Получение композиционных материалов с программируемой структурой из гранул различного химического состава методом послойного электронно-лучевого синтеза

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 621.791.722; 621; 621.762.04

Получение композиционных материалов с программируемой структурой из гранул различного химического состава методом послойного электронно-лучевого синтеза

Ю. А. Соколов

В настоящей статье рассматриваются вопросы повышения свойств конструкционных и инструментальных материалов на базе технологии синтеза изделий электронным лучом, которая открывает новые возможности по созданию композиционных материалов из гранул различного химического состава, в том числе из гранул химически активных металлов, получению материалов с программированной структурой и заранее прогнозируемыми свойствами.

Ключевые слова: композиционные материалы, синтез, электронный луч, структура материала, химический состав.

Дальнейшее развитие и совершенствование технологии получения новых конструкционных и инструментальных материалов, обладающих высокими показателями эксплуатационных характеристик и технологической пластичностью, является актуальной задачей.

К наиболее перспективным способам получения новых композиционных материалов (КМ) можно отнести:

• способ на базе порошковой (гранульной) металлургии для получения многокомпонентных КМ;

• металлургический способ создания металлических упрочненных систем;

• металлургический способ с использованием скоростного охлаждения сплава в жидком и твердом состояниях для получения высокоэнтропийных сплавов.

Горячее изостатическое прессование обеспечивает достижение однородной микроструктуры и свойств по всему сечению изделия независимо от ее размеров и формы [1].

В последнее время значительное развитие получила технология послойного синтеза изделий с помощью лазерного луча [2, 3]. Технология обычно применяется при разра-

ботке новых изделий для получения реальной детали на стадии проектирования.

Известна технология быстрого прототипи-рования для синтеза деталей электронным лучом из гранул тугоплавкого сплава [4, 5]. Однако ориентированность технологии на использование гранул одного химического состава, отсутствие механизма управления химическим составом и структурой материала существенно ограничивают ее возможности.

В настоящей статье рассматриваются вопросы повышения свойств конструкционных и инструментальных материалов на базе технологии синтеза изделий электронным лучом (СИЭЛ), которая открывает новые возможности по созданию КМ из гранул различного химического состава, в том числе из гранул химически активных металлов, получению материалов с программированной структурой и заранее прогнозируемыми свойствами.

Основу СИЭЛ составляет следующая последовательность технологических операций (рис. 1):

• получение заготовки;

• распыление заготовки для получения сферических гранул;

новые материалы и технологии производства

Рис. 1. Этапы получения новых композиционных материалов с программируемой структурой из гранул

• послойный синтез изделий электронным лучом из сферических гранул в вакуумной камере;

• уплотнение изделия методом горячего изостатического прессования в газостате.

Из известных на сегодня способов получения заготовки из тугоплавких металлов можно выделить вакуумный дуговой, электроннолучевой, индукционный с холодным тиглем.

В промышленном производстве используются следующие способы, обеспечивающие получение материала в форме гранул: центробежное распыление расходуемой заготовки, центробежное распыление с вращающимся тиглем, газоструйное распыление, распыление растворенным водородом.

Метод центробежного распыления расплава с торца прутковой заготовки, оплавляемой плазменной дугой, на протяжении нескольких десятилетий успешно применяется для получения гранул из жаропрочных никелевых сплавов. Благодаря высокой скорости кристаллизации гранул удается устранить поры, раковины, грубые скопления фаз.

Однако гранулирование из твердого вращающегося электрода имеет существенное ограничение, так как из сплавов, имеющих жидко-твердую фазу более 30 °С, могут

образовываться гранулы с химическим составом, соответствующим точке солидус, точке ликвидус, и промежуточным химическим составом [6]. Поэтому для получения гранул тугоплавких металлов может быть использован метод центробежного распыления расплава из гарнисажного тигля.

Метод газового распыления заключается в следующем. В плавильном индукционном блоке используется холодный тигель с донным сливом, предназначенный для исключения загрязнения расплава продуктами взаимодействия с материалом тигля и хорошего перемешивания расплава в ванне. Струя тугоплавкого металла распыляется в циркулирующем охлаждаемом инертном газе. Метод не требует получения специальной литой заготовки.

Имея гранулы разных металлов, можно осуществить синтез изделий электронным лучом в вакууме. При плавлении гранул на подложке осуществляется термическая обработка слоя вследствие воздействия мощного источника энергии. Происходящие при этом структурные и фазовые превращения определяют свойства и структуру синтезируемого изделия.

В настоящее время проведено большое количество работ по улучшению свойств поверхностного слоя деталей с использованием электронного луча. Так, в инструментальных и быстрорежущих сталях в результате импульсной электронно-лучевой обработки измельчаются карбиды, что повышает твердость на 20 % [7, 8]. Кроме этого, электронно-лучевая обработка способствует повышению износоустойчивости инструмента в 2-10 раз [9].

СИЭЛ позволяет проводить термическую обработку не только поверхностного слоя, но и в процессе «роста» изделия, формируя тем самым программную структуру, например с упрочняющими фибрами.

Электронно-лучевая пушка, работающая в импульсном режиме, позволяет формировать структуру материала в двух режимах: без оплавления и с оплавлением. Для первого режима реализуются эффект термоупрочнения тонкого последнего слоя гранул, зональный отжиг, фазообразование и структурные изменения. Второй режим модифицирования применяют для гомогенизации, рафинирования, перемешивания в жидкой фазе компонентов [10].

11ЕШШЬРАБ0ТКД

При импульсном упрочнении максимальную температуру поверхности гранул можно оценить по соотношению

Tmax = 2дл/ПрсХДт,

где д — плотность мощности электронного пучка; № — длительность импульса электронного пучка; р, с и X — соответственно плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность металла.

Охлаждение поверхности металла после окончания импульса осуществляется по закону [10]:

T = Tmaxerf (Д* / t - ДО0'5,

(2),

где t — время.

При разработке модели можно использовать разложение интеграла вероятности erf в ряд [11]:

erf x =

yfn

2 (-i)'

22n+1

n=0

n !(2n +1)'

Управляющими параметрами для получения в каждом слое материала заданной структуры являются:

• ток луча;

• скорость сканирования;

• время импульса луча;

• время паузы.

Таким образом, одновременно с синтезом изделия происходит послойное формирование его структуры.

Новые КМ с необходимым комплексом прочностных и пластичных свойств получают сочетанием основных гранул и упрочняющих гранул. В качестве последних могут быть использованы гранулы химически активных тугоплавких металлов размером от 1 до 50 мкм, которые позволяют реализовать различные многокомпонентные системы: карбиды, бори-ды, нитриды титана, молибдена, вольфрама, гафния, тантала, ниобия.

СИЭЛ позволяет распределить гранулы различного химического состава по всему объему изделия в заданном порядке. Исследование подобных систем, особенностей композиций гранул различных химического, фазового и фракционного составов в необходимых пропорциях в целях прогнозирования свойств новых КМ представляет собой актуальную задачу. Необходимый градиент физико-механических свойств удается получить комбинацией гранул различных химических элементов, режимов плавления гранул.

На рис. 2 изображена композиция многокомпонентного материала, состоящая из гранул четырех составляющих (цифры 1, 2, 3 и 4 условно обозначают гранулы первого, второго, третьего и четвертого химического состава). На рис. 2, а представлена композиция гранул для горизонтального слоя, на рис. 2, б — вертикальная композиция.

б)

а)

2 1 4 2 3

1 1 4 4 4

2 2 2 1 3

3 3 2 4 2

1 4 1 3 3

'У/у/

у у у у

у у у у у

1 2 4 1 2

4 3 2 4 1

3 3 4 1 4

1 4 1 3 3

3 1 2 4 2

У

у

У

у

У / У У

Рис. 2. Структура четырехкомпонентного материала в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях

№ 3 (75)/2013

49

МЕТ^ПШБРДШКА

новые материалы и технологии производства

Предлагаемый подход позволяет увеличить количество методов управления структурой детали, повысить уровень управляемости и повторяемости параметров технологического процесса, исключить влияние субъективных факторов на процесс синтеза.

Управляя токами луча, фокусировки и отклонения, можно формировать химический состав и структуру изделия не только в вертикальной плоскости, но и горизонтальной. Алгоритм формирования химического состава и структуры изделия электронным лучом представлен на рис. 3.

Технология получения многокомпонентного КМ заданного химического состава и программируемой структуры включает следующие операции:

1) установку необходимого количества бункеров с гранулами различного химического состава в рабочую камеру;

2) получение вакуума в рабочем объеме;

3) формирование электронного луча;

4) предварительный нагрев поверхности подложки электронным лучом;

5) выбор бункера с гранулами первого материала для формирования первого горизонтального слоя;

6) нанесение гранул первого материала на поверхность подложки;

7) плавление электронным лучом гранул первого материала для формирования в горизонтальном слое заданной композиции первого металла;

8) очистка щеткой поверхности подложки от неиспользованных гранул первого материала;

9) выбор бункера с гранулами второго материала;

10) нанесение гранул второго материала на поверхность подложки;

11) плавление электронным лучом гранул второго материала для формирования в горизонтальном слое заданной композиции второго металла;

12) очистка щеткой поверхности подложки от неиспользованных гранул второго материала;

13) выбор бункера с гранулами следующего материала;

14) повторение процесса до полного формирования заданного химического состава горизонтального слоя изделия с участием всех компонентов.

Рис. 3. Алгоритм формирования химического состава изделия из гранул

Далее осуществляется переход к формированию второго горизонтального слоя. Перемещают подложку с деталью вниз на толщину расплавленного слоя и выбирают бункер с гранулами заданного материала для формирования второго горизонтального слоя. Происходят нанесение гранул первого материала для формирования второго горизонтального слоя на поверхность подложки, плавление электронным лучом гранул материала для формирования во втором горизонтальном слое запрограммированной композиции первого материала. По аналогии с пунктами 8-14 процесс повторяется до полного формирования второго горизонтального слоя изделия с участием

№ 3 (75)/2013

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

всех компонентов различного химического состава.

Затем осуществляется переход к формированию третьего и последующих слоев. При достижении необходимой высоты деталь охлаждается в течение заданного времени в вакууме.

Выводы

1. Принципиальное отличие нового подхода от известных заключается в назначении технологии: получение новых КМ с программируемой структурой из гранул различного химического состава, включая гранулы химически активных материалов.

2. Композиция гранул различного химического состава в каждом горизонтальном и вертикальном слое материала может быть разная.

3. В ходе технологического процесса осуществляется программированное формирование структуры изделия вследствие локальной термической обработки изделия электронным лучом. Происходящие при этом структурные и фазовые превращения определяют свойства и структуру синтезируемого изделия.

4. Работа электронной пушки в импульсном режиме позволяет осуществить модифицирование поверхности в целях создания искусственных КМ с упрочняющими фазами в виде волокон.

5. СИЭЛ обеспечивает изготовление полнофункциональных прототипов из тугоплавких металлов (титан, молибден, вольфрам, ниобий), стали или кобальта. Последующая обработка может быть произведена традиционными методами, такими как высокоскоростная обработка, токарная обработка, полировка.

6. Предлагаемая технология обеспечивает оперативное изготовление изделий сложной геометрической формы, в том числе инстру-

ментов, медицинских имплантов, большого количества деталей аэрокосмической и автомобильной отрасли.

Литература

1. Строение и свойства авиационных материалов / Белов А. Ф., Бенедиктова Г. П., Висков А. С. и др.; под ред. А. Ф. Белова, В. В. Николенко М.: Металлургия, 1989. 368 с.

2. Шишковский И. В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. М.: Физматлит, 2009. 424 с.

3. Pinkerton A. J., Li L. An experimental and numerical study of the influence of diode laser beam shape on thin wall direct deposition // Journal of Laser Applications. 2005. Vol. 17, N 1. P. 47-56.

4. Electron beam melting of Tie48Ale2Cre2Nb alloy: Microstructure and mechanical properties investigation / S. Biamino, A. Penna, U. Ackelid [et al.] / / Intermetallics. 2011. N 19. P. 776-781.

5. Characterization of titanium aluminide alloy components fabricated by additive manufacturing using electron beam meltingю / L. E. Murr, S. M. Gaytan, A. Ceylan [et al.] // Acta Materialia. 2010. N 58. Р. 1887-1894.

6. Гранульные композиты и эффективность их применения / Ю. П. Москвичев, В. И. Панин, С. В. Агеев [и др.] // Actual Conference. 2011. № 1. С. 46-50.

7. Гусев Г. П., Малджиева Р., Спасов Л. А. Термическая обработка стали электронным лучом // Международная конференция по электронно-лучевым технологиям. НРБ, София, 1985. С. 352-356.

8. Модификация поверхностных слоев металлических материалов сильноточными импульсными электронными пучками / В. И. Иптин, Б. А. Коваль, А. Е. Лигачев [и др.] / / Международная конференция по электронно-лучевым технологиям. НРБ, София, 1985. С. 332-337.

9. Лясоцкая В. С. Термическая обработка сварных соединений титановых сплавов. М.: Экомет, 2003. 352 с.

10. Кайдалов А. А. Электронно-лучевая сварка и смежные технологии. Киев: Экотехнология, 2004. 260 с.

11. Дьяконов В. П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука, 1987. 240 с.

№ 3(75)/2013

51