СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА ЦИКЛИЧНЫМ ПОСЛОЙНЫМ ЛАЗЕРНЫМ СИНТЕЗОМ
PRODUCTION OF METALLIC ARTICLE FROM POWDER MATERIAL BY LAYER-BY-LAYER LASER SYNTHESIS

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано для изготовления металлических изделий из порошков селективным лазерным спеканием.
Известен способ лазерного спекания изделий, при котором на поверхность порошка в зону спекания направляют спекающий лазерный луч [патент РФ №2132761, МПК B22F 3/105, В23К 26/00. УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ. 1999.] Кроме того, в область зоны спекания дополнительно направляют подогревающий лазерный луч, который фокусируют на более широкой, по сравнению со спекающим лучом, площади, обеспечивая тем самым уменьшение температурного градиента между зоной спекания и окружающим порошком для предотвращения коробления спеченной детали.
Известен также способ спекания изделий, включающий нанесение порошкового слоя на мишеневую поверхность, сканирование цели направленным лазерным пучком и спекание слоя оплавлением лазерным пучком в границах поперечного сечения слоя [патент РФ №2021881, МПК B22F 3/12, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. 1994] После оплавления слоя на него последовательно наносят последующие порошковые слои, сканируют цель направленным лазерным пучком для каждого последующего слоя соответственно поперечному сечению детали и каждый последующий слой оплавляют лазерным пучком для образования из слоев поперечного сечения детали. При спекании оплавлением каждого последующего слоя его соединяют с предыдущим слоем для образования детали.
К недостатку указанных способов [патенты РФ №2132761 и №2021881] можно отнести низкую прочность формируемой детали в связи с невозможностью полного проплавления материала, из-за вероятности его растекания. Другими недостатками указанных способов являются: возможность возникновения брака при перегреве детали из-за потери формы, неоднородность свойств наплавленного материала и низкая точность формирования детали из-за нечетких границ «наплавленный слой-порошок».
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ и установка для изготовления изделия из порошкового материала путем лазерного послойного синтеза [Патент РФ №2401180, МПК B22F 3/105, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПОРОШКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, 2010]. Способ включает следующую последовательность формирования слоев: нанесение слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках. Установка для изготовления металлической детали из порошкового материала содержит рабочую камеру с входным окном, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, роллер очистки, выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка. Однако известные способ и установка не позволяют получать металлические детали, обладающие высокой механической прочностью материалов.
В этой связи, задачей настоящего изобретения является разработка способа и установки для изготовления металлического изделия из порошкового материала путем лазерного послойного синтеза, обеспечивающих получение металлических деталей с высокой механической прочностью и точностью форм.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокой механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного синтеза из порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала путем цикличного лазерного послойного синтеза, включающем следующую последовательность формирования слоев за цикл: нанесение слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках, повторение указанных циклов до осуществления полного формирования изделия, в отличие от прототипа в качестве первого порошкового материала используется керамика, образующая при спекании оболочку формируемого изделия, а в качестве второго порошкового материала используется порошок из металла или сплава формируемого изделия, причем после каждого спекания слоя металла или сплава производят его расплавление и/или расплавление всего его объема, а после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава производят удаление керамики.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала послойный синтез осуществляют в вакууме или защитной среде, в магнитном, и/или электрическом, и/или ультразвуковом полях, при этом используют магнитное поле с индукцией до 0,2 Тл, электрическое поле напряженностью до 300 кВ/м и ультразвуковое поле с частотой 15-25 кГц, а расплавление металла или сплава производят лучом лазера, и/или электронно-лучевым методом, и/или индукционным методом.
2
2
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала, как варианты выполнения способа: после кристаллизации расплавленного металла или сплава до удаления керамики производят индукционный переплав с последующей повторной кристаллизацией; кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации; после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия; после повторной кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия; после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят его упрочняющую электроимпульсную обработку, причем электроимпульсную обработку проводят при плотности электрического тока от 10 МA/м до 200 МA/м.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала используют поршень рабочего бункера со спекаемыми слоями, который после спекания слоя первого порошкового материала перемещают вверх на толщину этого слоя, производят удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производят после возвращения поршня в прежнее положение.
Технический результат достигается также тем, что установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала, содержащая рабочую камеру с входным окном, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, роллер очистки, выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, в отличие от прототипа она содержит дополнительную рабочую камеру, также оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, причем, рабочая камера и дополнительная рабочая камера снабжены общим рабочим столом, в котором установлены упомянутые рабочие бункеры с поршнями, при этом общий рабочий стол выполнен с возможностью перемещения рабочих бункеров с поршнями в процессе формирования детали из рабочей камеры в дополнительную рабочую камеру и обратно.
Технический результат достигается также тем, что установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала может быть выполнена по следующим вариантам: рабочая камера и дополнительная рабочая камера расположены внутри общей камеры, обеспечивающей их герметизацию от внешней среды и снабженной системой вакуумирования и системой напуска защитных газов; рабочие бункеры с поршнями выполнены из диэлектрических теплостойких материалов и снабжены индукторами для нагрева изготавливаемых изделий; рабочие бункеры с поршнями снабжены индукторами, а рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера дополнительно снабжены электронно-лучевыми пушками и дополнительными лазерами; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера дополнительно снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки, выполненным с возможностью вертикального перемещения, а по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с отражателями для нагрева поверхности порошка.
Сущность изобретения поясняется схемами. На фиг.1 представлена установка для изготовления металлического изделия методом лазерного послойного синтеза с последующим расплавлением металла изделия. На фиг.2 изображена схема формирования металлического изделия согласно предлагаемому способу.
Фиг.1 и 2 содержат: 1 - общая камера; 2 - рабочая камера; 3 - лазер с системой сканирования и фокусировки луча; 4 - роллер очистки и каретка засыпки и укладки порошка; 5 - перегородка между рабочей камерой и дополнительной рабочей камерой; 6 - дополнительная рабочая камера; 7 - луч лазера; 8 - бункер-питатель; 9 - слои порошка спекаемого материала; 10 - рабочий бункер с поршнем; 11 - шток; 12 - индуктор; 13 - общий рабочий стол с рабочими бункерами; 14 - механизм поворота стола; 15 - слой первого порошкового материала (керамический порошок); 16 - слой первого порошкового материала, спеченный на заданных участках слоя; 17 - неспеченные участки первого порошкового материала; 18 - пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала; 19 - слой второго порошкового материала; 20 - готовое изделие после кристаллизации расплавленного металла или сплава и удаления керамики (А, В, С, D, Е, F, G, Н - стадии формирования изделия).
Устройство работает следующим образом (фиг.1). На поршень рабочего бункера 10, находящегося в исходном положении, при помощи 4 - роллера очистки и каретки засыпки и укладки порошка наносится слой керамического материала I (слой первого порошкового материала, образующий при спекании оболочку формируемого изделия) и производится его спекание лучом лазера 7 на всей рабочей поверхности для образования основания для формирования изделия 20. Затем производится повторное нанесение керамического материала I и его селективное спекание лучом лазера 7 с последующим удалением с поверхности 9 слоя неспеченной части порошка 17 керамического материала I при помощи роллера очистки 4 с образованием пространства между спеченными участками слоя керамического материала I (фиг.1 и фиг.2 А, В, С). Затем после поворота общего рабочего стола 13 и перемещением формируемого изделия из рабочей камеры 2 в дополнительную рабочую камеру 6 с помощью каретки засыпки и укладки порошка 4 в пространство между спеченными участками слоя керамического материала I производят нанесение, слоя второго порошкового материала (металла или сплава II) той же толщины и его селективное спекание на этих участках (фиг.2D). (При этом одновременно другое формируемое изделие перемещается из дополнительной рабочей камеры 6 в рабочую камеру 2, где на него наносится и селективно спекается керамический материал I.) Циклы поочередного нанесения и спекания керамики 15 и металла 19 повторяют до осуществления полного формирования изделия (фиг.2 E, F, G). При этом перед нанесением слоя порошка II (металла) поршень рабочего бункера 10 поднимается на высоту спекаемого слоя и с помощью роллера очистки 4, движущегося перпендикулярно движению каретки укладки порошка, и производится удаление предыдущего слоя материала I (неспеченных участков керамики 17). Каретка засыпки порошка 4 периодически пополняется порошком из бункеров питателей 8. В дополнительной рабочей камере 6 поршень рабочего бункера 10 опускают на высоту спекаемого слоя и наносят с помощью каретки 4 слой порошка. Укладка порошка производится двумя ножами каретки 4. На обратном ходу каретки 4 слой уплотняется роллером прикатки 4. Затем проводится селективное спекание слоя из порошка II. После окончания формирования изделия 20 производят полное расплавление металла (материала II) и его кристаллизацию по одному из следующих вариантов: поликристаллизации, направленной (моно)кристаллизации. При необходимости придания более высокой механической прочности проводят термообработку и/или упрочняющую обработку изделия. После окончания формирования изделия одним из известных способов, например травлением в кислотах, производят удаление керамического материала и получают готовое изделие (фиг.2Н).
Для оценки механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного синтеза из порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления были проведены следующие исследования свойств изделий, полученных по прототипу и по предложенному техническому решению. Указанными методами были получены образцы из порошков высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе и проведены сравнения их механической прочности.
Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.
Методом цикличного лазерного послойного синтеза были получены образцы из порошковых материалов на основе высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе. Первый порошковый материал: керамика на основе окиси алюминия и керамика на основе окиси циркония. Второй порошковый материал: первый вариант - сплав состава, в вес.%: Сr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное; второй вариант - сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное; третий вариант сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное; четвертый вариант - никелевый порошок. Использовали порошок с размерами частиц порошка от 25 мкм до 100 мкм. Производилось нанесение слоя первого порошкового материала толщиной 300 мкм и его селективное спекание на заданных участках слоя, обеспечивающих формирование заданных образцов. Подача порошка на рабочую плоскость бункеров с поршнями с последующим выглаживанием слоя порошка и удалением его избытка производилась вращающимся роликом. После нанесения первого слоя лишний, неспеченный порошок удаляли. Далее в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала наносили слой второго порошкового материала той же толщины и проводили его селективное спекание на этих участках. Количество указанных циклов повторяли до осуществления полного формирования образца. Расплавление спеченного сплава проводили по следующим вариантам: после каждого спекания слоя металла или сплава; расплавление всего его объема металла или сплава; после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава удаляли керамику.
-2
5
Послойный синтез (использовался лазер модели ЛС-03 мощностью до 300 Вт, скорость перемещения лазерного луча - до 150 мм/с) осуществляли по следующим вариантам: в вакууме (до P=3×10 Па); в защитной среде (аргоне Р=1,0×10 Па); в магнитном поле; в электрическом поле; в ультразвуковом поле; в магнитном и электрическом поле; в магнитном и ультразвуковом поле; в электрическом и ультразвуковом поле; в магнитном электрическом и ультразвуковом поле. При этом использовались поля со следующими параметрами: магнитное поле с индукцией до 0,2 Тл, электрическое поле напряженностью до 300 кВ/м и ультразвуковое поле с частотой 15-25 кГц. Выход за пределы указанных параметров приводил к снижению эффекта воздействия указанных полей на формируемый материал образцов.
Расплавление металла или сплава проводили следующими способами: лучом лазера; электронно-лучевым методом; индукционным методом; совместно лучом лазера и электронно-лучевым методом; совместно лучом лазера и индукционным методом; совместно электронно-лучевым и индукционным методом; совместно лучом лазера, электронно-лучевым и индукционным методом.
Был проведен также индукционный переплав (до удаления керамики) с последующей повторной кристаллизацией, который осуществлялся после первой кристаллизации расплавленного металла или сплава.
Кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводили методами направленной кристаллизации и направленной монокристаллизации.
После всех видов кристаллизации расплавленного металла или сплава проводили термообработку изделия, обеспечивающую повышение механических свойств металлов или сплавов (например, режимы термической обработки сплавов на никелевой основе: гомогенизация структуры и растворение включений при 770-780°С с ускоренным охлаждением; двухступенчатое старение: 8 часов при температуре 720°С, медленное охлаждение в течение 2 часов до 620-650°С и выдержка в течение 8 часов; ускоренное охлаждение).
2
2
Для дополнительного упрочнения материала образцов после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводилась его упрочняющая электроимпульсная обработка, причем электроимпульсная обработка при плотности электрического тока от 10 МA/м до 200 МA/м.
2
2
2
2
2
2
2
2
Плотность электрического тока процесса электроимпульсной обработки 8 МA/м - Н.Р. (Неудовлетворительный Результат.); 10 МА/м - У.Р. (Удовлетворительный Результат); 30 МА/м (У.Р.); 60 МА/м(У.Р.); 100 МА/м(У.Р.); 140 МА/м(У.Р.); 200 МА/м(У.Р.); 210 МА/м(Н.Р.).
Применение упрочняющей электроимпульсной обработки позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства изготавливаемых изделий. Воздействие мощных импульсов электрического поля на дефектную структуру металла или сплава приводит к дополнительному локальному тепловому воздействию, особенно интенсивно проявляющемуся в области его структурных дефектов. Это приводит к значительной интенсификации процессов восстановления структуры материала в областях с повышенной плотностью дефектов, которые протекают без перегрева основной массы металла обрабатываемой детали. Кроме того, дополнительным преимуществом от использования импульсов электрического поля является эффект упрочнения [Зуев Л.Б., Соснин О.В., Подборонников С.Ф. и др.//ЖТФ. 2000. Т.70. Вып.3. С.24-26.]. Наличие же значительных структурных дефектов материала, позволяет указанному эффекту наиболее сильно проявиться именно в дефектной зоне обрабатываемого материала. Для осуществления послойного лазерного синтеза материалов использовали поршень рабочего бункера со спекаемыми слоями, который, после спекания слоя первого порошкового материала перемещали вверх на толщину этого слоя, удаляли порошковый материал из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производили после возвращения поршня в прежнее положение.
Проведенные исследования показали на повышение прочности никеля и сплавов на основе никеля на 30-50% от прочности образцов, полученных по известному способу, а образцов, изготовленных из легированной стали, - на 25-40%. Точность изготовления изделия по заявляемому способу в 2..4 раза выше точности изделия, изготовленного по прототипу, что объясняется, в частности, наличием формы высокой точности, в которой происходит плавление и кристаллизация металла изготавливаемого изделия. Снижение трудоемкости изготовления по предлагаемому техническому решению значительно снижается из-за отсутствия стадии изготовления модели изделия, затем формы для литья, изготовленной по полученной модели (например, по методу литья по выплавляемым или выжигаемым моделям), а включает лишь две стадии: спекание материала изделия и его отливку.
2
2
Таким образом, использование в предлагаемом способе изготовления металлического изделия из порошкового материала путем цикличного лазерного послойного синтеза, следующих признаков: последовательность формирования слоев за цикл: нанесение слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя; удаление первого порошкового материала из неспеченных участков; нанесение, в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала, слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках; повторение указанных циклов до осуществления полного формирования изделия; в качестве первого порошкового материала используется керамика, образующая при спекании оболочку формируемого изделия; в качестве второго порошкового материала используется порошок из металла или сплава формируемого изделия; после каждого спекания слоя металла или сплава производят его расплавление и/или расплавление всего его объема; после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава производят удаление керамики; послойный синтез осуществляют в вакууме или защитной среде, в магнитном, и/или электрическом, и/или ультразвуковом полях; используют магнитное поле с индукцией до 0,2 Тл; электрическое поле напряженностью до 300 кВ/м; ультразвуковое поле с частотой 15-25 кГц; расплавление металла или сплава производят лучом лазера, и/или электронно-лучевым методом, и/или индукционным методом; после кристаллизации расплавленного металла или сплава, до удаления керамики производят индукционный переплав с последующей повторной кристаллизацией; кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации; после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия; после повторной кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия; после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят его упрочняющую электроимпульсную обработку; электроимпульсную обработку проводят при плотности электрического тока от 10 МА/м до 200 МА/м; используют поршень рабочего бункера со спекаемыми слоями, который, после спекания слоя первого порошкового материала перемещают вверх на толщину этого слоя, производят удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производят после возвращения поршня в прежнее положение;
а в предлагаемой установке для изготовления металлического изделия из порошкового материала использование следующих признаков: установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала, содержащая рабочую камеру с входным окном; лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча; рабочий бункер с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении; бункер-питатель; каретку засыпки и укладки порошка с роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка; дополнительную рабочую камеру, также оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка; рабочая камера и дополнительная рабочая камера снабжены общим рабочим столом в котором установлены упомянутые рабочие бункеры с поршнями, при этом общий рабочий стол выполнен с возможностью перемещения рабочих бункеров с поршнями в процессе формирования детали из рабочей камеры в дополнительную рабочую камеру и обратно; рабочая камера и дополнительная рабочая камера расположены внутри общей камеры, обеспечивающей их герметизацию от внешней среды и снабженную системой вакуумирования и системой напуска защитных газов; рабочие бункеры с поршнями выполнены из диэлектрических теплостойких материалов и снабжены индукторами для нагрева изготавливаемых изделий; рабочие бункеры с поршнями снабжены индукторами; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера дополнительно снабжены электронно-лучевыми пушками и дополнительными лазерами; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера дополнительно снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки, выполненным с возможностью вертикального перемещения; по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с отражателями для нагрева поверхности порошка, позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения, которым является обеспечение высокой механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного синтеза из порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления.