RU2657971C1

RU2657971C1 - Method of manufacture of metallic articles from powder material by method of layer-by-layer laser synthesis with the use of deformation processing

Info

Publication number: RU2657971C1
Application number: RU2017119614A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Богатов; Денис Ринатович Салихянов
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2018-06-18

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to the production of a metal product by layer-by-layer laser synthesis from a powder. Method comprises layer-by-layer deposition of the powder on the printer's objective table and layer-by-layer penetration of the powder to ensure the synthesis of the metal matrix composite material under the influence of a thermal source along the solid model of the product. Melted layer of the powder is subjected to an alternating deformation with preservation of the shape and dimensions by crimping it with an instrument using a guide matrix in two stages, the first step being to locally extrude the material of the melted layer from the zone under the tool with its bulging in the area surrounding the tool while limiting the guide matrix, and in the second step the extruded metal from the zone surrounding the tool is moved to its initial position.

EFFECT: increase in mechanical properties due to deformation processing of the structure and elimination of porosity after laser sintering of the powder is provided.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к аддитивным технологиям, в частности к изготовлению металлических изделий из порошков послойным лазерным синтезом (технологии Direct Metal Laser Sintering и Selective Laser Melting) и может быть использовано для производства деталей сложных форм в различных отраслях машиностроения.The invention relates to additive technologies, in particular to the manufacture of metal products from powders by layer-by-layer laser synthesis (Direct Metal Laser Sintering and Selective Laser Melting technologies) and can be used to produce parts of complex shapes in various engineering industries.

Из уровня техники известен способ изготовления металлических изделий из порошков послойным лазерным синтезом, принятый в качестве прототипа, включающий послойную укладку порошка на предметном столе принтера, синтез металломатричного композиционного материала под воздействием теплового источника по твердотельной модели изделия. Далее следует нанесение следующего слоя порошка, его выравнивание и селективная обработка тепловым источником. Цикл повторяется до полного построения изделия. После построения изделие извлекается из рабочей камеры и очищается от неспеченного порошка (Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении / М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш: пособие для инженеров. - М.: ГНЦ РФ ФГУП НАМИ, 2015. - 220 с. - С. 18).The prior art method for the manufacture of metal products from powders by layer-by-layer laser synthesis, adopted as a prototype, including layer-by-layer laying of powder on a printer subject table, synthesis of a metal matrix composite material under the influence of a heat source using a solid-state model of a product. The following is the application of the next layer of powder, its alignment and selective treatment with a heat source. The cycle is repeated until the product is completely built. After construction, the product is removed from the working chamber and cleaned of green powder (Zlenko M.A. Additive technologies in mechanical engineering / M.V. Nagaitsev, V.M. Dovbysh: a manual for engineers. - M .: SSC RF FSUE NAMI, 2015. - 220 p. - S. 18).

К недостаткам известного способа относятся дефекты, характерные для литых изделий: неудовлетворительная прочность вследствие неоднородной структуры металла; наличие пористости в структуре металла и его охрупчивание; наличие остаточных напряжений вследствие неравномерного нагрева и охлаждения детали; низкое качество поверхности. Таким образом, технической проблемой является сниженные механические свойства металлических изделий, изготовленных из порошков послойным лазерным синтезом.The disadvantages of this method include defects characteristic of molded products: poor strength due to the inhomogeneous structure of the metal; the presence of porosity in the structure of the metal and its embrittlement; the presence of residual stresses due to uneven heating and cooling of the part; poor surface quality. Thus, a technical problem is the reduced mechanical properties of metal products made from powders by layer-by-layer laser synthesis.

Техническим результатом изобретения является качественное повышение механических свойств за счет деформационной проработки структуры и устранения пористости после лазерного спекания порошка.The technical result of the invention is a qualitative increase in mechanical properties due to the deformation study of the structure and elimination of porosity after laser sintering of the powder.

Заявляемый способ получения металлического изделия послойным лазерным синтезом из порошка включает послойную укладку порошка на предметном столе принтера и послойное проплавление порошка с обеспечением синтеза металломатричного композиционного материала под воздействием теплового источника по твердотельной модели изделия.The inventive method for producing a metal product by layer-by-layer laser synthesis from powder includes layer-by-layer laying of powder on a printer object table and layer-by-layer penetration of powder to ensure synthesis of a metal matrix composite material under the influence of a heat source using a solid-state model of a product.

От прототипа способ отличается тем, что проплавленный слой порошка подвергают знакопеременной деформации с сохранением формы и размеров путем обжатия его инструментом с использованием направляющей матрицы в два этапа, причем на первом этапе обеспечивают локальное выдавливание материала проплавленного слоя из зоны под инструментом с его выпучиванием в зоне, окружающей инструмент, при ограничении направляющей матрицей, а на втором этапе выдавленный металл из зоны, окружающий инструмент, перемещают в его исходное положение.The method differs from the prototype in that the melted layer of powder is subjected to alternating deformation with preserving the shape and size by compressing it with a tool using a guide matrix in two stages, and at the first stage, the material of the melted layer is extruded locally from the zone under the tool with its bulging in the zone, surrounding the tool, when limited by the guide matrix, and in the second stage, the extruded metal from the zone surrounding the tool is moved to its original position.

Сущность изобретения поясняется схемами на фиг. 1, 2 и 3, где изображены траектории перемещения частиц металла при обжатии специальным инструментом за два этапа. На первом этапе (см. фиг. 1 и 2) проплавленный слой 1 обжимается штампом или роликом 2, обеспечивающим локальное выдавливание металла из зоны под инструментом и выпучивание металла в зоне, окружающей инструмент. Выпучивание металла за пределами слоя 1 ограничивает направляющая матрица 3. На втором этапе выдавленный металл из окружающей зоны перемещается в начальное положение, а проплавленный и продеформированный слой 1а возвращается к исходным размерам (см. фиг. 3). При этом совершается интенсивная знакопеременная деформация в локальной области, которая приводит к формированию нанокристаллической или субмикрокристаллической структуры и повышению уровня механических свойств металла (Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др. Процессы пластического структурообразования. Минск: Наука и техника. - 1994. - 232 с.; Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: ЛОГОС, 2000. - 272 с.). Знакопеременный характер перемещения частиц металла (как на фиг.2 и 3) обеспечивает также устранение дефектов литейного происхождения без разрушения. Этому способствует мягкая схема напряженного состояния с преобладанием сжимающих напряжений. При компьютерном моделировании процесса деформации за два этапа установлено, что отношение среднего нормального напряжения к интенсивности касательных напряжений в разных точках локального очага деформации находится в пределах

. Инструменты (штампы или ролики), выравнивающий и разравнивающий проплавленный слой, работают по программе, согласованной с работой теплового источника для селективной плавки порошкового слоя в соответствии с твердотельной моделью детали.The invention is illustrated by the diagrams in FIG. 1, 2 and 3, which depict the trajectories of the movement of metal particles during compression with a special tool in two stages. At the first stage (see Figs. 1 and 2), the melted layer 1 is crimped by a stamp or a roller 2, which provides local extrusion of metal from the zone under the tool and buckling of metal in the zone surrounding the tool. The buckling of metal outside the layer 1 is limited by the guide matrix 3. In the second stage, the extruded metal from the surrounding zone moves to its initial position, and the melted and deformed layer 1a returns to its original size (see Fig. 3). In this case, intense alternating deformation occurs in the local region, which leads to the formation of a nanocrystalline or submicrocrystalline structure and an increase in the level of mechanical properties of the metal (Segal V.M., Reznikov V.I., Kopylov V.I. et al. Plastic structure formation processes. Minsk : Science and technology. - 1994. - 232 p .; Valiev R.Z., Alexandrov I.V. Nanostructured materials obtained by intense plastic deformation. - M .: LOGOS, 2000. - 272 p.). The alternating nature of the movement of metal particles (as in FIGS. 2 and 3) also ensures the elimination of defects of foundry origin without destruction. This is facilitated by a soft stress state scheme with a predominance of compressive stresses. When computer modeling the deformation process in two stages, it was found that the ratio of the average normal stress to the intensity of the tangential stresses at different points of the local deformation zone is within

. Tools (dies or rollers), leveling and leveling the melted layer, work according to a program coordinated with the work of a heat source for selective melting of the powder layer in accordance with the solid model of the part.

Claims

A method of producing a metal product by layer-by-layer laser synthesis from a powder, including layer-by-layer powder laying on a printer subject table and layer-by-layer melting of a powder to ensure synthesis of a metal matrix composite material under the influence of a heat source using a solid-state model of a product, characterized in that the melted powder layer is subjected to alternating deformation with shape preservation and sizes by crimping it with a tool using a guide matrix in two stages, and in the first Tape provide local penetration of the extrusion material from the layer below the tool with its bulging zone in the zone surrounding the tool in limiting the guide matrix, and in the second step the extruded metal from an area surrounding the instrument is moved to its initial position.