Способ аддитивного формования изделий из порошковых материалов
METHOD FOR ADDITIVE MOLDING OF ARTICLES FROM POWDER MATERIALS

Изобретение относится к технологии аддитивного получения изделий, обладающих сложной объемной формой, и может быть использовано в медицине, в нефтегазовом комплексе и машиностроении для изготовления изделий, работающих при повышенных температурах, под нагрузкой или в агрессивных средах.
Известны способ и устройство аддитивного изготовления деталей методом прямого осаждения материала, управляемого в электромагнитном поле из RU 2627527, опубл. 08.08.2017 [1].
Способ включает прямое осаждение потока гранул порошка металла или неметалла из накопительной емкости в ванну расплава на опорном столе для формирования детали, наплавляемой посредством тепловой энергии лазерного или электронного источника нагрева, и кристаллизацию расплава с обеспечением формирования детали. Осаждение гранул порошка ведут под действием сил тяжести и электромагнитных сил с обеспечением приобретения ими положительного или отрицательного заряда в полете, при этом управляют траекторией и скоростью движения гранул порошка в полете посредством электромагнитного поля в соответствии с заданной программой. Предложено также устройство для аддитивного изготовления деталей. Устройство для аддитивного изготовления деталей содержит лазерный или электронно-лучевой источник нагрева. Обеспечивается повышение эффективности аддитивного изготовления деталей.
Недостатком изобретения является невозможность применения в качестве материала для аддитивного изготовления деталей полидисперсных материалов.
Известны способ и система для аддитивного производства с использованием светового луча из RU2697470, опубл. 14.08.2019 [2].
Изобретение относится к получению трехмерных объектов способом аддитивного производства. Способ включает этапы: а) подачи строительного материала и b) расплавления строительного материала световым лучом. При этом этапы а) и b) выполняют так, чтобы поступательно изготавливать объект из расплавленного строительного материала. На этапе b) луч проецируют на строительный материал, чтобы создать на строительном материале первичное пятно, и луч неоднократно сканируют в двух измерениях в соответствии с первой моделью сканирования, чтобы создать эффективное пятно на строительном материале. Причем это эффективное пятно имеет двухмерное распределение энергии. Эффективное пятно смещается по отношению к изготавливаемому объекту, чтобы поступательно изготавливать объект путем расплавления строительного материала. Техническим результатом изобретения является повышение скорости и качества сплавления строительного материала.
Недостатком способа является то, что при изготовлении изделий из строительного материала происходит одновременное локальное сплавление материала, в отличие от предложенного способа аддитивного формования изделий из порошковых материалов с последующей термообработкой изделий в равновесных условиях, обеспечивающим равномерную усадку и предотвращающим возможное накопление внутренних напряжений, способных привести к снижению прочности изделия.
Известен способ изготовления детали и устройство для его осуществления из RU2021881, опубл. 30.10.1994 [3].
Сущность: компьютер либо вычисляет или заранее получает границы требуемых поперечных сечений детали. Для каждого поперечного сечения цель лазерного луча сканирует по слою порошка, и луч включается лишь для спекания порошка внутри границ поперечного сечения. Порошок наносится и последовательными слоями спекается до образования законченной детали. Порошок может быть из пластмассового, металлического керамического или полимерного вещества. В предпочтительном варианте цель лазера перемещается непрерывным растровым сканированием и лазер включается, когда луч нацелен внутрь границ конкретного поперечного сечения, формируемого в текущий момент. Предпочтительно, чтобы распределяющий порошок механизм имел барабан, который перемещается горизонтально над мишеневой областью и противоходово вращается, выравнивая и распределяя порошок в равномерный слой на мишеневой площадке. Нижетяговая система создает воздушный поток регулируемой температуры через мишеневую площадку, понижая температуру порошка во время спекания.
Недостатком способа является то, что при изготовлении детали из пластмассового, металлического, керамического или полимерного вещества происходит одновременное локальное спекание вещества, в отличие от предложенного способа аддитивного формования изделий из порошковых материалов с последующей термообработкой изделий в равновесных условиях, обеспечивающим равномерную усадку и предотвращающим возможное накопление внутренних напряжений, способных привести к снижению прочности изделия
Известен способ изготовления трехмерного изделия из RU2566117, опубл. 20.10.2015 [4]
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу изготовления трехмерного изделия. Способ изготовления трехмерного изделия  из жаропрочного сплава на основе никеля, кобальта или железа характеризуется тем, что осуществляют последовательное нанесение на пластину - подложку порошка или суспензии порошка сплава на основе никеля, кобальта или железа и наращивание изделия аддитивным процессом с получением изделия с анизотропией свойств. Затем проводят термическую обработку полученного изделия, обеспечивающую перекристаллизацию и/или укрупнение зерен для снижения анизотропии свойств изготавливаемого изделия. Изготавливают трехмерное изделие аддитивным способом без анизотропии свойств.
Технической проблемой изобретения является разработка способа формирования изделий из порошковых материалов методом аддитивного производства без явно выраженных анизотропных свойств.
Также техническим результатом способа является изготовление изделий, требующих минимальных затрат на их дополнительную обработку, возможность безотходного производства тонкостенных изделий сложной формы различного назначения.
Указанный технический результат достигается тем, что способ аддитивного формирования изделий из порошковых материалов включает экструзионную подачу органно-неорганической смеси в зону построения изделия с одновременным ее локальным тепловым разогревом и последующую термообработку сформированного изделия, при этом локальный тепловой разогрев смеси осуществляот пропусканием импульса электрического тока заданной длительности и амплитуды через органно-неорганическую смесь.
−1
−1
При этом в способе используют органическую составляющую смеси имеющую заданную для пропускания импульса тока проводимость, равную 0,01-0,03 Ом·м, а неорганическая составляющая смеси имеет полидисперсный гетерофазный состав с интервалом дисперсности порошков от 0,1 до 20 мкм.
Импульсы тока подбирают исходя из электропроводности органно-неорганической смеси и имеют амплитуду, равную 100-1000 В и длительность, равную 0,005-0,01 сек.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
Предложен способ аддитивного формования изделий из порошковых материалов, основанный на экструдировании органно-неорганической смеси.
PIM (CIM) технологии подразумевают формование «зеленого» продукта из смеси порошков (металлов или керамик) и полимерного связующего, требующего последующей отдельной стадии термообработки, что обеспечивает равномерную усадку по всему объему изделий и, соответственно, более совершенную структуру, без явно выраженных анизотропных свойств. В настоящее время PIM (CIM) технологии практически не имеют ограничений по составу компонентов порошковых систем.
Предложенный способ аддитивного формирования изделий из порошковых материалов включает экструзионную подачу органно-неорганической смеси в зону построения изделия с одновременным ее локальным тепловым разогревом и последующую термообработку сформированного изделия, при этом локальный тепловой разогрев смеси осуществляот пропусканием импульса электрического тока заданной длительности и амплитуды через органно-неорганическую смесь.
Ток проходит сквозь полимерно-неорганическую смесь от электрода-анода, расположенного на конце сопла экструдера, послойно наносящего полимерно- неорганическую смесь, к металлической поверхности, на которой происходит аддитивное формование изделия - катоду. Протекание тока вызывает локальный нагрев и сплавление органического компонента состава в монолит, наполненный порошковым материалом.
н
Органическая составляющая смеси имеет заданную для пропускаия импульса тока проводимость. Неорганическая составляющая смеси имеет полидисперсный гетерофазный состав. Это является отличием от традиционных PIM (CIM) аддитивных методов производства изделий из металлических и керамических порошков, в которых применяются гомогенные порошковые составы, представленные частицами, имеющими одинаковый размер, форму и состав.
Импульсы тока подбирают путем теоретического расчёта исходя из электропроводности органно-неорганической смеси. После формования изделие подвергают отжигу для удаления связующего и обеспечения припекания неорганических частиц и спеканию для снижения анизотропии свойств изготавливаемого изделия.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Разработка предлагаемого способа проводилась на примере полидисперсных гетерофазноых порошковых материалов
2
2
Приготовление порошковых смесей осуществлялось в высокоэнергетическом смесителе марки МА-2Д. Длительность обработки в мельнице составляла 3 минуты при центробежном ускорении 1000 м/с в атмосфере аргона. В качестве смесителей использовались сферические мелющие тела ZrO.
Введение в порошковую смесь связующего осуществлялось в барабанном смесителе в среде этанола в течение 10 минут. Соотношение объемных долей исходной порошковой смеси и связующего составляет от 10:1 до 5:1. Связующее представляло собой высоковязкую составляющую - полиацетилен и/или полипиррол и парафин, взятых в соотношении объемных долей 1:1. После смешивания порошкового и пластичных компонентов происходило высушивание смеси до влажности не более 25 %.
−1
−1
Оптимальный количественный состав связующего из парафинового воска и полиацетилена и/или полипиррола 1:1 обеспечивает достаточную жесткость изделия после удаления связующего и хорошую газопроницаемость для последующего удаления высокомолекулярного компонента. Органическая составляющая смеси имеет заданную для пропускания импульса тока проводимость, равную 0,01-0,03 Ом·м.
Формование изделия проводилось на экспериментальной установке аддитивного формования изделий путем экструзионной шнековой подачи органно-неорганической смеси в зону формирования изделия и последующего локального теплового нагрева смеси. Локальный разогрев органно-неорганической смеси в зоне построения изделия осуществляли пропусканием импульса электрического тока с длительностью, равной 0,005-0,01 сек и амплитудой, равной 100-1000 В. При этом происходило сплавление частиц органической составляющей смеси, что приводило к формированию монолита из органического полимера, наполненного порошковым материалом.
После формования изделие подвергалось отжигу в вакуумной печи при температуре 1200-1300°С, скорости нагрева 50°С в час и выдержке 1 час для удаления связующего и обеспечения начального припекания неорганических частиц.
В случаях с керамическими порошками, производилось последующее спекание в вакуумной печи при 1800±10°С, скорость нагрева 300°С в час и выдержке 1 час, что обеспечивает равномерную усадку по всему объему изделий и, соответственно, более совершенную структуру, без явно выраженных анизотропных свойств.
Пример 1.
2
2
Формуют образец в форме диска диаметром 20 мм и высотой 4 мм из полидисперсного гетерофазного керамического порошкового материала состава: ZrC-BN-ZrB-SiC со средним размером частиц: ZrC 1,4 мкм, BN 5 мкм, ZrB 0,5 мкм, SiC 1 мкм, CNT 0,1 мкм.
2
2
2
Исходная порошковая смесь содержала 40 объемных % ZrC, 5 объемных % BN, 40 объемных % ZrB, 10 объемных % SiC и 5 объемных % CNT и была получена путем высокоэнергетическоой обработки в смесителе марки МА-2Д в течении 3 минут при центробежном ускорении 1000 м/с в атмосфере аргона. В качестве смесителей использовались сферические мелющие тела ZrO при отношении массы мелющих тел к массе порошка 5:1.
Приготовление порошковой смеси для аддитивного производства образца из порошковой смеси компонентов вышеуказанного состава и высоковязкой составляющей – полиацетилен и парафинового воска, взятых в соотношении объемных долей 1:1, осуществляли в барабанном смесителе в среде этанола в течение 10 минут. Соотношение объемных долей порошковой смеси компонентов вышеуказанного состава и высоковязкой составляющей 17:3.
−1
−1
Формование образца проводилось путем экструзионной шнековой подачи органно-неорганической смеси в зону формирования изделия и последующего локального теплового нагрева смеси. Органическая составляющая смеси имеет для пропускания импульса тока проводимость, равную 0,01-0,03 Ом·м. Локальный разогрев органно-неорганической смеси в зоне построения изделия осуществляли пропусканием импульса электрического тока с длительностью 0,01 сек и амплитудой 900 В. При этом происходило сплавление частиц органической составляющей смеси, что приводило к формированию монолита из органического полимера, наполненного керамическим порошком.
После формования образец подвергался отжигу в вакуумной печи при температуре 1200°С, скорости нагрева 50°С в час и выдержке 1 час для удаления связующего и обеспечения начального припекания неорганических частиц. Последующее спекание производилось в вакуумной печи при 1800°С, скорость нагрева 300°С в час и выдержке 1 час для обеспечения консолидации и спекания образца с целью снижения анизотропии свойств материала образца.
Пример 2.
2
2
Формуют образец в форме диска диаметром 20 мм и высотой 4 мм из полидисперсного гетерофазного керамического порошкового материала состава TiC-BN-ZrB-SiC-CNT со средним размером частиц: TiC 1 мкм, BN 5 мкм, ZrB 0,5 мкм, SiC 1 мкм, CNT 0,1 мкм.
2
2
2
Исходная порошковая смесь содержала 40 объемных % TiC, 5 объемных % BN, 40 объемных % ZrB, 10 объемных % SiC и 5 объемных % CNT и была получена путем высокоэнергетическоой обработки в смесителе марки МА-2Д в течении 3 минут при центробежном ускорении 1000 м/с в атмосфере аргона. В качестве смесителей использовались сферические мелющие тела ZrO при отношении массы мелющих тел к массе порошка 5:1.
Приготовление порошковой смеси для аддитивного производства образца из порошковой смеси компонентов вышеуказанного состава и высоковязкой составляющей – полипиррол и парафинового воска, взятых в соотношении объемных долей 1:1, осуществляли в барабанном смесителе в среде этанола в течение 10 минут. Соотношение объемных долей порошковой смеси компонентов вышеуказанного состава и высоковязкой составляющей 10:1.
−1
−1
Формование образца проводилось путем экструзионной шнековой подачи органно-неорганической смеси в зону формирования образца и последующего локального теплового нагрева смеси. Органическая составляющая смеси имеет заданную для пропускания импульса тока проводимость, равную 0,01-0,03 Ом·м. Локальный разогрев органно-неорганической смеси в зоне построения образца осуществляли пропусканием импульса электрического тока с длительностью 0,01 сек и амплитудой 950 В. При этом происходило сплавление частиц органической составляющей смеси, что приводило к формированию монолита из органического полимера, наполненного керамическим порошком.
После формования образец подвергался отжигу в вакуумной печи при температуре 1200°С, скорости нагрева 50°С в час и выдержке 1 час для удаления связующего и обеспечения начального припекания неорганических частиц. Последующее спекание производилось в вакуумной печи при 1800°С, скорость нагрева 300°С в час и выдержке 1 час для обеспечения консолидации и спекания образца с целью снижения анизотропии свойств изготавливаемого материала образца.
Пример 3.
Формуют образец в форме диска диаметром 20 мм и высотой 3 мм из металлического порошкового материала состава Fe-Ni.
2
Исходная порошковая смесь содержала 65 весовых % Fe со средним размером частиц 20 мкм, 35 весовых % Ni со средним размером частиц 10 мкм и была получена путем высокоэнергетическоой обработки в смесителе марки МА-2Д в течении 3 минут при центробежном ускорении 1000 м/с в атмосфере аргона. В качестве смесителей использовались сферические мелющие тела из стали марки ВК8 при отношении массы мелющих тел к массе порошка 5:1.
Приготовление порошковой смеси для аддитивного производства образца из порошковой смеси компонентов вышеуказанного состава и высоковязкой составляющей – полиацетилена и парафинового воска, взятых в соотношении объемных долей 1:1 осуществляли в барабанном смесителе в среде этанола в течение 10 минут. Соотношение объемных долей порошковой смеси компонентов вышеуказанного состава и высоковязкой составляющей 10:1.
−1
−1
Формование образца проводилось путем экструзионной шнековой подачи органно-неорганической смеси в зону формирования образца и последующего локального теплового нагрева смеси. Органическая составляющая смеси имеет заданную для пропускания импульса тока проводимость, равную 0,01-0,03 Ом·м. Локальный разогрев органно-неорганической смеси в зоне построения образца осуществляли пропусканием импульса электрического тока с длительностью 0,005 сек и амплитудой 870 В. При этом происходило сплавление частиц органической составляющей смеси, что приводило к формированию монолита из органического полимера, наполненного металлическим порошком.
о
о
-6
−1
После формования образец подвергался отжигу в вакуумной печи при температуре 1300 С, скорости нагрева 50 С в час и выдержке 1 час для удаления связующего и обеспечения спекания неорганических частиц. Полученный материал образца обладает коэффициентом теплопроводности, равным 1,5*10 K,однородным по указанному свойству по всему объему образца.
Предлагаемый способ позволяет изготавливать изделия, требующие минимальных затрат на их дополнительную обработку, а также осуществлять безотходное производство тонкостенных изделий сложной формы различного назначения.