PL238518B1 - Method for producing three-dimensional objects on the basis of three-component phases of TiAIN system - Google Patents

Method for producing three-dimensional objects on the basis of three-component phases of TiAIN system Download PDF

Info

Publication number
PL238518B1
PL238518B1 PL420974A PL42097417A PL238518B1 PL 238518 B1 PL238518 B1 PL 238518B1 PL 420974 A PL420974 A PL 420974A PL 42097417 A PL42097417 A PL 42097417A PL 238518 B1 PL238518 B1 PL 238518B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
nitrogen
powders
range
laser
powder
Prior art date
Application number
PL420974A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL420974A1 (en
Inventor
Ryszard Sitek
Maciej Szustecki
Łukasz ŻRODOWSKI
Łukasz Żrodowski
Jarosław Mizera
Bartłomiej WYSOCKI
Bartłomiej Wysocki
Original Assignee
Politechnika Warszawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Warszawska filed Critical Politechnika Warszawska
Priority to PL420974A priority Critical patent/PL238518B1/en
Publication of PL420974A1 publication Critical patent/PL420974A1/en
Publication of PL238518B1 publication Critical patent/PL238518B1/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Landscapes

  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania trójwymiarowych obiektów na bazie trójskładnikowych faz układu TiAlN.The subject of the invention is a method for the production of three-dimensional objects based on the ternary phases of the TiAlN system.

Stopy na osnowie międzymetalicznych faz tytanu z glinem są znane od kilkudziesięciu lat. Charakteryzują się niską gęstością, wysoką wytrzymałością i sztywnością, dostateczną twardością i wytrzymałością do około 700°C (w zależności od składu stopu) oraz żaroodpornością do około 500°C (w zależności od składu stopu). Z uwagi na te właściwości, mogą one zastąpić stopy tytanu i stopy na bazie niklu w zastosowaniach kosmicznych i lotniczych obniżając masę wyrobów. Problemem jest jednak wysoka kruchość tych stopów w temperaturach pokojowych. Powoduje to uszkodzenia części maszyn, np. łopatek kompresora, zanim nagrzeją się one do temperatury roboczej wskutek tarcia z cząsteczkami gazu lub samej temperatury gazu roboczego.Alloys based on titanium-aluminum intermetallic phases have been known for several decades. They are characterized by low density, high strength and stiffness, sufficient hardness and strength up to about 700 ° C (depending on the alloy composition) and heat resistance up to about 500 ° C (depending on the alloy composition). Due to these properties, they can replace titanium alloys and nickel-based alloys in space and aviation applications, reducing the weight of the products. The problem, however, is the high brittleness of these alloys at room temperatures. This causes damage to machine parts, e.g. compressor blades, before they heat up to operating temperature due to friction with gas particles or the temperature of the operating gas itself.

Rozwiązaniem problemu kruchości w temperaturze pokojowej jest dodanie azotu do składu chemicznego stopu. Powstające wówczas fazy TiAlN i/lub Ti2AlN posiadają wyższą granicę plastyczności w temperaturze pokojowej (w porównaniu do faz TiAl), a także wykazują się lepszą żaroodpornością i twardością (do około 800°C) oraz odpornością na zużycie ścierne. Do tej pory fazy te znalazły zastosowanie w postaci cienkich warstw otrzymywanych metodami PVD (fizycznego osadzania z fazy gazowej), służących do pokrycia narzędzi skrawających, takich jak frezy, czy wieloostrzowe płytki tnące, co opisano w publikacjach patentowych US20150211105A1 oraz DE 102012107129A1 czy narzędzi do precyzyjnego formowania szkła, jak przedstawiono w zgłoszeniu patentowym CN 102329081A. Techniki te nie pozwalają jednak otrzymać obiektu w postaci masywnej, wykluczając tym samym wiele zastosowań stopu.The solution to the problem of brittleness at room temperature is to add nitrogen to the alloy chemistry. The TiAlN and / or Ti2AlN phases formed then have a higher yield point at room temperature (compared to TiAl phases), and also show better heat resistance and hardness (up to about 800 ° C) and resistance to abrasion. So far, these phases have been used in the form of thin films obtained by PVD (physical vapor deposition) methods, used to cover cutting tools, such as milling cutters or multi-edge cutting inserts, as described in patent publications US20150211105A1 and DE 102012107129A1 or precision tools glass forming as shown in the CN patent application 102329081A. However, these techniques do not allow the object to be obtained in a massive form, thus ruling out many applications of the alloy.

Znana jest metoda wytworzenia materiału składającego się z fazy Ti2AIN w postaci masywnej, przy pomocy technologii SPS (Spark Plasma Sintering) opisana w zgłoszeniu patentowym W02014104461A1. Zgodnie z tym zgłoszeniem materiał zawierający fazę Ti2AlN wytwarza się przez zmieszanie proszków: Ti, Al i TiN, w stosunku 1 : 1 : 1 i poddanie tego proszku jednocześnie działaniu ciśnienia i impulsów prądowych.The method of producing a material consisting of the Ti2AIN phase in massive form, using the SPS (Spark Plasma Sintering) technology, described in the patent application WO2014104461A1, is known. According to this application, the material containing the Ti2AlN phase is produced by mixing the Ti, Al and TiN powders in a 1: 1: 1 ratio and subjecting the powder simultaneously to pressure and current pulses.

W opisie japońskiego zgłoszenia patentowego JP2007131493 przedstawiono metodę wytwarzania masywnego materiału AlTiN. Zgodnie z tą metodą miesza się proszki Ti i Al, a następnie podda je się je wstępnemu formowaniu. Następnie wstępnie uformowany materiał jest przedmiotem obróbki w wysokiej temperaturze, pod określonym ciśnieniem, w atmosferze azotu. Z tak otrzymanego materiału przygotowuje się proszek, który następnie poddaje się jeszcze dwukrotnie ponownemu formowaniu i obróbce w atmosferze azotu. Proszek otrzymany po trzecim etapie spieka się w masywny materiał AlTiN.The Japanese patent application JP2007131493 describes a method of producing massive AlTiN material. According to this method, Ti and Al powders are mixed and then preformed. The pre-formed material is then subjected to a high temperature treatment under a defined pressure in a nitrogen atmosphere. A powder is prepared from the material thus obtained, which is then subjected to another two more shaping and treatment under nitrogen atmosphere. The powder obtained after the third stage is sintered into a massive AlTiN material.

Dotychczas nie opublikowano żadnych informacji o próbach wytworzenia masywnych obiektów AlTiN przy pomocy metod addytywnych, takich jak technologia selektywnego przetapiania laserowego, której dotyczy niniejszy wynalazek.To date, no information has been published about attempts to produce massive AlTiN objects by additive methods such as the selective laser remelting technology of the present invention.

Metody addytywnego wytwarzania materiałów cieszą się obecnie dużą popularnością. Dzieje się tak głównie dzięki możliwości szybkiego wytwarzania obiektów bez konieczności wykonywania form czy stempli, co wiąże się ze znaczną oszczędnością czasu i zmniejsza koszt projektu. Dodatkowo, metody addytywne są niezastąpione w przypadku konieczności produkcji jednostkowej np. w zastosowaniach medycznych (elementy endoprotezy dostosowane do konkretnego pacjenta) oraz skomplikowanej geometrii (rusztowania komórkowe). Metody te niosą za sobą także szereg innych zalet.Methods of additive manufacturing of materials are currently very popular. This is mainly due to the possibility of quick production of objects without the need to make molds or stamps, which is associated with significant time savings and reduces the cost of the project. In addition, additive methods are irreplaceable in the case of the need for unit production, e.g. in medical applications (endoprosthesis components adapted to a specific patient) and complex geometry (cell scaffolding). These methods also have a number of other advantages.

Jedną z najważniejszych zalet metod addytywnych jest ich ekologiczność. Materiał surowca może być wykorzystany niemal w 100% bezstratnie. W stosunku do standardowych technik wytwarzania, straty związane z obróbką poprocesową, np. obróbką skrawaniem, są znacznie lub całkowicie zredukowane, gdyż geometria modelu zastaje nadana obiektowi już w procesie wytwarzania. Kolejną zaletą jest możliwość wytworzenia materiałów niemożliwych do wytworzenia konwencjonalnymi metodami.One of the most important advantages of additive methods is their eco-friendliness. The raw material can be used almost 100% lossless. Compared to standard manufacturing techniques, the losses associated with post-process processing, e.g. machining, are significantly or completely reduced as the model geometry is assigned to the object already in the manufacturing process. Another advantage is the ability to produce materials that cannot be produced by conventional methods.

Istotą procesu selektywnego przetapiania laserowego, jest powtarzający się szereg czynności polegający na pokryciu stołu roboczego warstwą przetapianego proszku, przetopieniu go wiązką lasera w odpowiednich miejscach, określonych za pomocą modelu CAD, a następnie obniżeniu stołu roboczego i powtórzeniu tych czynności. W zależności od budowy urządzenia, powierzchnia stołu roboczego oraz maksymalny wymiar w osiach może być różny i determinuje maksymalne wymiary wytwarzanego elementu. Maszyny umożliwiają też grzanie stołu roboczego, co wykorzystywane jest w celu utrzymyThe essence of the selective laser remelting process is a repeated series of activities consisting in covering the working table with a layer of melted powder, smelting it with a laser beam in appropriate places, determined using the CAD model, and then lowering the working table and repeating these activities. Depending on the construction of the device, the surface of the working table and the maximum dimension in the axes may be different and determine the maximum dimensions of the manufactured element. The machines also enable the heating of the work table, which is used for maintenance purposes

PL 238 518 B1 wania temperatury powyżej uplastycznienia materiału. Z uwagi na istotę procesu, konieczne jest zastosowanie atmosfery ochronnej gazu obojętnego. Zabezpiecza to wytwarzany materiał przed utlenieniem, a także umożliwia konwekcyjną wymianę ciepła przez nadmuch gazu w strefę wpływu lasera. Istota działania urządzenia do selektywnego przetapiania za pomocą wiązki elektronów (z ang. EBM - Electron Beam Melting) jest analogiczna, przy czym zamiast wiązki lasera wykorzystywana jest wiązka elektronów i proces prowadzony jest w próżni.At a temperature above the plasticization of the material. Due to the nature of the process, it is necessary to use a protective atmosphere of an inert gas. This protects the produced material against oxidation, and also enables convective heat exchange by blowing gas into the laser influence zone. The essence of the selective beam melting device (EBM - Electron Beam Melting) is analogous, but instead of a laser beam, an electron beam is used and the process is carried out in a vacuum.

Znane są przykłady wytworzenia omawianego wcześniej stopu TiAl metodą selektywnego przetapiania laserowego, opisane w publikacji patentowej DE 102012206125A1, gdzie metodę zastosowano do wytwarzania łopatek turbin niskiego ciśnienia. W metodzie tej zastosowano wstępne ogrzewanie już częściowo wytworzonego produktu za pomocą ciepła dostarczanego przez indukcję, a następnie kontynuowanie procesu w atmosferze gazu ochronnego o ilości zanieczyszczeń nie większej niż 100 ppm tlenu, azotu i pary wodnej. Takim gazem może być np. hel.There are known examples of the preparation of the TiAl alloy discussed above by selective laser remelting, described in the patent publication DE 102012206125A1, where the method was used for the production of low pressure turbine blades. This method uses preheating of the already partially produced product with induction heat and then continuing the process in a protective gas atmosphere with an amount of impurities of no more than 100 ppm of oxygen, nitrogen and water vapor. Such a gas can be, for example, helium.

Znane jest azotowanie laserowe powierzchni. Metoda ta została opisana między innymi w opisie patentowym US5290368A, jednakże dotychczas używana była w celu nasycenia azotem powierzchni już powstałego obiektu, a nie przetapianych warstw w metodach addytywnych, stanowiących jego rdzeń.Laser nitriding of surfaces is known. This method is described, inter alia, in the patent description US5290368A, however, so far it has been used to saturate the surface of an already formed object with nitrogen, and not to remelted layers in additive methods constituting its core.

Znany jest z publikacji patentowej CN103846438 sposób wytwarzania trójwymiarowych obiektów na bazie fazy TiAlN głównie z proszku tytanu i azotku glinu (lub tytanu i mieszaniny azotku glinu + azotku tytanu). W cytowanym dokumencie proponowane rozwiązanie dotyczy wytwarzania faz trójskładnikowych z azotku tytanu, w postaci powłoki lub warstwy trójwymiarowych obiektów, a nie jak w niniejszym wynalazku w postaci masywnych, litych obiektów. Procesy dyfuzyjne zachodzące podczas topienia pomiędzy azotkiem tytanu i aluminium znacznie różnią się od procesów dyfuzyjnych zachodzących pomiędzy azotkiem glinu i tytanem w trakcie ich topienia, chociażby ze względu na ich stabilność termiczną i mają wpływ na wytwarzane produkty.There is known from the patent publication CN103846438 a method for producing three-dimensional objects based on the TiAlN phase, mainly from titanium and aluminum nitride powder (or from titanium and a mixture of aluminum nitride + titanium nitride). In the cited document, the proposed solution relates to the production of three-component phases from titanium nitride in the form of a coating or layer of three-dimensional objects, and not as in the present invention in the form of massive, solid objects. The diffusion processes occurring during melting between titanium nitride and aluminum are significantly different from the diffusion processes occurring between aluminum nitride and titanium during their melting, for example due to their thermal stability and have an impact on the products produced.

Ujawniony w dokumencie CN103846438 sposób wytwarzania obiektu z kompozytu metalowoceramicznego TiAlN, który obejmuje etapy mieszania i przygotowania proszku azotku tytanu i proszku metalowo-aluminiowego zgodnie ze stosunkiem; przesiewanie jednorodnie wymieszanego proszku kompozytowego, a następnie dodawanie do dopasowanej formy i równomierne układanie nawierzchni; umieszczenie formy w piecu do spiekania z prasowaniem na gorąco i spiekanie za pomocą gazu obojętnego o temperaturze 650-1000°C i ciśnieniu 40-50 MPa; zatrzymanie ogrzewania po zaizolowaniu i utrzymywaniu ciśnienia przez 2-3 godziny; obróbka spiekanego obiektu kompozytowego według rysunku w celu uzyskania gotowego produktu. Zgodnie ze sposobem dostarczonym przez wynalazek można ulepszyć technologie, aby można było otrzymać obiekt kompozytowy TiAlN o lepszych parametrach użytkowych.The method disclosed in CN103846438 for producing a TiAlN metal-ceramic composite object, which comprises the steps of mixing and preparing titanium nitride powder and metal-aluminum powder according to a ratio; sieving the homogeneously mixed composite powder, then adding to the matching mold and paving evenly; placing the mold in a hot-press sintering furnace and sintering with an inert gas at a temperature of 650-1000 ° C and a pressure of 40-50 MPa; stopping heating after insulating and holding pressure for 2-3 hours; processing the sintered composite object according to the drawing to obtain the finished product. According to the method provided by the invention, the technologies can be improved to obtain a TiAlN composite body with better performance.

W przypadku wytwarzania litych materiałów wielofazowych istotne znaczenie dla parametrów użytkowych wytwarzanego materiału ma jego skład fazowy. W metodzie addytywnej proszki użyte w procesie mogą w różny sposób reagować ze sobą, w zależności od parametrów procesu, takich jak gęstość mocy i energii. Parametry te mają zatem znaczący wpływ na skład fazowy materiału. Ważna dla właściwości użytkowych jest także mikrostruktura materiału, czyli wielkość, rozmieszczenie i orientacja krystalograficzna ziaren.In the case of the production of solid multiphase materials, its phase composition is of significant importance for the functional parameters of the produced material. In the additive method, the powders used in the process may react differently with each other depending on process parameters such as power and energy density. These parameters therefore have a significant influence on the phase composition of the material. The microstructure of the material, i.e. the size, distribution and crystallographic orientation of the grains, is also important for the functional properties.

Celem wynalazku było opracowanie metody wytwarzania trójwymiarowych obiektów na bazie trójskładnikowych faz układu Ti-Al-N.The aim of the invention was to develop a method for the production of three-dimensional objects based on the three-component phases of the Ti-Al-N system.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania trójwymiarowych obiektów na bazie trójskładnikowych faz układu TiAlN, charakteryzujący się tym, że obiekt wytwarza się metodą addytywną polegającą na stapianiu kolejnych warstw materiału stopowego wiązką lasera lub wiązką elektronów w atmosferze gazu obojętnego z dodatkiem azotu gdzie jako materiał stopowy stosuje się mieszaninę co najmniej dwóch proszków wybranych spośród: Ti, Al, TiN i AIN, poddanych uprzednio homogenizacji na drodze mechanicznej syntezy w temperaturze 15-30°C, w czasie od 5 do 30 godzin, przy czym udział proszku azotku jest nie mniejszy niż 5% atomowych zaś proces prowadzi się przy mocy lasera w zakresie 20-500 W, szybkości posuwu wiązki lasera 10-1000 mm/s, odległości między kolejnymi ścieżkami w zakresie 20-200 gm, grubości warstwy w zakresie 20-60 gm.The subject of the invention is a method for the production of three-dimensional objects based on three-component phases of the TiAlN system, characterized by the fact that the object is produced by an additive method consisting in fusing successive layers of the alloy material with a laser beam or an electron beam in an inert gas atmosphere with the addition of nitrogen, where a mixture is used as the alloying material. at least two powders selected from: Ti, Al, TiN and AIN, previously homogenized by mechanical synthesis at a temperature of 15-30 ° C for 5 to 30 hours, with the proportion of nitride powder not less than 5 atomic% and the process is carried out with a laser power in the range of 20-500 W, a laser beam feed rate of 10-1000 mm / s, a distance between successive paths in the range of 20-200 gm, a layer thickness in the range of 20-60 gm.

Korzystnie stosuje się dodatek azotu w ilości minimum 5% obj.Preferably nitrogen is added in an amount of at least 5 vol.%.

Korzystnie stosuje się proszki o średnim rozmiarze cząstek w zakresie 10-120 gm.Preference is given to using powders with an average particle size in the range 10-120 gm.

Korzystnie, gdy mieszaninę proszków poddaje się uprzednio sferoidyzacji w gazie obojętnym i/albo atmosferze azotu.Preferably, the powder mixture is previously spheroidized in an inert gas and / or a nitrogen atmosphere.

PL 238 518 B1PL 238 518 B1

Korzystnie, gdy każda warstwa w procesie wytwarzania poddana jest co najmniej dwukrotnemu przetapianiu promieniem lasera lub wiązką elektronów. Korzystnie obiekt po procesie selektywnego przetapiania poddaje się procesowi prasowania izostatycznego na gorąco.Preferably, each layer is subjected to at least two laser or electron beam remelting during the manufacturing process. Preferably, the object after the selective remelting process is subjected to a hot isostatic pressing process.

Gaz ochronny zapobiega utlenianiu materiału w czasie procesu, natomiast dodatek azotu zwiększa ilość faz bogatych w azot względem wyjściowych proszków. Podwyższanie udziału azotu w atmosferze pozwala na obniżenie udziału azotków, ponieważ część potrzebnego do procesu azotu pochodzi z atmosfery. W ten sposób około 5-10% azotku można zastąpić proszkiem odpowiedniego metalu.The protective gas prevents oxidation of the material during the process, while the addition of nitrogen increases the amount of nitrogen-rich phases relative to the starting powders. Increasing the share of nitrogen in the atmosphere allows you to reduce the share of nitrides, because part of the nitrogen needed for the process comes from the atmosphere. In this way, about 5-10% of the nitride can be replaced with a suitable metal powder.

Nadanie proszkom korzystnego w procesie kształtu sferycznego, zwiększa sypkość proszku. Mechaniczna synteza polega na wysokoenergetycznym mieszaniu proszków w szczelnie zamkniętych pojemnikach wraz z kulami ceramicznymi. W czasie procesu cząstki proszków wielokrotnie łączą się ze sobą i kruszą, dzięki czemu finalny proszek jest dobrze zhomogenizowany. Wstępny etap mechanicznej syntezy korzystnie prowadzi się w wysokoenergetycznych młynach, w atmosferze gazu obojętnego.Giving the powders a spherical shape that is favorable in the process, increases the flowability of the powder. Mechanical synthesis consists in high-energy mixing of powders in tightly closed containers with ceramic balls. During the process, the powder particles combine and crumble many times, thanks to which the final powder is well homogenized. The preliminary mechanical synthesis step is preferably carried out in high energy mills under an inert gas atmosphere.

Sposób według wynalazku pozwala na otrzymanie masywnych obiektów na bazie trójskładnikowych faz układu Ti-Al-N, charakteryzujących się wysoką żarowytrzymałością, odpornością na korozję i żaroodpornością, dobrymi właściwościami mechanicznymi, a zarazem plastycznością oraz bardzo wysoką odpornością na zużycie ścierne.The method according to the invention makes it possible to obtain massive objects based on the three-component phases of the Ti-Al-N system, characterized by high heat resistance, corrosion resistance and heat resistance, good mechanical properties and plasticity as well as very high abrasion resistance.

W procesie według wynalazku następuje przetop zarówno wysokotopliwej fazy TiN czy AIN, jak i relatywnie niskotopliwej osnowy Ti czy Al. Szybkie schłodzenie niewielkiego obszaru przetopu, tzw. jeziorka laserowego, powoduje powstanie drobnej mikrostruktury, mającej dobre właściwości wytrzymałościowe (wysoką wytrzymałość i twardość) przy niewielkiej kruchości. Odróżnia to metodę według wynalazku od znanej syntezy SPS, w której struktura wytwarzanego materiału jest zbliżona do struktury wyjściowej proszków stanowiących substraty, a niekiedy może następować również rozrost ziaren. W konsekwencji materiały otrzymane znaną metodą SPS mają gorsze właściwości mechaniczne.In the process according to the invention, both the high-melting TiN or AIN phase and the relatively low-melting Ti or Al matrix are melted. Quick cooling of a small smelting area, the so-called laser puddle, creates a fine microstructure with good strength properties (high strength and hardness) with low brittleness. This distinguishes the method according to the invention from the known SPS synthesis, in which the structure of the produced material is similar to the initial structure of the starting powders, and sometimes grain growth may also occur. Consequently, the materials obtained by the known SPS method have poorer mechanical properties.

Sposób według wynalazku pozwala wpływać na otrzymywany skład fazowy obiektu i jego mikrostrukturę poprzez zmianę parametrów procesu, tj. gęstości mocy i energii.The method according to the invention allows to influence the obtained phase composition of the object and its microstructure by changing the process parameters, i.e. power and energy density.

Zwiększenie gęstości energii powoduje rozpad AIN z wytworzeniem trójskładnikowych faz z układu Ti-Al-N, natomiast przy niższych gęstościach energii, materiał wykazuje cechy kompozytu o osnowie tytanu, wzmacnianego azotkiem glinu (AIN). W każdym jednak przypadku kompozyt Ti-AIN otrzymany sposobem według wynalazku posiada wysokie właściwości mechaniczne i wysoką twardość, cechując się również wysoką adhezją cząstek umacniających z uwagi na możliwość chemicznego połączenia z osnową, przez fazy przejściowe z układu Ti-Al-N.Increasing the energy density causes the decomposition of AIN with the formation of ternary phases from the Ti-Al-N system, while at lower energy densities, the material exhibits the features of a composite with a titanium matrix, reinforced with aluminum nitride (AIN). In any case, however, the Ti-AIN composite obtained by the method according to the invention has high mechanical properties and high hardness, and is also characterized by high adhesion of strengthening particles due to the possibility of chemical bonding with the matrix through the transition phases from the Ti-Al-N system.

Wprowadzenie azotu w postaci związanej w proszku pozwala osiągnąć lepsze własności mechaniczne i rozwiązuje problemy związane ze stosowaniem stopów TiAl. Dodatkowym atutem przedstawianej metody jest wprowadzenie do atmosfery roboczej azotu, który podczas procesu wchodzi w reakcję z powierzchnią obiektu. Pozwala to stosować mniejsze ilości proszków azotków, które są droższe od proszków Ti i Al, a tym samym obniżyć koszt wytwarzanego obiektu.The introduction of bound nitrogen in the powder allows to achieve better mechanical properties and solves the problems associated with the use of TiAl alloys. An additional advantage of the presented method is the introduction of nitrogen into the working atmosphere, which reacts with the surface of the object during the process. This allows the use of smaller amounts of nitride powders, which are more expensive than Ti and Al powders, and thus reduce the cost of the manufactured object.

Obiekt wykonany sposobem według wynalazku jest nasycony azotem w całej objętości, w przeciwieństwie do metod dotychczas znanych, gdzie azotowana jest jedynie powierzchnia.The object made by the method according to the invention is saturated with nitrogen in its entire volume, in contrast to the methods known so far, where only the surface is nitrided.

Sposób pozwala otrzymać obiekt o prawie dowolnej geometrii (ograniczonej jedynie przez średnice wiązki przetapiającej proszek), zatem może zostać wykorzystany w produkcji różnych elementów konstrukcyjnych i narzędzi, od których wymagana jest niska masa właściwa, wysoka wytrzymałość i żaroodporność.The method allows to obtain an object with almost any geometry (limited only by the diameter of the powder melting beam), therefore it can be used in the production of various structural elements and tools, which require low specific weight, high strength and heat resistance.

Sposób według wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach.The method according to the invention is presented in more detail in the examples.

P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1

Przygotowano proszek o składzie nominalnym Ti: 85%, AIN: 15% atomowo, z proszku metalicznego tytanu o średnim rozmiarze cząstek 35 μm oraz proszku azotku aluminium o średnim rozmiarze cząstek 11 μm. Proszek został poddany mieszaniu w młynku obrotowym przez 10 h i suszeniu w suszarce próżniowej przez 72 h. Przygotowany surowiec został przetopiony selektywnie w urządzeniu Realizer SLM-50 wyposażonym w laser Nd:YAG o mocy 120 W w atmosferze argonu. Grubość warstwy wynosiła 50 μm. Szybkość posuwu wiązki lasera ustalono na 125 mm/s przy szerokości ścieżki 50 μm i mocy lasera 25 W. Ścieżki wykonywane były kolejno po sobie. Tak wytworzony materiał cechuje się rozdrobnioną mikrostrukturą dendrytyczną i wysoką twardością powyżej 600HV0,2.A powder with the nominal composition of Ti: 85%, AIN: 15 atomic% was prepared from metallic titanium powder with an average particle size of 35 μm and aluminum nitride powder with an average particle size of 11 μm. The powder was mixed in a rotary mill for 10 h and dried in a vacuum dryer for 72 h. The prepared raw material was selectively smelted in a Realizer SLM-50 device equipped with a 120 W Nd: YAG laser in an argon atmosphere. The layer thickness was 50 µm. The speed of the laser beam was set at 125 mm / s with a path width of 50 µm and a laser power of 25 W. The paths were made successively. The material thus produced is characterized by a fragmented dendritic microstructure and a high hardness above 600HV0.2.

Na Fig. 1 pokazano fotografię wykonaną przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi TM 1000 przedstawiającą mikrostrukturę materiału otrzymanego w przykładzie 1. Powiększenie 3000x.Fig. 1 is a photograph taken with a Hitachi TM 1000 Scanning Electron Microscope showing the microstructure of the material obtained in Example 1. Magnification of 3000x.

PL 238 518 B1PL 238 518 B1

P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2

Przygotowano proszek o składzie nominalnym Ti: 85%, Al: 5%, A1N: 10% atomowo i rozmiarze cząstek poniżej 80 μm. Proszki zostały poddane homogenizacji w młynie obrotowym. Powstały proszek wyjściowy został przetopiony selektywnie w urządzeniu Realizer SLM-50 w atmosferze mieszaniny 25% azotu i 75% argonu. Moc lasera ustalono na 30 W, szybkość posuwu wiązki na 100 mm/s, grubość warstwy na 50 μm a odległość między kolejnymi ścieżkami na 60 μm. Uzyskano materiał o twardości powyżej 600HV0,2 i drobnoziarnistej, dendrytycznej strukturze analogicznej do struktury materiału wytwarzanego w przykładzie 1.A powder was prepared with the nominal composition of Ti: 85%, Al: 5%, A1N: 10 atomic% and a particle size below 80 μm. The powders were homogenized in a rotary mill. The resulting starting powder was selectively smelted in a Realizer SLM-50 in an atmosphere of a mixture of 25% nitrogen and 75% argon. The laser power was set at 30 W, the beam speed was set to 100 mm / s, the layer thickness was 50 μm and the distance between successive tracks was 60 μm. The material obtained had a hardness above 600HV0.2 and a fine-grained, dendritic structure analogous to that of the material produced in Example 1.

Na Fig. 2 pokazano fotografię wykonaną przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi TM 1000 przedstawiająca mikrostrukturę materiału otrzymanego w przykładzie 2. Powiększenie 3000x.Fig. 2 is a photograph taken with a Hitachi TM 1000 Scanning Electron Microscope showing the microstructure of the material obtained in Example 2. Magnification of 3000x.

P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3

Proszek o składzie nominalnym Ti: 70%, AIN: 30% wagowo i rozmiarze cząstek poniżej 70 μm przygotowano z proszku metalicznego tytanu i proszku azotku aluminium oraz poddano mechanicznej syntezie w wysokoenergetycznym młynku przez 24 godziny oraz sferoidyzacji plazmowej w atmosferze azotu. Powstały surowiec został przetopiony selektywnie w urządzeniu Realizer SLM-50 w atmosferze argonu. Moc lasera ustawiono na 20 W. Grubość warstwy wynosiła 50 μm, odległość między kolejnymi ścieżkami 50 μm a szybkość posuwu wiązki lasera na 150 mm/s. Tak wytworzony trójwymiarowy obiekt, a następnie poddano go prasowaniu izostatycznemu na gorąco pod ciśnieniem 150 MPa i temperaturze 1200°C, co pozwoliło osiągnąć gęstość powyżej 99% gęstości teoretycznej. Mikrostruktura materiału składała się z osnowy tytanu, w której fazą umacniającą były cząstki AIN związane z osnową poprzez fazy przejściowe Ti3AIN/Ti2AIN.The powder with the nominal composition of Ti: 70%, AIN: 30% by weight and particle size below 70 μm was prepared from metallic titanium powder and aluminum nitride powder and was subjected to mechanical synthesis in a high-energy mill for 24 hours and plasma spheroidization in nitrogen atmosphere. The resulting raw material was selectively smelted in the Realizer SLM-50 device in an argon atmosphere. The laser power was set at 20 W. The layer thickness was 50 µm, the distance between successive tracks was 50 µm and the laser beam was fed at a speed of 150 mm / s. The three-dimensional object thus produced, and then subjected to hot isostatic pressing at a pressure of 150 MPa and a temperature of 1200 ° C, which allowed to achieve a density above 99% of the theoretical density. The microstructure of the material consisted of a titanium matrix in which the reinforcing phase were AIN particles bound to the matrix through the Ti3AIN / Ti2AIN transition phases.

Na Fig. 3 pokazano fotografię wykonaną przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi S3500N przedstawiającą mikrostrukturę materiału otrzymanego w przykładzie 3. Powiększenie 3500x.Fig. 3 is a photograph taken with a Hitachi S3500N Scanning Electron Microscope showing the microstructure of the material obtained in Example 3. Magnification 3500x.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Sposób wytwarzania trójwymiarowych obiektów na bazie trójskładnikowych faz układu TiAlN, z proszków metali i azotków metali, znamienny tym, że obiekt wytwarza się metodą addytywną polegającą na stapianiu kolejnych warstw materiału stopowego wiązką lasera lub wiązką elektronów w atmosferze gazu obojętnego z dodatkiem azotu gdzie jako materiał stopowy stosuje się mieszaninę co najmniej dwóch proszków wybranych spośród: Ti, Al, TiN i AIN, poddanych uprzednio homogenizacji na drodze mechanicznej syntezy w temperaturze 15-30°C, w czasie od 5 do 30 godzin, przy czym udział proszku azotku jest nie mniejszy niż 5% atomowych zaś proces prowadzi się przy mocy lasera w zakresie 20-500 W, szybkości posuwu wiązki lasera 10-1000 mm/s, odległości między kolejnymi ścieżkami w zakresie 20-200 μm, grubości warstwy w zakresie 20-60 μm.1. A method of producing three-dimensional objects based on three-component phases of the TiAlN system, from metal powders and metal nitrides, characterized in that the object is produced by an additive method consisting in fusing successive layers of the alloy material with a laser beam or an electron beam in an inert gas atmosphere with the addition of nitrogen, where as the alloying material, a mixture of at least two powders selected from: Ti, Al, TiN and AIN, previously homogenized by mechanical synthesis at a temperature of 15-30 ° C for 5 to 30 hours, with no nitride powder content less than 5 atomic% and the process is carried out with a laser power in the range of 20-500 W, a laser beam feed rate of 10-1000 mm / s, a distance between successive paths in the range of 20-200 μm, a layer thickness in the range of 20-60 μm. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się dodatek azotu w ilości minimum 5% obj.2. The method according to p. 2. The process of claim 1, characterized in that nitrogen is added in an amount of at least 5 vol.%. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się proszki o średnim rozmiarze cząstek w zakresie 10-120 μm.3. The method according to p. The process of claim 1, wherein the powders are used with an average particle size in the range 10-120 µm. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszaninę proszków poddaje się uprzednio sferoidyzacji w gazie obojętnym i/albo atmosferze azotu.4. The method according to p. A process as claimed in claim 1, characterized in that the powder mixture is previously spheroidized in an inert gas and / or a nitrogen atmosphere. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że każda warstwa w procesie wytwarzania poddana jest co najmniej dwukrotnemu przetapianiu promieniem lasera lub wiązką elektronów.5. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that each layer is subjected to at least two laser remelting or electron beam remelting during the manufacturing process. 6. Sposób według któregokolwiek z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienny tym, że obiekt po procesie selektywnego przetapiania poddaje się procesowi prasowania izostatycznego na gorąco.A method according to any of the preceding claims, characterized in that the object after the selective remelting process is subjected to a hot isostatic pressing process.
PL420974A 2017-03-23 2017-03-23 Method for producing three-dimensional objects on the basis of three-component phases of TiAIN system PL238518B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL420974A PL238518B1 (en) 2017-03-23 2017-03-23 Method for producing three-dimensional objects on the basis of three-component phases of TiAIN system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL420974A PL238518B1 (en) 2017-03-23 2017-03-23 Method for producing three-dimensional objects on the basis of three-component phases of TiAIN system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL420974A1 PL420974A1 (en) 2018-09-24
PL238518B1 true PL238518B1 (en) 2021-08-30

Family

ID=63578797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL420974A PL238518B1 (en) 2017-03-23 2017-03-23 Method for producing three-dimensional objects on the basis of three-component phases of TiAIN system

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL238518B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
PL420974A1 (en) 2018-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3611282B1 (en) Cobalt based alloy powder
JP6690789B2 (en) Alloy material, product using the alloy material, and fluid machine having the product
JP6257896B2 (en) Consolidated high toughness coated hard particles in high toughness matrix materials.
US10458001B2 (en) Method for producing a component from a composite material comprising a metal matrix and incorporated intermetallic phases
KR101215656B1 (en) Method for consolidating Tough Coated Hard Powders
US7566415B2 (en) Method for manufacturing fully dense metal sheets and layered composites from reactive alloy powders
KR20180115344A (en) FCC materials made of aluminum, cobalt, iron, and nickel, and products made therefrom
JP5051168B2 (en) Nitride-dispersed Ti-Al target and method for producing the same
US10544485B2 (en) Additive manufacturing of high-temperature components from TiAl
AU2018394139B2 (en) Use of alloy containing aluminium for additive manufacturing
US7311873B2 (en) Process of direct powder rolling of blended titanium alloys, titanium matrix composites, and titanium aluminides
CN114481053B (en) Magnesium zinc aluminum nickel vanadium alloy target and manufacturing method thereof
CN110997959A (en) Copper-based alloy for producing bulk metallic glass
CN115058694B (en) TiAlZr target and preparation method thereof
CN106795059B (en) Sintered material, tool comprising sintered material and method for producing sintered material
JPH03173706A (en) Manufacture of the compact body consisting of a plurality of intermetallic compounds by sintering
CN113953517A (en) 3D printing preparation method of high-density hard alloy block
CN111438356B (en) Titanium-aluminum target material for physical vapor deposition and preparation method thereof
CN113134627A (en) Selective laser melting processing method and application of high-nickel-rich NiTi alloy
US20180105901A1 (en) Method of making a molybdenum alloy having a high titanium content
CN113825855B (en) Nickel-based bulk metallic glass alloy containing a large amount of refractory metal and boron
PL238518B1 (en) Method for producing three-dimensional objects on the basis of three-component phases of TiAIN system
JP6202787B2 (en) Molybdenum heat-resistant alloy, friction stir welding tool, and manufacturing method
TWI532852B (en) Alloy powder and laser additive manufacturing process applying the same
JP7170965B2 (en) Cemented Carbide and Coated Cemented Carbide