RU2217265C2

RU2217265C2 - Method for making three-dimensional articles of powder compositions

Info

Publication number: RU2217265C2
Application number: RU2000101975/02A
Authority: RU
Inventors: И.В. Шишковский; А.Г. Макаренко; А.Л. Петров
Original assignee: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2003-11-27

Abstract

FIELD: technology of laser synthesis of three-dimensional articles, machine parts by selective laser sintering. SUBSTANCE: method comprises steps of placing powder composition in machine tool for laser synthesis of three-dimensional articles and laser working of three-dimensional article formed layer by layer; extracting article from machine tool and removing out of machine tool excess quantity of powder composition not used for forming three-dimensional article; using as powder composition screened powder mixture on base of nickel-aluminum, nickel-titanium, aluminum and titanium for self- propagation high-temperature synthesis in accordance with stoichiometric content of eutectoid systems produced directly by action of laser beam; selecting mode of laser irradiation according to condition of realizing self-propagation high-temperature synthesis in diffusion burning mode; after removing from machine tool articles and excess powder composition, infiltrating articles with polyvinyl acetate or epoxide adhesive; drying articles. EFFECT: enlarged functional characteristics of created models, improved strength properties of sintered articles, possibility for receiving eutectoid systems during chemical burning reaction for enhancing adhesion between particles. 3 cl

Description

Изобретение относится к технологии лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ) /англ. термины: Rapid Prototyping, Solid Free Form Fabrication и т.п. / макетов деталей машин методом селективного лазерного спекания (СЛС), в том числе, к способам непрерывного и скоростного изготовления точных моделей со сложной формой поверхности и внутренними пустотами. The invention relates to the technology of laser synthesis of bulk products (LSOI) / English terms: Rapid Prototyping, Solid Free Form Fabrication, etc. / models of machine parts by selective laser sintering (SLS), including methods for continuous and high-speed manufacturing of accurate models with complex surface shapes and internal voids.

Коллектив авторов из университета штата Техас (Austin, Texas, USA), совместно с фирмой DTM Со. (также, Austin, Texas, USA), впервые предложившие и развившие метод СЛС на базе полимерных порошковых материалов в технологии ЛСОИ /J. J. Beaman, C. R. Dackard "Selective laser sintering with assist powder handling", USA Patent 4938816, 3 July 1990/, в настоящее время активно предлагают использовать также для ЛСОИ методом СЛС порошки более прочных металлических и керамических систем на основе Ni, Al, Ti, W, их карбидов и интерметаллидов /D. L. Bourell, H.L. Marcus, J.W. Barlow, J.J. Beaman. "Selective laser sintering of metal and ceramics." The International Journal of Powder Metallurgy. 1992. Vol. 28. N 4. РР. 369-381; W.L. Weiss, D. L. Bourell. "Selective laser sintering of intermetallics." Metallurgical Transactions A. Vol. 24A. March. 1993. РР. 757-759/ с целью расширения функциональных возможностей синтезируемых моделей деталей машин. A team of authors from the University of Texas (Austin, Texas, USA), together with DTM Co. (also, Austin, Texas, USA), who first proposed and developed the SLS method based on polymer powder materials in the LSOI / J technology. J. Beaman, CR Dackard "Selective laser sintering with assist powder handling", USA Patent 4938816, July 3, 1990 /, currently actively propose also to use powders of more durable metal and ceramic systems based on Ni, Al, Ti for SALS method , W, their carbides and intermetallic compounds / D. L. Bourell, H.L. Marcus, J.W. Barlow, J.J. Beaman. "Selective laser sintering of metal and ceramics." The International Journal of Powder Metallurgy. 1992. Vol. 28. N 4. PP. 369-381; W.L. Weiss, D. L. Bourell. "Selective laser sintering of intermetallics." Metallurgical Transactions A. Vol. 24A. March. 1993. PP. 757-759 / in order to expand the functionality of the synthesized models of machine parts.

Также известен способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции (Шишковский И. В. , Куприянов Н. Л., РФ 95110182, B 22 F 3/105), включающий последовательное послойное размещение порошковой композиции в станке для 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. Однако по этому способу возможно изготовление изделий из металлполимерных порошковых композиций путем реализации процесса жидкофазного спекания. Also known is a method of manufacturing bulk products from a powder composition (Shishkovsky I.V., Kupriyanov N.L., RF 95110182, B 22 F 3/105), which includes sequential layer-by-layer placement of the powder composition in the SLS machine, processing of each layer with laser radiation ( LI) along a given contour and extracting the obtained product from the machine with the removal of the powder composition that did not take part in the formation of the volumetric product. However, by this method it is possible to manufacture products from metal-polymer powder compositions by implementing a liquid phase sintering process.

Указанные выше патенты и статьи можно считать прототипом предлагаемой заявки на изобретение. Нам представляется перспективным также альтернативный подход, когда с целью улучшения механических характеристик и функциональных возможностей прототипируемых изделий совмещается в едином технологическом процессе несколько родственных процессов (например, спекание и пайка, спекание и самораспостраняющийся высокотемпературный синтез (СВС)). Создаваемые при этом модели любой степени сложности (в англ. терминологии - "green parts") возможно в дальнейшем инфильтровать наполнителем для уменьшения шероховатости поверхности и увеличения их прочности. The above patents and articles can be considered the prototype of the proposed application for the invention. We also think that an alternative approach is promising when, in order to improve the mechanical characteristics and functional capabilities of the prototype products, several related processes are combined in a single technological process (for example, sintering and soldering, sintering and self-propagating high temperature synthesis (SHS)). Models of any degree of complexity created in this way (in English terminology - "green parts") can be further infiltrated with filler to reduce surface roughness and increase their strength.

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных характеристик создаваемых моделей, материал которых после синтеза обладает существенно новыми качествами, повышение прочностных и функциональных свойств спекаемого изделия из предлагаемых порошковых композиций, за счет расширения спектра используемых порошковых материалов и контролируемого совмещения процесса СЛС с процессом СВС, что обеспечивает создание эвтектоидных систем в химической реакции горения, улучшает адгезионные связи между частицами, при малых величинах деформации формы и расслоения всего изделия в широком интервале оптимальных режимов лазерного спекания. The objective of the invention is to expand the functional characteristics of the created models, the material of which after synthesis has substantially new qualities, increase the strength and functional properties of the sintered product from the proposed powder compositions, by expanding the range of used powder materials and the controlled combination of the SLS process with the SHS process, which ensures the creation of eutectoid systems in the chemical reaction of combustion, improves the adhesion bonds between particles, with small rank shape deformation and separation of all products in a wide range of optimal regimes of laser sintering.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающим размещение порошковой композиции в станке для лазерного синтеза объемных изделий и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия, извлечение его из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участие в формировании объемного изделия, в качестве порошковой композиции используют просеянные порошковые смеси для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в соответствии со стехиометрическим составом синтезируемых непосредственно под лазерным излучением эвтектоидных систем, при этом режим лазерного излучения из условий протекания СВС в диффузионном режиме горения. The problem is achieved in that in a method for manufacturing bulk products from powder compositions, including placing the powder composition in a machine for laser synthesis of bulk products and laser processing of a layer-by-layer formed bulk product, removing it from the machine with removal of the powder composition that did not take part in the formation of the bulk product , sieved powder mixtures for self-propagating high temperature synthesis (SHS) are used as the powder composition, in accordance with the geometric composition of the eutectoid systems synthesized directly under the laser radiation, and the laser radiation mode from the conditions of the SHS flow in the diffusion mode of combustion.

При этом в качестве просеянных порошковых смесей используются металлические смеси на основе никеля-алюминия, никеля-титана, алюминия и титана. In this case, metal mixtures based on nickel-aluminum, nickel-titanium, aluminum and titanium are used as sifted powder mixtures.

Для повышения прочности получаемых объемных изделий, после извлечения их из станка и удаления СВС порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемных изделий, они могут быть подвергнуты инфильтрации поливинилацетом или эпоксидным клеем, с последующей просушкой. To increase the strength of the resulting bulk products, after removing them from the machine and removing the SHS of the powder composition, which did not participate in the formation of bulk products, they can be infiltrated with polyvinyl acetate or epoxy glue, followed by drying.

Предварительное просеивание смешиваемых порошков необходимо для усреднения гранулометрического состава, что улучшает однородность материала изготавливаемой модели. При этом важно выбирать размер фракции (дисперсность) обрабатываемого порошка, так чтобы она была соизмерима и желательно меньше диаметра пятна ЛИ. Этим достигается перекрытие пятном и одновременная лазерная обработка нескольких частиц, что обеспечивает их успешное сцепление в процессе реакции горения. Использование именно СВС композиций стехиометрического состава позволяет получать не просто спекание порошинок друг с другом, но и одновременно синтезировать эвтектоидные системы с химическим типом связей. Следовательно, прочность таких систем гораздо выше, нежели спекаемых традиционно. Изделия же с новыми функциональными характеристиками самого материала, несомненно, найдут новые области использования. Экзотермичность реакции горения СВС композиции вносит дополнительный энерговклад в зону лазерной обработки. Таким образом, с учетом высокой поглощательной способности металлических систем на длинах волн технологических лазерных установок, интервал оптимальных режимов ЛСОИ практически не смещается в область более высоких плотностей мощности лазерного воздействия (ЛВ), что позволяет избежать деформации формы изделия и расслоения. С другой стороны важно отметить также, что не все реакционные смеси, известные в технологии СВС, можно использовать в заявляемом способе. Если экзотермический выход в течение реакции горения очень велик, управлять такой реакцией, даже тщательно дозируя подводимую энергию, практически невозможно. Preliminary screening of the mixed powders is necessary for averaging the particle size distribution, which improves the uniformity of the material of the manufactured model. It is important to choose the size of the fraction (dispersion) of the processed powder, so that it is comparable and preferably less than the diameter of the spot LI. This achieves overlap with a spot and simultaneous laser processing of several particles, which ensures their successful adhesion in the combustion reaction. The use of SHS compositions of stoichiometric composition allows one to obtain not only sintering of powders with each other, but also to synthesize eutectoid systems with a chemical type of bonds. Therefore, the strength of such systems is much higher than sintering traditionally. Products with new functional characteristics of the material itself will undoubtedly find new areas of use. The exothermicity of the combustion reaction of the SHS composition makes an additional energy input into the laser treatment zone. Thus, taking into account the high absorption capacity of metal systems at the wavelengths of technological laser systems, the range of optimal modes of SALF practically does not shift to the region of higher power densities of laser exposure (LP), which avoids deformation of the product shape and delamination. On the other hand, it is also important to note that not all reaction mixtures known in SHS technology can be used in the claimed method. If the exothermic yield during the combustion reaction is very large, it is practically impossible to control such a reaction, even carefully dosing the supplied energy.

Для отличительного существенного признака при ЛВ на предлагаемые СВС порошковые композиции характерны следующие свойства. Как известно, процесс СВС может протекать в режиме неконтролируемого теплового взрыва, а также в поддающемся контролю диффузионном режиме горения, характеризующимся стационарным распространением волны синтеза. Поскольку ЛСОИ требует прецизионного селективного воздействия на порошковую композицию с целью формирования строго заданной формы модели, принципиальным является выбор режима ЛВ (плотность мощности ЛВ, диаметр пятна, скорость сканирования пучка и коэффициент его перекрытия) так, чтобы имел место именно диффузионный режим. В условиях экзотермичности СВС реакции это достигается экспериментально подбором, например скорости сканирования ЛИ, при прочих фиксированных параметрах ЛВ. Диффузионный режим горения важен и потому, что порошковая смесь в каждом отдельном слое не должна прореагировать полностью (иначе слои не достаточно прочно "пристанут" друг к другу). Визуально, реакция горения при оптимальной скорости сканирования должна наблюдаться лишь в зоне прохода лазерного луча. The following properties are characteristic of the distinguishing essential feature in drugs for the proposed SHS powder compositions. As is known, the SHS process can occur in an uncontrolled thermal explosion mode, as well as in a controlled diffusion combustion mode characterized by stationary propagation of a synthesis wave. Since SALM requires a precise selective effect on the powder composition in order to form a strictly specified model shape, it is important to select the drug regime (drug power density, spot diameter, beam scanning speed and its overlap coefficient) so that the diffusion mode takes place. Under conditions of exothermicity of the SHS reaction, this is achieved experimentally by selecting, for example, the scanning speed of the LR, with other fixed parameters of the drug. The diffusion mode of combustion is also important because the powder mixture in each separate layer should not completely react (otherwise the layers will not “stick” to each other firmly enough). Visually, the combustion reaction at the optimum scanning speed should be observed only in the zone of passage of the laser beam.

Пример 1. Порошки предварительно просеивались на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Наплавочный порошок ПГ-СР4 на основе ((Ni, Cr, В, Si сплава) и размером фракции <50 мкм, смешивали механически с порошком алюминия размером фракции <20 мкм в мольной пропорции 3:1 до равномерного распределения. В результате одновременно проходящей с ЛСОИ-СВС реакции создавалась модель из интерметаллида Ni3Al. Example 1. Powders were pre-sieved on a sieve system 005-05 (GOST 3584-73). PG-CP4 surfacing powder based on ((Ni, Cr, B, Si alloy) and a fraction size <50 μm was mechanically mixed with aluminum powder with a fraction size <20 μm in a molar ratio of 3: 1 until uniform distribution. As a result of simultaneously passing with The LSOI-SHS reaction created a model from the Ni3Al intermetallic compound.

Пример 2. Порошки предварительно просеивались на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Наплавочный порошок ПГ-СР4 на основе (Ni, Cr, В, Si сплава) и размером фракции <50 мкм, смешивали механически с порошком титана размером фракции <20 мкм в мольной пропорции 3:1 до равномерного распределения. В результате одновременно проходящей с ЛСОИ-СВС реакции создавалась модель из интерметаллида Ni3Ti. Example 2. Powders were pre-sieved on a sieve system 005-05 (GOST 3584-73). PG-CP4 surfacing powder based on (Ni, Cr, B, Si alloy) and a fraction size <50 μm was mechanically mixed with titanium powder with a fraction size <20 μm in a molar ratio of 3: 1 until uniform distribution. As a result of the reaction simultaneously taking place with LSOI-SHS, a model was created from the Ni3Ti intermetallic compound.

Увеличение или снижение за указанными от стехиометрии пределами процентной доли одного порошка относительно другого приводит также к частичному подавлению СВС реакции взрывного типа, однако выбирать оптимальный режим и контролировать ЛСОИ при этом становится сложнее. An increase or decrease beyond the limits indicated by stoichiometry of the percentage of one powder relative to another also leads to a partial suppression of the SHS of the explosive type reaction, however, it becomes more difficult to choose the optimal mode and control the SALI.

Claims

1. A method of manufacturing bulk products from powder compositions, comprising placing a powder composition in a machine for laser synthesis of bulk products and laser processing of a layer-by-layer formed bulk product, removing it from the machine to remove the powder composition that has not taken part in forming the bulk product, characterized in that sifted powder mixtures for self-propagating high temperature synthesis (SHS) are used as the powder composition, in accordance with the stoichiometric composition m synthesized directly by laser radiation eutectoid systems, the laser mode is selected based on the SAF flow in the diffusion combustion mode.

2. The method according to claim 1, characterized in that the metal mixtures based on nickel-aluminum, nickel-titanium, aluminum and titanium are used as sifted powder mixtures.

3. The method according to claim 1, characterized in that the products, after removing them from the machine and removing the powder composition that has not taken part in the formation, are infiltrated with polyvinyl acetate or epoxy glue, followed by drying.