Способ послойного электронно-лучевого спекания изделий из керамического порошка

Изобретение относится к технологии керамических материалов и может быть использовано для получения трёхмерных объектов из керамических порошков. Изобретение направлено на сокращение времени, затрачиваемого на послойное электронно-лучевое спекание изделий из керамического порошка при обеспечении однородности нагрева каждого слоя керамического порошка. В способе спекания, содержащем операции нанесения и выравнивания слоя порошка, а также облучения электронами нанесенного слоя, используют два электронных источника, формирующих два электронных пучка с энергией 10-15 кэВ, один из которых расфокусирован и облучает весь слой порошка, а второй пучок сфокусирован и сканирует спекаемую область порошкового слоя. Облучение производят в диапазоне давлений инертного газа 5-20 Па. Технический результат достигается за счет исключения стадии предварительного прогрева слоя порошка, поскольку диапазон давлений 5-20 Па обеспечивает образование пучковой плазмы, через которую электрический заряд, приносимый электронным пучком, стекает с частиц порошка на заземленные стенки вакуумной камеры. Однородность нагрева достигается непрерывным облучением всего слоя порошка расфокусированным электронным пучком, обеспечивающим достижение температуры, не достаточной для спекания. Добавка мощности сканирующего сфокусированного пучка обеспечивает спекание по заданному рисунку. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к технологии материалов, а именно к технологии керамических материалов, и может быть использовано при изготовлении керамических изделий различной формы. Известен способ и аппаратура для изготовления трехмерных объектов из порошкового материала (патент WO 1994026446 А1), в котором источником энергии является поток электронов, ускоренный разностью потенциалов между накаленным электродом и изготавливаемым объектом. Способ осуществляется путем последовательного наращивания слоев расплавляемого порошка. Указанный способ может быть применен только для металлических изделий, поскольку изделие является элементом электрической цепи. Известен способ и аппаратура для приготовления изделий спеканием или сплавлением порошка путем использования лазерного или электронного луча (патент US 8502107 В2). В указанном способе нагрев порошка осуществляется сканированием луча по порошковому материалу. В патентной формуле указывается на возможность изготовления как металлических, так и неметаллических изделий. Однако не учитывается тот факт, что при попадании электронного луча на неметаллический порошок этот порошок может накапливать заряд, что может вызвать разлет порошка, а также торможение и отклонение луча, что в свою очередь приведет к нарушению режима спекания или сплавления. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ и устройство для изготовления трехмерных объектов (патент RU 2401179), включающий нанесение и выравнивание слоя порошка, а также облучение электронами нанесенного слоя. В указанном способе учтена возможность накопления заряда на частицах спекаемого порошка и нарушения структуры изделия за счет отталкивания частиц друг от друга. Способ может быть применен для спекания изделий из керамического порошка. Для предотвращения накопления заряда предлагается проводить спекание в два этапа, на первом из которых производят постепенный предварительный нагрев слоя порошка путем сканирования электронным лучом по заданной траектории. Предварительный нагрев обеспечивает повышение электропроводности порошка и стекание заряда на заземленный держатель. Второй этап предназначен для спекания порошка сканированием электронным лучом повышенной мощности. Наличие двух этапов, на каждом из которых используется один и тот же электронный луч, увеличивает продолжительность процесса изготовления изделия. Еще один недостаток состоит в том, что за время, требующееся для перемещения электронного луча по всей траектории, предварительно нагретые участки успевают остыть, что негативно сказывается на качестве готового изделия.

Цель настоящего изобретения состоит в снижении продолжительности процесса спекания при обеспечении однородности нагрева каждого слоя керамического порошка. Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе, включающем нанесение и выравнивание слоя порошка, а также облучение электронами нанесенного слоя, облучение производят в диапазоне давлений 5-20 Па одновременно двумя пучками с энергией 10-15 кэВ, один из которых расфокусирован и облучает весь слой порошка, а второй пучок сфокусирован и сканирует спекаемую область порошкового слоя. Применение двух электронных пучков в диапазоне давлений 5-20 Па позволяет исключить стадию предварительного нагрева. К этому есть две причины. Первая заключается в отсутствии накопления заряда на частицах диэлектрического порошка, благодаря стеканию заряда на стенки вакуумной камеры через плазму, образованную электронным пучком в указанном диапазоне давлений вдоль траектории распространения. Это означает отсутствие необходимости плавного подъема мощности электронных пучков во избежание расталкивания и разлета частиц порошка. Вторая причина связана с использованием двух пучков, поскольку это обстоятельство позволяет этапы прогрева и спекания соединить в один. Постоянное облучение спекаемого слоя расфокусированным пучком дает возможность поддерживать температуру слоя на уровне, ниже температуры спекания. Добавка мощности за счет сканирующего сфокусированного пучка обеспечивает спекание по заданному рисунку. Указанный диапазон давлений выбран из условия, что при давлениях, меньших 5 Па, не удается эффективно снимать заряд, вследствие чего возможна передача заряда частицам порошка и, как следствие, расталкивание или разлет частиц. Давления газа, большие 20 Па, стимулируют электрический пробой ускоряющего промежутка электронных источников. Это, в свою очередь, не позволяет формировать электронные пучки требуемой энергии и конфигурации. Использование диапазона энергий 10-15 кэВ обусловлено достижением в электронных пучках плотности мощности, необходимой для подогрева и спекания порошка. Ускорение электронов до энергий, больших 15 кэВ, в диапазоне давлений 5-20 Па затруднительно из-за большой вероятности пробоя ускоряющего промежутка электронных источников. Различные виды керамических порошков требуют разных температур спекания. В предлагаемом способе температуру устанавливают регулировкой мощности электронных пучков. Указанная совокупность и последовательность операций позволяет достичь цели изобретения - снижения продолжительности процесса спекания при обеспечении однородности нагрева каждого слоя керамического порошка.

На чертеже изображена схема реализации предлагаемого способа послойного электронно-лучевого спекания изделий из керамического порошка. На фланцах вакуумной камеры 1 размещены электронные источники 2, формирующие расфокусированный и сфокусированный пучки 3, 4. Пучки направлены на слой 5, образованный поступлением порошка из контейнера 6 на держатель, включающий в себя стол 7, перемещающийся вертикально в гильзе 8. Предлагаемый способ реализуют следующим образом. Контейнер 6 с керамическим порошком помещают в вакуумную камеру, из которой откачивают воздух, после чего в камеру напускают инертный газ до рабочего давления. Затем из бункера 6 насыпают порошок на держатель 7 и разравнивают порошок для получения однородного слоя 5. На следующем этапе включают электронные источники 2 и, сканируя сфокусированным пучком 4 по заданному рисунку, формируют необходимую форму изделия. По завершении процесса спекания слоя опускают стол на толщину слоя и повторяют операции нанесения, разравнивания и спекания порошка. Удельную мощность расфокусированного пучка подбирают таким образом, чтобы температура порошка не превышала температуру спекания. Добавка мощности за счет сфокусированного пучка вызывает локальное повышение температуры до уровня, превышающего температуру спекания. По завершении процесса послойного спекания готовое изделие извлекают из вакуумной камеры и отделяют от неспеченого порошка.

Пример. Для испытаний был взят порошок оксида алюминия с размером зерен 1-5 мкм. Диаметр гильзы в держателе составлял 2 см. Вакуумную камеру откачали до давления 3 Па механическим насосом BocEdwards-80. Инертный газ гелий был напущен в камеру до давления 10 Па, после чего насыпкой порошка из бункера и последующим перемещением бункера в горизонтальном направлении был сформирован слой толщиной 0,5 мм. Затем был включен источник расфокусированного электронного пучка с энергией 12 кэВ. Пучок имел мощность 0.5 кВт и поперечное сечение, превышающее размер стола в держателе. Облучение продолжалось одну минуту, после чего измеренная пирометром Marathon ММ температура порошка составила 1050-1060°С. Вслед за этим был включен источник сфокусированного пучка. Пучок обеспечивал пятно диаметром 1 мм и имел мощность 100 Вт. Энергия электронов в пучке была равной 13 кэВ. Этот пучок описывал на слое порошка окружность диаметром 8 мм с частотой 100 Гц. Зафиксированная температура составила 1760-1780°С. Спекание слоя продолжалось 2 минуты, после чего источники были выключены, стол опущен на 0,5 мм и сформирован следующий слой порошка без вскрытия вакуумной камеры. Затем источники были включены вновь. Процесс наращивания слоев продолжался в течение 80 минут. За это время была выращена втулка высотой 1 см с внутренним диаметром 7 мм.

Способ послойного электронно-лучевого спекания изделий из керамического порошка, включающий нанесение и выравнивание слоя порошка, облучение электронами нанесенного слоя, отличающийся тем, что спекание производят в атмосфере инертного газа в диапазоне давлений 5-20 Па двумя пучками с энергией 10-15 кэВ, один из которых расфокусирован, обладает мощностью, не достаточной для спекания, и облучает весь слой порошка, а второй пучок сфокусирован и сканирует спекаемую область порошкового слоя.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области неорганической химии, в частности к способу получения прекурсора для синтеза лейкосапфира. Предложенный способ заключается в том, что смесь гидраргиллита с 1÷15 мас.% электрокорунда с размером зерна от 10 до 50 мкм заливают 0,5÷2 мас.% водного раствора соляной кислоты и размешивают до образования композиции из однородной дисперсной фазы, композицию помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную обработку при температуре 180÷220°С в течение 4÷26 часов, полученную смесь образовавшегося и электрокорунда сначала греют в муфельной печи на воздухе при температуре не выше 1200°С до полного удаления влаги, далее переносят в вакуумную печь, нагревают и выдерживают при температуре от 1700 до 1800°С в течение 1÷2 часов, полученную керамику затем охлаждают до образования прекурсора.

Изобретение относится к конструкционным изделиям ИК-оптики, обеспечивающим, наряду с основной функцией пропускания излучения в требуемом спектральном диапазоне, защитные функции приборов и устройств от воздействий внешней среды.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических проппантов, в частности к подготовке сырьевой шихты, которую используют при производстве проппантов средней плотности.

Изобретение относится к керамическому расклинивающему агенту. Способ получения керамического расклинивающего агента включает стадии: а) подготовку, включающую измельчение исходных материалов, содержащих магнийсодержащий материал, и вспомогательных материалов с получением шихты, б) гранулирование шихты с получением гранул предшественника расклинивающего агента, в) обжиг гранул предшественника расклинивающего агента с получением гранул расклинивающего агента и стадию предварительного обжига магнийсодержащего материала в восстановительной атмосфере, которую проводят перед стадией а).

Изобретение относится к области керамического материаловедения, в частности к технологии получения нанокерамики. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат, исключение применения различных активаторов спекания, повышение физико-механических свойств получаемого материала.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к технологии изготовления керамических проппантов средней плотности, предназначенных для использования в качестве расклинивающих агентов при добыче нефти или газа методом гидравлического разрыва пласта - ГРП.

Изобретение относится к материалам для ювелирной промышленности, а именно к искусственным материалам для изготовления имитаций природных драгоценных и полудрагоценных камней и технологии их синтеза.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении композитных керамических изделий типа опорных элементов (например, колец/валов подшипников качения/скольжения) или инструментов типа чашечных резцов или режущих керамических пластин.

Изобретение относится к получению композиционного материала на основе карбосилицида титана. Способ включает приготовление порошковой смеси, состоящей из порошков титана, карбида кремния и графита и нанопорошка оксида алюминия, механосинтез порошковой смеси и холодное прессование смеси.

Изобретение относится к расклинивающим наполнителям и способам их создания. Описывается множество керамических расклинивающих наполнителей, где наполнители являются монодисперсными с распределением, являющимся распределением 3-сигма или ниже с шириной общего распределения 5% или менее от среднего размера частиц, а также другие варианты указанных наполнителей, способы изготовления этих расклинивающих наполнителей и способы использования этих расклинивающих наполнителей в извлечении углеводородов.

Группа изобретений относится к аддитивному изготовления деталей. Способ включает прямое осаждение потока гранул порошка металла или неметалла из накопительной емкости в ванну расплава на опорном столе для формирования детали, наплавляемой посредством тепловой энергии лазерного или электронного источника нагрева, и кристаллизацию расплава с обеспечением формирования детали.

Изобретение относится к способу изготовлению детали из хромосодержащего жаропрочного сплава на основе никеля и может найти применение при изготовлении деталей газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к импульсному электронно-пучковому полированию поверхности металлических изделий, полученных селективным спеканием порошка. На поверхность изделия с исходной шероховатостью воздействуют импульсным пучком в вакууме при давлении (2-5)⋅10-2 Па, энергии электронов 15-25 кэВ, длительности импульсов 150-200 мкс и плотности энергии в импульсе 40-60 Дж/см2.

Изобретение относится к изготовлению детали путем селективной плавки порошка. Устройство содержит емкость с дном в виде подвижной плиты, средства подачи порошка в емкость и средства генерирования и перемещения лазерного пучка или пучка электронов, выполненные с возможностью селективного плавления порошка в емкости.

Группа изобретений относится к изготовлению объемных изделий из порошка в виде заполненной оболочки с донной частью. Формируют на опоре донную часть, затем формируют внешнюю оболочку по высоте из групп слоев, причем каждую из групп слоев формируют путем послойной насыпки порошка, его планаризации и послойного лазерного спекания заданной области в плоскости каждого слоя с получением оболочки заданной высоты, после формирования каждой группы слоев внутреннюю полость полученной внешней оболочки заполняют порошком на высоту этой группы слоев и проводят лазерное спекание порошка внутренней полости упомянутой оболочки на всю его глубину.

Изобретение относится к способу наплавки металлических деталей (301) для турбореактивного двигателя летательного аппарата и оснастке для его осуществления. Металлическую деталь устанавливают в положение для наплавки (301) в камере (201), имеющей верхнюю часть (202) с отверстием (208).
Изобретение относится к порошковому сплаву, который может быть использован для нанесения износостойкого и коррозионно-стойкого покрытия наплавкой или напылением.

Изобретение относится к изготовлению объемных изделий. Устройство включает стойку, платформу построения, размещенную на стойке герметичную камеру построения, устройства поддержания в камере рабочей среды, подачи порошка и планаризации слоя порошка на платформе построения, послойного лазерного спекания и удаления излишнего материала, а также контейнеры соответственно для размещения платформы построения с вертикальным приводом и сбора излишнего порошка.

Изобретение относится к трехмерной печати и может быть использовано для создания объемных изделий. Способ трехмерной печати объемного изделия из металлического порошкообразного материала, включающий прессование порошкообразного металлического материала рабочей поверхностью электрода с последующей подачей тока, разогревающего порошкообразный материал и приваривающего его к формируемому объемному изделию.

Изобретение относится к способу получения катализатора на основе частиц, с размером поперечного сечения в диапазоне 1-50 мм и соотношением размеров в диапазоне 0,5-5, с использованием слоя добавки, полученного технологией трехмерной печати, причем способ включает в себя: (i) формирование слоя порошкового материала-носителя катализатора, содержащего оксид алюминия, алюминат металла, диоксид кремния, алюмосиликат, диоксид титана, диоксид циркония, диоксид цинка или их смесь, (ii) связывание порошка в упомянутом слое согласно заданному шаблону, (iii) повторение пунктов (i) и (ii) слой за слоем, с образованием формованного блока, и (iv) нанесение каталитического материала на упомянутый формованный блок.

Изобретение относится к лазерному спеканию изделия из порошкообразных материалов. Устройство содержит рабочий стол для формирования изделия, связанный с системой управления лазерный излучатель, выполненный с возможностью фокусировки лазерного луча в заданной зоне формирования изделия. При этом устройство снабжено связанным с системой управления и лазерным излучателем лазерным триангуляционным сканером с камерой, установленной над рабочим столом с возможностью полного его обзора. Рабочий стол выполнен с приводом горизонтального позиционирования, связанным с системой управления с возможностью коррекции пространственного положения рабочего стола по данным лазерного триангуляционного сканера, а лазерный излучатель оснащен фильтром с приводом, связанным с системой управления и выполненным с возможностью перекрытия лучевого тракта для позиционирования рабочего стола. Исключена необходимость использования накладных измерительных систем. Повышена производительность. 1 ил.

Изобретение относится к технологии керамических материалов и может быть использовано для получения трёхмерных объектов из керамических порошков. Изобретение направлено на сокращение времени, затрачиваемого на послойное электронно-лучевое спекание изделий из керамического порошка при обеспечении однородности нагрева каждого слоя керамического порошка. В способе спекания, содержащем операции нанесения и выравнивания слоя порошка, а также облучения электронами нанесенного слоя, используют два электронных источника, формирующих два электронных пучка с энергией 10-15 кэВ, один из которых расфокусирован и облучает весь слой порошка, а второй пучок сфокусирован и сканирует спекаемую область порошкового слоя. Облучение производят в диапазоне давлений инертного газа 5-20 Па. Технический результат достигается за счет исключения стадии предварительного прогрева слоя порошка, поскольку диапазон давлений 5-20 Па обеспечивает образование пучковой плазмы, через которую электрический заряд, приносимый электронным пучком, стекает с частиц порошка на заземленные стенки вакуумной камеры. Однородность нагрева достигается непрерывным облучением всего слоя порошка расфокусированным электронным пучком, обеспечивающим достижение температуры, не достаточной для спекания. Добавка мощности сканирующего сфокусированного пучка обеспечивает спекание по заданному рисунку. 1 ил., 1 пр.

Наверх