента композиции источником, обеспечивающим нагрев всего объёма обрабатываемой порошковой композиции.

Запись опубликована в рубрике Страницы изобретателей с метками , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.