Способ изготовления высокоточной заготовки из порошка титанового сплава
METHOD FOR MANUFACTURING OF HIGH-PRECISION BILLET FROM TITANIUM ALLOY POWDER

Изобретение относится к области аддитивного производства и может быть использовано в различных отраслях промышленности при изготовлении сложных 3х-мерных изделий из титановых сплавов методом прямого лазерного выращивания.
Известен "Способ формирования металлической части на металлической подложке посредством осаждения накладываемых друг на друга слоев" патент РФ №2321678 от 10.04.2008, относящийся к способам изготовления 3-х мерных изделий посредствам технологии лазерной наплавки или прямого лазерного выращивания. Суть способа заключается в генерации лазерного излучения, направление его в зону выращивания и подаче в зону его воздействия металлического порошка. Постоянство геометрических размеров изделия обеспечивается варьированием мощности генерируемого в зону воздействия лазерного излучения таким образом, чтобы ванна расплава сохраняла свою геометрию.
В патенте РФ №2228243 "Способ и устройство для лазерной наплавки" от 10.05.2004 описана система автоматического регулирования послойной наплавки материала, содержащая лазер с возможностью регулирования мощности его излучения, средство подачи материала в ванну расплава для его плавления лазерным излучением для получения слоя наплавленного материала с заданной геометрией; системы контроля геометрии наплавляемого валика на базе оптоэлектрического чувствительного элемента и системы обратной связи, обеспечивающей автоматическое регулирование скорости процесса наплавки. Датчик системы контроля оснащен узкополосным фильтром, пропускающим отраженное от наплавленного покрытия излучение.
Недостатками данных способов является использование лазерного излучения с гауссовым распределением в поперечном сечении.
В качестве прототипа выбран патент РФ №151056 на «Устройство для лазерного спекания порошка» от 11.09.2014.
В нем приведено устройство, содержащее лазер и средство фокусирования, и средство относительного перемещения лазерного луча и поверхности спекаемого порошка, дополнительно снабжено оптической системой колебаний лазерного луча, предназначенной для последовательной установки между средством фокусирования и средством относительного перемещения. При реализации метода спекания на данном устройстве совершаются колебательные перемещения лазерного луча по двум взаимно перпендикулярным направлениям, нормальным к оси лазерного луча, которые контролируются системой управления процесса спекания, подключенной к оптической системе колебаний, выполненной в виде, в частном случае - плоского зеркала или призмы.
Недостатком метода, реализуемого на данном устройстве, является необходимость в большом количестве используемого порошка при подготовке слоя перед его спеканием во время создания изделия. Это повышает стоимость его изготовления. Мощность лазерного излучения в процессе колебания луча не меняется в разных местах обработки, это сказывается на качестве формирования слоев изделия, либо требует использования дополнительных поддерживающих опор.
Техническим результатом является изготовление 3х-мерной высокоточной заготовки из порошка титанового сплава с использованием способа прямого лазерного выращивания с повышением качеств формирования наплавляемых слоев.
Для решения задачи предложен способ изготовления высокоточной заготовки из порошка титанового сплава.
3D-модель изделия разбивают на слои в программном обеспечении или задают контур изделия вручную с пульта оператора, фокусируют лазерное излучение требуемой мощности в зону обработки с помощью оптической системы лазерной головки, металлический порошок подают в зону воздействия лазерного излучения (коаксиально или не коаксиально оптической оси лазерного излучения), рабочую герметичную камеру заполняют инертным газом - аргоном высшего сорта до избыточного давления, изменяют распределение лазерного излучения с использованием осциллирования лазерного излучения, мощность лазерного излучения изменяют программно по точкам.
Поставленная задача в заявляемом способе решается посредством послойного компьютерного разбиения модели изделия с шагом от 0,1 мм до 1 мм, заполнением объема рабочей герметичной камеры до избыточного давления 15 мБар, генерации лазерного излучения мощностью от 0,3 кВт до 5,0 кВт и его транспортировки в оптическую систему лазерной головки по транспортному волокну, фокусировки лазерного излучения с диаметром пятна на поверхности выращиваемой заготовки от 0,6 мм до 5 мм и осцилляции лазерного излучения с помощью модуля колебаний, встроенного в лазерную головку, с частотой от 300 Гц до 1000 Гц и амплитудой от 0,5 мм до 5 мм в зону взаимодействия с металлическим порошком (титановый сплав), подаваемым локально. Лазерная головка перемещается относительно заготовки по требуемой траектории со скоростью от 5 мм/сек до 50 мм/сек. Далее с использованием данных 3D-модели или данных программы, внесенных оператором вручную, высокоточную заготовку выращивают послойно.
Диапазоны варьирования параметров режима обусловлены следующим:
Техническим результатом заявляемого решения является изменение распределения лазерного излучения в поперечном сечении с гауссова – фиг. 1 а до равномерного. При этом при прямом лазерном выращивании высокоточной заготовки в процессе осцилляции из-за инерции компонентов модуля колебаний лазерное излучение воздействует на крайнюю область выращиваемой поверхности дольше по сравнению с промежуточной областью, обеспечивая больший вклад энергии по краям наплавляемого слоя – фиг. 1 б. В результате при прямом лазерном выращивании точных заготовок обеспечивается качественное сплавление слоев, образуя стенку с требуемой шероховатостью – фиг. 1 г, также увеличивается коэффициент захвата металлического порошка и производительность процесса выращивания. В случае же гауссова распределения (без осцилляции лазерного излучения) в процессе выращивания слои не сплавляются по краям из-за недостаточной мощности лазерного излучения, что влечет образование стенки с высоким значением шероховатости – фиг. 1 в снижение коэффициента захвата металлического порошка и производительности процесса прямого лазерного выращивания.