RU2619543C1 - Способ импульсного электронно-пучкового полирования поверхности металлических изделий - Google Patents
Способ импульсного электронно-пучкового полирования поверхности металлических изделий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2619543C1 RU2619543C1 RU2016118714A RU2016118714A RU2619543C1 RU 2619543 C1 RU2619543 C1 RU 2619543C1 RU 2016118714 A RU2016118714 A RU 2016118714A RU 2016118714 A RU2016118714 A RU 2016118714A RU 2619543 C1 RU2619543 C1 RU 2619543C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electron
- pulse
- metal
- roughness
- product surface
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 20
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 title claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 14
- 238000005498 polishing Methods 0.000 title claims description 10
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 8
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 7
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 7
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 229910001111 Fine metal Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001802 infusion Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005554 pickling Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 238000001314 profilometry Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B24—GRINDING; POLISHING
- B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
- B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
Landscapes
- Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)
Abstract
Изобретение относится к импульсному электронно-пучковому полированию поверхности металлических изделий, полученных селективным спеканием порошка. На поверхность изделия с исходной шероховатостью воздействуют импульсным пучком в вакууме при давлении (2-5)⋅10-2 Па, энергии электронов 15-25 кэВ, длительности импульсов 150-200 мкс и плотности энергии в импульсе 40-60 Дж/см2. Обеспечивается значительное снижение пористости и шероховатости поверхностного слоя объемных металлических изделий. 2 ил.
Description
Изобретение относится к технологии лазерного и электронно-пучкового синтеза объемных изделий и деталей машин методом селективного спекания, в частности к способам уменьшения пористости и шероховатости поверхности металлических объемных изделий после спекания.
Известны способы уменьшения пористости и шероховатости поверхности металлических материалов [1], включающие механическую обработку (шлифование абразивными кругами и лентами, шлифование в барабанных и вибрационных установках, крацевание, струйную абразивную и гидроабразивную обработку и др.), химическое и электрохимическое травление.
Способы механической обработки позволяют получить как развитую морфологию поверхности металлического материала, так и значительно уменьшить шероховатость поверхности в зависимости от размера используемого абразива. Способы отличаются относительной дешевизной и могут обеспечивать достаточную равномерность структуры поверхности, однако имеют ряд недостатков: в результате механической обработки в поверхностном слое материала могут оставаться частицы абразива; сложность обработки объемных изделий с развитым рельефом поверхности; унос материала в процессе обработки особенно для выпуклых частей поверхности и сложность контроля этого процесса.
Способы химического и электрохимического травления поверхности металлических материалов заключаются в использовании селективных травителей и постоянного или импульсного тока для каждого материала, что в свою очередь позволяет контролировать скорость травления, и соответственно толщину стравливаемого слоя.
Данные способы также не лишены недостатков: требуется утилизации агрессивных продуктов реакции травления; необходимо использование дорогостоящих реактивов; не обладают универсальностью применения (требуют подбора компонентов травителя для каждого металлического материала).
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ лазерно-плазменного полирования металлической поверхности [2], заключающийся в том, что над полируемой поверхностью посредством лазерного луча поджигают в парах металла и поддерживают в непрерывном оптическом разряде приповерхностную лазерную плазму. Изменение режима полирования осуществляют путем перемещения энергетического центра плазмы относительно полируемой поверхности. Способ предусматривает «грубую» полировку поверхности с осуществлением режима глубокого проплавления и объемного парообразования, а также «чистовую» полировку поверхности, и обеспечивает значительное упрощение контроля процесса и производительность.
Основными недостатками данного способа являются локальность воздействия лазерного луча, относительно малый размер пятна, необходимость создания защитной атмосферы, препятствующей окислению материала в процессе полировки, и испарение поверхностного материала.
Задачей изобретения является уменьшение шероховатости и пористости поверхности металлических объемных изделий, получаемых методом селективного лазерного или электронно-пучкового спекания порошка. Поверхность таких изделий из-за особенностей производства отличается высокой пористостью и шероховатостью, обусловленной размером отдельных частиц порошка (40-100 мкм), из которого выращивается изделие (конечная шероховатость поверхности изделия может достигать Ra=30 мкм, Rz=150 мкм).
Технический результат заключается в получении однородного рельефа поверхности металлического объемного изделия со значительно меньшей шероховатостью относительно исходного состояния.
Поставленная задача решается тем, что полирование проводят воздействием импульсным электронным пучком в вакууме при давлении (2-5)⋅10-2 Па на обрабатываемую поверхность изделия, полученного методом селективного лазерного или электронно-пучкового спекания металлического порошка с размером частиц 40-100 мкм и исходной шероховатостью до Ra=30 мкм, Rz=150 мкм, при этом параметры электронного пучка удовлетворяют условиям: энергия электронов 15-25 кэВ; длительность импульсов 150-200 мкс; плотность энергии в импульсе 40-60 Дж/см2.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
При воздействии короткого (150-200 мкс) интенсивного (до 300 А) электронного пучка с энергией электронов 15-25 кэВ и плотностью энергии в импульсе 40-60 Дж/см2 на пористой поверхности металлического изделия происходит сверхбыстрый (~107 К/с) нагрев поверхностного слоя, включающего выступающие частицы порошка размером до 150 мкм, отвечающие за исходную шероховатость и пористость поверхности. Нагрев поверхности сопровождается плавлением поверхностного слоя на глубину нескольких десятков микрометров за один импульс. В результате за счет сил поверхностного натяжения расплава происходит выглаживание выступающих частиц порошка и заполнение пор исходного рельефа поверхности. Дальнейшее сверхбыстрое (105-106 К/с) остывание поверхностного слоя, происходящее за счет теплопроводности материала, приводит к рекристаллизации с образованием однородной микроструктуры. Испарение материала с поверхности изделия при этом пренебрежимо мало.
Предлагаемый способ реализован на вакуумной электронно-пучковой установке, схематично изображенной на фиг. 1.
Газоразрядная ячейка плазменного катода электронного источника содержит полый анод поджигающего разряда 1, катод с контрагирующим отверстием 2 (диаметром 5 мм), полый анод основного разряда 3 с отверстием диаметром 40 мм, закрытым металлической мелкоструктурной сеткой 4. Система извлечения и транспортировки электронного пучка содержит трубу дрейфа 5 (диаметром 80 мм), катушки внешнего магнитного поля 6 и двухкоординатный стол-манипулятор 7 (область сканирования 200×200 мм), на котором располагаются обрабатываемые металлические изделия 8. Напуск газа (Ar) в устройство осуществляется через газоразрядную ячейку (рабочее давление (2-5)⋅102 Па), вакуумная откачка - через вакуумную камеру 9, где находится стол-манипулятор. Расстояние между эмиссионной сеткой и манипулятором - 500 мм.
Для обеспечения работы плазменного катода между электродом 2 и полым анодом 3 зажигается импульсный (длительность импульса 20-200 мкс) дуговой разряд низкого давления (амплитуда тока до 250 А) с образованием на внутренней поверхности контрагирующего канала электрода 2 катодного пятна, которое предварительно инициируется с помощью поджигающего разряда между электродами 1 и 2. Граница катодной плазмы стабилизируется металлической мелкоструктурной сеткой 4. Извлечение и ускорение электронов происходит в слое пространственного заряда под действием постоянного напряжения (до 25 кВ), приложенного между эмиссионной сеткой и трубой дрейфа 5. Пучок транспортируется в плазме, образованной при ионизации газа в пространстве дрейфа ускоренными электронами, до стола-манипулятора 7, на котором располагаются металлические изделия 8. Для обеспечения транспортировки и управления фокусировкой пучка используется внешнее продольное импульсное магнитное поле с индукцией до 0,1 Тл.
Для обеспечения работы плазменного катода между электродом 2 и полым анодом 3 зажигается импульсный (длительность импульса 20-200 мкс) дуговой разряд низкого давления (амплитуда тока до 250 А) с образованием на внутренней поверхности контрагирующего канала электрода 2 катодного пятна, которое предварительно инициируется с помощью поджигающего разряда между электродами 1 и 2. Граница катодной плазмы стабилизируется металлической мелкоструктурной сеткой 4. Извлечение и ускорение электронов происходит в слое пространственного заряда под действием постоянного напряжения (до 25 кВ), приложенного между эмиссионной сеткой и трубой дрейфа 5. Пучок транспортируется в плазме, образованной при ионизации газа в пространстве дрейфа ускоренными электронами, до стола-манипулятора 7, на котором располагаются металлические изделия 8. Для обеспечения транспортировки и управления фокусировкой пучка используется внешнее продольное импульсное магнитное поле с индукцией до 0,1 Тл. Диаметр автографа электронного пучка на обрабатываемой поверхности составляет 1,5-3 см, в зависимости от параметров облучения.
В качестве примера рассмотрим результаты, полученные при облучении поверхности металлических образцов в виде пластин размером 15×30×5 мм, изготовленных методом селективного спекания в вакууме титанового порошка марки ВТ6 с размером частиц 40-80 мкм с помощью электронного пучка (установка фирмы Arcam, Швеция).
Облучение поверхности металлических образцов осуществляли на вакуумной электронно-пучковой установке «СОЛО» [3], в состав которой входит электронный источник с плазменным катодом на основе импульсного дугового разряда низкого давления с сеточной стабилизацией катодной границы плазмы. Оптимальный режим для титанового сплава ВТ6, при котором наблюдалось максимальное снижение шероховатости поверхности: плотность энергии в импульсе 45 Дж/см2, длительность импульсов 200 мкс, количество импульсов на участок поверхности 10, частота следования импульсов 0,3 Гц.
Исследования поверхности образцов, обработанных в оптимальных режимах, методами профилометрии показали, что шероховатость Ra титанового сплава ВТ6 уменьшилась ~ в 9,7 раза (с исходной Ra=10,7±1,5 мкм до Ra=1,1±0,5 мкм), Rz ~ в 11,9 раза (с исходной Rz=73,8±10 мкм до Rz=6,2±1,5 мкм). Пористость поверхностного слоя исчезает.
Сканирующая электронная микроскопия подтверждает, что в результате импульсного электронно-пучкового воздействия профиль поверхности образцов значительно изменяется (Фиг. 2). В поверхностном слое титанового сплава ВТ6 формируется однородная зеренная структура, в составе которой отдельные частицы порошка не наблюдаются (Фиг. 2 (б)).
Таким образом, использование импульсного электронного пучка для полирования поверхности металлических изделий, полученных методом порошкового спекания, ведет к значительному снижению пористости и шероховатости их поверхностного слоя.
Источники информации
1. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. - М.: РХТУ, 1983, 1994-190 с.
2. RU 2381094 С1, 10.02.2010 г.
3. Grigoriev S.V., Koval N.N., Devjatkov V.N., Teresov A.D. The automated installation for surface modification of metal and ceramic-metal materials and products by intensive pulse sub-millisecond electron beam // Proc. 9th Int. Conf. Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. Tomsk, Russia, 2008. - P. 19-22.
Claims (1)
- Способ импульсного электронно-пучкового полирования поверхности металлических изделий, полученных методом селективного лазерного или электронно-пучкового спекания порошка с размером частиц 40-100 мкм, включающий воздействие на обрабатываемую поверхность изделия с исходной шероховатостью до Ra=30 мкм, Rz=150 мкм импульсным электронным пучком в вакууме при давлении (2-5)⋅10-2 Па, причем используют электронный пучок с энергией электронов 15-25 кэВ, длительностью импульсов 150-200 мкс и плотностью энергии в импульсе 40-60 Дж/см2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016118714A RU2619543C1 (ru) | 2016-05-13 | 2016-05-13 | Способ импульсного электронно-пучкового полирования поверхности металлических изделий |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016118714A RU2619543C1 (ru) | 2016-05-13 | 2016-05-13 | Способ импульсного электронно-пучкового полирования поверхности металлических изделий |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2619543C1 true RU2619543C1 (ru) | 2017-05-16 |
Family
ID=58716115
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016118714A RU2619543C1 (ru) | 2016-05-13 | 2016-05-13 | Способ импульсного электронно-пучкового полирования поверхности металлических изделий |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2619543C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110592592A (zh) * | 2019-09-23 | 2019-12-20 | 江苏大学 | 一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA001503B1 (ru) * | 1996-01-15 | 2001-04-23 | Дзе Юниверсити Оф Теннесси Рисерч Корпорейшн | Способ повышения качества поверхности с помощью лазерной обработки |
| WO2005032756A1 (de) * | 2003-09-16 | 2005-04-14 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zum glätten und polieren oder zum strukturieren von oberflächen mit modulierter laserstrahlung |
| US7002096B2 (en) * | 2001-06-28 | 2006-02-21 | Itac Limited | Surface modification process on metal dentures, products produced thereby, and the incorporated system thereof |
| US20080216926A1 (en) * | 2006-09-29 | 2008-09-11 | Chunlei Guo | Ultra-short duration laser methods for the nanostructuring of materials |
| US7470335B2 (en) * | 2000-06-09 | 2008-12-30 | Lsp Technologies, Inc. | Method of modifying a workpiece following laser shock processing |
| RU2381094C2 (ru) * | 2007-12-25 | 2010-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью Вятское машиностроительное предприятие "Лазерная техника и технологии" | Способ лазерно-плазменного полирования металлической поверхности |
| RU2486281C1 (ru) * | 2011-12-30 | 2013-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова") | Способ поверхностной модификации конструкционных материалов и изделий |
-
2016
- 2016-05-13 RU RU2016118714A patent/RU2619543C1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA001503B1 (ru) * | 1996-01-15 | 2001-04-23 | Дзе Юниверсити Оф Теннесси Рисерч Корпорейшн | Способ повышения качества поверхности с помощью лазерной обработки |
| US7470335B2 (en) * | 2000-06-09 | 2008-12-30 | Lsp Technologies, Inc. | Method of modifying a workpiece following laser shock processing |
| US7002096B2 (en) * | 2001-06-28 | 2006-02-21 | Itac Limited | Surface modification process on metal dentures, products produced thereby, and the incorporated system thereof |
| WO2005032756A1 (de) * | 2003-09-16 | 2005-04-14 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zum glätten und polieren oder zum strukturieren von oberflächen mit modulierter laserstrahlung |
| US20080216926A1 (en) * | 2006-09-29 | 2008-09-11 | Chunlei Guo | Ultra-short duration laser methods for the nanostructuring of materials |
| RU2381094C2 (ru) * | 2007-12-25 | 2010-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью Вятское машиностроительное предприятие "Лазерная техника и технологии" | Способ лазерно-плазменного полирования металлической поверхности |
| RU2486281C1 (ru) * | 2011-12-30 | 2013-06-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова" (ФГУП "НИИЭФА им. Д.В. Ефремова") | Способ поверхностной модификации конструкционных материалов и изделий |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110592592A (zh) * | 2019-09-23 | 2019-12-20 | 江苏大学 | 一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10421156B2 (en) | Apparatus for treating raw-material powder, apparatus for treating raw-material powder, and method for producing object | |
| Proskurovsky et al. | Use of low-energy, high-current electron beams for surface treatment of materials | |
| Ozur et al. | Production and application of low-energy, high-current electron beams | |
| RU2114210C1 (ru) | Способ формирования углеродного алмазоподобного покрытия в вакууме | |
| RU97108626A (ru) | Способ формирования углеродного алмазоподобного покрытия в вакууме | |
| Ryabchikov et al. | Modification of the microstructure and properties of martensitic steel during ultra-high dose high-intensity implantation of nitrogen ions | |
| JPH0551663B2 (ru) | ||
| RU2619543C1 (ru) | Способ импульсного электронно-пучкового полирования поверхности металлических изделий | |
| Ageev et al. | Shape and morphology of the particles surface of electroerosive powders of micro-and nanometric fractions, obtained from H17MYuA steel in kerosene | |
| RU2413033C2 (ru) | Способ плазменного азотирования изделия из стали или из цветного сплава | |
| Valizadeh et al. | Laser ablated surface engineering: from discovery to machine application | |
| RU2475298C1 (ru) | Способ получения нанопорошков из различных электропроводящих материалов | |
| RU2632927C2 (ru) | Способ генерации плотной объемной импульсной плазмы | |
| Ryabchikov et al. | Features of the formation of ultralow energy high-intensity metal and gaseous ion beams | |
| JP2007005011A (ja) | 電子ビーム照射表面改質装置 | |
| RU2781774C1 (ru) | Способ ионно-лучевой обработки внутренней поверхности протяженных отверстий | |
| WO1995012006A1 (de) | Verfahren und einrichtung zum elektronenstrahlverdampfen | |
| JP2009167483A (ja) | プラズマ電子銃による金属表面改質方法と装置 | |
| JP2004001086A (ja) | 電子ビーム照射による金型の表面処理方法と処理された金型 | |
| Nishikawa et al. | Heat input properties of hollow cathode arc as a welding heat source | |
| JP2005290510A (ja) | 電子ビーム蒸着方法及びその装置 | |
| Misiruk et al. | Non-self-sustained discharge with hollow anode for plasma-based surface treatment | |
| RU2607398C2 (ru) | Способ нанесения покрытий путем плазменного напыления и устройство для его осуществления | |
| Ryabchikov et al. | Repetitively-pulsed nitrogen implantation in titanium by a high-power density ion beam | |
| Gortat | Anode materials for high power microwave devices |