RU2821178C1 - Method of producing volumetric articles from high-entropy alloy alloyed with nitrogen by selective laser melting - Google Patents
Method of producing volumetric articles from high-entropy alloy alloyed with nitrogen by selective laser melting Download PDFInfo
- Publication number
- RU2821178C1 RU2821178C1 RU2023135313A RU2023135313A RU2821178C1 RU 2821178 C1 RU2821178 C1 RU 2821178C1 RU 2023135313 A RU2023135313 A RU 2023135313A RU 2023135313 A RU2023135313 A RU 2023135313A RU 2821178 C1 RU2821178 C1 RU 2821178C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mpa
- nitrogen
- entropy alloy
- volumetric
- less
- Prior art date
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 28
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 16
- 238000002844 melting Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000008018 melting Effects 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 29
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 claims 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 abstract description 11
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 38
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 21
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 description 5
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 5
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 239000004078 cryogenic material Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001199 N alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018540 Si C Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- XCNJCXWPYFLAGR-UHFFFAOYSA-N chromium manganese Chemical compound [Cr].[Mn].[Mn].[Mn] XCNJCXWPYFLAGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005097 cold rolling Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010313 vacuum arc remelting Methods 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения азотсодержащих материалов и изделий на их основе, в частности к способам получения объемных изделий с помощью селективного лазерного плавления (СЛП) стойких в широком температурном диапазоне.The invention relates to the field of producing nitrogen-containing materials and products based on them, in particular to methods for producing bulk products using selective laser melting (SLM) that are stable over a wide temperature range.
Актуальность разработки материалов, стойких в широком температурном диапазоне, обусловлена развитием аэрокосмической, нефте- и газодобывающей отраслей. Существующие криогенные материалы, эксплуатируемые в условиях климатического холода и при температурах сжиженных газов, характеризуются стойкостью только при пониженных температурах. При значительном перепаде температур пластические свойства известных криогенных материалов, таких, как сталь с добавлением никеля, хромомарганцевые и аустенитные стали, падают. The relevance of the development of materials that are resistant over a wide temperature range is due to the development of the aerospace, oil and gas industries. Existing cryogenic materials operated in cold climates and at temperatures of liquefied gases are characterized by resistance only at low temperatures. With a significant temperature difference, the plastic properties of known cryogenic materials, such as steel with the addition of nickel, chromium-manganese and austenitic steels, decrease.
В последние 20 лет активно ведется разработка и исследование высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). ВЭС - относительно новый класс материалов, получаемый путем смешения 5 и более элементов в эквиатомном или близком к эквиатомному соотношению, характеризующийся высокой энтропией смешения, представленный однофазным твердым раствором. Твердые растворы на основе 5 и более компонентов стремятся к более устойчивому фазовому и микроструктурному состоянию за счет высоких энтропий смешения, которые подавляют энтальпийный вклад в свободную энергию Гиббса. Эффект высокой энтропии, искажения решетки и медленной диффузии, которые присуще ВЭС позволяют добиться уникальных свойств по сравнению с традиционными сплавами [Cantor B. et al. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 375-377, № 1-2 SPEC. ISS. P. 213-218]. Высокоэнтропийные сплавы обладают более высокими коррозионностойкими, износостойкими, прочностными свойствами. In the last 20 years, the development and research of high-entropy alloys (HEA) has been actively carried out. HEAs are a relatively new class of materials obtained by mixing 5 or more elements in an equiatomic or close to equiatomic ratio, characterized by a high entropy of mixing, represented by a single-phase solid solution. Solid solutions based on 5 or more components tend to a more stable phase and microstructural state due to high entropies of mixing, which suppress the enthalpy contribution to the Gibbs free energy. The effect of high entropy, lattice distortion and slow diffusion, which are inherent in HEAs, allows us to achieve unique properties compared to traditional alloys [Cantor B. et al. Microstructural development in equiatomic multicomponent alloys // Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 375-377, No. 1-2 SPEC. ISS. P. 213-218]. High-entropy alloys have higher corrosion-resistant, wear-resistant, and strength properties.
Исследования последних лет направлены на получение высокоэнтропийных керамик и систем, легированных керамическими частицами. Наиболее изученными являются карбидные, оксидные и боридные керамики. Нитридные керамики и системы, легированные азотом, остаются малоизученными. В работах, посвященных исследованию влияния азота на структуру и механические свойства сплава CrCoFeMnNi, говорится о выделении азота в виде упрочняющих частиц, повышении прочности и пластичности, а также стойкости в широком интервале температур. Так, например, в работе [M.Y. He. et al. C and N doping in high-entropy alloys: A pathway to achieve desired strength-ductility synergy// Applied Materials Today. 2021] исследование механических свойств сплава CrCoFeMnNi-N при температурах 293К и 77К позволило определить предел прочности при растяжении (650 и 1031 МПа соответственно), предел текучести (450 и 650 МПа соответственно), относительное удлинение (65 и 90% соответственно) и сделать вывод о возможности использовать данный сплав в широком диапазоне температур.Research in recent years has been aimed at obtaining high-entropy ceramics and systems doped with ceramic particles. The most studied are carbide, oxide and boride ceramics. Nitride ceramics and systems doped with nitrogen remain poorly studied. Works devoted to the study of the influence of nitrogen on the structure and mechanical properties of the CrCoFeMnNi alloy talk about the release of nitrogen in the form of strengthening particles, increasing strength and ductility, as well as resistance over a wide temperature range. So, for example, in the work [M.Y. He. et al. C and N doping in high-entropy alloys: A pathway to achieve desired strength-ductility synergy // Applied Materials Today. 2021] study of the mechanical properties of the CrCoFeMnNi-N alloy at temperatures of 293 K and 77 K made it possible to determine the tensile strength (650 and 1031 MPa, respectively), yield strength (450 and 650 MPa, respectively), elongation (65 and 90%, respectively) and draw a conclusion about the possibility of using this alloy in a wide temperature range.
Традиционные способы получения деталей требуют использование оснастки сложной формы и имеют ряд дефектов. Для получения объемных изделий в настоящее время применяются технологии послойного синтеза, позволяющие изготовить требуемый объект методами 3Д печати.Traditional methods for producing parts require the use of complex-shaped equipment and have a number of defects. To obtain volumetric products, layer-by-layer synthesis technologies are currently used, which make it possible to produce the required object using 3D printing methods.
Среди аддитивных технологий можно выделить процесс селективного лазерного плавления (СЛП), основанный на технологии послойного синтеза на подложке. Технология СЛП обладает рядом преимуществ: невысокие производственные затраты, широкие функциональные возможности, не нужна дорогостоящая оснастка, снижение расхода материала, высокая гибкость технологии, минимальная постобработка.Among additive technologies, one can highlight the process of selective laser melting (SLM), based on the technology of layer-by-layer synthesis on a substrate. SLP technology has a number of advantages: low production costs, wide functionality, no need for expensive equipment, reduced material consumption, high technology flexibility, minimal post-processing.
При получении объемных изделий есть факторы, влияющие на качество печати: характеристики исходного материала (форма, морфология, размер частиц, текучесть, насыпная плотность), параметры печати (мощность лазера, схема сканирования, толщина слоя, скорость печати).When obtaining volumetric products, there are factors that influence the quality of printing: characteristics of the source material (shape, morphology, particle size, fluidity, bulk density), printing parameters (laser power, scanning pattern, layer thickness, printing speed).
Таким образом, основным требованием к конечному изделию является сложная форма 3Д объекта, равномерное распределение химических элементов по объему изделия, относительная плотность не менее 99,7%, предел прочности не менее 1200 МПа, предел текучести не менее 1000 МПа, относительное удлинение не менее 20% при -196°C, предел прочности не менее 450 МПа, предел текучести не менее 400 МПа, относительное удлинение не менее 25% при 600°C.Thus, the main requirement for the final product is the complex shape of the 3D object, uniform distribution of chemical elements throughout the volume of the product, relative density of at least 99.7%, tensile strength of at least 1200 MPa, yield strength of at least 1000 MPa, relative elongation of at least 20 % at -196°C, tensile strength no less than 450 MPa, yield strength no less than 400 MPa, elongation no less than 25% at 600°C.
Известен способ получения и деформационно-термической обработки высокоэнтропийного сплава [Патент RU 2790708 от 28.02.2023], заключающийся в выплавке сплава Fe38Mn40Co10Cr10N2 методом вакуумно-дугового переплава, холодной прокатке с степенью деформации 80% и отжиге при температуре 700-900°C в течение 10 минут с последующим охлаждением на воздухе. Заявлено, что данный способ обеспечивает предел текучести 644-900 МПа, предел прочности 943 - 1103 МПа и пластичность на растяжение 35 - 51% при комнатной температуре.There is a known method for the production and deformation-thermal treatment of a high-entropy alloy [Patent RU 2790708 dated February 28, 2023], which consists in smelting the Fe38Mn40Co10Cr10N2 alloy using the vacuum-arc remelting method, cold rolling with a degree of deformation of 80% and annealing at a temperature of 700-900°C for 10 minutes followed by air cooling. It is stated that this method provides a yield strength of 644-900 MPa, a tensile strength of 943-1103 MPa and tensile ductility of 35-51% at room temperature.
Недостатком данного способа является необходимость многократного переплава для того, чтобы обеспечить равномерный состав. Также, стоит отметить, что данным способом невозможно получить изделие сложной формы. Отсутствие никеля в сплаве снижает криогенные свойства сплава, и эксплуатация в широком температурном диапазоне становится маловероятной.The disadvantage of this method is the need for repeated remelting in order to ensure a uniform composition. It is also worth noting that using this method it is impossible to obtain a product of complex shape. The absence of nickel in the alloy reduces the cryogenic properties of the alloy, and operation over a wide temperature range becomes unlikely.
Известен способ получения высокоэнтропийного сплава, упрочненного нитридами [Патент CN110983144A от 10.04.2020], который включает в себя плавку, литье, гомогенизационный отжиг, ковку и термообработку.There is a known method for producing a high-entropy alloy strengthened with nitrides [Patent CN110983144A dated April 10, 2020], which includes melting, casting, homogenization annealing, forging and heat treatment.
Сплав с эквиатомным соотношением Co, Cr, Fe, Ni с добавлением 0,03-1,2 ат% V/Nb и 0,4-1,2 ат% N получают путем переплава в вакуумной индукционной печи, причем переплав проводят 4 и более раз. Расплавленный метал отливают в формы, после чего проводят гомогенизационный отжиг при 1200-1250°C на протяжении более 24 часов. Далее следует этап ковки, начальная температура составляет 1100-1200°C, коэффициент ковки больше 5, после ковки заготовку охлаждают до комнатной температуры. Термообработка включает в себя нагрев и выдержку при температуре 1200-1250°C в течение 30-60 мин., закалку, выдержку изделия при температуре 500°C в течение 8 часов, после чего изделие охлаждают. В результате высокоэнтропийный сплав, упрочненный нитридами, обладает пределом текучести 500 МПа, пределом прочности при растяжении при комнатной температуре 750 МПа, относительным удлинением 60%.An alloy with an equiatomic ratio of Co, Cr, Fe, Ni with the addition of 0.03-1.2 at% V/Nb and 0.4-1.2 at% N is obtained by remelting in a vacuum induction furnace, and remelting is carried out for 4 or more once. The molten metal is cast into molds, after which homogenization annealing is carried out at 1200-1250°C for more than 24 hours. Next comes the forging stage, the initial temperature is 1100-1200°C, the forging coefficient is greater than 5, after forging the workpiece is cooled to room temperature. Heat treatment includes heating and holding at a temperature of 1200-1250°C for 30-60 minutes, hardening, holding the product at a temperature of 500°C for 8 hours, after which the product is cooled. As a result, a high-entropy alloy strengthened by nitrides has a yield strength of 500 MPa, a tensile strength at room temperature of 750 MPa, and a relative elongation of 60%.
Данный способ является энерго и трудозатратным, так как необходим многократный переплав исходных материалов и длительная постобработка. Также, данным способом тяжело получить изделие сложной формы.This method is energy- and labor-intensive, since it requires repeated melting of the starting materials and long-term post-processing. Also, this method is difficult to obtain a product of complex shape.
Известен способ получения высокоэнтропийного сплава, упрочненного керамическими частицами [Патент CN109338199A от 15.02.2019], заключающийся в проведении механического легирования, формования и спекания.There is a known method for producing a high-entropy alloy strengthened with ceramic particles [Patent CN109338199A dated February 15, 2019], which involves mechanical alloying, molding and sintering.
Керамический порошок смешивают с высокоэнтропийным сплавом, так, что доля керамического порошка составляет 0,1-0,5 мас%, после чего смесь подвергают механическому легированию в течение 1-2 часов со скоростью 200-400 об/мин. Далее смесь добавляют к 90-95 мас% остального порошка высокоэнтропийного сплава и перемешивают в течение 20-40 мин. Смешанный порошок подвергают холодному прессованию с давлением 400-600МПа для получения заготовки, после чего заготовку спекают при температуре 1000-1090°C и охлаждают до комнатной температуры. Спеченную деталь подвергают ковке при 900-1000°C, причем, давление составляет 400-500 МПа, охлаждение проводят на воздухе. В результате чего получают высокоэнтропийный сплав с ГЦК решеткой, легированный керамическими частицами.Ceramic powder is mixed with a high-entropy alloy so that the proportion of ceramic powder is 0.1-0.5 wt%, after which the mixture is subjected to mechanical alloying for 1-2 hours at a speed of 200-400 rpm. Next, the mixture is added to 90-95 wt% of the remaining high-entropy alloy powder and stirred for 20-40 minutes. The mixed powder is subjected to cold pressing with a pressure of 400-600MPa to obtain a workpiece, after which the workpiece is sintered at a temperature of 1000-1090°C and cooled to room temperature. The sintered part is subjected to forging at 900-1000°C, and the pressure is 400-500 MPa, cooling is carried out in air. As a result, a high-entropy alloy with an fcc lattice alloyed with ceramic particles is obtained.
К недостаткам данного способа можно отнести недостаточную температуру спекания и невозможность обработки изделий сложной конфигурации методом ковки. The disadvantages of this method include insufficient sintering temperature and the impossibility of processing products of complex configurations by forging.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототип) получения объемного изделия из высокоэнтропийного сплава, легированного азотом, является способ получения износостойких и коррозионностойких зубчатых колес из высокоэнтропийного сплава [Патент CN109604611A от 12.04.2019], заключающийся в механическом легировании исходных компонентов, последующем прессовании и азотировании.The closest to the proposed technical solution (prototype) for producing a volumetric product from a high-entropy alloy alloyed with nitrogen is a method for producing wear-resistant and corrosion-resistant gears from a high-entropy alloy [Patent CN109604611A dated April 12, 2019], which consists of mechanical alloying of the original components, subsequent pressing and nitriding .
Элементные порошки Al, Mn, Co, Fe смешивают с предварительно легированным порошком Ni-Cr-B-Si-C (соотношение элементов составляет: C 0,6-1,2%, Cr 17-21%, B 2,5-4,5%, Si 3-4,5%, Ni 70-77%) с помощью механического легирования, причем, соотношение массовой доли элементных порошков и предварительно легированного порошка составляет Al:Mn:Co:Fe:Ni-Cr-B-Si-C = 10-12:22-25:22-23:22-23:20-25. Механическое легирование проводят в планетарной шаровой мельнице со скоростью вращения 300-350 об/мин, в течение 90-120 мин. Полученный высокоэнтропийный сплав прессуется на прессе для формирования заготовки зубчатого колеса с диаметром колеса 5-200 мм, высотой 5-100 мм. Прессование заготовки проводят с усилием прессования 135-150 кН, температуре 250-350°C, времени выдержки 3-8 мин. Далее заготовку зубчатого колеса подвергают горячему прессованию: в рабочей зоне пресса заготовку нагревают до температуры 850-890°C в защитной атмосфере аргона и выдерживают 2-18 мин, затем заготовку перемещают в форму для прессования и прикладывают усилие 300-400 кН, время выдержки 1-3 мин. После чего спрессованная заготовка помещается в печь с атмосферой газообразного аммиака и водорода и подвергается азотированию, причем, температура азотирования составляет 520-700v, время азотирования составляет 1-3 часа, давление воздуха 20-50Па. В результате получают зубчатое колесо из высокоэнтропийного сплава с упрочненным нитридами поверхностным слоем, стойким к истиранию и коррозии.Elemental powders Al, Mn, Co, Fe are mixed with pre-alloyed Ni-Cr-B-Si-C powder (element ratio is: C 0.6-1.2%, Cr 17-21%, B 2.5-4 .5%, Si 3-4.5%, Ni 70-77%) using mechanical alloying, and the ratio of the mass fraction of elemental powders and pre-alloyed powder is Al:Mn:Co:Fe:Ni-Cr-B-Si -C = 10-12:22-25:22-23:22-23:20-25. Mechanical alloying is carried out in a planetary ball mill with a rotation speed of 300-350 rpm for 90-120 minutes. The resulting high-entropy alloy is pressed on a press to form a gear blank with a wheel diameter of 5-200 mm and a height of 5-100 mm. The workpiece is pressed with a pressing force of 135-150 kN, a temperature of 250-350°C, and a holding time of 3-8 minutes. Next, the gear blank is subjected to hot pressing: in the working area of the press, the blank is heated to a temperature of 850-890°C in a protective atmosphere of argon and held for 2-18 minutes, then the blank is moved into a mold for pressing and a force of 300-400 kN is applied, holding time 1 -3 min. After that, the pressed billet is placed in a furnace with an atmosphere of ammonia and hydrogen gases and subjected to nitriding, and the nitriding temperature is 520-700v, the nitriding time is 1-3 hours, the air pressure is 20-50Pa. The result is a gear made of a high-entropy alloy with a nitride-strengthened surface layer that is resistant to abrasion and corrosion.
Использование газообразного аммиака делает данный способ небезопасным (токсичным), возникает необходимость в дополнительной защите. Также, недостатком данного способа является упрочнение только поверхностного слоя, тогда как основной объем зубчатого колеса представляет собой ВЭС AlCoFeMnNi. Стоит отметить, что точность изготовления изделия сложной конфигурации с помощью прессования и азотирования не высокой степени, что не исключает процессы постобработки.The use of ammonia gas makes this method unsafe (toxic), and there is a need for additional protection. Also, the disadvantage of this method is that only the surface layer is strengthened, while the main volume of the gear is AlCoFeMnNi HEA. It is worth noting that the accuracy of manufacturing a product of complex configuration using pressing and nitriding is not high, which does not exclude post-processing processes.
Технической проблемой, на решение которой направлено данное изобретение, является создание способа получения объемного изделия ы из высокоэнтропийного сплава, легированного азотом, с равномерным распределением элементов в объеме изделия, упрочненным по всему объему изделия с относительной плотностью не менее 99,7%, пределом прочности не менее 1200 МПа, пределом текучести не менее 1000 МПа, относительным удлинением не менее 20% при -196°C, пределом прочности не менее 450 МПа, пределом текучести не менее 400 МПа, относительным удлинением не менее 25% при 600°C.The technical problem to be solved by this invention is the creation of a method for producing a three-dimensional product from a high-entropy alloy alloyed with nitrogen, with a uniform distribution of elements in the volume of the product, strengthened throughout the entire volume of the product with a relative density of at least 99.7%, a tensile strength not less than 1200 MPa, yield strength not less than 1000 MPa, elongation not less than 20% at -196°C, tensile strength not less than 450 MPa, yield strength not less than 400 MPa, elongation not less than 25% at 600°C.
Для решения технической проблемы получения объемного изделия из высокоэнтропийного сплава, легированного азотом, предлагается способ получения 3Д объекта, характеризующийся тем, что создание изделия происходит по заранее подготовленной компьютерной трехмерной модели, учитывающей возможную усадку и коробление, разделенной на слои; с помощью технологии селективного лазерного плавления слой предварительно легированного порошка высокоэнтропийного сплава с азотом в соответствии с компьютерной моделью послойно выборочно сплавляется, тем самым образуя изделие, которое после процесса СЛП подвергается горячему изостатическому прессованию (ГИП).To solve the technical problem of producing a three-dimensional product from a high-entropy alloy alloyed with nitrogen, a method for producing a 3D object is proposed, characterized by the fact that the product is created according to a previously prepared three-dimensional computer model, taking into account possible shrinkage and warping, divided into layers; Using selective laser melting technology, a layer of pre-alloyed high-entropy alloy powder with nitrogen is selectively fused layer by layer in accordance with the computer model, thereby forming a product that, after the SLM process, is subjected to hot isostatic pressing (HIP).
Техническим результатом предлагаемого способа является получениеобъемного изделия из высокоэнтропийного сплава, легированного азотом, с равномерным распределением элементов в объеме изделия, с относительной плотностью не менее 99,7%, пределом прочности не менее 1200 МПа, пределом текучести не менее 1000 МПа, относительным удлинением не менее 20% при -196°C, пределом прочности не менее 450 МПа, пределом текучести не менее 400 МПа, относительным удлинением не менее 25% при 600°C.The technical result of the proposed method is to obtain a volumetric product from a high-entropy alloy, alloyed with nitrogen, with a uniform distribution of elements in the volume of the product, with a relative density of at least 99.7%, a tensile strength of at least 1200 MPa, a yield strength of at least 1000 MPa, a relative elongation of at least 20% at -196°C, tensile strength of at least 450 MPa, yield strength of at least 400 MPa, elongation of at least 25% at 600°C.
Более подробно способ включает следующие операции:In more detail, the method includes the following operations:
1. Подготавливают в программном обеспечении трехмерную компьютерную модель, устанавливая ее размер с учетом возможной усадки и коробления. Разбивают модель на слои для 3Д-печати.1. Prepare a three-dimensional computer model in software, setting its size taking into account possible shrinkage and warping. The model is divided into layers for 3D printing.
2. Сферический порошок высокоэнтропийного сплава CoCrFeNiMn, легированный азотом, с размером частиц 20-60 мкм, загружают в установку селективного лазерного плавления. Сферическая форма частиц обеспечивает более плотную укладку частиц, что влияет на конечную плотность изделия.2. Spherical powder of high-entropy alloy CoCrFeNiMn, doped with nitrogen, with a particle size of 20-60 μm, is loaded into a selective laser melting installation. The spherical shape of the particles ensures a more dense packing of the particles, which affects the final density of the product.
3. Проводят сплавление в порошковом слое в соответствии с сечением компьютерной модели. Порошковый слой, расположенный на платформе, находящейся в верхнем положении, разравнивают с помощью ролика, после чего лазер сканирует сечение изделия, тем самым сплавляя порошок. Далее платформа опускается на толщину одного слоя вниз и на платформу наносят и разравнивают новый слой порошка. Процесс послойной печати продолжают до тех пор, пока изделие не будет полностью напечатано. Процесс печати имеет следующие технологические параметры: толщина слоя 0,05мм, расстояние между проходами лазера 0,12 мм, мощность лазера 100-350 Вт, скорость сканирования 400-650 мм/с, объемная плотность энергии 26-146 Дж/мм3 Оптимальные технологические параметры позволяют получить изделие с минимальным количеством дефектов 3. Fusion is carried out in the powder bed in accordance with the cross section of the computer model. The powder layer, located on the platform in the upper position, is leveled using a roller, after which the laser scans the cross-section of the product, thereby fusing the powder. Next, the platform is lowered down to the thickness of one layer and a new layer of powder is applied and leveled onto the platform. The layer-by-layer printing process continues until the product is completely printed. The printing process has the following technological parameters: layer thickness 0.05 mm, distance between laser passes 0.12 mm, laser power 100-350 W, scanning speed 400-650 mm/s, volumetric energy density 26-146 J/mm 3 Optimal technological parameters allow us to obtain a product with a minimum number of defects
4. Напечатанное изделие помещают в газостат и проводят горячее изостатическое прессование. Технологические параметры ГИП: температура 1100-1200°C, давление 120-160 МПа, время выдержки 3-6 часов. ГИП позволяет снять внутренние напряжения после печати и устранить остаточную пористость во всем объеме изделия.4. The printed product is placed in a gasostat and hot isostatic pressing is carried out. Technological parameters of HIP: temperature 1100-1200°C, pressure 120-160 MPa, holding time 3-6 hours. HIP allows you to relieve internal stresses after printing and eliminate residual porosity throughout the entire volume of the product.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает получение объемного изделия из высокоэнтропийного сплава, легированного азотом. Компактное изделие обладает равномерным распределением компонентов, относительной плотностью не менее 99,7%, пределом прочности не менее 1200 МПа, пределом текучести не менее 1000 МПа, относительным удлинением не менее 20% при -196°C, пределом прочности не менее 450 МПа, пределом текучести не менее 400 МПа, относительным удлинением не менее 25% при 600°C.The proposed technical solution ensures the production of a three-dimensional product from a high-entropy alloy alloyed with nitrogen. The compact product has a uniform distribution of components, a relative density of at least 99.7%, a tensile strength of at least 1200 MPa, a yield strength of at least 1000 MPa, a relative elongation of at least 20% at -196°C, a tensile strength of at least 450 MPa, a tensile strength of fluidity not less than 400 MPa, relative elongation not less than 25% at 600°C.
Пример выполнения предлагаемого способа заключается в том, что исходный однофазный сферический порошок CrCoFeNiMn-N c размером частиц 20-60 мкм загружают в установку селективного лазерного плавления, предварительно загружают в программу управления установкой трехмерную компьютерную модель, разделенную на слои, с установленными размерами с учетом возможной усадки и коробления изделия. An example of the implementation of the proposed method is that the initial single-phase spherical CrCoFeNiMn-N powder with a particle size of 20-60 μm is loaded into a selective laser melting installation, a three-dimensional computer model, divided into layers, with established dimensions, taking into account possible shrinkage and warping of the product.
В программе управления установкой вносят следующие технологические параметры печати: толщина слоя 0,05мм, расстояние между проходами лазера 0,12 мм, мощность лазера 100 Вт, скорость сканирования 400 мм/с, объемная плотность энергии 26Дж/мм3. Процесс печати происходит в автоматизированном режиме: сначала порошок подают из бункера в рабочую зону и формируют тонкий слой с помощью ролика, далее лазером сплавляют частицы порошка в соответствии с сечением компьютерной модели, после чего платформа опускается вниз на толщину одного слоя и процесс повторяется до тех пор, пока изделие будет полностью напечатано.The following technological printing parameters are entered in the installation control program: layer thickness 0.05 mm, distance between laser passes 0.12 mm, laser power 100 W, scanning speed 400 mm/s, volumetric energy density 26 J/mm 3 . The printing process occurs in an automated mode: first, the powder is fed from the hopper to the working area and a thin layer is formed using a roller, then the powder particles are fused with a laser in accordance with the cross-section of the computer model, after which the platform is lowered down to the thickness of one layer and the process is repeated until until the product is completely printed.
Напечатанное изделие помещают в газостат для проведения ГИП при температуре 1200 °C, давлении 160 МПа, в течение 3 часов. Когда температура внутри газостата достигает комнатной готовое изделие извлекают.The printed product is placed in a gasostat for HIP at a temperature of 1200 °C, a pressure of 160 MPa, for 3 hours. When the temperature inside the gas thermostat reaches room temperature, the finished product is removed.
Готовое изделие обладает относительной плотностью 99,7%, пределом прочности 1200 МПа, пределом текучести 1000 МПа, относительным удлинением 20% при -196°C, пределом прочности 450 МПа, пределом текучести 400 МПа, относительным удлинением 25% при 600°C.The finished product has a relative density of 99.7%, a tensile strength of 1200 MPa, a yield strength of 1000 MPa, an elongation of 20% at -196°C, a tensile strength of 450 MPa, a yield strength of 400 MPa, and an elongation of 25% at 600°C.
Другой пример выполнения данного способа заключается в том, что исходный однофазный сферический порошок CrCoFeNiMn-N c размером частиц 20-60 мкм загружают в установку селективного лазерного плавления, предварительно загружают в программу управления установкой трехмерную компьютерную модель, разделенную на слои, с установленными размерами с учетом возможной усадки и коробления изделия. Another example of this method is that the initial single-phase spherical CrCoFeNiMn-N powder with a particle size of 20-60 μm is loaded into a selective laser melting installation, and a three-dimensional computer model, divided into layers, with established dimensions, is pre-loaded into the installation control program possible shrinkage and warping of the product.
В программе управления установкой вносят следующие технологические параметры печати: толщина слоя 0,05мм, расстояние между проходами лазера 0,12 мм, мощность лазера 350 Вт, скорость сканирования 650 мм/с, объемная плотность энергии 146 Дж/мм3. Процесс печати происходит в автоматизированном режиме: сначала порошок подают из бункера в рабочую зону и формируют тонкий слой с помощью ролика, далее лазером сплавляют частицы порошка в соответствии с сечением компьютерной модели, после чего платформа опускается вниз на толщину одного слоя и процесс повторяется до тех пор, пока изделие будет полностью напечатано.The following technological printing parameters are entered in the installation control program: layer thickness 0.05 mm, distance between laser passes 0.12 mm, laser power 350 W, scanning speed 650 mm/s, volumetric energy density 146 J/mm 3 . The printing process occurs in an automated mode: first, the powder is fed from the hopper to the working area and a thin layer is formed using a roller, then the powder particles are fused with a laser in accordance with the cross-section of the computer model, after which the platform is lowered down to the thickness of one layer and the process is repeated until until the product is completely printed.
Напечатанное изделие помещают в газостат для проведения ГИП при температуре 1100 °C, давлении 120 МПа, в течение 6 часов. Когда температура внутри газостата достигает комнатной готовое изделие извлекают.The printed product is placed in a gasostat for HIP at a temperature of 1100 °C, a pressure of 120 MPa, for 6 hours. When the temperature inside the gas thermostat reaches room temperature, the finished product is removed.
Готовое изделие обладает относительной плотностью 99,9%, пределом прочности 1236 МПа, пределом текучести 1125 МПа, относительным удлинением 23% при -196, пределом прочности 486 МПа, пределом текучести 439 МПа, относительным удлинением 28% при 600.The finished product has a relative density of 99.9%, a tensile strength of 1236 MPa, a yield strength of 1125 MPa, an elongation of 23% at -196, a tensile strength of 486 MPa, a yield strength of 439 MPa, and an elongation of 28% at 600.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2821178C1 true RU2821178C1 (en) | 2024-06-17 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2669135C1 (en) * | 2017-12-11 | 2018-10-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | METHOD OF MANUFACTURING PRODUCTS BY SELECTIVE LASER MELTING OF WC-Co POWDER COMPOSITION |
| CN109604611A (en) * | 2019-01-09 | 2019-04-12 | 苏州科技大学 | A kind of powder metallurgy prepares the forming method of wear-and corrosion-resistant high-entropy alloy gear |
| RU2790708C1 (en) * | 2022-04-19 | 2023-02-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | High-entropy alloy and method of its deformation-heat treatment |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2669135C1 (en) * | 2017-12-11 | 2018-10-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | METHOD OF MANUFACTURING PRODUCTS BY SELECTIVE LASER MELTING OF WC-Co POWDER COMPOSITION |
| CN109604611A (en) * | 2019-01-09 | 2019-04-12 | 苏州科技大学 | A kind of powder metallurgy prepares the forming method of wear-and corrosion-resistant high-entropy alloy gear |
| RU2790708C1 (en) * | 2022-04-19 | 2023-02-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | High-entropy alloy and method of its deformation-heat treatment |
| RU2795149C1 (en) * | 2022-11-16 | 2023-04-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for producing products by selective laser melting |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108060322B (en) | Preparation method of hard high-entropy alloy composite material | |
| Enneti et al. | Sintering of WC-12% Co processed by binder jet 3D printing (BJ3DP) technology | |
| CN110418688B (en) | High carbon content cobalt-based alloy | |
| CN111386164B (en) | High-hardness 3D printing steel product | |
| JP6342844B2 (en) | Turbine wheel manufacturing method | |
| US20040096350A1 (en) | Method for manufacturing fully dense metal sheets and layered composites from reactive alloy powders | |
| AU2002215682B2 (en) | Powder metallurgical method for producing high-density shaped parts | |
| RU2821178C1 (en) | Method of producing volumetric articles from high-entropy alloy alloyed with nitrogen by selective laser melting | |
| CN106475567A (en) | The manufacture method of chrome molybdenum target blankss | |
| Patil et al. | Spark plasma sintering of 13Ni-400 maraging steel: Enhancement of mechanical properties through surface modification | |
| CN104551571A (en) | Method for producing members through near-isothermal stamping by aid of TiAl pre-alloy powder | |
| CN113260473B (en) | 3D printed high-carbon-content steel and preparation method thereof | |
| KR20180134953A (en) | Method for the manufacture of powder metallurgy of parts from titanium or titanium alloys | |
| TW201522659A (en) | Alloy powder and laser additive manufacturing process applying the same | |
| CN116254433B (en) | Preparation method of low-density high-strength high-toughness AlMoNbTaTiZr refractory high-entropy alloy | |
| JP2599729B2 (en) | Ingot making method for alloy articles | |
| JP2001122665A (en) | Method for manufacturing boron carbide atmospheric sintered compact | |
| Ozkan Gulsoy et al. | Effect of particle size on sintering characteristics and mechanical properties of injection molded 316L powder | |
| JPH03211206A (en) | Manufacture of high density titanium alloy sintered parts | |
| RU1823882C (en) | Method of production of damascus steel (its variants) | |
| CN117773107A (en) | Preparation method of high-temperature deformation resistant ultrafine grain tungsten steel | |
| JPH02290901A (en) | Metal fine powder for compacting and manufacture of sintered body thereof | |
| JPS63190102A (en) | Production of sintered and forged product of aluminum alloy | |
| JPWO2020149787A5 (en) | ||
| JPS63250405A (en) | Production of high strength product of powder |