RU2550670C2 - Способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением порошкового материала и установка для его осуществления - Google Patents
Способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением порошкового материала и установка для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2550670C2 RU2550670C2 RU2013141733/02A RU2013141733A RU2550670C2 RU 2550670 C2 RU2550670 C2 RU 2550670C2 RU 2013141733/02 A RU2013141733/02 A RU 2013141733/02A RU 2013141733 A RU2013141733 A RU 2013141733A RU 2550670 C2 RU2550670 C2 RU 2550670C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- layer
- powder material
- working
- sintering
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 141
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 45
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 title description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 94
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 43
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 31
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 22
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 17
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 17
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 15
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 15
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 14
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 10
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 7
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 6
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000110 selective laser sintering Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 abstract 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 8
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 6
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000273930 Brevoortia tyrannus Species 0.000 description 1
- 102220504526 Dolichyl-diphosphooligosaccharide-protein glycosyltransferase subunit 4_V23K_mutation Human genes 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к изготовлению металлических изделий из порошков послойным селективным лазерным спеканием. Способ включает образование оболочки для формируемого изделия путем нанесения слоя из первого порошкового материала и его спекание по всей рабочей поверхности. Нанесение слоя из второго порошкового материала и его последующее селективное спекание повторяют до полного формирования изделия. В качестве второго порошкового материала используют порошок металла или сплава и после каждого спекания слоя порошка металла или сплава производят его расплавление с образованием слоя толщиной от 10 до 300 мкм. После полного формирования изделия производят газостатическое прессование слоев, затем индукционный переплав с кристаллизацией всего объема нанесенных слоев и удаляют оболочку. Предложена также установка для изготовления металлического изделия данным способом. Установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала. Обеспечивается повышение механической прочности изделий. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано для изготовления металлических изделий из порошков селективным лазерным спеканием.
Известен способ лазерного спекания изделий, при котором на поверхность порошка в зону спекания направляют спекающий лазерный луч [патент РФ №2132761, МПК B22F 3/105, В23К 26/00. УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ. 1999.] Кроме того, в область зоны спекания дополнительно направляют подогревающий лазерный луч, который фокусируют на более широкой, по сравнению со спекающим лучом, площади, обеспечивая тем самым уменьшение температурного градиента между зоной спекания и окружающим порошком для предотвращения коробления спеченной детали.
Известен также способ спекания изделий, включающий нанесение порошкового слоя на мишеневую поверхность, сканирование цели направленным лазерным пучком и спекание слоя оплавлением лазерным пучком в границах поперечного сечения слоя [патент РФ №2021881, МПК B22F 3/12, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. 1994]. После оплавления слоя на него последовательно наносят последующие порошковые слои, сканируют цель направленным лазерным пучком для каждого последующего слоя соответственно поперечному сечению детали и каждый последующий слой оплавляют лазерным пучком для образования из слоев поперечного сечения детали. При спекании оплавлением каждого последующего слоя его соединяют с предыдущим слоем для образования детали.
К недостатку указанных способов [патенты РФ №2132761 и №2021881] можно отнести низкую прочность формируемой детали в связи с невозможностью полного проплавления материала из-за вероятности его растекания. Другими недостатками указанных способов являются: возможность возникновения брака при перегреве детали из-за потери формы, неоднородность свойств наплавленного материала и низкая точность формирования детали из-за нечетких границ «наплавленный слой-порошок».
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ и установка для изготовления изделия из порошкового материала путем лазерного послойного нанесения порошкового материала [Патент РФ №2401180, МПК B22F 3/105. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПОРОШКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. 2010]. Способ включает следующую последовательность формирования слоев: нанесение слоя первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала слоя второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках. Установка для изготовления металлической детали из порошкового материала содержит рабочую камеру с входным окном, лазер, оптически связанный с системой сканирования и фокусировки луча, рабочий бункер с поршнем, выполненный с возможностью перемещения слоя порошка и спекаемого материала в вертикальном направлении, бункер-питатель, каретку засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка. Однако известные способ и установка не позволяют получать металлические детали, обладающие высокой механической прочностью материалов.
В этой связи, задачей настоящего изобретения является разработка способа и установки для изготовления металлического изделия путем лазерного послойного нанесения порошкового материала, обеспечивающих получение металлических деталей с высокой механической прочностью и точностью форм.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение высокой механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного нанесения порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления металлического изделия из порошкового материала лазерным послойным нанесением слоев, включающем нанесение слоя из первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение в пространство между спеченными участками слоя из первого порошкового материала слоя из второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках, в отличие от прототипа, сначала образуют оболочку для формируемого изделия путем нанесения слоя из первого порошкового материала и его спекания по всей рабочей поверхности, при этом нанесение слоя из второго порошкового материала и его последующее селективное спекание повторяют до полного формирования изделия, причем в качестве второго порошкового материала используют порошок металла или сплава и после каждого спекания слоя порошка металла или сплава производят его расплавление с образованием слоя толщиной от 10 до 300 мкм, после полного формирования изделия производят газостатическое прессование слоев, затем индукционный переплав с кристаллизацией всего объема нанесенных слоев и удаляют оболочку, при этом возможны следующие варианты воплощения способа: в качестве первого порошкового материала используется керамический материал; кристаллизацию металла или сплава при индукционном переплаве проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации; используют в рабочем бункере поршень со спекаемыми слоями, который после спекания слоя первого порошкового материала перемещают вверх на толщину этого слоя, производят удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производят после возвращения поршня в прежнее положение.
Технический результат достигается также тем, что установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала лазерным послойным нанесением слоев, содержащая рабочую камеру для формирования изделия из первого порошкового материала, оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью вертикального перемещения на высоту спекаемого слоя, бункером-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, в отличие от прототипа она содержит дополнительную рабочую камеру для формирования изделия из второго порошкового материала, выполненную с возможностью создания газостатического давления и оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью вертикального перемещения на высоту спекаемого слоя, бункером-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, причем рабочая и дополнительная рабочая камеры снабжены общим рабочим столом, на котором установлены упомянутые рабочие бункеры с поршнями, выполненные с возможностью их перемещения в процессе формирования оболочки с изделием из рабочей камеры в дополнительную рабочую камеру и обратно, при этом рабочие бункеры с поршнями снабжены индукторами для нагрева изготавливаемого изделия, при этом возможны следующие варианты выполнения установки: рабочая и дополнительная рабочая камеры расположены внутри общей камеры, выполненной герметичной от внешней среды и имеющей систему напуска защитных газов; рабочие бункеры с поршнями выполнены из диэлектрических теплостойких материалов; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены электронно-лучевыми пушками и дополнительными лазерами; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки, выполненным с возможностью вертикального перемещения, при этом по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с фокусирующими отражателями для нагрева поверхности порошка; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки с устройством для всасывания порошкового материала, который выполнен с возможностью вертикального перемещения, при этом по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с фокусирующими отражателями для нагрева поверхности порошка.
Сущность изобретения поясняется схемами. На фиг. 1 представлена установка для изготовления металлического изделия методом лазерного послойного селективного нанесения порошковых материалов с последующим расплавлением нанесенного металла изделия. На фиг. 2 изображена схема формирования металличекого изделия согласно предлагаемому способу.
Фигуры 1 и 2 содержат: 1 - общая камера; 2 - рабочая камера; 3 - лазер с системой сканирования и фокусировки луча; 4 - роллер очистки и каретка засыпки и укладки порошка; 5 - перегородка между рабочей камерой и дополнительной рабочей камерой; 6 - дополнительная рабочая камера; 7 - луч лазера; 8 - бункер-питатель; 9 - слои порошка спекаемого материала; 10 - рабочий бункер с поршнем; 11 - шток; 12 - индуктор; 13 - общий рабочий стол с рабочими бункерами; 14 - механизм поворота стола; 15 - слой первого порошкового материала (керамический порошок); 16 - слой первого порошкового материала, спеченный на заданных участках слоя; 17 - неспеченные участки первого порошкового материала; 18 - пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала; 19 - слой второго порошкового материала; 20 - готовое изделие после кристаллизации расплавленного металла или сплава и удаления керамики (А, В, С, D, Е, F, G, Н - стадии формирования изделия); стрелками обозначено направление статического прессования.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1). На поршень рабочего бункера 10, находящегося в исходном положении, при помощи 4 - роллера очистки и каретки засыпки и укладки порошка, наносится слой керамического материала I (слой первого порошкового материала, образующий, при спекании, оболочку формируемого изделия) и производится его спекание лучом лазера 7 на всей рабочей поверхности для образования основания для формирования изделия 20. Затем производится повторное нанесение керамического материала I и его селективное спекание лучом лазера 7 с последующим удалением с поверхности 9 слоя неспеченной части порошка 17 керамического материала I при помощи роллера очистки 4 с образованием пространства между спеченными участками слоя керамического материала I (фиг. 1 и фиг. 2 А, В, С). Затем, после поворота общего рабочего стола 13 и перемещением формируемого изделия из рабочей камеры 2 в дополнительную рабочую камеру 6, с помощью каретки засыпки и укладки порошка 4, в пространство между спеченными участками слоя керамического материала I производят нанесение слоя второго порошкового материала (металла или сплава II) той же толщины и его селективное спекание на этих участках (фиг. 2D). (При этом, одновременно, другое формируемое изделие перемещается из дополнительной рабочей камеры 6 в рабочую камеру 2, где на него наносится и селективно спекается керамический материал I). После каждого спекания слоя металла или сплава производят его расплавление, образуя слои толщиной от 10 до 300 мкм, а после завершения всех циклов нанесения слоев производят их газостатическое прессование (фиг. 2G). Циклы поочередного нанесения, спекания и расплавления керамики 15 и металла 19 повторяют до осуществления полного формирования изделия (фиг. 2E, F, G). При этом, перед нанесением слоя порошка II (металла) поршень рабочего бункера 10 поднимается на высоту спекаемого слоя и с помощью роллера очистки 4, движущегося перпендикулярно движению каретки укладки порошка, и производится удаление предыдущего слоя материала I (неспеченных участков керамики 17). Каретка засыпки порошка 4 периодически пополняется порошком из бункеров питателей 8. В дополнительной рабочей камере 6 поршень рабочего бункера 10 опускают на высоту спекаемого слоя и наносят с помощью каретки 4 слой порошка II. Укладка порошка производится двумя ножами каретки 4. На обратном ходу каретки 4 слой уплотняется роллером прикатки 4. Затем проводится селективное спекание слоя из порошка II. После окончания формирования изделия 20 производят полное расплавление металла (материала II) и его кристаллизацию по одному из следующих вариантов: поликристаллизации, направленной (моно)кристаллизации. При необходимости придания более высокой механической прочности проводят термообработку и/или упрочняющую обработку изделия. После окончания формирования изделия одним из известных способов, например травлением в кислотах, производят удаление керамического материала и получают готовое изделие (фиг. 2Н).
Для оценки механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного синтеза из порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления, были проведены следующие исследования свойств изделий, полученных по прототипу и по предложенному техническому решению. Указанными методами были получены образцы из порошков высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе и проведены сравнения их механической прочности.
Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.
Методом цикличного лазерного послойного селективного нанесения порошкового материала были получены образцы из порошковых материалов на основе высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе. Первый порошковый материал: керамика на основе окиси алюминия и керамика на основе окиси циркония. Второй порошковый материал: первый вариант - сплав состава, в вес. %: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe - остальное; второй вариант - сплав состава, в вес. %: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Ni - остальное третий вариант сплав состава, в вес. %: Cr - от 18% до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0, 2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное; четвертый вариант - никелевый порошок. Использовали порошок с размерами частиц порошка от 25 мкм до 100 мкм. Производилось нанесение слоя первого порошкового материала толщиной 300 мкм и его селективное спекание на заданных участках слоя, обеспечивающих формирование заданных образцов. Подача порошка на рабочую плоскость бункеров с поршнями с последующим выглаживанием слоя порошка и удалением его избытка производилась вращающимся роликом с использованием всасывания порошка (по принципу работы пылесоса). После нанесения первого слоя, лишний, неспеченный порошок удаляли. Далее в пространство между спеченными участками слоя первого порошкового материала, наносили слой второго порошкового материала той же толщины и проводили его селективное спекание на этих участках. Количество указанных циклов повторяли до осуществления полного формирования образца. Расплавление спеченного сплава проводили по следующим вариантам: после каждого спекания слоя металла или сплава; расплавление всего его объема металла или сплава; после полного формирования изделия и кристаллизации расплавленного металла или сплава удаляли керамику.
Послойное индукционное расплавление нанесенных слоев металлического порошка осуществляли, образуя слои следующих толщин (10 до 300 мкм): 5 мкм - Н.Р. (Неудовлетворительный Результат.); 10 мкм - У.Р. (Удовлетворительный Результат.); 15 мкм - У.Р.; 25 мкм - У.Р.; 50 мкм - У.Р.; 150 мкм - У.Р.; 200 мкм - У.Р.; 300 мкм - У.Р.; 305 мкм - Н.Р.
Послойное лазерное селективное нанесение порошкового материала (использовался лазер модели ЛС-03 мощностью до 300 Вт, скорость перемещения лазерного луча - до 150 мм/с) осуществляли по следующим вариантам: в вакууме (до Р=3×10-2 Па); в защитной среде (аргоне Р=1,0×105 Па). Выход за пределы указанных параметров приводил к снижению эффекта воздействия указанных полей на формируемый материал образцов. Расплавление металла или сплава проводили индукционным методом.
Газостатическое прессование проводили в среде инертных газов (аргона, азота, гелия), при давлениях от 120 до 180 МПа и температурах от 560 до 2000°C. Использование газостатического прессования позволило снизить количество дефектов в формируемом изделии и повысить механическую прочность на 16-24% по сравнению с прочностью, получаемой в аналогичных условиях формирования изделия без использования изостатического прессования.
Был проведен также индукционный переплав (до удаления керамики) с последующей повторной кристаллизацией, который осуществлялся после первой кристаллизации расплавленного металла или сплава.
Кристаллизацию расплавленного металла или сплава проводили методами обычной и направленной кристаллизации.
Применение упрочняющей электроимпульсной обработки позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства изготавливаемых изделий. Воздействие мощных импульсов электрического поля на дефектную структуру металла или сплава приводит к дополнительному локальному тепловому воздействию, особенно интенсивно проявляющемуся в области его структурных дефектов. Это приводит к значительной интенсификации процессов восстановления структуры материала в областях с повышенной плотностью дефектов, которые протекают без перегрева основной массы металла обрабатываемой детали. Кроме того, дополнительным преимуществом от использования импульсов электрического поля является эффект упрочнения [Зуев Л.Б., Соснин О.В., Подборонников С.Ф. и др. // ЖТФ. 2000. Т. 70. Вып. 3. С. 24-26]. Наличие же значительных структурных дефектов материала позволяет указанному эффекту наиболее сильно проявиться именно в дефектной зоне обрабатываемого материала. Плотность тока обработки составлял от 80-170 А/мм2, напряжение от 7 до 18 В (на образцах из испытуемых сплавах, полученных по предлагаемому способу, наблюдалось повышение ударной вязкости в 1,2 раза, твердости в 1,15 раза, износостойкости в условиях сухого трения в 1,25 раза).
Для осуществления послойного лазерного синтеза материалов использовали поршень рабочего бункера со спекаемыми слоями, который, после спекания слоя первого порошкового материала перемещали вверх на толщину этого слоя, удаляли порошковый материал из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производили после возвращения поршня в прежнее положение.
Проведенные исследования показали на повышение прочности никеля и сплавов на основе никеля на 35-58% от прочности образцов, формируемых по известному способу, а образцов, изготовленных из легированной стали - на 30-45%. Точность изготовления изделия по заявляемому способу в 2…4 раза выше точности изделия, изготовленного по прототипу, что объясняется, в частности, наличием формы высокой точности, в которой происходит плавление и кристаллизация металла изготавливаемого изделия. Снижение трудоемкости изготовления по предлагаемому техническому решению значительно снижается из-за отсутствия стадии изготовления модели изделия, затем формы для литья, изготовленной по полученной модели (например, по методу литья по выплавляемым или выжигаемым моделям), а включает лишь две стадии: спекание материала изделия и его отливку.
Таким образом, использование в предлагаемом способе изготовления металлического изделия из порошкового материала лазерным послойным нанесением слоев следующих существенных признаков: нанесение слоя из первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя; удаление первого порошкового материала из неспеченных участков; нанесение в пространство между спеченными участками слоя из первого порошкового материала слоя из второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках; образование вначале оболочки для формируемого изделия путем нанесения слоя из первого порошкового материала и его спекания по всей рабочей поверхности; повторение до полного формирования изделия нанесения слоя из второго порошкового материала и его последующее селективное спекание; использование в качестве второго порошкового материала порошка металла или сплава; проведение после каждого спекания слоя порошка металла или сплава его расплавления с образованием слоя толщиной от 10 до 300 мкм; проведение после полного формирования изделия газостатического прессования слоев, затем индукционного переплава с кристаллизацией всего объема нанесенных слоев и удаление оболочки; использование в качестве первого порошкового материала керамического материала; проведение кристаллизации металла или сплава при индукционном переплаве методом направленной кристаллизации или монокристаллизации; использование в рабочем бункере поршня со спекаемыми слоями, который после спекания слоя первого порошкового материала перемещают вверх на толщину этого слоя, производят удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производят после возвращения поршня в прежнее положение;
а в предлагаемой установке для изготовления металлического изделия из порошкового материала лазерным послойным нанесением слоев, использование следующих признаков: содержащая рабочую камеру для формирования изделия из первого порошкового материала, оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью вертикального перемещения на высоту спекаемого слоя, бункером-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка; установка содержит дополнительную рабочую камеру для формирования изделия из второго порошкового материала, выполненную с возможностью создания газостатического давления и оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью вертикального перемещения на высоту спекаемого слоя, бункером-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка; рабочая и дополнительная рабочая камеры снабжены общим рабочим столом, на котором установлены упомянутые рабочие бункеры с поршнями, выполненные с возможностью их перемещения в процессе формирования оболочки с изделием из рабочей камеры в дополнительную рабочую камеру и обратно; рабочие бункеры с поршнями снабжены индукторами для нагрева изготавливаемого изделия; рабочая и дополнительная рабочая камеры расположены внутри общей камеры, выполненной герметичной от внешней среды и имеющей систему напуска защитных газов; рабочие бункеры с поршнями выполнены из диэлектрических теплостойких материалов; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены электронно-лучевыми пушками и дополнительными лазерами; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки, выполненным с возможностью вертикального перемещения, при этом по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с фокусирующими отражателями для нагрева поверхности порошка; рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки с устройством для всасывания порошкового материала, который выполнен с возможностью вертикального перемещения, при этом по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с фокусирующими отражателями для нагрева поверхности порошка, позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения, которым является обеспечение высокой механической прочности изделий, изготавливаемых методом послойного лазерного нанесения порошковых материалов, а также их точности при снижении трудоемкости изготовления.
Claims (10)
1. Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала лазерным послойным нанесением слоев, включающий нанесение слоя из первого порошкового материала и его селективное спекание на заданных участках слоя, удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, нанесение в пространство между спеченными участками слоя из первого порошкового материала слоя из второго порошкового материала той же толщины и его селективное спекание на этих участках, отличающийся тем, что сначала образуют оболочку для формируемого изделия путем нанесения слоя из первого порошкового материала и его спекания по всей рабочей поверхности, при этом нанесение слоя из второго порошкового материала и его последующее селективное спекание повторяют до полного формирования изделия, причем в качестве второго порошкового материала используют порошок металла или сплава и после каждого спекания слоя порошка металла или сплава производят его расплавление с образованием слоя толщиной от 10 до 300 мкм, после полного формирования изделия производят газостатическое прессование слоев, затем индукционный переплав с кристаллизацией всего объема нанесенных слоев и удаляют оболочку.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве первого порошкового материала используют керамический материал.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что кристаллизацию металла или сплава при индукционном переплаве проводят методом направленной кристаллизации или монокристаллизации.
4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что используют в рабочем бункере поршень со спекаемыми слоями, который после спекания слоя первого порошкового материала перемещают вверх на толщину этого слоя, производят удаление первого порошкового материала из неспеченных участков, а нанесение слоя второго порошкового материала производят после возвращения поршня в прежнее положение.
5. Установка для изготовления металлического изделия из порошкового материала лазерным послойным нанесением слоев, содержащая рабочую камеру для формирования изделия из первого порошкового материала, оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью вертикального перемещения на высоту спекаемого слоя, бункером-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, отличающаяся тем, что она содержит дополнительную рабочую камеру для формирования изделия из второго порошкового материала, выполненную с возможностью создания газостатического давления и оснащенную входным окном, лазером, оптически связанным с системой сканирования и фокусировки луча, рабочим бункером с поршнем, выполненным с возможностью вертикального перемещения на высоту спекаемого слоя, бункером-питателем, кареткой засыпки и укладки порошка, роллером очистки, выполненным с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению движения каретки засыпки и укладки порошка, причем рабочая и дополнительная рабочая камеры снабжены общим рабочим столом, на котором установлены упомянутые рабочие бункеры с поршнями, выполненные с возможностью их перемещения в процессе формирования оболочки с изделием из рабочей камеры в дополнительную рабочую камеру и обратно, при этом рабочие бункеры с поршнями снабжены индукторами для нагрева изготавливаемого изделия.
6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что рабочая и дополнительная рабочая камеры расположены внутри общей камеры, выполненной герметичной от внешней среды и имеющей систему напуска защитных газов.
7. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что рабочие бункеры с поршнями выполнены из диэлектрических теплостойких материалов.
8. Установка по п. 5 или 6, отличающаяся тем, что рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены электронно-лучевыми пушками и дополнительными лазерами.
9. Установка по любому из пп. 5-7, отличающаяся тем, что рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки, выполненным с возможностью вертикального перемещения, при этом по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с фокусирующими отражателями для нагрева поверхности порошка.
10. Установка по любому из пп. 5-7, отличающаяся тем, что рабочая камера и/или дополнительная рабочая камера снабжены роллером прикатки и дополнительным роллером очистки с устройством для всасывания порошкового материала, который выполнен с возможностью вертикального перемещения, при этом по периметру входного окна рабочей камеры установлены газоразрядные лампы с фокусирующими отражателями для нагрева поверхности порошка.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013141733/02A RU2550670C2 (ru) | 2013-09-10 | 2013-09-10 | Способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением порошкового материала и установка для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013141733/02A RU2550670C2 (ru) | 2013-09-10 | 2013-09-10 | Способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением порошкового материала и установка для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013141733A RU2013141733A (ru) | 2015-03-20 |
| RU2550670C2 true RU2550670C2 (ru) | 2015-05-10 |
Family
ID=53285462
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013141733/02A RU2550670C2 (ru) | 2013-09-10 | 2013-09-10 | Способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением порошкового материала и установка для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2550670C2 (ru) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU167468U1 (ru) * | 2015-10-29 | 2017-01-10 | Александр Григорьевич Григорьянц | Устройство для выращивания изделий методом селективного лазерного плавления |
| WO2018013057A1 (en) * | 2016-07-11 | 2018-01-18 | UCT Additive Manufacturing Center Pte. Ltd. | Improved temperature gradient control in additive manufacturing |
| RU2652335C1 (ru) * | 2017-05-04 | 2018-04-25 | Общество с ограниченной ответственностью "ФторКОМ" | Способ формирования антифрикционного покрытия с помощью автоматизированного устройства подачи порошкового материала в зону лазерной обработки |
| RU2685326C1 (ru) * | 2018-08-20 | 2019-04-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ послойного изготовления изделий из нескольких порошков и устройство для его осуществления |
| RU2691468C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-06-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Установка для получения детали из металлического порошкового материала |
| RU2691469C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-06-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Установка для получения детали из металлического порошкового материала |
| RU2701436C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-09-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Способ изготовления детали из металлического порошкового материала |
| RU2701328C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-09-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Установка для получения детали из металлического порошкового материала |
| RU2736148C1 (ru) * | 2019-06-21 | 2020-11-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Промышленный робот для реализации аддитивной технологии |
| RU2759104C1 (ru) * | 2021-02-10 | 2021-11-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА - Российский технологический университет» | Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала методом послойного лазерного синтеза с применением деформационной обработки |
| RU2817720C1 (ru) * | 2023-06-09 | 2024-04-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Промышленный гибридный робот для лазерной технологии |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2299787C2 (ru) * | 2004-10-21 | 2007-05-27 | Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (ГНУ ИПМ) | Установка порошковой лазерной стереолитографии |
| RU2365468C2 (ru) * | 2007-06-13 | 2009-08-27 | Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" | Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления |
| RU2401180C2 (ru) * | 2008-08-15 | 2010-10-10 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления |
-
2013
- 2013-09-10 RU RU2013141733/02A patent/RU2550670C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2299787C2 (ru) * | 2004-10-21 | 2007-05-27 | Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (ГНУ ИПМ) | Установка порошковой лазерной стереолитографии |
| RU2365468C2 (ru) * | 2007-06-13 | 2009-08-27 | Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" | Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления |
| RU2401180C2 (ru) * | 2008-08-15 | 2010-10-10 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU167468U1 (ru) * | 2015-10-29 | 2017-01-10 | Александр Григорьевич Григорьянц | Устройство для выращивания изделий методом селективного лазерного плавления |
| WO2018013057A1 (en) * | 2016-07-11 | 2018-01-18 | UCT Additive Manufacturing Center Pte. Ltd. | Improved temperature gradient control in additive manufacturing |
| RU2652335C1 (ru) * | 2017-05-04 | 2018-04-25 | Общество с ограниченной ответственностью "ФторКОМ" | Способ формирования антифрикционного покрытия с помощью автоматизированного устройства подачи порошкового материала в зону лазерной обработки |
| RU2685326C1 (ru) * | 2018-08-20 | 2019-04-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ послойного изготовления изделий из нескольких порошков и устройство для его осуществления |
| RU2691468C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-06-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Установка для получения детали из металлического порошкового материала |
| RU2691469C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-06-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Установка для получения детали из металлического порошкового материала |
| RU2701436C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-09-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Способ изготовления детали из металлического порошкового материала |
| RU2701328C1 (ru) * | 2018-09-28 | 2019-09-26 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Установка для получения детали из металлического порошкового материала |
| RU2736148C1 (ru) * | 2019-06-21 | 2020-11-11 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Промышленный робот для реализации аддитивной технологии |
| RU2759104C1 (ru) * | 2021-02-10 | 2021-11-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА - Российский технологический университет» | Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала методом послойного лазерного синтеза с применением деформационной обработки |
| RU2817720C1 (ru) * | 2023-06-09 | 2024-04-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Промышленный гибридный робот для лазерной технологии |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013141733A (ru) | 2015-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2550670C2 (ru) | Способ изготовления металлического изделия лазерным цикличным нанесением порошкового материала и установка для его осуществления | |
| RU2526909C1 (ru) | Способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом | |
| CN104010749B (zh) | 用于制备三维物体的方法和装置 | |
| Juste et al. | Shaping of ceramic parts by selective laser melting of powder bed | |
| US9221101B2 (en) | Process for local repair of a damaged thermomechanical part and part thus produced, in particular a turbine part | |
| Deckers et al. | Isostatic pressing assisted indirect selective laser sintering of alumina components | |
| RU2657897C2 (ru) | Способ плавления порошка, включающий нагрев области, прилегающей к ванне | |
| JP6188678B2 (ja) | フラッシュ焼結によって複雑な形状を有する部品を製造するための方法、およびそのような方法を実施するための装置 | |
| US9561542B2 (en) | Powder pre-processing for additive manufacturing | |
| CN103949646B (zh) | 一种Nb-Si基超高温合金涡轮叶片的制备方法 | |
| CN109396434B (zh) | 一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法 | |
| JP7637946B2 (ja) | 加圧焼結によりプリフォームから複雑な形を有する部品を製造する方法 | |
| JP2014513207A5 (ru) | ||
| RU2008133769A (ru) | Способ получения градиентных материалов из порошков и устройство для его осуществления | |
| CN104190931A (zh) | 一种高效高精度复合増材制造方法及装置 | |
| JP2017106116A (ja) | レーザーを用いて粉末を固形化することによって物体を製造する方法 | |
| WO2013080030A1 (ru) | Способ получения объемных изделий из порошков и устройство для его осуществления | |
| CN105039970A (zh) | 一种可更换粉缸双光束激光选区熔化成形设备 | |
| RU139624U1 (ru) | Установка изготовления изделия путем лазерного спекания | |
| CN105441881B (zh) | 铬靶材及其组合的制造方法 | |
| WO2013013814A2 (en) | Method of manufacturing a component by hot isostatic pressing | |
| JP2019507250A (ja) | 層の連続的な堆積を使用する部品を製造するための方法および装置 | |
| JP7571977B2 (ja) | 対向面の作製方法、および前記対向面を使用して複雑な形を有する部品の製造方法 | |
| CN107914014A (zh) | 一种纯钨金属零件的电子束选区熔化成形方法 | |
| JP2024527797A (ja) | 付加的金属鋳造のためのシステムおよび方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160911 |