Устройство локальной защитной камеры с инертной средой для печати активных металлов аддитивным методом прямой подачи материала в зону плавления

Полезная модель относится к области металлургии, а именно к способам выращивания полуфабрикатов или деталей из активных металлов и сплавов, требующих защитной инертной среды, например на основе титана, методами аддитивного производства, и может быть использовано для производства полуфабрикатов из сплавов ВТ-6 или ТН-1.
Полезная модель устройство локальной защитной камеры с инертной средой для печати активных металлов аддитивным методом прямой подачи материала в зону плавления.
Метод изготовления полуфабрикатов и деталей аддитивным способом прямой подачи материала в зону плавления исторически появился на основе технологии наплавки металла лазером или дугой, поэтому металлургические процессы можно считать идентичными. Наплавка позволяет наносить слой металла толщиной 0,5 -10 мм на поверхности металлических деталей, валов и плоскостей. Наплавка обычно осуществляется путем перемещения объекта, на который осуществляется наплавка в плоскости ХY или за счет радиального вращения с жестко зафиксированной наплавочной головой. Аддитивный метод печати прямой подачей материала добавляет значительное перемещение по третьей координате Z, причем часто в процессе печати перемещают наплавочную голову, а не деталь. Как и в технологии наплавки в аддитивном методе печати осуществляется подачей инертного газа аргона в зону плавления для уменьшения окисления металла, но не поной защиты из-за процессов конвективно-диффузионного перемешивания аргона с атмосферным воздухом. Для печати активных металлов к газам, содержащихся в атмосферном воздухе, требуется защитная камера, предотвращающая подмешивание воздуха в зону плавления.
Известны способы и устройства защиты изделия от окисления атмосферным воздухом в процессе наплавки металлов. Известен способ восстановления изделий из титановых сплавов RU 2509640 C1. Изобретение относится к способу восстановления изделий из титановых сплавов с помощью лазерной наплавки и может быть использовано в машиностроительных отраслях для восстановления изношенных деталей, «залечивания» трещин в деталях, работающих на усталость и износ. Процесс происходит с использованием защитного газа, который подается в зону плавления, что обеспечивает защиту от окисления. Недостатком такого способа является значительная степень окисления активных металлов, такие как титан, что приводит растрескиванию изделий при наплавке в высоту или отсутствие ожидаемых функциональных свойств.
Известно устройство защиты зоны газопорошковой лазерной наплавки металлов от внешней среды и способ защиты зоны газопорошковой лазерной наплавки металлов от внешней среды RU 2710710 C1, МПК B23K 26/14, 2014.01 г. Устройство содержит защитный корпус, установленный на срезе наплавочной головы. Защитный корпус выполнен в виде короба с возможностью регулирования величины технологического зазора от нижней кромки короба до обрабатываемой поверхности изделия. Изобретение позволяет расширить технологические возможности защиты обрабатываемых металлических изделий от воздействия окружающей среды и расширить ассортимент обрабатываемых разногабаритных плоских и объемных металлических изделий, при этом достигается низкое содержание концентрации кислорода в зоне наплавки, который не превышает 0,1%. Недостатком такого способа является перемещение наплавочной головы вместе с коробом при подъеме наплавочной головы от подложки для увеличения толщины детали, зазор между коробом и подложкой будет увеличиваться, что приведет к подмешиванию атмосферного кислорода в короб и окислению металла.
Известно устройство, описанное в статье Turichin G. A. et al. High-speed direct laser deposition: technology, equipment and materials //Equipment and Materials. – 2016. – Т. 125. – №. 1. – С. 012009. Где представлена установка для аддитивного прямого выращивания изделий в полностью закрытой защитной камере, заполненными инертным газом, куда помещаются все подвижные компоненты установки. Недостатком такого устройства является огромный расход защитного газа, который тратится для заполнения всего объема, а также высокие требования к герметичности защитного корпуса. Такое устройство не целесообразно использовать для наплавки малого количества изделия, так как при их извлечении защитный газ необходимо удалять.
В качестве прототипа выбран способ наплавки металлических деталей для турбореактивных двигателей летательных аппаратов и оснастка локальной защиты для реализации способа RU2612471C2, 2013 г. Оснастка, которая описана в способе, состоит из защитной камеры в виде корпуса, в который подается инертный газ с помощью средства ввода. В корпус через отверстие снизу помещается турбинная лопатка, на которой осуществляется наплавка, так, чтобы наплавочная голова находилась на требуемом расстоянии. Та часть лопатки, которая не поместилась, остаётся за пределами защитной камеры. Недостатком такого устройства является ограничение такого устройства на основное линейное перемещение по одной координате, что не подходит для наплавки изделия с равнозначными геометрическими размерами по всем трем координатам. Также в камере не предусмотрен теплоотвод, что при наплавке в течение нескольких минут приведет к перегреву подложки и наплавляемого материала, что повышает скорость окисления оставшимся в камере атмосферным воздухом.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, является защита активных металлов, подверженных окислению в атмосфере воздуха при печати и наплавке изделий методом прямой подачи материала.
Раскрытие полезной модели
Устройство локальной защитной камеры с инертной средой для печати активных металлов аддитивным методом прямой подачи материала в зону плавления, в том числе объёмных металлических изделий, полуфабрикатов и деталей, содержащее защитную камеру с наплавочным столом, средство ввода инертного газа, которое представляет собой трубку, соединенную с радиальным диффузором, помещенным под наплавочным столом.
Технический результат полезной модели заключается в том, что средство ввода инертного газа, которое представляет собой трубку, соединенную с радиальным диффузором, помещенным под наплавочным столом предотвращает попадание атмосферного воздуха в зону плавления, а создаваемое избыточное давление непрерывного потока инертного газа не дает поступать новому воздуху из негерметичного сцепления кожуха с наплавочной головой, что предотвращает процесс окисления материала наплавляемого изделия методом прямой подачи материала..
Краткое описание чертежей
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
На фиг. 1 изображена схема устройства по п. 2 локальной защитной камеры с инертной средой для печати активных металлов аддитивным методом прямой подачи материала в зону плавления с каналами охлаждения наплавочного стола.
На фиг 2. изображена схема устройства по п. 3 локальной защитной камеры с инертной средой для печати активных металлов аддитивным методом прямой подачи материала в зону плавления с двумя и более трубками доставки аргона к диффузору.
Осуществление полезной модели
Устройство по п. 2 локальной защитной камеры с инертной средой для печати активных металлов аддитивным методом прямой подачи материала в зону плавления с каналами охлаждения наплавочного стола, изображенное на фиг. 1 выполнено следующим образом.
Корпус (3) выполнен в виде металлического цилиндра, внутренний объем которого определяет размер рабочей зоны, через гибкий кожух (2) негерметично скреплен с наплавочной головой (1). Теплопроводный стол (7) из нержавеющей стали с каналом водяного охлаждения (8), закреплен в центре корпуса (3). На радиальный диффузор (6), расположенный под столом (7) выходными отверстиями наверх, подается инертный газ аргон через трубку (9). На столе (7) помещена сменная подложка для выращивания (5), на которой с помощью наплавочной головы (1) изготавливается изделие (4) из металлов и сплавов, которые требуется защитить от окисления атмосферным воздухом. Поток инертного газа аргона, который поступает в защитную камеру через диффузор (6) со скоростью 10-20 л/мин, зависящей от размера стола (7), заполняет корпус (3).
Печать активных металлов аддитивным методом прямой подачи материала в зону плавления осуществляется следующим образом.
В защитную камеру на наплавочный стол (7) помещается сменная подложка для выращивания (5) из материала, который хорошо сваривается с наплавляемым материалом. Затем камера по трубке (9) через диффузор (6) заполняется аргоном, после заполнения камеры поток аргона уменьшается до 10-15 л/мин и не перекрывается до окончания процесса печати. Затем наплавочная голова подводится на рабочее расстояние перпендикулярно к подложке (5) и сцепляется с гибким защитным кожухом (2). Так как аргон тяжелее атмосферного воздуха, то он заполняет объем со дня защитной камеры, и вытесняет воздух через негерметичное сцепление корпуса (3) и головы (1). Затем включается подача воды по каналам охлаждения (8) и запускается процесс печати по заданной программе. Размер изделия ограничен гибкостью защитного кожуха (2) и размером наплавочного стола (7). Степень эффективности защиты от окисления атмосферным воздухом была проверена эксперимента при печати заготовок из порошка титанового сплава ТН-1. Этот сплав крайне чувствителен к присутствию кислорода в зоне плавления. Исходный порошок титанового сплава ТН-1 содержал по массе 0,15% кислорода и 0,02% азота, напечатанная заготовка в виде цилиндра содержала 0,18% кислорода и 0,017% азота, что говорит о выполнении поставленной технической проблемы.
Устройство по п. 3 локальной защитной камеры с инертной средой для печати активных металлов аддитивным методом прямой подачи материала в зону плавления с двумя и более трубками подачи инертного газа, изображенного на фиг. 2 выполнено следующим образом.
Подача инертного газа на диффузор (6) осуществляется через две и более трубки (9, 10), что позволяет равномерно распределить поток инертного газа от диффузора (6) к наплавочному столу (7) и не допустить попадание оставшегося в защитной камере атмосферного воздуха в зону плавления.