Формирование образцов с ячеистой структурой методом селективного лазерного спекания металлических порошков

ЧЕТАППООЕ

УДК 621.373.826

Формирование образцов с ячеистой структурой методом селективного лазерного спекания металлических порошков

П. Н. Килина, А. А. Дроздов, Л. Д. Сиротенко

Целью работы является изучение влияния различных интенсивностей лазерного излучения на процесс селективного лазерного спекания, а также получение образцов с ячеистой структурой из различных металлических порошков (стального, титанового и вольфрамового). Показана возможность создания ячеистых материалов со сложной пространственной структурой методом селективного лазерного спекания. С помощью программного комплекса Delcam PowerShape были сформированы 3D модели образцов, имеющих ячеистую структуру. Частицы порошка спекались на стальной и титановой подложках при различных параметрах лазерного излучения. Получены стальные, титановые и вольфрамовые образцы с ячеистой структурой.

Ключевые слова: высокопористые ячеистые материалы, селективное лазерное спекание, порошок, лазер, качество.

Введение

Одним из эффективных методов быстрого прототипирования, позволяющих за короткое время получать изделия со сложной пространственной структурой из различных материалов, является селективное лазерное спекание [1, 2]. Особенность процесса — комплексное использование систем автоматизированного проектирования (САПР) для создания исходной 3D-модели и лазерной технологии синтеза объемных изделий при послойном спекании частиц порошка и формировании готового изделия. При внесении конструктивных изменений в деталь или разработке ряда типоразмеров изменениям подвергается только 3D-модель детали при установленном технологическом процессе ее получения, что сокращает производственное время изготовления продукции [3, 4].

В соответствии с исходной 3D-моделью, подготовленной с помощью различных CAD-систем, происходит послойное спекание или плавление порошка в зависимости от мощности лазерного излучения. На начальном этапе формируются поддержки для образца. Исходный порошок наносят на специальное

основание из различных материалов, разравнивают и подвергают лазерному воздействию. Затем основание опускают вниз и действия повторяют, слой за слоем формируя готовое изделие. Также немаловажную роль играет защитная атмосфера, особенно при работе с титаном ввиду его химической активности. В процессе осуществляется постоянная продувка рабочей камеры инертным газом. Таким образом, технология селективного лазерного спекания позволяет воспроизвести моделируемое изделие с высокой степенью точности.

Высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ) активно используются в различных отраслях промышленности в качестве фильтрующих элементов, катализаторов, медицинских имплантатов и т. д. Наряду с требованиями качества, предъявляемыми к исходным материалам и геометрическому строению высокопористых ячеистых структур, их свойства зависят также от метода получения. Структура ячеистых материалов характеризуется сложной пространственной геометрией, наличием большого количества каналов и пор. Таким образом, по сравнению с традиционными методами [5] получения высокопористых

ячеистых материалов метод селективного лазерного спекания является преимущественным для создания материалов с регулируемой структурой.

Цель работы — изучить влияние различных интенсивностей лазерного излучения на процесс селективного лазерного спекания, а также получить образцы с ячеистой структурой из различных металлических порошков (стального, титанового и вольфрамового).

Основная часть

С помощью программного комплекса Del-cam PowerShape были подготовлены 3D-мо-дели образцов для послойного синтеза, все объекты представляли собой твердые и листовые тела. Модель рассекалась на слои в программном пакете Magics, создавался файл модели и поддержек формата f & s.

В качестве экспериментального оборудования для селективного лазерного спекания выбрана установка Realizer SLM 50 с размерами зоны для построений 70 X 35 мм. В рабочей камере поддерживалось давление 8 мбар, для предотвращения окисления порошковых материалов осуществлялась продувка аргоном. В процессе применялся волоконный лазер с длиной волны 680 нм мощностью 250 Вт. Время выдержки составляло 60 мкс, толщина обрабатываемого слоя — 30 мкм, скорость сканирования лазерного луча — 500 мм/c. Исходными материалами для получения образцов служили вольфрамовый, титановый и стальной порошки. Форма частиц была близка к сферической, средний размер составлял 30 мкм.

Рис. 1. Ячеистые образцы из коррозионно

Коррозионно-стойкая аустенитная сталь AISI 316L активно используется в химической и медицинской промышленности, так как обладает высокой жаростойкостью до 600 °С, хорошей пластичностью, характеризуется отсутствием магнитных свойств. Частицы спекались на стальной подложке при интенсивностях излучения 1000 и 1500 мА. Силы тока I = 1000 мА оказалось недостаточно для формирования бездефектной структуры, спекание образцов коррозионно-стойкой стали с ячеистой структурой происходило при силе тока 1500 мА (рис. 1).

Титановые порошки активно применяются при изготовлении имплантатов для замещения дефектов кости. Получаемые изделия не изменяют своих свойств при взаимодействии с агрессивными биологическими средами организма и не оказывают токсического воздействия на живые ткани, а также характеризуются большой прочностью [6].

При спекании титанового порошка на титановой подложке использовали различные параметры лазерного излучения. Спекание проводили при интенсивностях излучения 1000, 1400, 1700 и 3500 мА. Выявлено, что интен-сивностей 1000 и 1400 мА оказалось недостаточно для нужного сцепления частиц титана с подложкой, каждый новый слой последовательно отслаивался от титанового основания. При силе тока 1700 мА происходило спекание порошка, при 3500 мА достигалось плавление частиц. В результате получен титановый образец с регулируемой ячеистой структурой для замещения челюстных дефектов кости (рис. 2).

Для спекания вольфрамового порошка необходима большая интенсивность лазерного

стойкой стали

№ 3(87)/2015

WflllOOK

Рис. 2. Титановый ячеистый челюстной имплантат

Рис. 3. Высокопористый ячеистый образец, полученный в результате спекания вольфрамового порошка

излучения, чем для титанового и стального порошков. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов и подходит для использования при высоких температурах. Он отличается исключительно низким коэффициентом теплового расширения и крайне высоким уровнем размерной стабильности. В процессе исследовались три интенсивности излучения (1400, 2000, 5000 мА) при спекании вольфрамового порошка на стальной подложке. В результате спекания получены ячеистые образцы со сложной пространственной структурой (рис. 3).

Выявлено, что интенсивности излучения I = 1400 мА оказалось недостаточно для придания единой структуры частицам и сохранения формы, спекание частиц наблюдалось при силе тока I = 2000 мА. При интенсивно-

сти лазерного излучения I = 5000 мА происходило не только спекание, а именно плавление частиц порошка, что обеспечило однородность структуры.

Выводы

1. Показана возможность создания ячеистых материалов (стальные, титановые и вольфрамовые образцы) со сложной пространственной структурой методом селективного лазерного спекания с использованием программного комплекса Delcam Рс№ег8Ьаре.

2. При обработке приняты следующие режимы спекания: время выдержки — 60 мкс, скорость сканирования лазерного луча — 500 мм/с, интенсивность излучения в пределах 1000-5000 мА при силе тока 1500 мА происходило спекание частиц титана и стали, а спекание порошка вольфрама наблюдалось при интенсивности порядка 2000 мА.

3. Установлено, что плавление титана и вольфрама достигалось при интенсивностях излучения 3500 и 5000 мА соответственно.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки по государственному заданию (базовая часть) № 2014/152, НИР № 1460.

Литература

1. Gibson I., Rosen D. W., Stucker B. Additive manufacturing technologies. Rapid prototyping to direct digital manufacturing. New York, USA: Springer, 2009. 459 p.

2. Kumar S., Kruth J. P. Composites by rapid prototyping technology// Materials & Design. 2010. Vol. 31, N 2. P. 850-856.

3. Вальтер А. В. Послойный синтез армированных объемных изделий// Горное машиностроение: сб. материалов. Отдельный вып. Горн. информ.-аналит. бюл. (науч.-техн. журн.). 2011. Т. 2, № 12. С. 222-229.

4. Кузнецов В. Е. Системы быстрого изготовления прототипов и их расширения //CAD/CAM/CAE. 2003. № 4. С. 2-7.

5. Анциферов В. Н., Порозова С. Е. Высокопористые ячеистые материалы. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 1996. 207 с.

6. Selective laser melting: a unit cell approach for the manufacture of porous, titanium, bone in-growth constructs, suitable for orthopedic applications. II. randomized structures / L. Mullen, R. C. Stamp, P. Fox [et al.] // Journ. of Biomedical Materials Research. Part B Applied Biomaterials. 2010. 92B (1). P. 178-188.