RU2758696C1 - Способ изготовления биметаллических деталей системы сталь-бронза - Google Patents

Способ изготовления биметаллических деталей системы сталь-бронза Download PDF

Info

Publication number
RU2758696C1
RU2758696C1 RU2020138548A RU2020138548A RU2758696C1 RU 2758696 C1 RU2758696 C1 RU 2758696C1 RU 2020138548 A RU2020138548 A RU 2020138548A RU 2020138548 A RU2020138548 A RU 2020138548A RU 2758696 C1 RU2758696 C1 RU 2758696C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bronze
steel
mesh structure
workpiece
layer
Prior art date
Application number
RU2020138548A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Владимирович Мишуков
Иван Александрович Логачев
Николай Андреевич Виденкин
Original Assignee
Алексей Владимирович Мишуков
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 Алексей Владимирович Мишуков filed Critical Алексей Владимирович Мишуков
Priority to RU2020138548A priority Critical patent/RU2758696C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2758696C1 publication Critical patent/RU2758696C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/105Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/02Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers
    • B22F7/04Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers with one or more layers not made from powder, e.g. made from solid metal
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способу получения биметаллических деталей сложной формы системы сталь-бронза. Может использоваться для изготовления таких деталей, как форсунки, теплообменники, короткозамкнутые роторы асинхронных двигателей, камеры сгорания, химические реакторы. Методом послойного селективного синтеза изготавливают стальную заготовку, содержащую монолитную основную часть и сетчатую структуру для последующего заполнения бронзой с размером ячейки, соответствующим диаметру вписанной сферы 0,1-3 мм. Сетчатая структура содержит каналы, сообщающиеся с одной из плоскостей полученной заготовки, а объемное содержание сетчатой структуры в объеме, предназначенном для заполнения бронзой, составляет от 0,3% до 45%. Из полученной заготовки удаляют остатки неспеченного стального порошка, размещают стальную заготовку в лотке с шихтой бронзы, устанавливают лоток с заготовкой в вакуумной печи или в печи с регулируемой атмосферой и осуществляют пропитку. Обеспечивается получение биметаллической детали с заданной границей раздела стальной и бронзовой частей и повышение прочности сцепления бронзового слоя с основой. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к способу получения монолитных биметаллических деталей системы сталь-бронза методом послойного селективного синтеза с последующей обработкой в вакуумной печи и может быть использовано для производства биметаллических изделий сложной конфигурации, имеющих четкие границы разделения стальной и бронзовой частей детали, которые могут иметь крутоизогнутые поверхности и внутренние каналы.
Известен способ изготовления биметаллических изделий системы сталь - сплав на основе меди заключающийся в размещении стальной заготовки в литейной форме и последующей заливки туда сплава на основе меди. Способ отличается применением подогрева самой заготовки и литейной формы до температуры, близкой к температуре плавления сплава на основе меди, а также предварительным плакированием стальной заготовки флюсом (Патент № SU 980952 A1, B22D 19/00).
Недостатками известного способа является повышенная стоимость подготовки производства, связанная с необходимостью изготволения литейной формы, обеспечение точного управления нагревом и охлаждением литейной формы после заливки в нее сплава на основе меди, а также ограниченная сложность геометрии изготавливаемых деталей. Как заявляют авторы, метод рассчитан на изготволение фурм доменных печей, являющихся относительно простыми осесимметричными деталями.
Известен также способ получения биметаллических изделий порошковой металлургией, заключающийся в изготовлении предварительно спрессованных колец из разных порошковых композиций (сплавов) методом одностороннего статического прессования, последующей сборки этих колец (установка одного кольца внутрь другого) и совместной горячей обработки давлением, в результате которой осуществляется спекание порошковых материалов (Патент SU 1206005 A1, B22F 7/02).
Недостатком известного способа является его применимость только для производства деталей типа втулка или цилиндр, представляющих собой детали вращения с вертикальными стенками, что обусловлено техническими особенностями процедуры одностороннего прессования.
Наиболее близким решением по технической сути является способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов, заключающийся в применении оборудования для послойного селективного лазерного спекания порошковых материалов, в котором порошок подается не сбоку, разравниваясь по всей плоскости, а выборочно на поверхность очередного слоя (Патент РФ № RU 2491151 C1, B22F 3/105). Порошок для нового слоя подается из дозатора-контейнера, содержащего набор ячеек с разными материалами, что позволяет получать биметаллические детали (из разных сплавов) сложной конфигурации, свойственной для аддитивного производства.
Недостатком известного способа является ограниченная точность получаемых изделий в части обеспечения границы раздела разных материалов, что вызвано ограничением точности ссыпки порошкового материала из дозатора в локальную точку и последующем размазыванием материала при прокатывании роликом (или ракелем) при прессовании слоя. Также существенным недостатком является невозможность последующей переработки не спеченного материала, который остался вокруг детали в связи с тем, что этот порошок представляет собой смесь мелкодисперсных порошков (40…100 мкм) разных сплавов, разделить которые невозможно ни методом просеивания (так как они имеют одну фракцию), ни магнитной сепарацией (так как зачастую они оба являются немагнитными).
Технический результат заявленного способа заключается в обеспечении возможности производства биметаллических деталей пары сталь-бронза сложной конфигурации (с разветвленными внутренними полостями) с заданной на этапе проектирования (разработки трехмерной компьютерной модели детали) границей разделения стальной части детали и бронзовой части детали. При этом данный способ осуществим с применением серийного промышленного оборудования: установки для послойного лазерного сплавления и вакуумной печи, и не требует сложного экспериментального оборудования, а прочность сцепления бронзового слоя со стальной основой находится на высоком уровне за счет того, что бронзовый слой пронизан каркасом из стали, монолитно связанным с материалом основы. Метод осуществим для производства биметаллических деталей из сплавов на основе железа, никеля и меди.
Поставленный технический результат достигается посредством выполнения последовательности операций, в совокупности представляющих предлагаемый способ, а именно:
1. Проектирование трехмерной компьютерной модели биметаллической детали с выполнением требований, описанных ниже;
2. Изготовление методом послойного селективного порошкового синтеза первичной заготовки для последующей пропитки бронзой с выполнением требований, описанных ниже;
3. Пропитка первичной заготовки бронзой с выполнением требований, описанных ниже.
Проектирование биметаллической детали (заготовки) выполняется в CAD программах трехмерного моделирования. При этом объемы детали, которые должны быть выполнены монолитными из стали (или никелевых сплавов) и объемы детали, которые должны быть выполнены из бронзы (иных сплавов на основе меди) проектируются отдельными телами. Объемы, заполняемые бронзой, должны полностью, или частично сообщаться с одной из плоскостей детали (заготовки детали). В последующем эта плоскость будет являться основанием для втягивания расплавленной бронзы за счет капиллярных сил.
На Фиг. 1 показан пример детали, спроектированной для производства описанным способом. Объем детали, выполняемый монолитно из стали 1 совмещен с объемами детали, выполняемыми из бронзы 2. Технология позволяет выполнять такие элементы конструкции, как внутренние крутоизогнутые каналы 3, закрытые полости 4, утолщения (неравномерные толщины) бронзового слоя 5, отверстия охлаждения 6. Все объемы, заполняемые бронзой 2, сообщаются с одной из сторон детали (заготовки) 7. При этом расстояние между соседними поверхностями бронзового тела должно быть не менее 2мм для предотвращения заполнения зазора бронзой при пропитке за счет капиллярных сил.
После проектирования детали, необходимо изготовить первичную заготовку для последующей пропитки бронзой. Заготовка представляет собой часть детали, выполняемую из стали (никелевого сплава) и отличается от конечной детали:
- припусками под механическую обработку;
- тем, что в объемах, которые должны быть заполнены бронзой, изготавливается сетчатая структура, которая в последующем будет выполнять роль капилляров, втягивающих бронзу на этапе пропитки.
Заготовка изготавливается методом послойного порошкового синтеза (селективное лазерное сплавление, селективное лазерное спекание или электронно-лучевое сплавление).
Сетчатая структура (См. Фиг. 2) формируется из треков 8, которые изготавливаются из того же материала, что и основа 1 на этапе сплавления (спекания) слоя при послойном порошковом синтезе.
После изготволения заготовки и отделения ее от технологической платформы, сетчатые структуры продуваются и промываются для удаления остатков не спечённого порошка, который мог бы помешать наполнению капилляров структуры бронзой 9 на этапе пропитки.
Примеры исполнения сетчатой структуры показаны Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5.
Конструкция сетчатой структуры должна отвечать следующим требованиям:
1. Диаметр сферы 10 (См. Фиг. 6) вписанной в ячейку (капилляр) сетчатой структуры должен иметь размер не менее 0,1мм и не более 3мм;
2. Объем, занимаемый сетчатой структурой в объеме, предназначенном для заполнения бронзой (сплавом на медной основе) должен находиться в пределах от 0,3% до 45%;
3. При прямолинейном формировании треков 8 расстояние между соседними треками a и b должны быть не менее 80мкм (См. Фиг. 6).
Насыщение (пропитка) сетчатой структуры бронзой (сплавом на основе меди) осуществляется в вакуумной печи или в печи с регулируемой атмосферой.
Для пропитки используется лоток 11 (См. Фиг. 7), выполняемый из огнеупорного керамического материала или жаропрочного сплава, в который устанавливается заготовка. Заготовка в лотке ориентируется так, что поверхность заготовки, с которой сообщаются каналы всех пропитываемых сетчатых структур 2, оказывается внизу. На дно лотка 11 закладывается шихта бронзового сплава 12 в виде слитка, стружки, фольги или кусочков в достаточном количестве для насыщения всех объемов сетчатой структуры.
Заготовка в лотке 11 с шихтой 12 устанавливается в печь, и после достижения вакуума осуществляется медленный рост температуры, который останавливается при достижении технологической температуры, значение которой выше температуры плавления бронзы (сплава на основе меди), выбранного для пропитки. При расплавлении бронзы (сплава на основе меди), он втягивается за счет капиллярных сил сетчатой структурой 2, заполняя ее полости, и формируя композит, в котором объемное содержание бронзы (сплава на основе меди) составляет от 55 до 99,7%.
Для пропитки заготовок из некоторых сталей и сплавов на основе никеля, потребуется создание восстановительной газовой среды на основе водорода, угарного газа или иных газов, что необходимо для повышения смачиваемости жидкой бронзой материала сетчатой структуры 2.
Композит, представляющий из себя сетчатую структуру, пропитанную бронзой с объемным содержанием последней от 99,7% обладает электропроводностью, теплопроводностью и химической активностью, близкой к фактическому значению примененного для пропитки бронзового сплава (сплава на основе меди).
Пример реализации способа.
Заявленный способ использовался при изготовлении макетного образца детали «сопло», в которой наружная часть (основа) выполнена из стали 03Х17Н14М3, в внутренняя из бронзы БРО10С10. Заготовка выращивалась из гранульного порошка стали 03Х17Н14М3 (дисперсностью 10-20 мкм) методом послойного лазерного сплавления. Внутренняя часть сопла, которая должны быть из бронзы, сплавлялась с параметрами, обеспечивающими пористость структуры. А именно: диаметр пятна лазера – 60 мкм; мощность лазерного излучения – 600 Вт; скорость движения лазерного пучка: 675 мм/сек; шаг между линиями прохода лазерного луча - 0,55 мм; шаг слоя – 20 мкм; каждый слой осуществлялось смещение/поворот направления штриховки на 60°.
Пропитка заготовки осуществлялась в вакуумной печи сопротивления при температуре 1050°С.
В результате была получена биметаллическая деталь, показанная на Фиг. 8, в которой бронзовая часть представляет собой композит из скелета стали, пропитанного бронзой, обеспечивающей интенсивный теплоотвод и повышающего стойкость к термическим ударам.

Claims (2)

1. Способ изготовления биметаллических деталей системы сталь – бронза сложной конфигурации, включающий изготовление заготовки методом послойного селективного порошкового синтеза, отличающийся тем, что изготавливают стальную заготовку, содержащую монолитную основную часть и сетчатую структуру для последующего заполнения бронзой с размером ячейки, соответствующим диаметру вписанной сферы 0,1-3 мм, причем сетчатая структура содержит каналы, сообщающиеся с одной из плоскостей полученной заготовки, а объемное содержание сетчатой структуры в объеме, предназначенном для заполнения бронзой, составляет от 0,3 до 45%, затем из полученной заготовки удаляют остатки неспеченного стального порошка, размещают стальную заготовку в лотке с шихтой бронзы таким образом, что плоскость, с которой сообщаются каналы сетчатой структуры, расположена внизу, устанавливают лоток с заготовкой в вакуумной печи или в печи с регулируемой атмосферой и осуществляют пропитку путем нагрева до температуры плавления бронзы и обеспечения втягивания расплава бронзы в каналы сетчатой структуры за счет капиллярных сил.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стальную заготовку изготавливают методом селективного лазерного сплавления или спекания или электронно-лучевого сплавления.
RU2020138548A 2020-11-25 2020-11-25 Способ изготовления биметаллических деталей системы сталь-бронза RU2758696C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138548A RU2758696C1 (ru) 2020-11-25 2020-11-25 Способ изготовления биметаллических деталей системы сталь-бронза

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138548A RU2758696C1 (ru) 2020-11-25 2020-11-25 Способ изготовления биметаллических деталей системы сталь-бронза

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2758696C1 true RU2758696C1 (ru) 2021-11-01

Family

ID=78466771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020138548A RU2758696C1 (ru) 2020-11-25 2020-11-25 Способ изготовления биметаллических деталей системы сталь-бронза

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2758696C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812102C1 (ru) * 2023-05-03 2024-01-22 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) Способ получения деталей из конструкционной стали 38Х2МЮА технологией селективного лазерного сплавления

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2024592A1 (en) * 1989-09-05 1991-03-06 David L. Bourell Multiple material systems and assisted powder handling for selective beam sintering
US5296062A (en) * 1986-10-17 1994-03-22 The Board Of Regents, The University Of Texas System Multiple material systems for selective beam sintering
US20060147332A1 (en) * 2004-12-30 2006-07-06 Howmedica Osteonics Corp. Laser-produced porous structure
RU2491151C1 (ru) * 2012-05-31 2013-08-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") Способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов
RU2713254C1 (ru) * 2019-07-29 2020-02-04 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Центр компетенций аддитивных технологий" (ООО "МИП "ЦКАТ") Способ изготовления изделий из металлических порошков

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5296062A (en) * 1986-10-17 1994-03-22 The Board Of Regents, The University Of Texas System Multiple material systems for selective beam sintering
CA2024592A1 (en) * 1989-09-05 1991-03-06 David L. Bourell Multiple material systems and assisted powder handling for selective beam sintering
US20060147332A1 (en) * 2004-12-30 2006-07-06 Howmedica Osteonics Corp. Laser-produced porous structure
RU2491151C1 (ru) * 2012-05-31 2013-08-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") Способ изготовления изделий из композиционных порошкообразных материалов
RU2713254C1 (ru) * 2019-07-29 2020-02-04 Общество с ограниченной ответственностью "Малое инновационное предприятие "Центр компетенций аддитивных технологий" (ООО "МИП "ЦКАТ") Способ изготовления изделий из металлических порошков

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2812102C1 (ru) * 2023-05-03 2024-01-22 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) Способ получения деталей из конструкционной стали 38Х2МЮА технологией селективного лазерного сплавления

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2695687C1 (ru) Способ изготовления детали посредством выборочного расплавления порошка
EP1534451B1 (en) Casting process
EP2987877B1 (en) Methods for producing alloy forms from alloys containing one or more extremely reactive elements and for fabricating a component therefrom
EP3064295B1 (en) Process for producing a compressor blade
Dilip et al. A novel method to fabricate TiAl intermetallic alloy 3D parts using additive manufacturing
JP3660069B2 (ja) 金属コンポーネントを自由造形製作する方法
Das et al. Direct laser freeform fabrication of high performance metal components
Yang et al. Densification, surface morphology, microstructure and mechanical properties of 316L fabricated by hybrid manufacturing
Lewis et al. Directed light fabrication
CN101780544A (zh) 一种采用激光成形难熔金属零件的方法
CN105154701A (zh) 一种采用选择性激光熔化快速成形技术制备高温钛合金的方法
US20150017475A1 (en) Processing of metal or alloy objects
US20130039799A1 (en) Method of Making Near-Net Shapes From Powdered Metals
CN106513685A (zh) 一种粉末近熔融态热等静压净成形方法
JP7454062B2 (ja) 予備成形気孔欠陥、内蔵式気孔欠陥の製造方法及び予備成形体
CN104972063A (zh) 一种熔模精密铸造蜡模的制备方法
US20220251694A1 (en) High-silicon aluminum alloy electronic packaging shell and manufacturing method thereof
CN111250704B (zh) 一种包壳式复合增材制造方法
Wang et al. Influence of processing parameters on the microstructure and tensile property of 85 W-15Ni produced by laser direct deposition
RU2758696C1 (ru) Способ изготовления биметаллических деталей системы сталь-бронза
Giorleo et al. Casting of complex structures in aluminum using gypsum molds produced via binder jetting
CN113996759A (zh) 一种采用型壳抑制界面反应的铝锂合金铸件及其铸造方法
EP3210693B1 (en) Manufacturing process of a component formed around a first metal component using hot isostatic pressing
Sun et al. Microstructure, cracking behavior and control of Al–Fe–V–Si alloy produced by selective laser melting
Yuan et al. Preparation of shaped aluminum foam parts by investment casting