CZ20013857A3

CZ20013857A3 - Způsob výroby povrchově legované válcovité, částečně válcovité nebo duté válcovité konstrukční součásti a zařízení pro provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ20013857A3
Application number: CZ20013857A
Authority: CZ
Inventors: Alexander Fischer; Joachim Kahn; Franz Josef Feikus
Original assignee: Vaw Aluminium Ag
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2002-07-17
Also published as: JP2003525351A; BR0104705A; AU781334B2; ES2246315T3; HUP0200880A2; EP1173304A1; CA2370657A1; PL197479B1; KR20020038576A; MXPA01010919A; WO2001064385A1; DE50106765D1; US6858262B2; ATE299776T1; AU4242701A; PL350563A1; BR0104705B1; EP1173304B1; US20020164436A1; CZ301527B6

Description

Způsob výroby povrchově legované válcovité, částečně válcovité nebo duté válcovité konstrukční součásti a zařízení pro provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález válcovité, konstrukční se týká částečně součásti, způsobu výroby povrchově legované válcovité nebo duté válcovité přičemž se na povrch polotovaru směruje energetický paprsek s čárovou ozařovanou plochou, dále nazývanou čárové ohnisko, čímž se povrch polotovaru natavuje a do nataveného povrchu se přivádí prášek tvrdého materiálu nebo slitinový prášek, jakož i zařízení pro provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Z WO 97/10067 je znám způsob povlékání kovových polotovarů, při kterém se prášek obsahující kov natavuje laserovým paprskem a poté se nanáší na povrch kovového polotovaru. Podle nároku 1 tohoto spisu se má prášek vést do tavící zóny koaxiálně s laserovým paprskem a rozdělovat ve formě 0,1 až 1 mm široké stopy po větší ploše.

Pro provádění známého způsobu je podle příkladu výhodného provedení ve WO 97/10067 zařízení pro přivádění prášku koaxiálně na zaostřovací hlavě laserového paprsku relativně pohyblivé ve směru tří os. Tato pohyblivost je však. kvůli požadované regulační technice možné jen omezeně.

Pro povlékací zařízení použitelné v průmyslovém měřítku jsou šířky stopy 0,1 až 1 mm neekonomické a tříosově pohyblivá zařízené jsou příliš nákladná. Kromě toho, pomocí popsaného zařízení nemohou být bezprostředně povlékány větší

plochy, jako například vnitřní pracovní plochy stěn válců.

Pro provádění povlékání na vnitřních plochách jsou známa zařízení pro zpracování pracovních ploch, sestávající z otáčivého upínacího zařízení pro blok válců, laserové opracovací jednotky s paprskovou hlavou, která je spojena se zařízením pro přívod prášku, a přesouvací jednotky, která polohuje blok válců před laserovou opracovací jednotkou, a pohonu pro pohyb dopravní jednotky podél osy přesunu.

Na takováto zařízení pro opracování pracovních ploch jsou vysoké požadavky na přesnost pokud jde o vyměření součástí zařízení a jejich odolnost proti opotřebení, aby bylo možno bloky motorů z nich vyrobené později opatřit zvlášť vyrobenými písty, a z cenových důvodů pokud možno upustit od nákladného dodatečného zpracování.

Podstata vynálezu

Úkolem předloženého vynálezu je vyvinout ekonomický, v průmyslovém měřítku použitelný způsob opracování povrchu pro válcovité nebo částečně válcovité tvary povrchu, kterým je výhodně vyrobitelný tribologicky optimalizovaný, tepelně opracovatelný dutý válcovité polotovar. Nové zařízení pro provádění způsobu musí pracovat s vysokou přesností a umožňovat dobrou nastavitelnost pro různé parametry procesu.

Tento úkol je podle vynálezu řešen prostřednictvím znaků uvedených v patentových nárocích. V četných pokusech bylo zjištěno, že vysoké přesnosti a nízkého opotřebení zařízení pro opracování pracovních ploch a na něm vyrobených součástí je možno dosáhnout, když

1. upínací rovina upínacího zařízení (1) je uspořádána paralelně ke směru paprsku laserové jednotky (3),

-3 • · · · · · · ·· ·· • · · · ···· ···· • · · ♦ · · · · • · ··· · · · ··· ···· ·· ··· ·« ····

2. laserová jednotka (3) je posuvná kolmo k upínací rovině upínacího zařízení (1), přičemž směr paprsku kolmo k ose (10) přesunu je orientován v úhlu a<45° k vektoru tíže, a

3. přívod (5) prášku ústí buď přímo ve směru paprsku laserové jednotky (3) nebo (viděno ve směru posuvu) krátce před zónou (12)dopadu paprsku.

Pro cenově příznivé opracování v zařízení pro opracování pracovních ploch sestává laserová opracovávací jednotka (3) z více paprskových zařízení nebo ze zařízení s rozděleným paprskem, která je možno zavést do vrtání válce, přičemž na stěně válce je uspořádáno více zón opracování za sebou (viděno ve směru osy válce).

Výrobní kapacita zařízení pro opracování pracovních ploch může být zlepšena tím, že zařízení (5) pro přivádění prášku sestává z více přiváděčích zařízení stejného počtu kolik je zón opracování, která je možno zavést do vrtání válce, přičemž přiváděči otvory jsou uspořádány za sebou (viděno ve směru osy válce).

Způsob podle vynálezu spočívá v kombinaci

a)	čárového zaostření	se šířkou	čáry	napříč	ke	směru
posuvu větší než 4 mm,
b)	vysokoenergetického	paprsku s vlnovou	délkou	780	až 940
nm,	a
c)	přivádění prášku	v poloze v	úžlabí	spolu	s	měrným

přívodem energie 5000-600 000 W/cm².

K řízenému rozdělení velikosti zrna Si a vytváření primárních krystalů křemíku při průměrech fází až 80 pm v eutekticky ztuhlé zbytkové slitině přispívá

-4d) rychlost chlazení 200-600 K/s.

Krok způsobu e) znamená, že tvrdý materiál, např. křemík, musí být v lázni taveniny zcela rozpuštěn.

Doba je závislá na měrném výkonu laseru. Jestliže působí čárové ohnisko příliš dlouho, dochází ke vzniku pórů v důsledku odpařování hliníku resp. matricové slitiny, a tvrdé materiály se mohou shlukovat.

Rychlost posuvu musí podle kroku f) způsobu být pod 10 000 mm/min, neboť jinak vstupující energie nestačí pro vstup tvrdého materiálu do taveniny. Při daném výkonu se laserový paprsek absorbuje v matrici s výtěžkem energie 4060 %. Při příliš vysoké rychlosti chlazení >600 K/s nedostačuje doba rozpouštění pro tvrdý materiál, pod 200 K/s vznikají praskliny v legovací zóně, neboť příliš mnoho tvrdého materiálu přechází do roztoku.

Podle výhodného provedení vynálezu je možno použít více energetických paprskových jednotek jako dalších parametrů pro řízení vlastností struktury prostřednictvím místně měnitelných rychlostí ochlazování.

Tím jsou nastavitelné místně rozdílné tvrdosti povrchu, které umožňují čistě mechanické další zpracování a finalizaci. Když je tvrdost povrchu větší než 160 HV, může být honován diamantovým materiálem bez vzniku rýh a bez mazání. Přitom v dalším kroku opracování se křemíkové primární krystaly nebo jiné tvrdé materiály o průměru >1 pm na povrchu čistě mechanicky uvolňují při odstraňování <1 pm.

Podle výhodného příkladu provedení může být na legovaný povrch směrováno čárové ohnisko postupně ve dvojité stopě (vztaženo na směr posuvu), takže je možné částečné tepelné opracování tvrzením, rekrystalizací, prodloužením doby

vylučování, homogenizací a zvětšením výměšků.

Podle dalšího výhodného případu využití se může také prášková složka nanášet ve dvojité stopě, takže jsou možná různá složení a rychlosti nanášení, např. vytváření gradientových materiálů s řízeným vytvářením slitiny.

Pro najíždění a odstavování povlékacího zařízení mohou být s výhodou použity regulovatelné clony, které slouží ke zvětšení nebo zmenšení šiřky čárového ohniska, viděno ve směru posuvu.

Na rozdíl od známého povlékacího zařízení podle DE 198 17 091 (NU TECH/VAW Motor GmbH) se pracuje se zařízením pro vyzařování energetického paprsku pohyblivým v jedné ose a s konstrukční součástí pohyblivou ve více osách. Přitom je zvláště výhodné, když je rychlost otáčení polotovaru měnitelná, aby bylo možno uskutečnit strukturu s hrubou fází (pomalým otáčením) nebo strukturu s jemnými buňkami či jemnou fází (rychlejším otáčením).

Jak již bylo zmíněno, dvojitá stopa může být použita k zalegování různých typů legur. Prášek se může na povrch polotovaru nanášet prostřednictvím příslušně tvarované práškové štěrbinové trysky jednostupňově (jeden paprsek prášku) nebo vícestupňové (více proudů prášku). Šířka čárového ohniska je alespoň 4 mm, s výhodou 5 až 15 mm.

Zvláštnost způsobu podle vynálezu spočívá v tom, je možno získat různé hloubky proniknutí, 100 až 2500 μτη, prostřednictvím změn rychlosti posuvu a/nebo prostřednictvím přívodu energie na plochu. Pro zlepšení absorpce se s výhodou použije diodový laser s vlnovou délkou v oblasti uvedené v nárocích, který ve spojení s předem naneseným práškem tvrdého materiálu a práškem obsahujícím tvrdý materiál, zejména Si nebo prášku obsahujícím Si, umožňuje • ·

-6vynikající přívod tepla do hloubky kosntrukční součásti.

Přehled obrázků na výkresech

V následujícím bude vynález blíže objasněn na základě několika příkladů provedení. Na výkresech představuje

Obr. 1 příčný řez zařízením pro opracování pracovních ploch podle vynálezu při opracování bloku válců,

Obr. 2 podélný řez zařízením pro opracování pracovních ploch podle vynálezu při vjíždění do bloku řadového čtyřválcového motoru,

Obr. 3-5 výřez X podle obr. 2 ve zvětšeném znázornění,

Obr. 6 příčný řez analogický obr. 1 se dvěma paprskovými hlavami,

Obr. 7 schematické znázornění pro objasnění způsobu výroby podle vynálezu,

Obr. 8 podélný řez zařízením pro opracování pracovních ploch podle vynálezu s přívodem prášku prostřednictvím vibračního dopravníku,

Obr. 9 řez podél čáry AA z obr. 8,

Obr. 10 zvětšený výřez Y z obr. 8,

Obr. 11 princip šnekového dopravníku analogického obr. 1

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je v upínacím zařízení 1_ upnut blok 2 válců řadového čtyřválcového motoru tak, že podélná osa řadového motoru směřuje ve směru tíže.

Laserová opracovací jednotka 3. zasahuje paprskovou hlavou 4_ do vrtání bloku 2 válců. Paprsková hlava je posuvná ve směru osy 10 přesunu (kolmo k rovině výkresu).

Z paprskové hlavy _4 vystupuje ve směru tíže laserový paprsek, který v zóně 12 dopadu paprsku dopadá na povrch stěny válce a tam vytváří zónu 11 ohřevu, zónu 12 tavení a zónu 13 tuhnutí.

V oblasti zóny dopadu paprsku ústí také zařízení 5 pro přívod prášku, kterým se proud _9 prášku přivádí buď přímo ve směru paprsku nebo - viděno ve směru posuvu - krátce před bodem dopadu laserového paprsku na opracovávanou stěnu válce. Nanášením prášku mohou být ovlivňovány vlastnosti struktury jak ze strany slitiny, tak také způsobem vytváření struktury. To se provádí např. prostřednictvím druhu a množství přiváděného prášku.

V neznázorněné variantě může být do vrtání válců zavedeno současně více zařízení pro přivádění prášku. Také laserové opracování se může provádět prostřednictvím více paprskových hlav současně.

Obr. 2 představuje zařízení pro opracování pracovních ploch vytvořené podle vynálezu v řadovém čtyřválcovém motoru. Znázorňuje blok 2 válců v podélném řezu, tedy kolmo k rovině zobrazení podle obr. 1. Upínací zařízení 1 je uspořádáno na upínacím stole la a otáčivém talíři lb, který je spojen s pohonem 6 pro pohyb přesouvací jednotky podél osy 10 přesunu.

Směr 6a šipky udává, ve kterém směru se blok 2 motoru při opracování otáčí. Přitom je důležité, že zařízení pro přivádění prášku je umístěno před laserovou hlavou _4, jak je znázorněno na obr. 2, výřez X.

-8• ·

4_ do vrtání válce se Osová paralelnost mezi

Vjížděcí pohyb laserové hlavy provádí prostřednictvím vřetena Ί_. osou vrtání válce a osou 10 otáčení je důležitá pro dodržení výrobních tolerancí. Je zajištěna prostřednictvím sáňkových vodítek 7a, 7b, na kterých laserová opracovací jednotka 3 přes příslušné protikusy vjíždí a vyjíždí z bloku 2 válců.

Zvětšené výřezy podle obr. 3-5 znázorňují ještě jednou zónu '9/11 ohřevu, zónu 12 tavení a zónu 13 tuhnutí ve zvětšeném měřítku. Plošné rozprostření jednotlivých zón, resp. oblastí, může být ovlivněno rychlostí otáčení bloků 2 válců, pohybem přesouvaní jednotky podél osy 10 přesunu a počtem zařízení pro opracování laserem resp. paprskových zařízení jakož i počtem zařízení pro přivádění prášku.

Zatímco na obr. 3 je jen jedna ozařovaná skvrna _8 pro jednoduchou laserovou paprskovou hlavu 4_, obr. 4 představuje dvě ozařované skvrny 8a, 8b. K tomu je laserová opracovací jednotka opatřena dvěma paprskovými zařízeními podle nároku 13.

Na obr. 5 je znázorněna dvojitá stopa se dvěma přesazenými ozařovanými skvrnami 8a, 8b, a vždy dvěma čely

12, 13 tavení a tuhnutí. Tato varinata vyžaduje vícenásobný přívod prášku, jak je popsáno v nároku 14 a znázorněno na obr. 6. Vztahovými značkami 9/11 je označen přívod prášku do předehřívací zóny. Protože paprskové hlavy 4.1 a 4.2 se mohou otáčet, jsou znázorněny úhly cti a oc₂ otočení.

Na obr. 7 je schematicky znázorněn způsob výroby povrchově legované válcovité nebo částečně válcovité konstrukční součásti podle vynálezu. Spočívá v tom, že nejprve se na povrch polotovaru směruje energetický paprsek s čárovou ozařovanou plochou (také nazývanou čárové ohnisko). Přitom se povrch polotovaru natavuje a do nataveného povrchu se přivádí prášek tvrdého materiálu nebo

slitinový prášek.

Jak znázorňuje obr. 7, tvoří se energetického paprsku lokálně ohraničená s čelem 20 ohřátí a natavení, zóna 21 přetavení a čelo 22 tuhnutí.

v zóně dopadu lázeň taveniny rozpouštění či

Vedle energetického paprsku 23 se na povrch konstrukční součásti 26 nanáší ve směru síly tíže množství 24 prášku. Množství prášku 24 je koordinováno s posuvným pohybem 27 polotovaru nebo konstrukční součásti 2 6, přičemž šířka proudu prášku napříč k rovině zobrazení obr. 7 přibližně odpovídá šířce energetického paprsku 23 (rovněž měřeno v příčném směru k rovině zobrazení).

Z obr. 7 je zřejmé, že množství prášku přiváděné na povrch polotovaru se v čele tuhnutí zahřívá a později se v energetickém paprsku 23 rozpouští v lázni taveniny. Pokusy ukázaly, že při vlnové délce 780 až 940 nm se energetický paprsek optimálně absorbuje, takže se prášek rychle zahřívá a v kontaktu s kapalnou matricovou slitinou se rozpouští v tavenině.

Jak naznačuje šipka 28 na obr. 7, v zóně rozpouštění nastává konvekce, která urychluje proces homogenizace v zóně tavení. To je umožněno prostřednictvím energetického paprsku s měrným výkonem alespoň 10⁴ W/cm². Na leštěných snímcích je zřejmé, že prášek tvrdého materiálu nebo slitiny je v lázni taveniny rovnoměrně rozdělen jen tehdy, když čárové ohnisko působilo dostatečně dlouho na zónu rozpouštění. Přesné hodnoty je možno stanovit pokusem.

Rovnoměrně v tavenině rozdělený práškový materiál se pak v zóně 22 tuhnutí podrobuje řízenému tuhnutí s rychlostí ochlazování v čele tuhnutí 200 až 600 K/s, přičemž rychlost posuvu je 500 až 10 000 mm/min. V jedné variantě způsobu ** *· 99 9 99 · · ♦ «9 99 999«

- 10 - ·*9*.ίϊί ** * • · «99 999

9999 9999 9« 49 9 99 9999 podle vynálezu se prášek dopravuje na povrch konstrukční součásti v proudu plynu, takže určité množství prášku může vnikat do zóny natavení účinkem kinetické energie.

Další pokusy ukázaly, že energetický paprsek se s výhodou před zónou dopadu rozděluje, přičemž první dílčí paprsek je směrován do zóny ohřevu a natavení a druhý dílčí paprsek je směrován za čelo tuhnutí pro tepelné zpracování struktury. Tímto způsobem je možno cíleně řídit vytváření struktury. Zařízení pro provádění způsobu je znázorněno na obr. 6.

Další řízení struktury je možné tím, že energetický paprsek je v čele tuhnutí směrován na povrch polotovaru přerušovaně s měrným výkonem <1 kW/mm². Přitom bylo zjištěno, že doba účinku energetického paprsku v lázni taveniny pro rozpuštění a homogenní rozdělení fází tvrdého materiálu nebo intermetalických fází je 0,01 až 1 sekunda.

Uvedené požadavky byly splněny prostřednictvím diodového laseru o výkonu > 3 kW, který má nastavitelnou šířku čárového ohniska. Tím je možno před začátkem a na konci povlékání zmenšit šířku čárového ohniska energetického paprsku napříč směru posuvu. Analogickým způsobem je ovladatelné také množství prášku, takže při plošném zpracování mohou být nastaveny jen malé přesahy přiváděného množství prášku resp. vyzařované energie.

Pokud je polotovar vytvořen jako dutý válec, měl by s výhodou rotovat, v poloze v úžlabí, kolem energetického paprsku směřujícího shora dolů, takže energetický paprsek, který je vzhledem ke směru rotace pevně umístěn, vykonává během rotace kontinuální posuv ve směru osy rotace pro vytvoření plošné legovací zóny. To je zřejmé z dále vysvětlených obr. 8 až 11, které znázorňují otáčivý stůl 31, upínací zařízení 32, blok 33 motoru s vrtáním 34 válců.

- 11 ·* ·· ··

4#· 44 • 4 · 4 • 4 4·· • · 4 4

444· ···· ·· ·» 4· • · 4 · · · * 4 4 4 • 444 4 < 4 · 4 .

4·· ·· ····

Přes vibrační dopravník 30 nebo šnekový dopravník 38 se práškový materiál dopravuje ze zásobníku 41 prášku do vrtání 34 válce. Předem uložená vrstva 35 prášku má výšku HP, přičemž vibrační dopravník 30 je uspořádán v odstupu HA nad válcem ležícím v poloze pro zpracování v úžlabí.

Vibrační dopravník 30 má vibrační zařízení £0 s frekvencí f. Pro vyvolávání vibrací je na vibrační dopravník dále upevněn spojovací prvek 42.

Prostřednictvím diodového laseru 43 a laserové optiky 44 se energetický paprsek ohýbá a zaostřuje a vede na vrtání válce. Vibrační dopravník 30 a diodový laser 43 jsou upevněny na montážní desce 4 6, která spočívá na posuvových sáňkách 45. Posuvové sáňky 45 mohou vjíždět a vyjíždět z vrtání 34 válce pomocí lineárního pohonu. To je naznačeno na obr. 8 dvojitou šipkou.

Podle obr. 9 je průměr 47 laserové optiky dimenzován tak, že ve vrtání 34 válce zůstává ještě místo pro dopravník

30. Protože válec se opracovává v poloze v úžlabí, vystupuje laserový paprsek z laserové optiky 44 shora dolů, přičemž na stěně válce se jeví šířka 50 stopy laserového paprsku. Vedle stopy laseru se předem ukládá prášek v šířce 49 stopy. Vztahovou značkou 48 je označen průměr vrtání válce.

Pro provádění způsobu byla vyvinuta zařízení, vhodná pro opracování polotovarů a konstrukčních součástí v průmyslovém měřítku. K tomu sestává zařízení podle obr. 8 z upínacího zařízení 32, na kterém je blok 33 motoru uspořádán pomocí kolíčkových otvorů a/nebo opracovávaných ploch. Na opracovávané plochy vjíždějí ve směru osy válce energetická paprsková zařízení a jsou směrována zaostřovatelnou paprskovou hlavou a přívodem prášku na opracovávané plochy. Jako zvlášť výhodné se ukázalo, když je energetický paprsek zaveditelný do polotovaru, který je

pomocí upínacího zařízení 32 uspořádán na otáčivém stole 31, přičemž energetický paprsek je směrován jako čárové ohnisko z diodové laserové optiky 44 kolmo k polotovaru, např. bloku 33 motoru, rotujícímu v poloze v úžlabí.

Jestliže je na opracovávanou plochu polotovaru rotujícího v poloze v úžlabí směrováno navzájem přesazené více energetických paprskových jednotek, měla by energetická paprsková jednotka probíhat přes opracovávanou plochu v řádcích. Přitom vzniká plošná legovací zóna, která může být dimenzována vždy podle omezovacího prvku zařízení a/nebo otáčivým pohybem konstrukční součásti.

S výhodou přejíždějí energetické paprskové jednotky více řádků opracovávané plochy současně. Tím je zkrácena doba opracování a opracovávané povrchy jsou rovnoměrnější.

Alternativa přívodu prášku znázorněného na obr. 1 až 6 prostřednictvím jedné nebo více trysek bude objasněna dále. Přitom se jedná o přívod prášku pomocí šnekového dopravníku nebo vibračního zařízení, které se osvědčilo zejména při vysokých teplotách a úzkých vrtáních válců.

Vyzařování tepla při vysokých výkonech laseru je velmi intenzivní, takže obvyklé materiály trysek, které jsou uspořádány v blízkosti zóny dopadu záření, neodolávají vysokým teplotám nebo erodují. Kromě toho je prášek proudící přes trysku pod vysokým tlakem a má silný účinek na proudění plynu uvnitř opracovávaného vrtání válce. S prouděním plynu se mění úroveň teploty a hustota ochranného plynu, takže efektivita laseru podléhá silným výkyvům.

Pomocí vibračního dopravníku 30 je možno tyto podmínky podstatně lépe řídit. Úroveň teploty a ochranná atmosféra není při přívodu prášku přes šnekový dopravník ovlivněna. Pro dopravník mohou být využity vysoce pevné a teplotě • ·

- 13 odolné materiály, takže ani dlouhodobý účinek teploty nevyvolává žádné .únavové jevy ani erozní efekty.

Opracování vrtání 34 válce v poloze v úžlabí je s přívodem prášku prostřednictvím vibračního dopravníku zvláště efektivní, když se provádí s předem uloženou vrstvou HP prášku podle nároku 1 b).

Samozřejmě je možno použít také jiná dopravní zařízení, jako např. šnekové dopravníky, pásové dopravníky nebo podobně.

Ty mají proti dopravě prášku tryskou tu výhodu, že stopa s šířkou ohniska laseru a výška resp. tloušťka vrstvy jsou přesně nastavitelné mezi 0,3 až 3 mm.

Aby bylo možno přesně řídit dávkování prášku, jsou v oblasti zóny nanášení s výhodou uspořádány mechanické stěrky nebo kartáče. Tím je možno libovolně řídit množství materiálu v šířce a výšce. Tloušťka vrstvy naneseného prášku se s výhodou udržuje v oblasti 0,3 až 3 mm, přičemž pro větší tloušťku vrstvy je potřebná vyšší hustota energie laseru.

Podstatným faktorem pro absorpci energie laseru v práškovém materiálu je spektrum zrnitosti a tvar krystalů použitého prášku.

Pro provádění v průmyslovém měřítku byl vyvinut diodový laser 43 s laserovou optikou 44, uspořádaný vzhledem ke směru otáčení konstrukční součásti v pevné poloze uvnitř otáčivého upínacího zařízeni 32 spojeného s hnací jednotkou. Diodový laser s optikou zajíždí do vrtání 34 válce prostřednictvím posuvových sáněk 45 spolu se zařízením pro přívod prášku, které je uspořádáno bočně vedle energetického paprsku. Je také možné prášek ukládat prášek na povrchy proti paprsku. To se podle obr. 8 provádí pomocí dopravníku

- 14• · · · · · · ·· ·· • · · · · · · · · · · · • ···· ·· · • · ♦ · » ···· · • · ··· · · · ········ · · · · · ·· ····

30, kterým se prášek volně nasypává ve směru tíže. Vzniká tak předem uložená vrstva prášku 35, přičemž na obr. 9 je znázorněna výstupní výška HA dopravníku.

Pro vytvoření spirálovitých nebo jiných geometrických vedení čárového ohniska by pohonná jednotka otáčivého stolu 31 měla umožňovat měnitelný počet otáček. Přitom se může posuv sáněk 45 diodového laseru 43 a přívod prášku ve směru rotační osy kombinovat s rychlostí otáčení bloku 33 motoru.

Na obr. 10 a 11 vytváří vibrační dopravník 30 nebo šnekový dopravník 38 výšku HP prášku, přičemž odstup od dopravníku je označen HA. Uvnitř vrtání 34 válce s průměrem 48 se nachází laserová optika 44, obojí se pohybuje ve směru šipky na posuvových sáňkách 45.

Popsaným způsobem jsou vyrobitelné povrchově legované,válcovité nebo částečně válcovité, zejména duté válcovité konstrukční součásti. Sestávají ze slitiny hliníkové matrice a zóny výměšků ze slitiny na bázi hliníku s vyloučenými tvrdými fázemi dosahující až na povrch konstrukční součásti. Mezi matricí a zónou výměšků se nachází eutektická zóna, přesycená primárními tvrdými fázemi (zóna přesycení), přičemž tvrdost stupňovitě narůstá od matrice až k povrchu konstrukční součásti. Zvláště výhodných poměrů je možno dosáhnout, když je matricová slitina typu AlSiCu nebo AISiMg podeutektická, a v přesycené, eutektické přechodové zóně se nachází slitina typu AISi s jemně vyloučenými fázemi primárního křemíku menšími než 1 pm, zatímco ve výměskové zóně jsou přítomny fáze primárního křemíku 2 až 20 pm. Pak je možno dosáhnout nárůstu tvrdosti až k povrchu konstrukční součásti alespoň 200 %.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby povrchově legované válcovité, částečně válcovité nebo duté válcovité konstrukční součásti, přičemž se na povrch polotovaru směruje energetický paprsek s čárovou ozařovanou plochou, dále nazývanou čárové ohnisko, čímž se povrch polotovaru natavuje a do nataveného povrchu se přivádí prášek tvrdého materiálu, vyznačující se tím, že

a) v zóně dopadu energetického paprsku se vytváří lokálně ohraničená lázeň taveniny s čelem ohřátí a natavení, zóna rozpouštění a čelo tuhnutí,

b) vedle energetického paprsku se prostřednictvím dopravního zařízení nanáší ve směru síly tíže prášek tvrdého materiálu a koordinovaně s posuvným pohybem polotovaru se přivádí v šířce, která odpovídá šířce čárového ohniska, přičemž se vytváří výška vrstvy 0,3 až 3 mm,

c) množství prášku tvrdého materiálu přiváděné na povrch polotovaru se v čele ohřevu lázně taveniny zahřívá energetickým paprskem o vlnové délce 780 až 940 nm a v kontaktu se zkapalnělou matricovou slitinou se ihned rozpouští v lázni taveniny,

d) prostřednictvím energetického paprsku s měrným výkonem alespoň 10⁴ W/cm² se v zóně rozpouštění vyvolává konvekce, která urychluje proces homogenizace v zóně tavení, přičemž

e) čárové ohnisko působí na rozpouštěcí zónu tak dlouho, až je tvrdý materiál v lázni taveniny rovnoměrně rozdělen, a

f) pod energetickým paprskem rovnoměrně v tavenině rozdělený práškový materiál, který v zóně rozpouštění metalurgicky přešel do roztoku, se v čele tuhnutí podrobuje řízenému tuhnutí s vysokou rychlostí ochlazování 200 až 600 K/s při rychlosti posuvu je 500 až 10 000 mm/min.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že prášek tvrdého materiálu v krocích b) až f) je křemíkový prášek s průměrem zrna 40 až 90 pm.
3. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že energetický paprsek se před zónou dopadu rozděluje, přičemž první dílčí paprsek je směrován do zóny ohřevu a natavení a druhý dílčí paprsek je směrován za čelo tuhnutí pro tepelné zpracování struktury.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že druhý dílčí energetický paprsek za čelem tuhnutí je pro řízení strutury výměšků směrován na povrch polotovaru s měrným výkonem <1 kW/mm².
5. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že doba účinku energetického paprsku v lázni taveniny pro rozpuštění a homogenní rozdělení primárních vyloučených Si-fází je 0,01 až 1 sekunda.
6. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pro vytváření energetického paprsku se použije diodového laseru o výkonu > 3 kW s měnitelnou optikou pro nastavení šířky čárového ohniska 4 až 15 mm.
7. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že před začátkem a na konci povlékání se zmenší šířka čárového ohniska energetického paprsku a množství prášku napříč ke směru posuvu.

Způsob podle některého z předcházejících nároků, • · vyznačující se tím, že polotovar je vytvořen jako dutý válec a během povlékání rotuje kolem energetického paprsku směřujícího shora dolů, přičemž energetický paprsek, který je vzhledem ke směru rotace pevně umístěn, vykonává během rotace kontinuální posuvný pohyb ve směru osy rotace pro vytvoření plošné legovací zóny.
9. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že na začátku legování je energetický paprsek bodový a spolu s množstvím prášku se kontinuálně zvětšuje, až po jednom otočení polotovaru dosáhne plné šířky čárového ohniska.
10. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že na konci legování během posledního otočení polotovaru se šířka čárového ohniska a množství prášku kontinuálně zmenšuje na nulu.
11. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se opracovává dutý válec ze slitiny Al nebo Mg o průměru vrtání 60 až 120 mm v hloubce až 200 mm.
12. Zařízení pro provádění způsobu, sestávající z upínacího zařízení (1) pro polotovar, na kterém je polotovar uspořádán a upnut pomocí kolíčkových otvorů a/nebo opracovávaných ploch, přičemž na jeho opracovávané plochy je směrován přívod (5) prášku a zaostřovatelný paprsek z paprskové hlavy (4), vyznačující se tím, že má ve směru osy válce zasunuté energetické paprskové zařízení a zařízení pro přivádění prášku, přičemž energetický paprsek je směrován jako čárové ohnisko pod úhlem ± a = 0 až 45° ke směru tíže na polotovar rotující v poloze v úžlabí.

e»

-189 9 9 9 9 99 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 9 9 • 9 9 9 9 9 9 9 9 9

9 · *·· « 9 9

9999 9999 99 999 99 9999
13. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že na opracovávanou plochu polotovaru rotujícího v poloze v úžlabí je směrováno navzájem přesazené více energetických paprskových jednotek, přičemž energetické paprskové jednotky (8b, 8a) probíhají přes opracovávané plochy postupně v řádkových stopách.
14. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že energetické paprskové jednotky probíhají přes více řádků opracovávané plochy současně, popř. s více jednotkami pro přivádění prášku.
15. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že energetické paprskové zařízení je uspořádáno vzhledem ke směru otáčení konstrukční součásti v pevné poloze uvnitř otáčivého upínacího zařízení spojeného s hnací jednotkou, přičemž energetický paprsek z energetické paprskové hlavy je směrován na povrch polotovaru, a zařízení pro přívod prášku je uspořádáno bočně vedle energetického paprsku.
16. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že prášek se na povrch přivrácený paprsku buď vedmýchává proti směru posuvu skrze paprsek do zóny tavení nebo se volně nasypává ve směru tíže před energetickým paprskem.
17. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pohonná jednotka pro polotovar umožňuje měnitelný počet otáček, přičemž směr posuvu energetického paprskového zařízení a přívod prášku ve směru rotační osy je kombinován s rychlostí polotovaru, pro dosažení spirálovitého nebo jiného tvaru vedení čárového ohniska po povrchu polotovaru.
18. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, zejména pro bloky motorů, sestávající z otáčivého upínacího zařízení (1) pro blok (2) válců, laserové opracovávací jednotky (3) s paprskovou hlavou (4), která je spojena se zařízením (5) pro přivádění prášku, a přesouvací jednotky, která polohuje blok (2) válců před laserovou opracovávací jednotkou (3) , a pohonu (6) pro pohyb přesouvací jednotky podél osy (10) přesunu, vyznačující se tím, že upínací rovina upínacího zařízení (1) je uspořádána kolmo ke směru paprsku laserové jednotky (3),-přičemž laserová jednotka. (3) je posuvná kolmo k upínací rovině upínacího zařízení (1), směr paprsku kolmo k ose (10) přesunu je orientován v úhlu cc<45° k vektoru tíže, a přívod (5) prášku ústí buď přímo ve směru paprsku laserové jednotky (3) nebo (viděno ve směru posuvu) krátce před zónou (12)dopadu paprsku.
19. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že laserová opracovávací jednotka (3) -sestává- z., více--papxakových- _zařízení_x která je možno zavést do vrtání válce, přičemž na stěně válce je uspořádáno více zón opracování za sebou (viděno ve směru osy válce).
20. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zařízení (5) pro přivádění prášku sestává z více přiváděčích zařízení, která je možno zavést do vrtání válce, přičemž přiváděči otvory jsou uspořádány za sebou (viděno ve směru osy válce).
21. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zařízení (5) pro přivádění prášku sestává z pásového dopravníku nebo vibračního dopravníku.