Разработка и исследование процесса объемного формообразования из металлических порошков при воздействии импульсно-периодического лазерного излучения

Примерно с начала 80-ых годов начали интенсивно развиваться технологии формирования трехмерных объектов не путем удаления материала, такие как точение, фрезерование, электроэрозионная обработка или изменения формы заготовки, например, ковка, штамповка, прессование, а путем постепенного наращивания или добавления материала при изменении фазового ¦ i состояния вещества в заданной области пространства. На данный: момент значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трехмерных объектов по их компьютерным образамЭти: технологии наиболее известны как RP&M (Rapid Prototyping and Manufacturing) или просто RP (Rapid Prototyping), FFFF (Fast Free Form Fabrication) или GARP (Computer Aided Rapid Prototyping)!'1].

В настоящее время большое внимание стали уделять одной из новых технологий, используемых некоторыми зарубежными фирмами* для изготовления не прототипов, а непосредственно изделий. Этими методами можно как изготавливать новые детали, так и формировать на поверхности изделия объемные элементы, например, при ремонте. Такую технологию рекомендуют для изделий и деталей машин, где вследствие конструктивных изменений требуется добавление существенного объема металла. Благодаря широкому выбору присадок можно получать детали, имеющие высокие механические и служебные свойства. Примером может служить модификация оснастки с использованием порошков.

Фирмой POM Group Inc. (Auburn Hills, Michigan) было разработано и изготовлено оборудование для проведения этого технологического процесса. Технология фирмы РОМ названа «Direct Metal Deposition» (DMD)[2]. Основная часть работ по созданию этой технологии выполнялась Национальным Центром по Производственной Науке по контракту с Департаментом Энергетики США. Еще ряд зарубежных фирм провели разработки в этой области.

Так в 1997 году компанией Sandia был сформирован LENS-консорциум. В его состав вошли: Lockheed Martin, ЗМ, Honeywell, Optomec, Wyman-Gordon, Laser Fare, КАРЕ, NASA и Ford. Процесс получил название LENS (Laser Engineered Net Shaping). Имеется"еще:ряд фирм, реализовавших этот процесс.

Эта технология. peKOMeHflOBaHa для широкого круга. материалов, включая нержавеющую сталь, цветные металлы и сплавы, алюминиевые сплавы и другие металлы, механическая обработкакоторых затруднена, например, титановые сплавы, твёрдые сплавы и т. д. Как отмечает компания Lockheed Martin Tactical Aircraft Systems, LENS-процесс позволяет существенно сократить, сроки изготовления изделий. Она позволяет создавать детали любой геометрии и любого материала, включая керамику, металлы, полимеры и композиты. Более того, она, позволяет, осуществлять локальные изменения, состава-материала, микроструктуры^ текстуры поверхности.

Процесс объемного формообразования" предполагает построение объекта послойно по электронной трёхмерноймодели.. Деталь разбивается? на? тонкие слои-. В' процессе изготовления — подложка совершает перемещение — относительно лазерного* луча по программируемой^ траектории. Одновременно в зону обработки подается порошок. При переплаве присадочного материала получается? формообразующий слой. Далее: слой за слоемформируется-деталь.

Вследствие высокойконцентрации энергии' становится возможным? не только уменьшение термического воздействияно и создание в: локальных объемах детали требуемых заданных свойств. Этого можнодостигнуть как при использовании присадочных материалов! со специальными: свойствами^ так и путем формирования композитной структуры. Использование в качестве источника нагрева лазерного излучения, а также возможность смешивания присадочных порошков позволяет регулировать свойства. внутри детали.

При решениипрактических, задач по созданию деталей с особыми^ свойствами возникает ряд трудностей из-за низкой технологической прочности высоколегированных сталей и сплавов. Литературный анализ показывает, что повышение технологической прочности при сохранении высокой эксплуатационной прочности в случае лазерной обработки достигается за счет получения структур, которые характеризуются высокой однородностью, мел-кодисперсностью, приближением их к аморфным, то есть метастабильным структурам — [3, 4, 5, 6]. ©-днако, в случае работы, детали при повышенных температурах все структурные метастабильные эффекты* могут сниматься уже через минуты или часы после выхода на рабочий режим. Такие задачиобеспечение высокотемпературной прочности локальных областей — встают как перед технологами, напримеризготовление пресс-форм и штампов горячей штамповки, так и перед конструкторамиособеннопри, проектировании новых перспективных изделий, с повышенными силовыми и температурными нагрузками. Существуетфяд практических задач по созданию деталей, состоящих из композиций с различнымиупрочняющими фазаминапример, карбидом хрома,. вольфрамом, бором и* др. Высокая склонность к их разло-? жению и растворению при термическом: воздействии создает трудностиформирования композитной структуры с большим количеством карбида без тех- - нологических дефектов' [8]. Оптимизация процессадля обеспечения сохранения упрочняющих фаз является важной практической задачей.

Несмотря на высокую концентрацию энергии в пятне нагрева, способы, обработки с использованиемнепрерывного излучения предполагают большой перегрев металла: Поэтому они имеют ряд недостатков, связанных с высоким термомеханическим воздействием на обрабатываемый металл, и, как следствие, большим проплавлением основы, перемешиванием основногои присадочного металла, относительно сильным перегревом подложки.

Наряду с указанными трудностями вследствие большого термодеформационного воздействия в наплавленном металле и зоне термического влияния возможно образование трещиноподобных дефектов. В литературе указывают на сложность выбора параметров режима, обеспечивающих сохранение исходной упрочняющей фазы и не приводящих к появлению трещин [5, 7]. Для обеспечения получения бездефектного изделия приходится снижать производительность. Так скорость нанесения наплавленного валика составляет примерно 65,5 см в часширина наносимого слоя — 1 мм, а толщина 0,25 мм. В среднем для изготовления изделия требуется 40−50 часов. Литературный анализ говорит о том, что избежать данных трудностей возможно при использовании лазерного импульсно-периодического излучения.

В работах российских[9, 10] и зарубежных[11, 12] исследователей Прохорова H.H., Макарова Э. Л., Якушина Б. Ф., Гривняк И., Чернышовой Т. А., Б. Чалмерс, Коттрел П., J. Такамура, Орован W., Маклин, показаны пути повышения технологической прочности. Применительно к лазерным процессам этими вопросами занимались Григорьянц А. Г., Федоров В. Г., Гаврилюк B.C., Мисюров А. И., Морозов В. П., Суслов А. В. 13, 14].

Настоящая работа посвящена разработке теоретических основ процесса объемного формообразования с использованием импульсно-периодического лазерного излучения.

Целью' настоящей работы явилась оптимизация технологических режимов создания объемных металлических деталей из порошков путем оплавления их импульсно-периодическим лазерным излучением.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследование особенностей формирования единичного валика.

2. Исследование формирования многопроходных объемных элементов.

3. Определение особенностей формирования структуры.

4. Исследование технологической прочности металла при объемном формообразовании.

5. Установление возможности создания композитных структур.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены закономерности формирования геометрических параметров отдельных слоев в процессе объёмного формообразования при многослойном оплавлении присадочного порошка системы №-Сг-В-81 лазерным импульсно-периодическим излучением. Получены зависимости, связывающие высоту, ширину валика и глубину подплавления подложки с параметрами режимов в диапазоне: энергия импульса (6,25 — 9,8 Дж), частота следования импульсов (2—10 Гц), расфокусировка (0−2 мм), скорость обработки (0,5 — 2,5 мм/с). Наиболее значимыми факторами являются для ширины — расфокусировка, высоты — частота следования импульсов, глубины подплавления — энергия импульса.

2. Склонность к возникновению кристаллизационных трещин при объёмном формообразовании присадочного порошка системы М-Сг-В-Э! с использованием импульсно-периодического лазерного излучения зависит от сочетания параметров режима обработки. Впервые обнаружено неоднозначное влияние энергии импульса Дж), частоты следования импульсов (? Гц), расфокусировки (А Б, мм) на изменение склонности к образованию трещин, что связано с изменением схемы кристаллизации. Поэтому расчёт параметров режима лазерной обработки, обеспечивающих отсутствие трещин, необходимо проводить по полученному в работе регрессионному уравнению^).

3. Наиболее значимым фактором для сохранения упрочняющей фазы в композитных покрытиях с интерметаллидным упрочнением при использовании присадочного порошка ВКНА является скорость обработки. В диапазоне скоростей 0,5 — 1,8 мм/с диаметр упрочняющих частиц у'-фазы уменьшается, их количество растет, микротвердость возрастает. При скоростях выше 1,8 мм/с наблюдается обратная тенденция. Для сохранения упрочняющей фазы в композитных слоях необходимо устанавливать скорость обработки в пределах 0,5 -1,8 мм/с.

Работа была выполнена на кафедре лазерных технологий в машиностроении МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Автор благодарит научного руководителя д.т.н., профессора Григорь-янца .А.Г. и к.т.н., доцента Мисюрова А. И. за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Процесс объёмного формообразования из порошков системы №-Сг-В-81 с использованием импульсно-периодического излучения обеспечивает получение валиков с различным сочетанием геометрических размеров. Наилучшее сочетание высоты, ширины формообразующего валика и глубины проплавления подложки достигается на режиме: энергия импульса W=9,8Дж, степень расфокусировки луча ДЕ=0 мм, скорость обработки У=0,5 мм/с, частота следования импульсов 10Гц. При этом номинальный размер валика составляет: высота НЪ=0,97 мм, ширина В=0,75 мм, глубина проплавления подложки Н=0,01 мм.

2. При объемном формообразовании с использованием импульсно-периодического излучения в многослойных формообразующих объемах формируется плотный металл, отличающийся высокой дисперсностью структуры. Характерное расстояние между осями дендритов второго порядка составляет величины (0,7−0,4)-10″ 6 м, что по сравнению с непрерывным излучением почти в 2 раза меньше. Снижается термическое воздействие последующих валиков на предыдущие.

3. Установлено, что возникающие в процессе формообразования из порошков системы №-Сг-В-81 при импульсно-периодическом лазерном воздействии трещины имеют кристаллизационную природу.

4. Обнаружено неоднозначное влияние энергии импульса (Ч^, Дж), частота следования импульсов (/, Гц), расфокусировки (ДР, мм) на изменение склонности к образованию трещин, что связано с изменением схемы кристаллизации. Поэтому расчёт параметров режима лазерной обработки, обеспечивающих отсутствие трещин, необходимо проводить по полученному в работе регрессионному уравнению (б).

5. Установлена возможность сохранения упрочняющей фазы в композитных покрытиях с интерметаллидным упрочнением в случае применения импульсно-периодических режимов лазерного излучения. На основе регрессионного анализа получено, что в исследованном диапазоне режимов наиболее значимым фактором, влияющим на получение благоприятной композитной структуры в сплаве ВКНА, является скорость обработки. В диапазоне скоростей обработки 0,5 — 1,8 мм/с диаметр упрочняющих частиц у'-фазы уменьшается, их количество растет, микротвердость возрастает. При скоростях выше 1,8 мм/с для размера упрочняющих частиц и их количества наблюдается обратная тенденция. Для сохранения упрочняющей фазы в композитных слоях необходимо устанавливать скорость обработки в пределах 0,5 — 1,8мм/с.