RU2526909C1 - Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом - Google Patents

Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом Download PDF

Info

Publication number
RU2526909C1
RU2526909C1 RU2013100426/02A RU2013100426A RU2526909C1 RU 2526909 C1 RU2526909 C1 RU 2526909C1 RU 2013100426/02 A RU2013100426/02 A RU 2013100426/02A RU 2013100426 A RU2013100426 A RU 2013100426A RU 2526909 C1 RU2526909 C1 RU 2526909C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
alloy
powder material
crystallization
product
Prior art date
Application number
RU2013100426/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013100426A (ru
Inventor
Рустем Халимович Ганцев
Владимир Энгелевич Галиев
Аскар Джамилевич Мингажев
Вячеслав Николаевич Кружков
Original Assignee
Рустем Халимович Ганцев
Владимир Энгелевич Галиев
Аскар Джамилевич Мингажев
Вячеслав Николаевич Кружков
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 Рустем Халимович Ганцев, Владимир Энгелевич Галиев, Аскар Джамилевич Мингажев, Вячеслав Николаевич Кружков filed Critical Рустем Халимович Ганцев
Priority to RU2013100426/02A priority Critical patent/RU2526909C1/ru
Priority to PCT/RU2013/001184 priority patent/WO2014109675A1/ru
Publication of RU2013100426A publication Critical patent/RU2013100426A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2526909C1 publication Critical patent/RU2526909C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/60—Treatment of workpieces or articles after build-up
    • B22F10/64—Treatment of workpieces or articles after build-up by thermal means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/10—Auxiliary heating means
    • B22F12/17—Auxiliary heating means to heat the build chamber or platform
    • 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

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению металлических изделий из порошков селективным лазерным спеканием. Наносят слой керамического порошка, проводят селективное спекание на заданных участках слоя и удаляют указанный материал из неспеченных участков. Между спеченными участками керамического слоя наносят слой порошка металла или сплава той же толщины и проводят селективное спекание на этих участках. Цикл повторяют до осуществления полного формирования изделия. При этом керамика образует при спекании оболочку формируемого изделия. После каждого спекания слоя металла или сплава проводят его расплавление и/или расплавление всего объема металла или сплава, а после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава производят удаление керамики. 15 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано для изготовления металлических изделий из порошков селективным лазерным спеканием.
Известен способ лазерного спекания изделий, при котором на поверхность порошка в зону спекания направляют спекающий лазерный луч [патент РФ №2132761, МПК B22F 3/105, В23К 26/00. УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ. 1999.] Кроме того, в область зоны спекания дополнительно направляют подогревающий лазерный луч, который фокусируют на более широкой, по сравнению со спекающим лучом, площади, обеспечивая тем самым уменьшение температурного градиента между зоной спекания и окружающим порошком для предотвращения коробления спеченной детали.
Известен также способ спекания изделий, включающий нанесение порошкового слоя на мишеневую поверхность, сканирование цели направленным лазерным пучком и спекание слоя оплавлением лазерным пучком в границах поперечного сечения слоя [патент РФ №2021881, МПК B22F 3/12, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. 1994] После оплавления слоя на него последовательно наносят последующие порошковые слои, сканируют цель направленным лазерным пучком для каждого последующего слоя соответственно поперечному сечению детали и каждый последующий слой оплавляют лазерным пучком для образования из слоев поперечного сечения детали. При спекании оплавлением каждого последующего слоя его соединяют с предыдущим слоем для образования детали.
К недостатку указанных способов [патенты РФ №2132761 и №2021881] можно отнести низкую прочность формируемой детали в связи с невозможностью полного проплавления материала, из-за вероятности его растекания. Другими недостатками указанных способов являются: возможность возникновения брака при перегреве детали из-за потери формы, неоднородность свойств наплавленного материала и низкая точность формирования детали из-за нечетких границ «наплавленный слой-порошок».
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ и установка для изготовления изделия из порошкового материала путем лазерного послойного синтеза [Патент РФ №2401180, МПК B22F 3/105, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПОРОШКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, 2010]. Способ включает следующую последовательность формирования слоев: нанесение слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках. Установка для изготовления металлической детали из порошкового материала содержит рабочую камеру с входным окном, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, роллер очистки, выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка. Однако известные способ и установка не позволяют получать металлические детали, обладающие высокой механической прочностью материалов.
В этой связи, задачей настоящего изобретения является разработка способа и установки для изготовления металлического изделия из порошкового материала путем лазерного послойного синтеза, обеспечивающих получение металлических деталей с высокой механической прочностью и точностью форм.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокой механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного синтеза из порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала путем цикличного лазерного послойного синтеза, включающем следующую последовательность формирования слоев за цикл: нанесение слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках, повторение указанных циклов до осуществления полного формирования изделия, в отличие от прототипа в качестве первого порошкового материала используется керамика, образующая при спекании оболочку формируемого изделия, а в качестве второго порошкового материала используется порошок из металла или сплава формируемого изделия, причем после каждого спекания слоя металла или сплава производят его расплавление и/или расплавление всего его объема, а после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава производят удаление керамики.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала послойный синтез осуществляют в вакууме или защитной среде, в магнитном, и/или электрическом, и/или ультразвуковом полях, при этом используют магнитное поле с индукцией до 0,2 Тл, электрическое поле напряженностью до 300 кВ/м и ультразвуковое поле с частотой 15-25 кГц, а расплавление металла или сплава производят лучом лазера, и/или электронно-лучевым методом, и/или индукционным методом.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала, как варианты выполнения способа: после кристаллизации расплавленного металла или сплава до удаления керамики производят индукционный переплав с последующей повторной кристаллизацией; кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации; после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия; после повторной кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия; после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят его упрочняющую электроимпульсную обработку, причем электроимпульсную обработку проводят при плотности электрического тока от 10 МA/м2 до 200 МA/м2.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала используют поршень рабочего бункера со спекаемыми слоями, который после спекания слоя первого порошкового материала перемещают вверх на толщину этого слоя, производят удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производят после возвращения поршня в прежнее положение.
Технический результат достигается также тем, что установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала, содержащая рабочую камеру с входным окном, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, роллер очистки, выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, в отличие от прототипа она содержит дополнительную рабочую камеру, также оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, причем, рабочая камера и дополнительная рабочая камера снабжены общим рабочим столом, в котором установлены упомянутые рабочие бункеры с поршнями, при этом общий рабочий стол выполнен с возможностью перемещения рабочих бункеров с поршнями в процессе формирования детали из рабочей камеры в дополнительную рабочую камеру и обратно.
Технический результат достигается также тем, что установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала может быть выполнена по следующим вариантам: рабочая камера и дополнительная рабочая камера расположены внутри общей камеры, обеспечивающей их герметизацию от внешней среды и снабженной системой вакуумирования и системой напуска защитных газов; рабочие бункеры с поршнями выполнены из диэлектрических теплостойких материалов и снабжены индукторами для нагрева изготавливаемых изделий; рабочие бункеры с поршнями снабжены индукторами, а рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера дополнительно снабжены электронно-лучевыми пушками и дополнительными лазерами; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера дополнительно снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки, выполненным с возможностью вертикального перемещения, а по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с отражателями для нагрева поверхности порошка.
Сущность изобретения поясняется схемами. На фиг.1 представлена установка для изготовления металлического изделия методом лазерного послойного синтеза с последующим расплавлением металла изделия. На фиг.2 изображена схема формирования металлического изделия согласно предлагаемому способу.
Фиг.1 и 2 содержат: 1 - общая камера; 2 - рабочая камера; 3 - лазер с системой сканирования и фокусировки луча; 4 - роллер очистки и каретка засыпки и укладки порошка; 5 - перегородка между рабочей камерой и дополнительной рабочей камерой; 6 - дополнительная рабочая камера; 7 - луч лазера; 8 - бункер-питатель; 9 - слои порошка спекаемого материала; 10 - рабочий бункер с поршнем; 11 - шток; 12 - индуктор; 13 - общий рабочий стол с рабочими бункерами; 14 - механизм поворота стола; 15 - слой первого порошкового материала (керамический порошок); 16 - слой первого порошкового материала, спеченный на заданных участках слоя; 17 - неспеченные участки первого порошкового материала; 18 - пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала; 19 - слой второго порошкового материала; 20 - готовое изделие после кристаллизации расплавленного металла или сплава и удаления керамики (А, В, С, D, Е, F, G, Н - стадии формирования изделия).
Устройство работает следующим образом (фиг.1). На поршень рабочего бункера 10, находящегося в исходном положении, при помощи 4 - роллера очистки и каретки засыпки и укладки порошка наносится слой керамического материала I (слой первого порошкового материала, образующий при спекании оболочку формируемого изделия) и производится его спекание лучом лазера 7 на всей рабочей поверхности для образования основания для формирования изделия 20. Затем производится повторное нанесение керамического материала I и его селективное спекание лучом лазера 7 с последующим удалением с поверхности 9 слоя неспеченной части порошка 17 керамического материала I при помощи роллера очистки 4 с образованием пространства между спеченными участками слоя керамического материала I (фиг.1 и фиг.2 А, В, С). Затем после поворота общего рабочего стола 13 и перемещением формируемого изделия из рабочей камеры 2 в дополнительную рабочую камеру 6 с помощью каретки засыпки и укладки порошка 4 в пространство между спеченными участками слоя керамического материала I производят нанесение, слоя второго порошкового материала (металла или сплава II) той же толщины и его селективное спекание на этих участках (фиг.2D). (При этом одновременно другое формируемое изделие перемещается из дополнительной рабочей камеры 6 в рабочую камеру 2, где на него наносится и селективно спекается керамический материал I.) Циклы поочередного нанесения и спекания керамики 15 и металла 19 повторяют до осуществления полного формирования изделия (фиг.2 E, F, G). При этом перед нанесением слоя порошка II (металла) поршень рабочего бункера 10 поднимается на высоту спекаемого слоя и с помощью роллера очистки 4, движущегося перпендикулярно движению каретки укладки порошка, и производится удаление предыдущего слоя материала I (неспеченных участков керамики 17). Каретка засыпки порошка 4 периодически пополняется порошком из бункеров питателей 8. В дополнительной рабочей камере 6 поршень рабочего бункера 10 опускают на высоту спекаемого слоя и наносят с помощью каретки 4 слой порошка. Укладка порошка производится двумя ножами каретки 4. На обратном ходу каретки 4 слой уплотняется роллером прикатки 4. Затем проводится селективное спекание слоя из порошка II. После окончания формирования изделия 20 производят полное расплавление металла (материала II) и его кристаллизацию по одному из следующих вариантов: поликристаллизации, направленной (моно)кристаллизации. При необходимости придания более высокой механической прочности проводят термообработку и/или упрочняющую обработку изделия. После окончания формирования изделия одним из известных способов, например травлением в кислотах, производят удаление керамического материала и получают готовое изделие (фиг.2Н).
Для оценки механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного синтеза из порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления были проведены следующие исследования свойств изделий, полученных по прототипу и по предложенному техническому решению. Указанными методами были получены образцы из порошков высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе и проведены сравнения их механической прочности.
Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.
Методом цикличного лазерного послойного синтеза были получены образцы из порошковых материалов на основе высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе. Первый порошковый материал: керамика на основе окиси алюминия и керамика на основе окиси циркония. Второй порошковый материал: первый вариант - сплав состава, в вес.%: Сr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное; второй вариант - сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное; третий вариант сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное; четвертый вариант - никелевый порошок. Использовали порошок с размерами частиц порошка от 25 мкм до 100 мкм. Производилось нанесение слоя первого порошкового материала толщиной 300 мкм и его селективное спекание на заданных участках слоя, обеспечивающих формирование заданных образцов. Подача порошка на рабочую плоскость бункеров с поршнями с последующим выглаживанием слоя порошка и удалением его избытка производилась вращающимся роликом. После нанесения первого слоя лишний, неспеченный порошок удаляли. Далее в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала наносили слой второго порошкового материала той же толщины и проводили его селективное спекание на этих участках. Количество указанных циклов повторяли до осуществления полного формирования образца. Расплавление спеченного сплава проводили по следующим вариантам: после каждого спекания слоя металла или сплава; расплавление всего его объема металла или сплава; после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава удаляли керамику.
Послойный синтез (использовался лазер модели ЛС-03 мощностью до 300 Вт, скорость перемещения лазерного луча - до 150 мм/с) осуществляли по следующим вариантам: в вакууме (до P=3×10-2 Па); в защитной среде (аргоне Р=1,0×105 Па); в магнитном поле; в электрическом поле; в ультразвуковом поле; в магнитном и электрическом поле; в магнитном и ультразвуковом поле; в электрическом и ультразвуковом поле; в магнитном электрическом и ультразвуковом поле. При этом использовались поля со следующими параметрами: магнитное поле с индукцией до 0,2 Тл, электрическое поле напряженностью до 300 кВ/м и ультразвуковое поле с частотой 15-25 кГц. Выход за пределы указанных параметров приводил к снижению эффекта воздействия указанных полей на формируемый материал образцов.
Расплавление металла или сплава проводили следующими способами: лучом лазера; электронно-лучевым методом; индукционным методом; совместно лучом лазера и электронно-лучевым методом; совместно лучом лазера и индукционным методом; совместно электронно-лучевым и индукционным методом; совместно лучом лазера, электронно-лучевым и индукционным методом.
Был проведен также индукционный переплав (до удаления керамики) с последующей повторной кристаллизацией, который осуществлялся после первой кристаллизации расплавленного металла или сплава.
Кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводили методами направленной кристаллизации и направленной монокристаллизации.
После всех видов кристаллизации расплавленного металла или сплава проводили термообработку изделия, обеспечивающую повышение механических свойств металлов или сплавов (например, режимы термической обработки сплавов на никелевой основе: гомогенизация структуры и растворение включений при 770-780°С с ускоренным охлаждением; двухступенчатое старение: 8 часов при температуре 720°С, медленное охлаждение в течение 2 часов до 620-650°С и выдержка в течение 8 часов; ускоренное охлаждение).
Для дополнительного упрочнения материала образцов после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводилась его упрочняющая электроимпульсная обработка, причем электроимпульсная обработка при плотности электрического тока от 10 МA/м2 до 200 МA/м2.
Плотность электрического тока процесса электроимпульсной обработки 8 МA/м2 - Н.Р. (Неудовлетворительный Результат.); 10 МА/м2 - У.Р. (Удовлетворительный Результат); 30 МА/м2 (У.Р.); 60 МА/м2(У.Р.); 100 МА/м2(У.Р.); 140 МА/м2(У.Р.); 200 МА/м2(У.Р.); 210 МА/м2(Н.Р.).
Применение упрочняющей электроимпульсной обработки позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства изготавливаемых изделий. Воздействие мощных импульсов электрического поля на дефектную структуру металла или сплава приводит к дополнительному локальному тепловому воздействию, особенно интенсивно проявляющемуся в области его структурных дефектов. Это приводит к значительной интенсификации процессов восстановления структуры материала в областях с повышенной плотностью дефектов, которые протекают без перегрева основной массы металла обрабатываемой детали. Кроме того, дополнительным преимуществом от использования импульсов электрического поля является эффект упрочнения [Зуев Л.Б., Соснин О.В., Подборонников С.Ф. и др.//ЖТФ. 2000. Т.70. Вып.3. С.24-26.]. Наличие же значительных структурных дефектов материала, позволяет указанному эффекту наиболее сильно проявиться именно в дефектной зоне обрабатываемого материала. Для осуществления послойного лазерного синтеза материалов использовали поршень рабочего бункера со спекаемыми слоями, который, после спекания слоя первого порошкового материала перемещали вверх на толщину этого слоя, удаляли порошковый материал из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производили после возвращения поршня в прежнее положение.
Проведенные исследования показали на повышение прочности никеля и сплавов на основе никеля на 30-50% от прочности образцов, полученных по известному способу, а образцов, изготовленных из легированной стали, - на 25-40%. Точность изготовления изделия по заявляемому способу в 2..4 раза выше точности изделия, изготовленного по прототипу, что объясняется, в частности, наличием формы высокой точности, в которой происходит плавление и кристаллизация металла изготавливаемого изделия. Снижение трудоемкости изготовления по предлагаемому техническому решению значительно снижается из-за отсутствия стадии изготовления модели изделия, затем формы для литья, изготовленной по полученной модели (например, по методу литья по выплавляемым или выжигаемым моделям), а включает лишь две стадии: спекание материала изделия и его отливку.
Таким образом, использование в предлагаемом способе изготовления металлического изделия из порошкового материала путем цикличного лазерного послойного синтеза, следующих признаков: последовательность формирования слоев за цикл: нанесение слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя; удаление первого порошкового материала из неспеченных участков; нанесение, в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала, слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках; повторение указанных циклов до осуществления полного формирования изделия; в качестве первого порошкового материала используется керамика, образующая при спекании оболочку формируемого изделия; в качестве второго порошкового материала используется порошок из металла или сплава формируемого изделия; после каждого спекания слоя металла или сплава производят его расплавление и/или расплавление всего его объема; после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава производят удаление керамики; послойный синтез осуществляют в вакууме или защитной среде, в магнитном, и/или электрическом, и/или ультразвуковом полях; используют магнитное поле с индукцией до 0,2 Тл; электрическое поле напряженностью до 300 кВ/м; ультразвуковое поле с частотой 15-25 кГц; расплавление металла или сплава производят лучом лазера, и/или электронно-лучевым методом, и/или индукционным методом; после кристаллизации расплавленного металла или сплава, до удаления керамики производят индукционный переплав с последующей повторной кристаллизацией; кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации; после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия; после повторной кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия; после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят его упрочняющую электроимпульсную обработку; электроимпульсную обработку проводят при плотности электрического тока от 10 МА/м2 до 200 МА/м2; используют поршень рабочего бункера со спекаемыми слоями, который, после спекания слоя первого порошкового материала перемещают вверх на толщину этого слоя, производят удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производят после возвращения поршня в прежнее положение;
а в предлагаемой установке для изготовления металлического изделия из порошкового материала использование следующих признаков: установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала, содержащая рабочую камеру с входным окном; лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча; рабочий бункер с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении; бункер-питатель; каретку засыпки и укладки порошка с роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка; дополнительную рабочую камеру, также оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка; рабочая камера и дополнительная рабочая камера снабжены общим рабочим столом в котором установлены упомянутые рабочие бункеры с поршнями, при этом общий рабочий стол выполнен с возможностью перемещения рабочих бункеров с поршнями в процессе формирования детали из рабочей камеры в дополнительную рабочую камеру и обратно; рабочая камера и дополнительная рабочая камера расположены внутри общей камеры, обеспечивающей их герметизацию от внешней среды и снабженную системой вакуумирования и системой напуска защитных газов; рабочие бункеры с поршнями выполнены из диэлектрических теплостойких материалов и снабжены индукторами для нагрева изготавливаемых изделий; рабочие бункеры с поршнями снабжены индукторами; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера дополнительно снабжены электронно-лучевыми пушками и дополнительными лазерами; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера дополнительно снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки, выполненным с возможностью вертикального перемещения; по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с отражателями для нагрева поверхности порошка, позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения, которым является обеспечение высокой механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного синтеза из порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления.

Claims (16)

1. Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным лазерным послойным синтезом, включающий формирование слоев за цикл путем нанесения слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение между спеченными участками слоя первого порошкового материала слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках, повторение циклов до полного формирования изделия, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют керамику, образующую при спекании оболочку формируемого изделия, а в качестве второго порошкового материала используют порошок металла или сплава, причем после каждого спекания слоя металла или сплава производят его расплавление и/или расплавление всего объема металла или сплава, а после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава производят удаление керамики.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что послойный синтез осуществляют в вакууме или защитной среде, и/или в магнитном, и/или электрическом, и/или ультразвуковом полях.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавление металла или сплава производят лучом лазера и/или электронно-лучевым методом, и/или индукционным методом.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют магнитное поле с индукцией до 0,2 Тл, электрическое поле напряженностью до 300 кВ/м и ультразвуковое поле с частотой 15-25 кГц.
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что расплавление металла или сплава производят лучом лазера, и/или электронно-лучевым методом, и/или индукционным методом.
6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что после кристаллизации расплавленного металла или сплава до удаления керамики производят индукционный переплав с последующей повторной кристаллизацией.
7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации.
8. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия.
9. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят его упрочняющую электроимпульсную обработку, причем электроимпульсную обработку проводят при плотности электрического тока от 10 МА/м2 до 200 МА/м2.
10. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что используют поршень рабочего бункера со спекаемыми слоями, который после спекания слоя первого порошкового материала перемещают вверх на толщину этого слоя, производят удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производят после возвращения поршня в прежнее положение.
11. Способ по п.6, отличающийся тем, что после индукционного переплава повторную кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации.
12. Способ по п.6, отличающийся тем, что после повторной кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия.
13. Способ по п.7, отличающийся тем, что после кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия.
14. Способ по п.8, отличающийся тем, что после термообработки изделия проводят его упрочняющую электроимпульсную обработку, причем электроимпульсную обработку проводят при плотности электрического тока от 10 МА/м2 до 200 МА/м2.
15. Способ по п.11, отличающийся тем, что после повторной кристаллизации расплавленного металла или сплава проводят термообработку изделия.
16. Способ по любому из пп. 12, 13 и 15, отличающийся тем, что после термообработки изделия проводят его упрочняющую электроимпульсную обработку, причем электроимпульсную обработку проводят при плотности электрического тока от 10 МА/м2 до 200 МА/м2.
RU2013100426/02A 2013-01-09 2013-01-09 Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом RU2526909C1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013100426/02A RU2526909C1 (ru) 2013-01-09 2013-01-09 Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом
PCT/RU2013/001184 WO2014109675A1 (ru) 2013-01-09 2013-12-27 Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала и установка для его осуществления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013100426/02A RU2526909C1 (ru) 2013-01-09 2013-01-09 Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013100426A RU2013100426A (ru) 2014-07-20
RU2526909C1 true RU2526909C1 (ru) 2014-08-27

Family

ID=51167214

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013100426/02A RU2526909C1 (ru) 2013-01-09 2013-01-09 Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2526909C1 (ru)
WO (1) WO2014109675A1 (ru)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691447C1 (ru) * 2018-09-28 2019-06-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ изготовления детали из металлического порошкового материала
RU2691470C1 (ru) * 2018-09-28 2019-06-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ изготовления детали из металлического порошкового материала
RU2704360C1 (ru) * 2018-09-28 2019-10-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ изготовления детали из металлического порошкового материала
RU2713255C1 (ru) * 2019-09-23 2020-02-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" Способ формирования композиционного материала методом селективного лазерного плавления порошка жаропрочного никелевого сплава на подложке из титанового сплава
RU2732252C1 (ru) * 2019-07-30 2020-09-14 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" Способ послойного изготовления объемных изделий
RU2734650C1 (ru) * 2019-07-30 2020-10-21 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" Устройство для послойного изготовления объемных изделий и способ их изготовления

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2521191B (en) 2013-12-12 2016-09-21 Exmet Ab Magnetic materials and methods for their manufacture
GB2548340A (en) * 2016-03-09 2017-09-20 Digital Metal Ab Manufacturing method and manufacturing apparatus
CN105750546B (zh) * 2016-04-29 2017-07-14 西安交通大学 一种激光选区熔化二维超声加振装置
CN108356266B (zh) * 2018-02-05 2020-04-07 大连理工大学 一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法
CN108889949B (zh) * 2018-08-28 2019-11-12 吉林大学 一种模具构件的3d打印制造方法
CN110227817B (zh) * 2019-07-10 2021-05-04 山东职业学院 一种用于3d打印技术的粉末清理装置
CN113351865A (zh) * 2020-03-04 2021-09-07 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 静电场辅助激光增材制造装置及方法
CN111375769B (zh) * 2020-04-17 2022-03-25 东南大学 双超声辅助水下激光增材装置和方法
CN113579479A (zh) * 2021-07-08 2021-11-02 武汉理工大学 一种超声耦合电磁搅拌辅助激光增材制造的方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6621039B2 (en) * 2000-11-27 2003-09-16 The National University Of Singapore Method and apparatus for creating a free-form three-dimensional metal part using high-temperature direct laser melting
EP0734842B2 (de) * 1995-03-30 2006-05-17 EOS GmbH Electro Optical Systems Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes
RU2299787C2 (ru) * 2004-10-21 2007-05-27 Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (ГНУ ИПМ) Установка порошковой лазерной стереолитографии
RU2365468C2 (ru) * 2007-06-13 2009-08-27 Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления
RU2401180C2 (ru) * 2008-08-15 2010-10-10 Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления
EP2319641A1 (en) * 2009-10-30 2011-05-11 Alstom Technology Ltd Method to apply multiple materials with selective laser melting on a 3D article

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0734842B2 (de) * 1995-03-30 2006-05-17 EOS GmbH Electro Optical Systems Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes
US6621039B2 (en) * 2000-11-27 2003-09-16 The National University Of Singapore Method and apparatus for creating a free-form three-dimensional metal part using high-temperature direct laser melting
RU2299787C2 (ru) * 2004-10-21 2007-05-27 Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (ГНУ ИПМ) Установка порошковой лазерной стереолитографии
RU2365468C2 (ru) * 2007-06-13 2009-08-27 Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления
RU2401180C2 (ru) * 2008-08-15 2010-10-10 Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления
EP2319641A1 (en) * 2009-10-30 2011-05-11 Alstom Technology Ltd Method to apply multiple materials with selective laser melting on a 3D article

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691447C1 (ru) * 2018-09-28 2019-06-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ изготовления детали из металлического порошкового материала
RU2691470C1 (ru) * 2018-09-28 2019-06-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ изготовления детали из металлического порошкового материала
RU2704360C1 (ru) * 2018-09-28 2019-10-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") Способ изготовления детали из металлического порошкового материала
RU2732252C1 (ru) * 2019-07-30 2020-09-14 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" Способ послойного изготовления объемных изделий
RU2734650C1 (ru) * 2019-07-30 2020-10-21 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр "Лазеры и аппаратура ТМ" Устройство для послойного изготовления объемных изделий и способ их изготовления
RU2713255C1 (ru) * 2019-09-23 2020-02-04 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" Способ формирования композиционного материала методом селективного лазерного плавления порошка жаропрочного никелевого сплава на подложке из титанового сплава

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013100426A (ru) 2014-07-20
WO2014109675A1 (ru) 2014-07-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2526909C1 (ru) Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом
RU2550670C2 (ru) Способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением порошкового материала и установка для его осуществления
Ahmed Direct metal fabrication in rapid prototyping: A review
RU139624U1 (ru) Установка изготовления изделия путем лазерного спекания
JP7034082B2 (ja) 付加製造による金属部品の製作
RU2333086C2 (ru) Очищенный лазерной обработкой и плавлением тугоплавкий металл и его сплав
CN104010749B (zh) 用于制备三维物体的方法和装置
CN109396434B (zh) 一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法
US11638955B2 (en) Applying electric pulses through a laser induced plasma channel for use in a 3-D metal printing process
CN109202081B (zh) 基于电子束铺粉成形的铜合金增材的制备方法
JP2014513207A (ja) 損傷した熱機械的部品の局部補修のプロセスおよび該プロセスに従って補修された部品、特に、タービン部品
JP2010261072A (ja) 電子ビーム造形方法
US20170087669A1 (en) Apparatus and method for producing and/or repairing in particular rotationally symmetrical components
WO2020126086A1 (en) Method and system for generating a three-dimensional workpiece
Tan et al. Application of electron beam melting (EBM) in additive manufacturing of an impeller
Johnson et al. Directed energy deposition of molybdenum
JP2020525650A (ja) 析出硬化超合金粉末材料のための付加製造技術
RU2627796C2 (ru) Способ послойного электронно-лучевого спекания изделий из керамического порошка
EP3223286B1 (en) Production method of a magnetic inductor
RU2550669C1 (ru) Способ изготовления металлического изделия послойным лазерным нанесением порошкового материала
JP2019196523A (ja) 積層造形装置および積層造形方法
Zou et al. Rapid manufacturing of FGM components by using electromagnetic compressed plasma deposition
JP2024519048A (ja) 添加金属鋳造システムおよび装置
CN114083085A (zh) 一种电脉冲同步处理电弧增材制造镁合金构件的方法
Fousova et al. Possibilities of electron beam melting technology: Titanium processing

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150110