Способ получения полупрозрачного материала

Изобретение относится к получению полупрозрачных материалов путем спекания порошка из полупрозрачного вещества и может быть использовано при изготовлении трехмерных сложнофасонных изделий, в частности тепло- и огнезащитных спецсредств, точных биосовместимых пористых медицинских имплантатов для протезирования. Способ включает подачу лучистого потока и последовательное сканирование материала вдоль принятого направления спекания по плоскостям, секущим объем материала по толщине. При этом используют исходный порошок из вещества с показателями рассеяния излучения в интервале от 30 до 3000 (1/м) и поглощения излучения - не более 15 (1/м). Спекание осуществляют по задаваемой координатной сетке с предварительной технологической разметкой плоскостей сканирования. Причем подают коллимированный лучистый поток в виде серии одинаковых для каждой из этих плоскостей импульсов, длительность которых задают для каждой плоскости из условия обеспечения внутриобъемного спекания в толще материала между предыдущей и этой плоскостью. Переход к последующей по принятому направлению спекания плоскости сканирования осуществляют изменением длительности импульсов в большую или меньшую сторону в зависимости от координаты плоскости. Технический результат - расширение функциональных и технологических возможностей процесса, снижение трудоемкости, упрощение оснастки. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению, точнее к технологии лазерного упрочнения, спекания, синтеза изделий из порошковых материалов с полосами прозрачности для диапазона рабочих длин волн технологических лазеров, предназначено для спекания материалов при изготовлении трехмерных сложнофасонных изделий, как композиционных, так и керамических, при создании тепло-, огнезащитных спецсредств (покрытий и материалов) в различных отраслях промышленности, например в области энергетического машиностроения, также может быть использовано при изготовлении точных биосовместимых пористых медицинских имплантатов для протезирования.

Известен способ формирования материала теплоизолирующего покрытия камеры сгорания ДВС, заключающийся в послойном нанесении на подложку исходного порошкового вещества с определенными показателями поглощения и рассеивания, спекаемого высокотемпературной плазмой (RU 2323357, 2008), при котором получают покрытие в виде слоя пористого полупрозрачного материала толщиной 0,1-2 мм, с показателем поглощения 1-5 (1/м) и показателем рассеяния 50-100 (1/м), позволяющее обеспечить объемное подповерхностное поглощение лучистой компоненты теплового потока при эксплуатации данного покрытия. При этом температуры нагрева, включая их формирующийся подповерхностный максимум внутри облучаемого покрытия, не достигают критических и не оказывают должного влияния на структуру (физико-механические параметры) покрытий. Требуемые же высокие температуры (свыше 2000 К), например, для спекания полупрозрачных порошковых композиций не достигаются, что снижает их теплопрочностные характеристики.

Известен способ изготовления из порошковых материалов точных биосовместимых пористых медицинских имплантатов для протезирования, методом селективного лазерного послойного спекания порошковых композиций (RU 2218242, 2003), при котором реализуется контролируемая лазерным излучением реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза пористой интерметаллидной фазы - никелида титана (NiTi) в защитной газовой среде. Таким способом обеспечивается также только поверхностное спекание и синтез с многократным повторением процедуры наращивания материала до заданной толщины с использованием конструктивно усложненной оснастки многоступенчатой подачи порошкового материала.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является способ изготовления трехмерных изделий из порошковых материалов (RU 2080963, 1997), заключающийся в послойном нанесении исходного полупрозрачного порошкового вещества на подложку и его спекании под воздействием лазерного нагревающего лучистого потока, который подают по нормали к облучаемой поверхности материала в режиме избирательного сканирования согласно системе плоскостей, секущих изделие параллельно формирующим его слоям. Перед нанесением слоя к исходному порошку добавляют часть другого порошка, в частности металлического, обладающего повышенной по сравнению с исходным способностью поглощения лазерного излучения. Тип и количество добавляемого порошка выбирают с учетом требований, предъявляемых к свойствам готового изделия.

К основному недостатку прототипа следует отнести возможность только поверхностного спекания без прогрева и последующего спекания в подповерхностных слоях во внутреннем объеме из-за сниженной проникающей способности исходной порошковой композиции для сканирующего излучения. Спекание металлизированной порошковой смеси в прототипе реализуется, в основном, поверхностным поглощением лучистого теплового потока во всех диапазонах излучения применяемых технологических лазеров, и хотя возрастает поглощенная энергия в поверхностных слоях, глубинные зоны каждого последующего слоя, после первого, не подвергаются воздействию сканирующего излучения, т.к. показатель поглощения металлизированной порошковой композиции возрастает на несколько порядков. Способ-прототип следует также отнести к трудоемким и функционально ограниченным из-за принятой послойной многоступенчатой схемы процесса с переходом от одной плоскости сканирования к другой путем изменения местоположения либо источника излучения, либо самого материала и из-за отсутствия условий качественного спекания многих материалов, например спекания керамик на основе оксидов металлов.

Решаемая изобретением задача и достигаемый им технический результат заключаются в создании условий подповерхностного внутриобъемного поглощения излучения полупрозрачными материалами и достижения заданных температур, вплоть до температур фазового перехода, например для термического спекания в глубине слоя материала, а также в расширении функционального и технологического диапазона возможностей процесса, снижении его трудоемкости, упрощении используемой оснастки.

Для достижения технического результата в способе получения полупрозрачного материала путем спекания исходного порошка из полупрозрачного вещества под воздействием нагревающего лучистого потока, включающем подачу лучистого потока по нормали к фронтальной поверхности формируемого материала и последовательное сканирование материала вдоль принятого направления спекания по плоскостям, секущим объем материала по толщине, согласно изобретению используют исходный порошок из вещества с показателями рассеяния излучения в интервале от 30 до 3000 (1/м) и поглощения излучения - не превышающим 15 (1/м), при этом спекание осуществляют по задаваемой координатной сетке с предварительной технологической разметкой плоскостей сканирования, причем подают коллимированный лучистый поток в виде серии одинаковых для каждой из этих плоскостей импульсов, длительность которых задают для каждой плоскости из условия обеспечения внутриобъемного спекания в толще материала между предыдущей и этой плоскостью, а переход к последующей по принятому направлению спекания плоскости сканирования осуществляют изменением длительности импульсов в большую или меньшую сторону в зависимости от координаты плоскости.

Дополнительные отличия заключаются в том, что:

- для стабилизации температурного режима фронтальной и тыльной сторон области внутриобъемного спекания основной нагревающий лучистый поток сопровождают совмещенными с ним по направлению распространения двумя дополнительными лучистыми потоками;

- дополнительные потоки подают коллимированными и в виде серии импульсов, длительность которых задают не равными длительности импульсов основного потока;

- основной нагревающий лучистый поток сопровождают, по меньшей мере, одним дополнительным лучистым потоком меньшей мощности, значение которой определяют, исходя из допустимого градиента температуры со смежными зонами воздействия основного и дополнительного потоков, и при этом дополнительный лучистый поток перемещают в поперечной плоскости без перекрытия зоны основного потока.

Использованием для формирования полупрозрачного материала мощных потоков излучения, отличительной особенностью которых является их коллимация и проникающая способность на заданную технологией глубину и подачей воздействующих лучистых потоков в виде последовательности коротких импульсов обеспечивают внутриобъемное поглощение проникающего излучения на заданной глубине.

Короткоимпульсным излучением достигается возможность с высокой точностью определять координату области внутриобъемного нагрева, что позволяет в отличие от известных аналогов переход от одной плоскости сканирования к другой осуществлять изменением длительности импульсов в зависимости от координаты плоскости, как в большую, так и в меньшую сторону, чем обеспечивается вариантность фронтальных плоскостей материала, с которых можно изначально подавать лучистые потоки, расширяя тем самым технологические и функциональные возможности способа, и сокращается операционное время, тогда как в аналогах для такого перехода необходима многоступенчатая процедура с фиксированным шагом селективного выбора каждой следующей насыпки спекаемого порошка, а упомянутая вариантность недостижима.

Длительностью импульсов, задаваемой в зависимости от оптических и теплофизических характеристик конкретного исходного материала, а также плотности лучистого потока, обеспечивают заданные технологические температуры и глубины областей внутриобъемного нагрева расширенной номенклатуры оптических и теплофизических характеристик спекаемого материала.

Проведенный авторами анализ температурных профилей и функций распределения поглощенной полупрозрачными материалами энергии потока лазерного излучения показал, что имеют место не только количественные, но и качественные различия в характеристиках лучистых и температурных полей, формируемых в слабо поглощающих, рассеивающих (по изобретению) и сильно поглощающих, слабо рассеивающих (по прототипу) материалов под действием коллимированного потока (по изобретению).

В качестве иллюстрации этого в прилагаемой ниже таблице приведены значения температурных профилей в толстом слое полупрозрачного материала, нагреваемом единичным прямоугольным импульсом излучения с энергией Q=5·10⁷ Дж/м² при различных длительностях импульсов Δt. Расчеты теплового состояния проведены на основе решения системы уравнений переноса излучения и неоднородного уравнения теплопроводности с внутренним источником при следующих условиях.

В рассеивающих, так называемых объемно-поглощающих материалах, происходит нагрев значительной подповерхностной области и может образоваться максимум температурного распределения (поз.1, 2, 4, 5 таблицы). В то же время в сильно поглощающих материалах возникает только поверхностный нагрев с отрицательным градиентом температур (поз.3 таблицы).

Такое же качественное различие в температурных распределениях в полупрозрачных материалах имеет место соответственно при воздействии коллимированным и диффузным потоками излучения (поз.6 таблицы). Так, если для диффузного потока функция внутриобъемного лучистого теплового источника является монотонно затухающей, то при направленном потоке она имеет локальный максимум, смещающийся в направлении к фронтальной поверхности материала с усилением рассеивающих свойств среды.

Таблица
Влияние длительности Δt облучения мощным потоком Q=5·107 Дж/м2 коллимированного и проникающего излучения на приращение температуры ΔТ(х,t) в толще х полупрозрачного слоя модельного керамического образца на основе стабилизированной окиси циркония с показателем поглощения 14 (1/м) и рассеяния 2400 (1/м) (коэффициент температуропроводности образца 10-6 м2/с).

№ п/п	Температурное распределение в полупрозрачном слое рассеивающего материала
	х (мм)	0	0,1	0,2	0,4	0,6
1	ΔT(х,t), K	2070	2080	2095	2025	1850
2		1950	2070	2180	2120	1910
3*		2550	1900	1150	450	350
4		1600	2130	2260	2145	1910
5**		1550	2130	2270	2135	1900
6***		2150	2060	1890	1700	1550
* - сильно поглощающий, слабо рассеивающий материал показателем поглощения 100 (1/м);
** - пренебрежение теплопроводностью;
*** - диффузный поток излучения.

Именно существование экстремума функции объемного тепловыделения в рассеивающей среде, нагреваемой коллимированным импульсивным лучистым потоком, обусловливает возможность появления локального максимума в температурном поле нагреваемого объекта. Естественно, что теплопроводность материала сглаживает этот эффект, поэтому наиболее яркого его проявления следует ожидать в случае слаботеплопроводных материалов при малых временах воздействия мощных потоков излучения (поз.5 таблицы).

Из таблицы видно также, что при уменьшении длительности импульса коллимированного излучения все более ярко проявляется локальный экстремум в температурном поле (поз.1, 2, 4) и при Δt=0,001 с (поз.5) теплопроводность материала слабо сказывается на температурном поле, которое в этом случае в основном определяется функцией объемных источников тепла, т.е. полем излучения.

Качественная особенность нагрева сильно рассеивающих материалов импульсами коллимированного излучения, принципиальным образом влияющая на механизм его локального внутриобъемного нагрева и изменения физического состояния исходного вещества, в совокупности с другими отличительными свойствами изобретения способствует созданию условий для расширения функционального диапазона способа путем обеспечения спекания не только нагревом, но и плавлением, испарением, что определяют задаваемым режимом спекания полупрозрачного материала на заданной глубине, включая режим соединения полупрозрачного покрытия с подложкой. В последнем случае расширяются технологические возможности способа по соединяемым материалам и устраняется недостаток известных аналогов с послойными циклами спекания, в которых процесс соединения, например, оксидной керамики с нержавеющей сталью является многоступенчатым, трудоемким и вместе с тем не обеспечивает высокие адгезионные характеристики подложки.

Установленные параметры рассеяния и поглощения исходного вещества обусловлены следующим:

- при показателе рассеяния менее 30 (1/м) возникают условия слабого объемного рассеяния, что вызывает монотонно убывающий температурный прогрев слоя как поглощающей среды по закону Бугера;

- при значении показателя рассеяния более 3000 (1/м) имеет место высокое отражение и поглощение лучистого потока в тонком пристеночном слое, что обусловливает температурный максимум у поверхности, что фактически представляет вариант непрозрачной среды;

- при значении показателя поглощения более 15 (1/м) будет иметь место высокое поглощение, уменьшение коэффициента пропускания и снижение рассеяния.

Для устранения коробления синтезируемого полупрозрачного материала или, например, отслаивания покрытия от подложки, улучшения конструктивной прочности за счет снижения градиентов температур при получении материала, основной нагревающий луч сопровождают совмещенными с ним по направлению распространения двумя дополнительными подогревающими коллимированными импульсными лучистыми потоками с длительностью импульсов воздействия каждого из них соответственно на 10-50% меньше или больше длительности основного. С той же целью в плоскости, поперечной направлению распространения основного лучистого потока, последний сопровождают, по меньшей мере, одним дополнительным лучистым потоком, но с меньшей мощностью и смещением в поперечной плоскости без перекрытия зоны основного.

Таким образом, как видно из таблицы, предлагаемый способ получения полупрозрачных материалов по сравнению с известными обеспечивает:

- внутриобъемное поглощение лучистого теплового потока при значениях показателей рассеяния 30-3000 (1/м) и поглощения 1-15 (1/м);

- заданный последовательный прогрев толщи материала от глубинных слоев до поверхностных за счет смещения формируемого температурного максимума;

- уменьшение перепада температур области внутриобъемного нагрева спекаемого материала и прилегающей к ней зоны за счет применения дополнительных подогревающих импульсных лучистых потоков с меньшей мощностью или с длительностью воздействия импульсов.

Предложенный способ осуществляется с помощью известных устройств для изготовления изделий из порошкового материала, содержащих горизонтально или вертикально расположенную подложку, установленную с возможностью перемещения; средство для подачи материала на подложку и набор лазеров, снабженных средствами сканирования с целью направленного нагрева порошковой композиции в заданном глубинном внутреннем объеме, окружающее пространство которого может дополнительно подогреваться для уменьшения перепада температур с соседними областями.

Учитывая, что большинство оксидных керамик, полимерных материалов и других диэлектрических соединений являются полупрозрачными в диапазоне длин волн лазеров вплоть до 3-4 мкм (Новицкий Л.А. и др. Оптические свойства материалов при низких температурах. 1980, с. 243), в качестве исходного вещества используют порошки оксидов металлов и неметаллов.

ПРИМЕР №1 изготовления теплоизолирующего покрытия, например поверхности поршня камеры сгорания дизеля.

В качестве исходного вещества берут гранулированный порошок стабилизированной окиси циркония с показателями поглощения 14 (1/м) и рассеяния 2400 (1/м), наносят его на покрываемую поверхность поршня (подложку) слоем 2 мм. Проводят разметку плоскостей спекания в соответствии с заданной технологической координатной сеткой спекания. После чего обеспечивают подвод коллимированного лазерного излучения на длине волны 3,39 мкм с энергией 5·10⁷ Дж/м² сериями одинаковых импульсов длительностью, изменяемой от 0, 0001 с до 1 с при переходе от одной плоскости спекания к другой при обеспечении температуры внутриобъемного нагрева между соседними этими плоскостями в соответствии с приведенной выше таблицей. Для снижения значительных градиентов температуры с фронтальной и тыльной сторон зоны спекания одновременно с подачей основного импульсного потока излучения подают совмещенные с ним по направлению два дополнительных лучистых потока с длительностями импульсов от 0,00005 с до 1 с.

В вариантном решении этого примера используют технологический лазер с генерацией излучения на длине волны 1,15 мкм, которому будут соответствовать оптические параметры того же исходного вещества с показателями поглощения 6 (1/м) и рассеяния 2430 (1/м).

ПРИМЕР №2 изготовления сложноконтурного изделия - керамической кварцевой втулки, например, для фотометрических приборов, с параметрами Д=20 мм, d=10 мм, Н=5 мм.

В качестве исходного вещества берут порошок синтетического оксида кремния, например марки ОСЧ, с показателями поглощения 1 (1/м) и рассеяния 100 (1/м). Засыпают порошок слоем 5 мм в форму из огнестойкого и жаропрочного материала с цилиндрическими коаксиальными боковыми стенками, диаметры которых соответствуют диаметрам готовой втулки. Проводят разметку плоскостей спекания в соответствии с заданной технологической координатной сеткой спекания. После чего обеспечивают подвод коллимированного лазерного излучения на длине волны 1,15 мкм с энергией 5·10⁷ Дж/м² сериями одинаковых импульсов длительностью, изменяемой от 0,0001 с до 1 с при переходе от одной плоскости спекания к другой, обеспечивая заданную температуру внутриобъемного нагрева между соседними этими плоскостями. Для снижения значительных градиентов температуры с фронтальной и тыльной сторон зоны спекания, как и в предыдущем примере, одновременно с подачей основного импульсного потока излучения подают совмещенные с ним по направлению два дополнительных лучистых потока с длительностями импульсов от 0,00005 с до 1 с. При этом сканирование импульсным потоком излучения, спекающим внутренний объем формируемой керамической втулки, обеспечивают по поверхности сечения, ограниченного коаксиальными стенками формы.

1. Способ получения полупрозрачного материала путем спекания исходного порошка из полупрозрачного вещества под воздействием нагревающего лучистого потока, включающий подачу лучистого потока по нормали к фронтальной поверхности формируемого материала и последовательное сканирование материала вдоль принятого направления спекания по плоскостям, секущим объем материала по толщине, отличающийся тем, что используют исходный порошок из вещества с показателями рассеяния излучения в интервале от 30 до 3000 (1/м) и поглощения излучения - не превышающим 15 (1/м), при этом спекание осуществляют по задаваемой координатной сетке с предварительной технологической разметкой плоскостей сканирования, причем подают коллимированный лучистый поток в виде серии одинаковых для каждой из этих плоскостей импульсов, длительность которых задают для каждой плоскости из условия обеспечения внутриобъемного спекания в толще материала между предыдущей и этой плоскостью, а переход к последующей по принятому направлению спекания плоскости сканирования осуществляют изменением длительности импульсов в большую или меньшую сторону в зависимости от координаты плоскости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для стабилизации температурного режима фронтальной и тыльной сторон области внутриобъемного спекания, основной нагревающий лучистый поток сопровождают совмещенными с ним по направлению распространения двумя дополнительными лучистыми потоками.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительные потоки подают коллимированными и в виде серии импульсов, длительность которых задают не равными длительности импульсов основного потока.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что основной нагревающий лучистый поток сопровождают, по меньшей мере, одним дополнительным лучистым потоком меньшей мощности, значение которой определяют исходя из допустимого градиента температуры со смежными зонами воздействия основного и дополнительного потоков, и при этом дополнительный лучистый поток перемещают в поперечной плоскости без перекрытия зоны основного потока.