СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ПОСЛОЙНОГО ЛАЗЕРНОГО СИНТЕЗА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДЕФОРМАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ
METHOD FOR PRODUCING METAL PRODUCTS FROM POWDER MATERIAL BY LAYER-LAYER LASER SYNTHESIS METHOD USING DEFORMATION TREATMENT

Изобретение относится к изготовлению трехмерного изделия из порошкового материала посредством выборочного расплавления порошка в виде последовательно накладываемых слоев из одного или различных порошков.
Способ включает последовательное нанесение слоев порошка из одного или различных материалов, их выравнивание и программируемое селективное спекание или сплавление заданной области в плоскости каждого слоя. Эти способы известны под названиями прямое лазерное спекание металлов, селективное лазерное плавление, послойный лазерный синтез, плавление лазерным лучом или электронно-лучевое плавление. Устройство для осуществления способа состоит из рабочей камеры и бункера подачи порошка. Оплавление порошка осуществляется лазерным излучением, сканирующим его поверхность. Порошок переносится из бункера подачи в рабочую камеру и разравнивается в рабочей камере ножом или валиком.
Известен процесс селективного лазерного выращивания деталей из металлических порошков, который включает последовательное нанесение и выравнивание слоев порошка роликом из бункера с порошком, выборочное сплавление или спекание лазерным лучом заданной области, нанесение нового слоя и его спекание. После оплавления каждого слоя подложка рабочей камеры опускается и наносится, и сплавляется или спекается новый слой до получения готового изделия (Лазерные аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие / Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И., Третьяков Р.С. / под общей редакцией Григорьянца А.Г. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2018, с. 65).
Недостатком известного способа и устройства является образование дефектов в изделии (пористость, расслоение и внутренние напряжения, комкование (расплавленные частицы металлического порошка затвердевают в сферы вместо слоев), микроструктурная неоднородность) после сплавления или спекания вследствие неравномерного распределения и недостаточной плотности порошка в нанесенном слое вследствие неодинаковой формы и размеров частиц порошка. Поэтому к порошкам при селективном лазерном выращивании изделий предъявляются высокие требования по форме, размерам частиц, а это резко повышает их стоимость и ограничивает область использования этих технологий. Главным требованием к порошкам для селективного лазерного выращивания изделий является сферическая форма частиц порошка при низкой дисперсности, высокая однородность гранулометрического состава. Сферическая форма обеспечивает более компактную укладку частиц в определенный объем и более высокую плотность материала перед спеканием или сплавлением, а также повышает текучесть порошка с минимальным сопротивлением текучести в зоне подачи.
Прототипом изобретения является способ получения металлического изделия послойным лазерным синтезом из порошка, который включает послойную укладку порошка на предметном столе принтера, послойное проплавление порошка с обеспечением синтеза металломатричного композиционного материала под воздействием теплового источника по твердотельной модели изделия, знакопеременную деформацию проплавленного слоя в два этапа, причем на первом этапе обеспечивают локальное выдавливание материала проплавленного слоя из зоны под инструментом с его выпучиванием в зоне, окружающей инструмент, при ограничении направляющей матрицей, а на втором этапе выдавленный металл из зоны, окружающий инструмент, перемещают в его исходное положение (Богатов А.А., Салихянов Д.Р. Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала методом послойного лазерного синтеза с применением деформационной обработки. Патент № 2657971, B22F 3/105, B33Y 40/00).
Недостатком известного способа является образование дефектов в изделиях после их сплавления (пористости, расслоений и остаточных напряжений, комкование) вследствие неоднородной плотности и дисперсности порошка, так как лазерной обработке подвергается исходный (не уплотненный) порошковый слой, высокие требования к высокие требования к порошкам по их форме и дисперсности, низкая технологическая возможность, связанная с трудностью осуществления, а на изделиях сложной формы – с невозможностью осуществления.
Техническая задача изобретения состояла в устранении недостатков известных технических решений.
Технический результат предлагаемого изобретения - снижение дефектообразования в изделиях и повышение качества сплавления или спекания изделия за счет достижения для каждого слоя порошка оптимальной и равномерной плотности, обеспечивающей достаточную поверхностную активность микрочастиц при спекании, снижение требований к порошкам по их форме и дисперсности, повышение технологических возможностей процесса.
Технический результат достигается тем, что обработка каждого слоя изделия после выравнивания порошка производится в три этапа, причем на первом этапе производится обработка порошка лазерным излучением по периметру (границе) изделия, на втором этапе обработанный лазерным излучением периметр изделия и находящийся внутри него порошок подвергаются деформации осадкой или прокаткой, на третьем этапе производится обработка лазерным излучением порошка внутри проплавленного периметра или обработанного на первом этапе периметра изделия и находящегося внутри него порошка.
Анализ свойств используемых порошковых материалов показывает, что теоретическая плотность укладки сферических частиц одной фракции может составлять около 70-75%. Если добавить частицы более мелкого размера, то они будут размещаться в свободном пространстве между крупными частицами, таким образом можно достичь значений плотности порядка 85 -88%. Такая плотность исходного порошка не обеспечивает получение методами послойного синтеза изделий высокого качества.
Деформация осадкой или прокаткой порошка, находящегося в замкнутом объеме, ограниченном снизу готовой (проплавленной) поверхностью предыдущего слоя изделия, с боков - проплавленным периметром очередного слоя изделия на первом этапе его формирования, сверху - осаживаемым инструментом, позволяет повысить плотность порошка перед его лазерной обработкой. Это повысит плотность готового изделия, уменьшит дефектообразование, повысить качество сплавления или спекания, механические характеристики изделия. Анализ показывает, что для достижения заявленных целей необходимо, чтобы деформация подвергаемого осадке или прокатке слоя порошка составляла 2-12% в зависимости от формы и дисперсности исходного порошка, заданных свойств изделия.
Результат формования (деформации сжатием) порошка зависит от величины и направленности действующего усилия, характера нагрузки, ряда других факторов. Для повышения степени уплотнения порошка приложенное усилие может быть динамическим (механические колебания, ультразвуковые колебания). Деформация частиц при формовке может быть одновременно упругой, хрупкой и пластической. Сближение частиц может сопровождаться увеличением площади контакта, не сопровождаясь или сопровождаясь их деформацией. По мере повышения усилия частицы порошка, уплотняясь, заполняют пустоты. При этом отдельные частицы или весь порошок претерпевают пластическую деформацию.
σ
σ
сж
т.
Изменение объема порошкового тела при прессовании происходит в результате процессов уплотнения – консолидации. Плотность порошка зависит от давления (усилия), влияние которого можно условно разделить на три этапа. На первом этапе небольшое повышение давления вызывает значительное увеличение плотности за счет уменьшения пустот и более плотного расположения частиц. В целом первый этап характеризуется «свободным» перемещением частиц. На втором этапе по мере повышения давления происходит сглаживание поверхности частиц за счет трения друг о друга, сдирание оксидных пленок, рост контактного сечения. Появляются силы межатомного взаимодействия, и, как следствие, сопротивление порошкообразного тела внешнему давлению увеличивается, повышение плотности порошковой массы затормаживается. На третьем этапе давление прессования превышает сопротивление частиц упругой деформации. Начинается и протекает процесс их пластического деформирования, металл «течет» и заполняет пустоты. Выбор степени уплотнения (деформации) порошка определяется в зависимости от требуемой плотности порошка и свойств исходного порошка и готового изделия. При этом при выборе степени деформации необходимо соблюдать условие, что наибольшее напряжение сжатия в готовых слоях изделия не превышало предел текучести материала, т.е.  ≤  Это условие имеет важное значение при получении изделий с большим перепадом сечений по слоям.
В связи с тем, что при проведении патентно-информационного поиска и анализа предлагаемого способа не было обнаружено технических решений, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими предлагаемый способ от прототипа, заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию «существенные отличия».
Для решения поставленной задачи предложен способ, который включает обработку каждого нанесенного и выравненного слоя порошка заданной толщины в три этапа, причем на первом этапе производится обработка порошка лазерным излучением по периметру (границе) изделия, на втором этапе обработанный лазерным излучением периметр изделия и находящийся внутри него порошок подвергаются деформации осадкой или прокаткой, на третьем этапе производится обработка лазерным излучением порошка внутри проплавленного периметра или обработанного на первом этапе периметра изделия и находящегося внутри него порошка.
Сущность предложенного способа поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.
На фиг. 1, 2, 3 представлены этапы обработки каждого слоя получаемого изделия.
На фиг. 1 показан первый этап обработки выравненного слоя порошка 1 лазерным излучением 2 по периметру (границе) 3 изделия 4.
На фиг. 2 показан второй этап – обработанный лазерным излучением периметр изделия и находящийся внутри него порошок подвергаются деформации инструментом 5.
На фиг. 3 показан третий этап – производится обработка лазерным излучением 2 порошка внутри проплавленного на первом этапе периметра или всего слоя (проплавленного периметра и порошок внутри проплавленного периметра).
b
h
b/h = 1-5
После нанесения и выравнивания ножом или валиком 6 очередного слоя порошка происходит его обработка в три этапа. На первом этапе производится обработка порошка лазерным излучением по периметру (границе) изделия. Ширина обработанного на первом этапе лазерным излучением периметра изделия «» выбирается из условия, что он должен обладать определенной прочностью и устойчивостью при последующей деформации. При деформации этот периметр подвергается осадке и давлению изнутри сжимаемым порошком. На основе анализа напряженно-деформированного состояния деформируемого слоя, его устойчивости при деформации и с учетом размеров изделия, параметров порошка и технических характеристик оборудования ширина обрабатываемого на первом этапе периметра выбирается в пределах 1-5 его толщины «», т.е. .
Деформация осадкой или прокаткой на втором этапе порошка, находящегося в замкнутом объеме, ограниченном снизу готовой (проплавленной) поверхностью предыдущего слоя изделия, с боков – проплавленным периметром очередного слоя изделия на первом этапе его формирования, сверху – осаживаемым инструментом, позволяет повысить плотность порошка перед его лазерной обработкой до заданного уровня. Это повысит плотность готового изделия, уменьшит дефектообразование, повысить качество сплавления или спекания, механические характеристики изделия.
Для достижения требуемой плотности порошка необходимо, чтобы деформация подвергаемого осадке или прокатке слоя порошка составляла 2-12%.
Степень деформации определяется по следующей зависимости:
ε =(H
- H
)/ H
,
о
1
о
о
1
где: H , H – высота слоя порошка до и после деформации.
Отсюда перемещение инструмента при деформации равно:
ΔH = ε H
о
.
При деформации на втором этапе порошка, находящегося в замкнутом объеме, действует схема напряженного состояния всестороннего сжатия, так как оболочка по периметру сжимаемого слоя препятствует вытеснению порошка в стороны при его деформации. Это повышает пластичность материала и расширяет технологические возможности по уплотнению материала.
Р
Плотность порошка зависит от давления (усилия) . Для повышения степени уплотнения порошка приложенное усилие может быть динамическим (механические колебания, ультразвуковые колебания). При деформации под действием механических или ультразвуковых колебаний оболочка по периметру сжимаемого слоя препятствует вытеснению порошка в стороны при его деформации, так как порошок деформируется в замкнутом объеме. Это способствует повышению плотности материала после деформации. При деформации под действием ультразвуковых колебаний частота колебаний может находиться в пределах 16 - 45 кГц. При этом частицы порошка при формовке могут испытывать в зависимости от приложенного усилия упругую и пластическую деформацию. Пластическая деформация наступает в том случае, если давление превышает сопротивление частиц упругой деформации и начинает протекать процесс их пластического деформирования. Частицы металла изменяют свою форму и заполняют пустоты.
Р
σ
< σ
сж
т
При выборе степени деформации и требуемого для этого усилия  необходимо соблюдать условие, чтобы наибольшее напряжение сжатия в готовых слоях изделия было меньше предела текучести материала изделия, т.е. . Отсюда вытекает, что максимальное усилие, которым можно деформировать слой порошка должно быть меньше произведения предела текучести материала изделия на площадь изделия в минимальном сечении
Fmi
Рmax < σ
F
т
mi
n
n (фиг. 3): .
Это условие имеет важное значение при получении изделий с большим перепадом сечений по слоям. Его необходимо учитывать также при создании цифровой модели изделия и его расположении при селективном лазерном синтезе.
После третьего этапа обработки слой порошка получает окончательные характеристики аддитивного изделия и начинается обработка следующего слоя.