RU2443506C2 - Method of coating article by laser layer-by-layer synthesis - Google Patents
Method of coating article by laser layer-by-layer synthesis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2443506C2 RU2443506C2 RU2010113121/02A RU2010113121A RU2443506C2 RU 2443506 C2 RU2443506 C2 RU 2443506C2 RU 2010113121/02 A RU2010113121/02 A RU 2010113121/02A RU 2010113121 A RU2010113121 A RU 2010113121A RU 2443506 C2 RU2443506 C2 RU 2443506C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- layer
- laser
- metal powder
- sintering
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии селективного лазерного спекания трехмерных объектов сложной формы или покрытий таких объектов. Способ может быть использован в порошковой металлургии для получения покрытий на поверхности деталей, работающих в условиях интенсивных механических нагрузок в агрессивной среде; получения объемно-пористых танталовых конденсаторов с высокой удельной поверхностью; изготовления анодов с особыми физико-химическими свойствами за счет сохранения свойств исходного порошка и получения метастабильного структурно-фазового состояния.The invention relates to the technology of selective laser sintering of three-dimensional objects of complex shape or coatings of such objects. The method can be used in powder metallurgy to obtain coatings on the surface of parts operating under conditions of intense mechanical stress in an aggressive environment; obtaining volume-porous tantalum capacitors with a high specific surface; manufacturing anodes with special physicochemical properties by preserving the properties of the initial powder and obtaining a metastable structural phase state.
Создаваемый метод лазерного высокоскоростного компактирования базируется на известной технологии селективного (избирательного) лазерного спекания/синтеза порошков (selective laser sintering - SLS). Успех развития SLS-технологий заключается как в возможности быстрого создания трехмерных прототипов деталей, так и в изготовлении самих деталей для промышленного производства практически из любых материалов. Трехмерные детали изготавливаются непосредственно путем послойного напекания порошка лазером. Металлические изделия, изготовленные методом SLS, применяются для изготовления литейных форм, в том числе для литья под давлением, и в мелкосерийном производстве.The created method of laser high-speed compacting is based on the well-known technology of selective (selective) laser sintering / synthesis of powders (selective laser sintering - SLS). The success of the development of SLS-technologies lies in the ability to quickly create three-dimensional prototypes of parts, and in the manufacture of the parts themselves for industrial production from virtually any material. Three-dimensional parts are made directly by layer-by-layer laser powder baking. Metal products manufactured by the SLS method are used for the manufacture of foundry molds, including injection molding, and in small-scale production.
Несмотря на то, что SLS-технология обеспечивает получение хорошей точности размеров деталей и повторяемость производства, ее применение ограничено неудовлетворительными механическими и триботехническими свойствами. В результате оплавления частиц порошка (обычно используются порошки со средним размером частиц более 5 мкм) и действия термокапиллярных сил в материале образуются раковины и крупные дефекты, ограничивающие применение деталей. Проплавление большой массы порошкового материала и относительно низкая скорость движения луча лазера в SLS-процессах (порядка 50 мм/с) приводит к образованию значительных напряжений полученного покрытия, что приводит к короблению деталей. Для устранения этого недостатка в SLS-технологиях используется добавление в порошковую смесь легкоплавкой компоненты (например, полимера). В этом случае режимы лазерного излучения подбираются таким образом, чтобы обеспечить плавление только легкоплавкой компоненты. Для дополнительного снижения коробления применяется также многолучевая лазерная обработка.Despite the fact that SLS-technology provides good dimensional accuracy of parts and repeatability of production, its application is limited by poor mechanical and tribological properties. As a result of the fusion of powder particles (powders with an average particle size of more than 5 μm are usually used) and the action of thermocapillary forces, shells and large defects are formed in the material that limit the use of parts. The penetration of a large mass of powder material and the relatively low speed of the laser beam in SLS processes (of the order of 50 mm / s) leads to the formation of significant stresses in the resulting coating, which leads to warping of parts. To eliminate this drawback, SLS technologies use the addition of a low-melting component (for example, polymer) to the powder mixture. In this case, the modes of laser radiation are selected in such a way as to ensure melting only low-melting components. To further reduce warpage, multi-beam laser processing is also used.
Известен способ лазерного спекания (по патенту RU 2145269), включающий послойное размещение порошковой композиции в станке, обработку каждого слоя лазерным излучением и извлечение полученного изделия из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия. В качестве порошковой композиции используют просеянные смеси металлических порошков, например, на основе никеля, хрома, алюминия, железа, титана, латуни, с полимерами порошками поликарбоната или полиамида, с характерными размерами частиц металла и полимера от 20 до 160 мкм. После удаления порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, изделие обрабатывают клеящим раствором, например, поливинилацетата или силикатного клея и осуществляют последующую сушку.A known method of laser sintering (according to patent RU 2145269), including layer-by-layer placement of the powder composition in the machine, processing of each layer with laser radiation and extraction of the obtained product from the machine with the removal of the powder composition, which did not take part in the formation of the bulk product. As the powder composition, sieved mixtures of metal powders are used, for example, based on nickel, chromium, aluminum, iron, titanium, brass, with polymers, polycarbonate or polyamide powders, with characteristic particle sizes of metal and polymer from 20 to 160 microns. After removal of the powder composition, which did not take part in the formation of the bulk product, the product is treated with an adhesive solution, for example, polyvinyl acetate or silicate glue, and subsequent drying is carried out.
Его недостатком является необходимость использования связующих веществ (полимеры, порошки поликарбоната или полиамида) для осуществления процесса спекания. Такие спеченные материалы имеют низкую механическую прочность, износостойкость, тепло- и жаростойкость, поэтому данный способ спекания не может использоваться для изготовления деталей, испытывающих интенсивные механические нагрузки.Its disadvantage is the need to use binders (polymers, polycarbonate or polyamide powders) for the sintering process. Such sintered materials have low mechanical strength, wear resistance, heat and heat resistance, therefore, this sintering method cannot be used for the manufacture of parts experiencing intense mechanical stress.
В известных способах лазерного спекания используются либо непрерывно действующие лазеры, либо импульсные с частотой генерации импульсов от 1 до 100 Гц и временем действия импульса от 1 до 100 микросекунд. Формирующееся температурное поле при лазерном излучении с такими режимами обработки принципиально не может привести к развитию высокой скорости кристаллизации расплавленной компоненты порошковой смеси. Фактическим пределом значения скорости затвердевания во всех известных способах лазерного спекания (SLS-технологиях) является значение 150 мм/с.Known laser sintering methods use either continuously operating lasers or pulsed lasers with a pulse generation frequency of 1 to 100 Hz and a pulse duration of 1 to 100 microseconds. The emerging temperature field under laser radiation with such processing conditions cannot fundamentally lead to the development of a high crystallization rate of the molten component of the powder mixture. The actual limit of the value of the solidification speed in all known methods of laser sintering (SLS-technology) is a value of 150 mm / s
Увеличение скорости требует использования другой лазерной техники, изменения метода подготовки порошковых материалов, улучшения свойств защитной среды и позволяет получать принципиально отличное, метастабильное структурно-фазовое состояние вещества с новыми физико-химическими и поверхностными свойствами и синтезировать материалы, ранее недоступные для синтеза.An increase in speed requires the use of other laser technology, a change in the method of preparing powder materials, improvement of the properties of the protective medium, and allows one to obtain a fundamentally different, metastable structural phase state of a substance with new physicochemical and surface properties and synthesize materials previously inaccessible for synthesis.
В известных способах лазерного спекания исходный порошковый материал не подвергается предварительной подготовке за исключением просеивания через набор сит для выделения нужного фракционного состава. Оптимальным считается обработка порошка с размером частиц 30-50 микрометров, однако размер частиц, применяемых в известных методах, находится в диапазоне от 10 до 350 мкм. Известны способы, например, по патенту US 5431967, в которых размолу подвергаются только сверхтвердые компоненты порошкового материала (карбиды, керамика и т.д.), далее эти размолотые компоненты смешиваются с крупными, никак не подготовленными, частицами связующего вещества. Как правило, лазерная обработка ведется в специальных камерах с продувкой инертным газом (наиболее часто аргон). Такой способ создания защитной среды неудовлетворителен. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в спеченных материалах содержится свыше 10% атомов кислорода. Это является причиной резкого снижения механических свойств и потребительских качеств.In known methods of laser sintering, the starting powder material is not subjected to preliminary preparation, except for sieving through a set of sieves to isolate the desired fractional composition. The processing of a powder with a particle size of 30-50 micrometers is considered optimal, but the particle size used in the known methods is in the range from 10 to 350 microns. Known methods, for example, according to the patent US 5431967, in which only superhard components of the powder material (carbides, ceramics, etc.) are milled, then these milled components are mixed with large, unprepared particles of a binder. As a rule, laser processing is carried out in special chambers with an inert gas purge (most often argon). This method of creating a protective environment is unsatisfactory. According to x-ray photoelectron spectroscopy, sintered materials contain more than 10% of oxygen atoms. This is the reason for a sharp decrease in mechanical properties and consumer qualities.
Известен способ послойного изготовления трехмерных объектов (по патенту US 5431967) из нанокомпозитных порошковых систем керамика-керамика, керамика-металл, керамика-полимер, металл-полимер, характеризующихся разными температурами плавления компонент. Способ включает подготовку нанокомпозитного порошка путем высокоэнергетического размола в шаровой мельнице. Лазерное спекание осуществляется в автоматизированном режиме. Ультрадисперсность порошка обеспечивает большую площадь поверхности зерен, что приводит к снижению времени и температуры, необходимых для спекания. Кроме того, метастабильное сотояние механоактивированного порошка приводит к дополнительному уплотнению во время твердофазового спекания. Указанный способ выбран в качестве прототипа.A known method for the layer-by-layer production of three-dimensional objects (according to the patent US 5431967) from nanocomposite powder systems is ceramic-ceramic, ceramic-metal, ceramic-polymer, metal-polymer, characterized by different melting points of the components. The method includes preparing a nanocomposite powder by high-energy grinding in a ball mill. Laser sintering is carried out in an automated mode. The ultrafine dispersion of the powder provides a large surface area of the grains, which leads to a decrease in the time and temperature required for sintering. In addition, the metastable state of mechanically activated powder leads to additional compaction during solid phase sintering. The specified method is selected as a prototype.
Его недостатком является невозможность спекания порошковых систем металл-металл, характеризующихся близкими температурами плавления компонент (например, железо-никель), а также невозможность спекания порошка чистого металла (однокомпонентный материал, например тантал) без использования полимерных добавок.Its disadvantage is the impossibility of sintering of metal-metal powder systems characterized by close melting points of components (for example, iron-nickel), as well as the inability to sinter pure metal powder (one-component material, for example tantalum) without the use of polymer additives.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа лазерного спекания порошковых систем, например, металл-металл, характеризующихся близкими температурами плавления (например, железо-никель), а также порошков чистых металлов без добавления легкоплавких компонент (например, полимеров) или клеев. Разрабатываемый способ должен быть направлен на получение материалов с улучшенными механическими, триботехническими свойствами и коррозионной стойкостью. Способ должен гарантировать отсутствие значительного плавления порошка при осуществлении спекания, то есть количество расплавленной части компоненты порошковой смеси или материала не должно превышать 20% от массы всей этой же компоненты. Способ должен позволить спекать химически чистые материалы без их загрязнения другими химическими веществами или элементами.An object of the present invention is to provide a method for laser sintering of powder systems, for example, metal-metal, characterized by close melting points (for example, iron-nickel), as well as pure metal powders without the addition of low-melting components (e.g. polymers) or adhesives. The developed method should be aimed at obtaining materials with improved mechanical, tribological properties and corrosion resistance. The method should guarantee the absence of significant melting of the powder during sintering, that is, the amount of the molten part of the components of the powder mixture or material should not exceed 20% by weight of the same component. The method should allow sintering of chemically pure materials without contamination with other chemicals or elements.
Технический результат достигается в способе изготовления покрытия на изделии методом послойного лазерного спекания порошков, при котором, после вакуумирования рабочего пространства, осуществляют послойное лазерное спекание механоактивированного металлического порошка или механоактивированного металлического порошка и порошковой смеси металл-металл, температуры которых отличаются менее чем на 40%, импульсным лазером с частотой генерации импульсов от 20000 до 100000 Гц и временем действия импульса 100 наносекунд, при этом обеспечивают скорость кристаллизации расплавленной части порошковой частицы от 0,5 м/с до 10 м/с. Механоактивированный порошок получают размолом в шаровой мельнице до достижения среднего размера частиц 1 мкм. Осуществляют компьютерное управление режимами лазерной обработки. Одновременно с вакуумированием, осуществляют продувку рабочего пространства инертным газом, например аргоном. Используют металлический порошок Fe или Ni или Сu или Та или Аl или порошки этих металлов, содержащие в составе частиц или углерод, то есть Fe-C, Ni-C, Cu-C, Ta-C, Al-C, или порошковые смеси систем Fe-Ni, или Fe-Ti, или Ni-Co, или Cu-Au, или (Fe-C)-Ni, характеризующиеся близкими температурами плавления компонент.The technical result is achieved in a method for producing a coating on an article by the method of layer-by-layer laser sintering of powders, in which, after evacuation of the working space, layer-by-layer laser sintering of mechanically activated metal powder or mechanically activated metal powder and metal-metal powder mixture, the temperatures of which differ by less than 40%, a pulsed laser with a pulse generation frequency from 20,000 to 100,000 Hz and a pulse duration of 100 nanoseconds, while providing a speed the crystallization rate of the molten portion of the powder particle is from 0.5 m / s to 10 m / s. Mechanically activated powder is obtained by grinding in a ball mill to achieve an average particle size of 1 μm. Carry out computer control of laser processing modes. Simultaneously with evacuation, the workspace is purged with an inert gas, for example argon. Use metal powder Fe or Ni or Cu or Ta or Al or powders of these metals containing particles or carbon, i.e. Fe-C, Ni-C, Cu-C, Ta-C, Al-C, or powder mixtures of systems Fe-Ni, or Fe-Ti, or Ni-Co, or Cu-Au, or (Fe-C) -Ni, characterized by close melting points of the components.
Будем говорить, что компоненты обладают близкими температурами плавления, при выполнении следующего условия. При лазерной обработке поверхности материалов и порошка имеет место градиент температуры по глубине слоя от поверхности материала. В известных SLS-процессах градиент температуры превышает величину порядка 106 К/м. Это означает, например, что, если ведется лазерная обработка порошкового слоя толщиной 0,1 мм, при этом градиент температуры составляет 5*106 К/м и на нижней границе порошка достигается температура плавления более легкоплавкой компоненты порошковой смеси, например алюминия - 933 К, то на верхней границе порошкового слоя будет наблюдаться температура 1433 К. Если температура плавления второго компонента порошковой смеси будет ниже этой температуры, то будет плавиться и вторая компонента смеси. Такие компоненты характеризуются близкими температурами плавления в смысле настоящего изобретения. Анализ известных способов лазерного спекания показывает, что компоненты порошковых смесей выбираются таким образом, чтобы температура плавления более легкоплавкой компоненты отличалась более чем на 50% от температуры плавления более тугоплавких компонент. Компьютерный анализ позволяет сделать заключение о том, что если температуры плавления компонент будут отличаться менее чем на 40% (здесь и далее указана разница, вычисленная от температуры плавления более тугоплавкой компоненты), то в процессе лазерной обработки эти компоненты будут плавиться совместно. Можно говорить, что если отличие в температурах плавления составляет величину менее 40%, то эти компоненты следует считать компонентами с близкими температурами плавления. Когда отличие составляет значение более 40%, данное заключение следует делать на основе расчетов по изложенной выше методике.We will say that the components have close melting points, under the following condition. When laser processing the surface of materials and powder, a temperature gradient occurs along the depth of the layer from the surface of the material. In known SLS processes, the temperature gradient exceeds a value of the order of 10 6 K / m. This means, for example, that if laser processing of the powder layer is carried out with a thickness of 0.1 mm, while the temperature gradient is 5 * 10 6 K / m and at the lower boundary of the powder the melting point of the more fusible component of the powder mixture, for example aluminum, is reached, 933 K , then at the upper boundary of the powder layer, a temperature of 1433 K will be observed. If the melting temperature of the second component of the powder mixture is below this temperature, the second component of the mixture will melt. Such components are characterized by similar melting points in the sense of the present invention. An analysis of known laser sintering methods shows that the components of the powder mixtures are selected so that the melting temperature of the more low-melting components differs by more than 50% from the melting temperature of more refractory components. Computer analysis allows us to conclude that if the melting points of the components differ by less than 40% (hereinafter, the difference calculated from the melting point of a more refractory component is indicated), then during the laser processing these components will melt together. We can say that if the difference in melting points is less than 40%, then these components should be considered components with similar melting points. When the difference is more than 40%, this conclusion should be made on the basis of calculations according to the above methodology.
Предлагаемый способ получения покрытий на поверхности других изделий основан на лазерном высокоскоростном спекании ультрадисперсных порошков чистых материалов или их смесей, полученных с использованием процесса механоактивации (размола в высокоэнергетических шаровых мельницах), в защитной среде, с достижением сверхвысокой скорости нагрева и охлаждения, а также динамическим компьютерным управлением режимами лазерной обработки. Сверхвысокие скорости нагрева и дальнейшего охлаждения приводят к тому, что проплавляется только незначительная часть частицы порошка, которая и обеспечивает механически прочный спекаемый слой. Однако значительная часть частицы порошка (до 95%) не плавится, что позволяет получать спекаемый слой с сохранением исходного наноструктурного, метастабильного состояния механоактивированного порошка.The proposed method for producing coatings on the surface of other products is based on laser high-speed sintering of ultrafine powders of pure materials or their mixtures obtained using the mechanical activation process (grinding in high-energy ball mills), in a protective medium, with the achievement of ultra-high heating and cooling speeds, as well as dynamic computer control of laser processing modes. Ultrahigh heating and further cooling rates lead to the fact that only an insignificant part of the powder particle is melted, which provides a mechanically strong sintered layer. However, a significant part of the powder particle (up to 95%) does not melt, which makes it possible to obtain a sintered layer while maintaining the initial nanostructured, metastable state of the mechanically activated powder.
Способ реализуют следующим образом.The method is implemented as follows.
Исходная порошковая смесь или целиком, или раздельно все ее отдельные компоненты (в том числе металлический порошок) подготавливается методом механоактивации, то есть размолом в высокоэнергетических шаровых мельницах, до достижения ультрадисперсного метастабильного структурно-фазового состояния со средним размером частиц 1 мкм.The initial powder mixture, either whole or separately, of all its individual components (including metal powder) is prepared by mechanical activation, that is, grinding in high-energy ball mills, until an ultrafine metastable structural-phase state with an average particle size of 1 μm is achieved.
Многократно повторяющийся циклический процесс послойного лазерного спекания порошка включает следующие стадии: нанесение ультрадисперсного порошкового слоя и выравнивание его роликом; лазерная обработка (сканированием) порошкового слоя с достижением заданных высоких скоростей кристаллизации расплавленной компоненты порошка; сдвиг столика с образцом вниз на величину толщины одного слоя; повторение всего процесса.The repeatedly repeated cyclic process of layer-by-layer laser sintering of the powder includes the following stages: applying an ultrafine powder layer and aligning it with a roller; laser processing (scanning) of the powder layer to achieve specified high crystallization rates of the molten component of the powder; shift the table with the sample down by the thickness of one layer; repetition of the whole process.
Для достижения технического результата необходима вакуумная откачка порошковой смеси непосредственно перед осуществлением процесса лазерного спекания. Вследствие подготовки порошковой смеси методом механоактивации достигается ультрадисперное состояние порошка, характеризуемое высокоразвитой удельной поверхностью материала. Это позволяет поверхности частиц адсорбировать значительное количество атомов и молекул кислорода, воды, углеводородов и других молекул. Осуществление вакуммной откачки до давления ниже 10-2 мм рт.ст. позволяет десорбировать молекулы, что улучшает комплекс физико-химических свойств материала после спекания.To achieve a technical result, vacuum pumping of the powder mixture is required immediately before the laser sintering process. Due to the preparation of the powder mixture by mechanical activation, an ultradispersed state of the powder is achieved, characterized by a highly developed specific surface of the material. This allows the surface of the particles to adsorb a significant number of atoms and molecules of oxygen, water, hydrocarbons and other molecules. The implementation of vacuum pumping to a pressure below 10 -2 mm RT.article allows to desorb molecules, which improves the complex of physicochemical properties of the material after sintering.
В настоящем способе лазерного спекания используется вакуумная камера, процесс создания защитной среды представляет собой следующие действия: вакуумирование рабочего пространства; проверка на наличие утечек; замещение аргоном остаточной среды в камере путем одновременной прокачки аргона и откачки среды вакуумным насосом. Такая технология позволяет практически полностью исключить влияние кислорода на происходящие процессы и не требует использования дорогостоящего оборудования сверхвысокого вакуума.In the present laser sintering method, a vacuum chamber is used, the process of creating a protective environment is the following: vacuuming the working space; leak check; replacement by argon of the residual medium in the chamber by simultaneous pumping of argon and pumping out the medium by a vacuum pump. This technology allows you to almost completely eliminate the influence of oxygen on the processes and does not require the use of expensive ultra-high vacuum equipment.
После вакуумирования рабочего пространства осуществляют послойное лазерное спекание однокомпонентного механоактивированного металлического порошка или механоактивированного металлического порошка и других компонент порошковой смеси.After evacuation of the working space, layer-by-layer laser sintering of a one-component mechanically activated metal powder or mechanically activated metal powder and other components of the powder mixture is carried out.
Используется импульсный лазер с частотой генерации импульсов от 20000 до 100000 Гц и временем действия импульса 100 наносекунд, при средней мощности лазерного излучения от 3 до 40 Вт, что приводит к сверхвысоким скоростям нагрева и охлаждения частиц материала. Так, скорость кристаллизации расплавленной компоненты порошкового материала составляет от 0,5 м/с до 10 м/с. Режимы лазерной высокоскоростной обработки позволяют проплавлять частицу на заданную глубину, то есть только частично, что и обеспечивает механическую прочность спеченного слоя. Однако значительная часть частицы порошка (до 95%) не плавится, что позволяет получать спекаемый слой с сохранением исходного наноструктурного, метастабильного состояния механоактивированного порошка.A pulsed laser is used with a pulse generation frequency of 20,000 to 100,000 Hz and a pulse duration of 100 nanoseconds, with an average laser power of 3 to 40 W, which leads to ultrahigh heating and cooling rates of the material particles. Thus, the crystallization rate of the molten component of the powder material is from 0.5 m / s to 10 m / s. Laser modes of high-speed processing allow the particle to melt to a predetermined depth, that is, only partially, which ensures the mechanical strength of the sintered layer. However, a significant part of the powder particle (up to 95%) does not melt, which makes it possible to obtain a sintered layer while maintaining the initial nanostructured, metastable state of the mechanically activated powder.
Основное влияние на структурно-фазовый состав и физико-химические свойства материалов оказывает скорость движения фронта кристаллизации и градиент температуры на фронте. Увеличение скорости кристаллизации расплавленного материала приводит к активному диспергированию структуры с уменьшением характерного размера ее элементов. Уменьшение характерного размера элементов субструктуры положительно влияет на такие важные свойства материалов, как твердость, прочность, износостойкость и приводит к возможности получения новых метастабильных материалов.The main influence on the structural-phase composition and physicochemical properties of materials is exerted by the speed of movement of the crystallization front and the temperature gradient at the front. An increase in the crystallization rate of the molten material leads to active dispersion of the structure with a decrease in the characteristic size of its elements. Reducing the characteristic size of the substructure elements positively affects such important properties of materials as hardness, strength, wear resistance and leads to the possibility of obtaining new metastable materials.
Режимы лазерной обработки управляются компьютером на основе заранее рассчитанного массива данных, получаемого в результате расчетов программного комплекса. позволяющего прогнозировать развитие температурных полей и структурообразование при лазерном спекании и рассчитывать режимы обработки для контролируемого развития процессов. Комплекс позволяет управлять характеристиками структурно-фазового состояния, пористостью и физико-механическими свойствами с возможностью изменения этих параметров в различных областях спеченных слоев. Отличительной особенностью математической модели является применение метода многомасштабного моделирования в сочетании с современными методами расчета фазовых превращений. Макроскопическая модель двухфазной зоны сопряжена с моделью расчета структурообразования в формализме фазового поля, являющегося наиболее перспективным расчетным методом в описании кристаллизации. Данный подход также позволяет адаптировать результаты расчета к произвольным системам и режимам обработки за счет наиболее общей формулировки математической модели.Laser processing modes are controlled by a computer on the basis of a pre-calculated data array obtained as a result of calculations of the software package. which allows predicting the development of temperature fields and structure formation during laser sintering and calculating processing modes for the controlled development of processes. The complex allows you to control the characteristics of the structural phase state, porosity and physico-mechanical properties with the possibility of changing these parameters in various areas of the sintered layers. A distinctive feature of the mathematical model is the use of multiscale modeling in combination with modern methods of calculating phase transformations. A macroscopic model of a two-phase zone is coupled with a model for calculating structure formation in the phase field formalism, which is the most promising calculation method in the description of crystallization. This approach also allows you to adapt the calculation results to arbitrary systems and processing modes due to the most general formulation of the mathematical model.
Для спекания используют металлический порошок или Fe, или Ni, или Сu, или Та, или Аl, или порошки этих металлов, содержащие в составе частиц углерод, то есть Fe-C, Ni-С, Cu-C, Та-С, Аl-С, или порошковые смеси систем Fe-Ni, или Fe-Ti, или Ni-Co, или Сu-Au, или (Fe-C)-Ni, характеризующиеся близкими температурами плавления компонент (температуры плавления компонент отличаются менее чем на 30%).For sintering, a metal powder or Fe, or Ni, or Cu, or Ta, or Al, or powders of these metals containing carbon in the composition of the particles, i.e., Fe-C, Ni-C, Cu-C, Ta-C, Al -C, or powder mixtures of Fe-Ni, or Fe-Ti, or Ni-Co, or Cu-Au, or (Fe-C) -Ni systems, characterized by close melting points of the components (the melting points of the components differ by less than 30% )
Примеры осуществления способа.Examples of the method.
I) Получение покрытий толщиной 0,6 мм из химически чистого железаI) Obtaining coatings with a thickness of 0.6 mm from chemically pure iron
1. Механоактивация порошка карбонильного железа марки Р-20 в планетарной шаровой мельнице с вакуумной откачкой помольных барабанов до достижения среднего размера частиц порошка 1 мкм.1. Mechanical activation of R-20 carbonyl iron powder in a planetary ball mill with vacuum pumping of grinding drums to achieve an average particle size of 1 micron powder.
2. Вакуумирование рабочей камеры и замещение аргоном остаточной среды.2. Evacuation of the working chamber and argon displacement of the residual medium.
3. Нанесение на подложку порошкового слоя толщиной 0,07 мм и выравнивание его роликом.3. Application of a powder layer of 0.07 mm thickness on a substrate and alignment with a roller.
4. Лазерная обработка сканированием поверхности со следующими режимами.4. Laser processing by scanning the surface with the following modes.
Частота генерации импульсов 56 кГц. Время действия импульса 100 нс. Средняя мощность лазерного излучения 12 Вт. Скорость сканирования луча лазера 300 мм/с. Коэффициент перекрытия 0,2.The pulse generation frequency is 56 kHz. The pulse duration is 100 ns. The average laser power is 12 watts. Laser beam scanning speed 300 mm / s. Coefficient of overlap 0.2.
5. Чистка спеченного слоя.5. Cleaning the sintered layer.
6. Сдвиг столика с деталью на 0,06 мм вниз.6. Shift the table with the part 0.06 mm down.
7. Повторение цикла с п.3 по п.6-9 раз, всего нанесенных слоев - 10.7. Repeating the cycle from p. 3 to p. 6-9 times, the total applied layers - 10.
II) Получение покрытий толщиной 0,6 мм из сплава железо-никель с содержанием никеля 10% по весуII) Preparation of 0.6 mm thick coatings from an iron-nickel alloy with a nickel content of 10% by weight
1. Механоактивация порошка карбонильного железа марки Р-20 в планетарной шаровой мельнице с вакуумной откачкой помольных барабанов до достижения среднего размера частиц порошка 1 мкм.1. Mechanical activation of R-20 carbonyl iron powder in a planetary ball mill with vacuum pumping of grinding drums to achieve an average particle size of 1 micron powder.
2. Химическое осаждение никеля на поверхности частиц железа.2. Chemical deposition of nickel on the surface of iron particles.
3. Вакуумирование рабочей камеры и замещение аргоном остаточной среды.3. Evacuation of the working chamber and argon displacement of the residual medium.
4. Нанесение на подложку порошкового слоя толщиной 0,07 мм и выравнивание его роликом.4. Application of a 0.07 mm thick powder layer onto the substrate and alignment with a roller.
5. Лазерная обработка сканированием поверхности со следующими режимами. Частота генерации импульсов 64 кГц. Время действия импульса 100 нс. Средняя мощность лазерного излучения 14 Вт. Скорость сканирования луча лазера 280 мм/с. Коэффициент перекрытия 0,2.5. Laser processing by scanning the surface with the following modes. The pulse generation frequency is 64 kHz. The pulse duration is 100 ns. The average laser power is 14 watts. Laser beam scanning speed 280 mm / s. Coefficient of overlap 0.2.
6. Чистка спеченного слоя.6. Cleaning the sintered layer.
7. Сдвиг столика с деталью на 0,06 мм вниз.7. The shift of the table with the part 0.06 mm down.
8. Повторение цикла с п.3 по п.6-9 раз, всего нанесенных слоев - 10.8. The repetition of the cycle from p. 3 to p. 6-9 times, the total applied layers - 10.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010113121/02A RU2443506C2 (en) | 2010-04-05 | 2010-04-05 | Method of coating article by laser layer-by-layer synthesis |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010113121/02A RU2443506C2 (en) | 2010-04-05 | 2010-04-05 | Method of coating article by laser layer-by-layer synthesis |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010113121A RU2010113121A (en) | 2011-10-10 |
| RU2443506C2 true RU2443506C2 (en) | 2012-02-27 |
Family
ID=44804748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010113121/02A RU2443506C2 (en) | 2010-04-05 | 2010-04-05 | Method of coating article by laser layer-by-layer synthesis |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2443506C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2513670C2 (en) * | 2012-07-10 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "УдГУ") | Method of increasing corrosion stability of non-alloy steel |
| RU2518466C1 (en) * | 2013-03-01 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (УдГУ) | Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing |
| RU2550475C1 (en) * | 2013-12-19 | 2015-05-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш" | Device to manufacture items by layer-by-layer laser agglomeration of powders |
| RU2713255C1 (en) * | 2019-09-23 | 2020-02-04 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Method of forming composite material by selective laser melting of refractory nickel alloy powder on a substrate from titanium alloy |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5431967A (en) * | 1989-09-05 | 1995-07-11 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Selective laser sintering using nanocomposite materials |
| RU2086356C1 (en) * | 1992-12-14 | 1997-08-10 | Николай Константинович Толочко | Method of manufacture of three-dimensional products from powder materials |
| DE19953000A1 (en) * | 1999-11-04 | 2001-05-17 | Horst Exner | Rapid e.g. tool, prototype, mold and undercut section production by stereolithographic powder processing employs two beams for welding or sintering |
| RU2218242C2 (en) * | 1999-02-11 | 2003-12-10 | Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН | Method for making medical implants from biologically compatible materials |
| RU2333076C1 (en) * | 2006-10-30 | 2008-09-10 | Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии наук | Method of volumetric articles production from powder compositions |
-
2010
- 2010-04-05 RU RU2010113121/02A patent/RU2443506C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5431967A (en) * | 1989-09-05 | 1995-07-11 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Selective laser sintering using nanocomposite materials |
| RU2086356C1 (en) * | 1992-12-14 | 1997-08-10 | Николай Константинович Толочко | Method of manufacture of three-dimensional products from powder materials |
| RU2218242C2 (en) * | 1999-02-11 | 2003-12-10 | Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН | Method for making medical implants from biologically compatible materials |
| DE19953000A1 (en) * | 1999-11-04 | 2001-05-17 | Horst Exner | Rapid e.g. tool, prototype, mold and undercut section production by stereolithographic powder processing employs two beams for welding or sintering |
| RU2333076C1 (en) * | 2006-10-30 | 2008-09-10 | Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии наук | Method of volumetric articles production from powder compositions |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2513670C2 (en) * | 2012-07-10 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "УдГУ") | Method of increasing corrosion stability of non-alloy steel |
| RU2518466C1 (en) * | 2013-03-01 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Удмуртский государственный университет" (УдГУ) | Iron-based material for electrode for electrochemical production of hydrogen and method of its manufacturing |
| RU2550475C1 (en) * | 2013-12-19 | 2015-05-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-Производственное Объединение "Техномаш" | Device to manufacture items by layer-by-layer laser agglomeration of powders |
| RU2713255C1 (en) * | 2019-09-23 | 2020-02-04 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Method of forming composite material by selective laser melting of refractory nickel alloy powder on a substrate from titanium alloy |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010113121A (en) | 2011-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Metal binder jetting additive manufacturing: a literature review | |
| Hamilton et al. | Multi-scale shape memory effect recovery in NiTi alloys additive manufactured by selective laser melting and laser directed energy deposition | |
| Gong et al. | Beam speed effects on Ti–6Al–4V microstructures in electron beam additive manufacturing | |
| Iveković et al. | Effect of processing parameters on microstructure and properties of tungsten heavy alloys fabricated by SLM | |
| Mumtaz et al. | High density selective laser melting of Waspaloy® | |
| Popovich et al. | Metal powder additive manufacturing | |
| Simchi et al. | Direct laser sintering of iron–graphite powder mixture | |
| Li et al. | Selective laser melting W–10 wt.% Cu composite powders | |
| Simchi et al. | Densification and microstructural evaluation during laser sintering of M2 high speed steel powder | |
| US10946445B2 (en) | Method of manufacturing a cemented carbide material | |
| RU2443506C2 (en) | Method of coating article by laser layer-by-layer synthesis | |
| Kelly et al. | Directed energy deposition additive manufacturing of functionally graded Al-W composites | |
| US20190321917A1 (en) | Manufacturing of cermet articles by powder bed fusion processes | |
| Salehi et al. | Inkjet based 3D additive manufacturing of metals | |
| Aramian et al. | Effect of selective laser melting process parameters on microstructural and mechanical properties of TiC–NiCr cermet | |
| Li et al. | Binder jetting additive manufacturing of metals: a literature review | |
| Scheitler et al. | Laser metal deposition of NiTi shape memory alloy on Ti sheet metal: Influence of preheating on dissimilar build-up | |
| Song et al. | Consolidation of WC–Co alloys by magnetic pulsed compaction and evaluation of their mechanical properties | |
| Su et al. | Investigation of fully dense laser sintering of tool steel powder using a pulsed Nd: YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet) laser | |
| Ghosh et al. | Selective laser sintering: a case study of tungsten carbide and cobalt powder sintering by pulsed Nd: YAG laser | |
| Xiong et al. | (Ti, W) C–Ni cermets by laser engineered net shaping | |
| Mostafaei | Powder bed binder jet 3D printing of Alloy 625: Microstructural evolution, densification kinetics and mechanical properties | |
| WO2020080425A1 (en) | Cured layer lamination method and production method for laminated molded article | |
| Seetharaman et al. | Research updates on the additive manufacturing of nickel based superalloys | |
| Badi | Effect of Process Parameters on the Quality of 17-4 PH Samples Produced by Directed Energy Deposition |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120406 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130527 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20140609 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180406 |