Способ изготовления объемных изделий из порошковых композиций

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению объемных изделий путем послойного лазерного синтеза. Может использоваться для производства деталей сложных форм из мелкодисперсных порошков в различных отраслях машиностроения. Компоненты порошковой композиции послойно размещают в реакционной камере по требуемой топологии. Предварительный нагрев осуществляют до предфазовых температур композиции или наименее тугоплавкого ее основного компонента источником, обеспечивающим нагрев всего объема порошковой композиции. После чего осуществляют лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия при режимах, достаточных для осуществления фазовых переходов, и извлекают полученную модель из камеры с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия. Обеспечивается снижение температурного градиента в зоне обработки. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к технологическим процессам порошковой металлургии, в частности к технологиям лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ), и может быть использовано для производства деталей сложных форм из мелкодисперсных порошков в различных отраслях машиностроения.

Известен способ изготовления объемных изделий из металл полимерной порошковой композиции (заявка на изобретение РФ №95110182, B22F 3/105, 1997 г.), включающий последовательное послойное размещение порошковой композиции в станке для селективного лазерного синтеза (СЛС), обработку каждого слоя лазерным излучением (ЛИ) по заданному контуру и извлечение полученного изделия из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия.

Недостатком способа является то, что он характеризуется большими и резкими перепадами температур в зоне спекания, что приводит к появлению внутренних напряжений в материале, короблению, растрескиванию и снижению прочности и качества модели.

Наиболее близким по выполнению является способ изготовления объемных изделий, предусматривающий для снижения температурных перепадов в зоне спекания перед обработкой лазерным излучением по заданному контуру каждого слоя, предварительный подогрев порошка дополнительным лазерным излучением, а именно сканированием высокоэнергетическим лучом вдоль дорожек, распределенных по области предварительного нагрева слоя порошка (заявка на изобретение РФ 2009106868, B22F 3/105, 2010 г.).

Недостатком такого способа с использованием предварительного подогрева лазерным лучом зоны обработки является то, что подогрев носит локальный характер вследствие точечного режима облучения лазерным лучом, что сохраняет перепад температур в зоне обработки и угрозу внутренних напряжений в материале, приводящих к короблению, растрескиванию и снижению прочности и качества изделия.

Техническим результатом является снижение температурного градиента в зоне обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающем послойное размещение компонентов порошковой композиции по требуемой топологии в реакционной камере, их предварительный нагрев и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия при режимах, достаточных для осуществления фазовых переходов, извлечение полученной модели из камеры с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, отличием является то, что предварительный нагрев осуществляют до предфазовых температур наименее тугоплавкого основного ее компонента источником, обеспечивающим нагрев всего объема обрабатываемой порошковой композиции.

Слои композиции могут содержать разные компоненты. Режим лазерной обработки устанавливают индивидуально для каждого слоя композиции.

Размещение ингредиентов в слое может осуществляться с помощью набора трафаретов или программным управлением питателей.

Режим лазерной обработки (температура и площадь нагрева лазерным лучом, скорость сканирования и время облучения) подбирают таким образом, чтобы избежать испарения компонентов смесей.

Предфазовая температура выбирается так, чтобы все компоненты после прекращения воздействия лазером не оставались в жидком состоянии и не растекались. Она зависит от теплопроводности и теплоизоляционных свойств камеры и устанавливается предварительно на 3…10% ниже наименьшей температуры фазового перехода смеси и ее компонентов, а затем уточняется опытным путем.

Для уменьшения шероховатости поверхности модели и увеличения ее прочности возможно пропитка их поверхности клеящим раствором, например эпоксидным или силикатным клеем, с последующей сушкой изделия.

Ниже приведены примеры осуществления изобретения.

Пример 1. Порошки Mg (температура плавления 651°С) и Zn (температурой плавления 491°С) предварительно просеивают на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Порошки с размером фракции <50 мкм смешивают механически в мольной пропорции 1:2 до равномерного распределения. Реакционную камеру станка для лазерной обработки нагревают до предфазовой температуры в электропечи 430°С (для рассматриваемого случая температуры фазовых переходов это температуры плавления компонентов - 651 и 491°С и температура плавления получаемого материала - 590°С). В подогретую камеру насыпают слой смеси и по требуемой топологии текущего сечения изделия и проводят обработку энергетическим лазерным лучом до начала расплавления смеси, сканируя требуемую область. Затем насыпают следующий слой, сканируют лазерным лучом и так повторяют обработку слоев до получения модели законченной формы, после чего модель извлекают из станка, удаляют порошковую композицию, не принявшую участия в формировании объемного изделия. В результате проведенной ЛСОИ получают изделие из легкого интерметаллида MgZn₂.

В течение 1 месяца выдержки при комнатной температуре растрескивания и коробления изделия не наблюдалось.

Для уменьшения шероховатости поверхности на нее наносят клеящий раствор из силикатного клея с последующей сушкой изделия.

В течение 1 месяца выдержки при комнатной температуре растрескивания и коробления изделия также не наблюдалось.

Пример 2. Порошки корунда АlО₃ (температура плавления 2050°С) в качестве основного компонента, и в качестве примесей порошки окиси хрома Сr₂О₃ (температура плавления 2275°С) и трехокиси ванадия V₂O₃ (температура плавления 1970°С) предварительно просеивают на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73), получая фракции размером <20 мкм. Температуру подогрева в электропечи устанавливают 1900°С градусов (температура кристаллизации конечного продукта - типа синтетического рубина составляет 1950°С). Насыпают первый слой чистого корунда и в него вводят по трафарету в качестве примеси окись хрома Сr₂О₃ в разных малых мольных пропорциях, с последующей обработкой лазерным лучом аналогично примеру 1. Затем насыпают следующий слой, состоящий из чистого корунда, и в него вводят по трафарету в качестве примеси трехокись ванадия в разных мольных пропорциях с последующей обработкой лазерным лучом аналогично примеру 1. Так повторяют процесс, чередуя вышеописанные слои с разным содержанием примесей до получения модели законченной формы. В результате проходящего ЛСОИ по аналогии с примером 1 получают модель из искусственного синтетического рубина с полосатой расцветкой различных оттенков.

В течение 1 месяца выдержки при комнатной температуре растрескивания и изменения цветности изделия не наблюдалось.

1. Способ изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающий послойное размещение компонентов порошковой композиции по требуемой топологии в реакционной камере, их предварительный нагрев и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия при режимах, достаточных для осуществления фазовых переходов, последующее извлечение полученной модели из камеры с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, отличающийся тем, что предварительный нагрев осуществляют до предфазовых температур композиции или наименее тугоплавкого ее основного компонента источником, обеспечивающим нагрев всего объема обрабатываемой порошковой композиции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слои композиции содержат разные компоненты.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что режим лазерной обработки устанавливают индивидуально для каждого слоя композиции.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что размещение компонентов в слое осуществляют с помощью набора трафаретов или программным управлением питателей.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру предварительного нагрева устанавливают на 3…10% ниже наименьшей температуры фазового перехода композиции или наименее тугоплавкого ее основного компонента.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что после окончания процесса поверхность готового изделия обрабатывают клеящим раствором, например эпоксидным или силикатным клеем, с последующей сушкой.