RU2840530C1 - Aluminium composite material for laser melting - Google Patents
Aluminium composite material for laser melting Download PDFInfo
- Publication number
- RU2840530C1 RU2840530C1 RU2024123730A RU2024123730A RU2840530C1 RU 2840530 C1 RU2840530 C1 RU 2840530C1 RU 2024123730 A RU2024123730 A RU 2024123730A RU 2024123730 A RU2024123730 A RU 2024123730A RU 2840530 C1 RU2840530 C1 RU 2840530C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- composite material
- laser
- particles
- aluminum
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, связанной с алюминиевыми сплавами, имеющими ультрамелкодисперсную структуру. В частности, речь идет об алюминиевых матричных композиционных материалах. Так как на данный момент номенклатура алюминиевых композиционных материалов используемых в области аддитивных технологий крайне мала, то представленные составы могут быть использованы в различных отраслях промышленности и изготавливаться методом лазерного плавления, включая аддитивные лазерные технологии.The invention relates to the field of metallurgy associated with aluminum alloys having an ultrafine structure. In particular, it concerns aluminum matrix composite materials. Since at the moment the range of aluminum composite materials used in the field of additive technologies is extremely small, the presented compositions can be used in various industries and manufactured by laser melting, including additive laser technologies.
Известен металлический алюминиевый порошок для применения его в аддитивных технологиях (CN 109317661 В, опубл. 16.07.2021). Композитный порошок содержит базовый порошок и частицы упрочняющей фазы, причем базовым порошком является порошок AlSi10Mg, частицами упрочняющей фазы являются керамические частицы TiN, которые равномерно распределены в порошке основного сплава AlSi10Mg, а массовые доли базового порошка и частиц упрочняющей фазы соответственно следующие: AlSi10Mg 90-99%, TiN 1-10%. Согласно изобретению, керамические частицы используются в качестве упрочняющей фазы порошка на основе алюминия, благодаря чему повышается скорость лазерного поглощения композитного порошка, улучшается формуемость при печати при низкой мощности и снижается себестоимость производства. Упрочняющая фаза сохраняет наноструктуру после лазерной обработки, так что образуется мелкокристаллическое упрочнение, а твердость и предел прочности материала при растяжении повышаются. Порошок основного сплава и керамические частицы предварительно смешивают в ультразвуковом вибраторе частота вибрации составляет 10-30 кГц, а режим вибрации является непрерывным или импульсным; время диспергирования и предварительного смешивания с помощью ультразвуковой вибрации составляет 20-60 мин). Затем в течение 12 часов происходило смешение порошков в планетарной мельнице. После порошковые частицы размером 15-50 мкм отсеивают для получения порошка необходимой фракции для последующего плавления. Режим плавления: мощность лазера 80-100 Вт, скорость сканирования 200-600 мм/с, перекрытие 0,08-0,1 мм. Кроме того, в процессе селективного лазерного плавления и формования детали направление каждого слоя лазерных лучей поворачивается на угол 5-60 градусов, для снижения напряжения в детали, напечатанной на 3D-принтере. Предел прочности сплава при растяжении достигает 310-400 МПа, и по сравнению с литым сплавом Al-Si, сплав имеет значительное улучшение. Недостатком данного состава является недостаточно большой предел прочности конечного материала.A metallic aluminum powder is known for use in additive technologies (CN 109317661 B, published 16.07.2021). The composite powder contains a base powder and particles of a strengthening phase, wherein the base powder is AlSi10Mg powder, the particles of the strengthening phase are TiN ceramic particles, which are uniformly distributed in the powder of the AlSi10Mg base alloy, and the mass fractions of the base powder and the particles of the strengthening phase are, respectively, as follows: AlSi10Mg 90-99%, TiN 1-10%. According to the invention, ceramic particles are used as a strengthening phase of the aluminum-based powder, due to which the laser absorption rate of the composite powder increases, formability during low-power printing is improved, and production costs are reduced. The strengthening phase retains the nanostructure after laser processing, so that fine-crystalline strengthening is formed, and the hardness and tensile strength of the material are increased. The base alloy powder and ceramic particles are pre-mixed in an ultrasonic vibrator (the vibration frequency is 10-30 kHz, and the vibration mode is continuous or pulsed; the dispersion and pre-mixing time by ultrasonic vibration is 20-60 min). Then, the powders were mixed in a planetary mill for 12 hours. After that, the powder particles with a size of 15-50 μm are sifted to obtain the powder of the required fraction for subsequent melting. Melting mode: laser power 80-100 W, scanning speed 200-600 mm / s, overlap 0.08-0.1 mm. In addition, in the process of selective laser melting and molding of the part, the direction of each layer of laser beams is rotated by an angle of 5-60 degrees, to reduce the stress in the 3D printed part. The tensile strength of the alloy reaches 310-400 MPa, and compared with the cast Al-Si alloy, the alloy has a significant improvement. The disadvantage of this composition is the insufficiently high tensile strength of the final material.
Известен металлический композиционный алюминиевый порошок, применяемый в аддитивных технологиях (CN 107812941 В, опубл. 18.08.2020). Композиционный порошок содержит алюминиевый порошок как основной и один или несколько порошков Sc, Zr и Ti, массовый процент которых не превышает 6 масс. %. Предварительно порошковую смесь измельчают в планетарной мельнице при режиме 100-500 об/мин и времени обработки 1-8 ч. Затем порошок просеивают, чтобы получить размер частиц не больше 75 мкм. Параметры лазера, которым обрабатывается заготовка композиционного материала: мощность лазера 300-400 Вт, температура нагрева подложки 100-200°С, скорость сканирования 600-1000 мм/с. В результате структура конечного материала становится мелкодисперсной, так как добавки Sc, Zr и Ti способствуют ее измельчению и изменяют форму зерен со столбчатой на равноосную. Недостатком данного состава является недостаточная прочность конечного материала за счет лишь дисперсного упрочненияA metal composite aluminum powder used in additive technologies is known (CN 107812941 B, published on 18.08.2020). The composite powder contains aluminum powder as the main one and one or more Sc, Zr and Ti powders, the mass percentage of which does not exceed 6 mass%. The powder mixture is preliminarily ground in a planetary mill at a mode of 100-500 rpm and a processing time of 1-8 hours. Then the powder is sieved to obtain a particle size of no more than 75 μm. The parameters of the laser used to process the composite material workpiece: laser power 300-400 W, substrate heating temperature 100-200 ° C, scanning speed 600-1000 mm / s. As a result, the structure of the final material becomes finely dispersed, since the additives of Sc, Zr and Ti contribute to its grinding and change the shape of the grains from columnar to equiaxed. The disadvantage of this composition is the insufficient strength of the final material due to only dispersion hardening.
Известен металлический алюминиевый порошок для применения его в аддитивных технологиях (CN 105803271 В, опубл. 07.07.2017). Композиционный материал на основе доэвтектического силумина А1- Si, в котором содержание кремния не превышает 10,5% с добавками частиц редкоземельных металлов в количестве не более 0,8 масс. %, а также частицы порошков TiC/SiC. Общее количество упрочняющих частиц не должно превышать 4-6 масс. %. Предварительно порошок перемалывают в планетарной мельнице в атмосфере аргона в течение 4-8 часов со скоростью 250-350 об/мин. Параметры печати 3D-принтера: Мощность лазера составляет 100-130 Вт и толщина порошкового слоя 50 мкм. Предел прочности получаемых сплавов в среднем составляет 389-471 МПа. Недостатком данного метода является дороговизна керамических и редкоземельных частиц, а также недостаточно большой предел прочности.Metallic aluminum powder is known for its use in additive technologies (CN 105803271 B, published 07.07.2017). Composite material based on hypoeutectic silumin A1- Si, in which the silicon content does not exceed 10.5% with additives of rare earth metal particles in an amount of no more than 0.8 wt. %, as well as TiC / SiC powder particles. The total amount of reinforcing particles should not exceed 4-6 wt. %. The powder is pre-milled in a planetary mill in an argon atmosphere for 4-8 hours at a speed of 250-350 rpm. 3D printer printing parameters: Laser power is 100-130 W and powder layer thickness is 50 μm. The tensile strength of the resulting alloys is on average 389-471 MPa. The disadvantage of this method is the high cost of ceramic and rare earth particles, as well as the insufficient tensile strength.
Известен металлический алюминиевый порошок для применения его в аддитивных технологиях (CN 107299239 В, опубл. 03.09.2019). В основе композиционного материала лежит порошка алюминиевого сплава AlSi10Mg, а также частицы графена. Общая доля графена от конечной массы заготовки композиционного материала составляет 1-5 масс. %. Предварительно порошки алюминиевого сплава и графена смешивают с дегидратированным спиртом по отдельности и перемешивают в ультразвуковом смесителе в течение 2-5 часов. Затем оба получившихся раствора помещают в планетарную мельницу и перемалывают в течение 0,5-1,5 ч при температуре 5-10°С и скорости 150-250 об/мин. Затем с помощью центрифуги осушают получившийся порошок, а затем помещают в вакуумную печь для избавления от остатков спирта. При плавлении параметры лазера составляют мощность 180 Вт и скорость сканирования 1200 мм/с, каждый последующий слой печатается с поворотом лазерного луча на 67°. Заявлено, что предел прочности на растяжение повышается 80%, а предел прочности на сжатие - на 20%. Недостатком данного метода является дороговизна графена и длительное время получения заготовки композиционного материала.A metallic aluminum powder is known for its use in additive technologies (CN 107299239 B, published 03.09.2019). The composite material is based on the powder of the aluminum alloy AlSi10Mg, as well as graphene particles. The total proportion of graphene in the final mass of the composite material blank is 1-5 wt. %. First, the aluminum alloy and graphene powders are mixed separately with dehydrated alcohol and stirred in an ultrasonic mixer for 2-5 hours. Then both resulting solutions are placed in a planetary mill and ground for 0.5-1.5 hours at a temperature of 5-10 ° C and a speed of 150-250 rpm. Then the resulting powder is dried using a centrifuge, and then placed in a vacuum furnace to get rid of residual alcohol. When melting, the laser parameters are 180 W and a scanning speed of 1200 mm/s, each subsequent layer is printed with a 67° rotation of the laser beam. It is stated that the tensile strength increases by 80%, and the compressive strength by 20%. The disadvantage of this method is the high cost of graphene and the long time it takes to obtain a blank of the composite material.
Известен металлический алюминиевый порошок для применения его в аддитивных технологиях (CN 109759578 В, опубл. 23.11.2021). Композиционный материал содержит порошок алюминиевого сплава, относящегося к группе силуминов, 2% TiB2 и 1-3% SiC. Частицы порошка из алюминиевого сплава имеют сферическую форму, размер частиц составляет 15-53 мкм, частицы TiB2 имеют размер частиц 20-100 нм и средний размер частиц 50 нм; размер керамических частиц SiC составляет 300-500 нм. После подготовки навесок заготовок композиционного материала порошковые частицы перемалывают в планетарной мельнице в течение не менее 8 часов при скорости 200-500 об/мин. Затем в вакуумной печи производят сушку порошка при 60° и уже после используют его в печати. Основные параметры плавления порошка: мощность лазера 180 Вт, скорость сканирования 1000 мм/с и толщина слоя порошка 30 мкм, микротвердость полученного материала достигает 160 HV0.3. Недостатком этого метода и состава является недостаточно высокая твердость конечного материала при энерго- и ресурсозатратном процессе производства.A metallic aluminum powder is known for use in additive technologies (CN 109759578 B, published on 23.11.2021). The composite material contains aluminum alloy powder belonging to the silumin group, 2% TiB 2 and 1-3% SiC. The aluminum alloy powder particles are spherical, the particle size is 15-53 μm, the TiB 2 particles have a particle size of 20-100 nm and an average particle size of 50 nm; the size of ceramic SiC particles is 300-500 nm. After preparing the composite material blanks, the powder particles are ground in a planetary mill for at least 8 hours at a speed of 200-500 rpm. Then the powder is dried in a vacuum furnace at 60 ° and then used in printing. The main parameters of powder melting are: laser power of 180 W, scanning speed of 1000 mm/s and powder layer thickness of 30 μm, the microhardness of the obtained material reaches 160 HV0.3. The disadvantage of this method and composition is the insufficiently high hardness of the final material during the energy- and resource-intensive production process.
Задачей данного изобретения является повышение уровня характеристик механических свойств при комнатной и повышенной температурах за счет формирования карбидов как продуктов взаимодействия исходных компонентов в процессе лазерного плавления и снижение себестоимости композиционного материала за счет использования порошка сплава ВТ5 вместо порошка TiC.The objective of this invention is to increase the level of mechanical properties at room and elevated temperatures by forming carbides as products of the interaction of the initial components during laser melting and to reduce the cost of the composite material by using VT5 alloy powder instead of TiC powder.
Техническим результатом данного изобретения является обеспечение высокого уровня твердости при комнатной температуре (164-213 HV0.05) и температуре 200-400°С (195-213 HV0.05), что достигается за счет прохождения in-situ реакции между алюминием, титаном и карбидом кремния с образованием тугоплавких карбидов типа SiC и TiC.The technical result of this invention is to provide a high level of hardness at room temperature (164-213 HV 0.05 ) and a temperature of 200-400°C (195-213 HV0.05 ), which is achieved by passing an in-situ reaction between aluminum, titanium and silicon carbide with the formation of refractory carbides of the SiC and TiC types.
Указанный технический результат достигается следующим образом.The specified technical result is achieved as follows.
Алюминиевый композиционный материал для лазерного плавления содержит порошок алюминиевого сплава Al-Si и субмикронные керамические частицы SiC, причем он дополнительно содержит частицы титанового сплава ВТ5 при следующем соотношении компонентов, масс. %:The aluminum composite material for laser melting contains aluminum alloy powder Al-Si and submicron ceramic particles SiC, and it additionally contains particles of titanium alloy VT5 in the following ratio of components, mass %:
субмикронные керамические частицы SiC - 8,5-13,5;submicron ceramic particles SiC - 8.5-13.5;
титановый сплав марки ВТ5 - 12-15;titanium alloy grade VT5 - 12-15;
алюминиевый сплав Al-Si - 71,5-79,5.aluminum alloy Al-Si - 71.5-79.5.
Комплексное взаимодействие расплавленных лазером керамических частиц SiC и ВТ5 приводит к формированию дисперсных интерметаллидные фаз и эвтектики, состоящие из карбидов SiC, TiC, Al4SiC4, образование которых происходит in-situ в процессе расплавления порошков лазерным лучом. При этом энергозатраты на расплавление исходных частиц снижается по сравнению с аналогичными составами, содержащими TiC.The complex interaction of laser-melted ceramic particles of SiC and VT5 leads to the formation of dispersed intermetallic phases and eutectics consisting of carbides SiC, TiC, Al 4 SiC 4 , the formation of which occurs in-situ during the process of melting powders by a laser beam. At the same time, the energy consumption for melting the initial particles is reduced compared to similar compositions containing TiC.
Короткое время существования расплава и высокая скорость охлаждения при кристаллизации позволяет получить очень дисперсное строение эвтектики и интерметаллидов, что обеспечивает желаемую структуру алюминиевого композиционного материала с высоким уровнем прочностных свойств.The short lifetime of the melt and the high cooling rate during crystallization make it possible to obtain a very dispersed structure of the eutectic and intermetallics, which ensures the desired structure of the aluminum composite material with a high level of strength properties.
Технология плавления лазерным лучом позволяет расширить классический диапазон легирования алюминия керамическими частицами SiC и частицами сплава ВТ, принятый для порошковой технологии получения композиционных материалов, что обусловлено высокой скоростью охлаждения. В свою очередь это позволяет сформировать композиционный материал с однородной и очень дисперсной структурой и получить значительный прирост прочностных характеристик.The laser beam melting technology allows to expand the classical range of aluminum alloying with SiC ceramic particles and VT alloy particles, adopted for the powder technology of obtaining composite materials, which is due to the high cooling rate. In turn, this allows to form a composite material with a homogeneous and very dispersed structure and to obtain a significant increase in strength characteristics.
Способ получения композиционного материала для лазерного плавления заключается в смешивании исходных порошков алюминиевого сплава Al-Si с размером частиц 15-45 мкм, с керамическими частицами SiC с размером 5 мкм, и частицами сплава ВТ5 с размером 5-10 мкм с использованием пневматического смесителя. Пневматический смеситель представляет собой герметичное устройство, в котором происходит процесс смешивания порошков в кипящем слое при помощи потока аргона, который подается в камеру под давлением 2 атм при помощи компрессора с ресивером (компрессор закачивает аргон в камеру и создает нужное давление). Перемешивание происходит в течение 20 мин. Камера для перемешивания порошка представляет собой акриловую трубу с внутренним диаметром 46 мм, толщиной стенки 2 мм и общей длиной 500 мм. Конструкция верхнего узла представляет собой корпус, который надевается на трубу. Крепление корпуса к трубе осуществляется за счет гайки и резинового уплотнителя между гайкой и корпусом. Гайка обеспечивает прижим уплотнителя к трубе. При закручивании гайки коническая часть уплотнителя герметично прижимается к внутренней фаске корпуса, в результате чего происходит уменьшение внутреннего диаметра уплотнителя, что в свою очередь обеспечивает механическое соединение узла с трубой. Конструкция нижнего узла представляет собой герметичный корпус, который надевается на трубу и позволяет удерживать порошок внутри смесителя и имеет возможность подключения воздушного компрессора для создания воздушного потока. Соединение нижнего узла с установкой осуществляется за счет двух резиновых колец. В нижней части узла присутствует трубная резьба 3/4 дюйма, предназначенная для крепления переходника к пневматическому цанговому фитингу. После сборки и закрепления установки на штативе, к нижнему узлу подключается трубка воздушного компрессора с ресивером.The method for producing a composite material for laser melting involves mixing the initial powders of the Al-Si aluminum alloy with a particle size of 15-45 μm, with ceramic particles of SiC with a size of 5 μm, and particles of the VT5 alloy with a size of 5-10 μm using a pneumatic mixer. The pneumatic mixer is a sealed device in which the process of mixing powders in a fluidized bed occurs using an argon flow, which is fed into the chamber under a pressure of 2 atm using a compressor with a receiver (the compressor pumps argon into the chamber and creates the required pressure). Mixing occurs for 20 minutes. The powder mixing chamber is an acrylic tube with an internal diameter of 46 mm, a wall thickness of 2 mm and a total length of 500 mm. The design of the upper unit is a housing that is put on the pipe. The housing is fastened to the pipe by a nut and a rubber seal between the nut and the housing. The nut ensures the seal is pressed to the pipe. When the nut is tightened, the conical part of the seal is pressed tightly to the inner chamfer of the housing, resulting in a decrease in the internal diameter of the seal, which in turn ensures a mechanical connection of the unit to the pipe. The design of the lower unit is a sealed housing that is put on the pipe and allows you to hold the powder inside the mixer and has the ability to connect an air compressor to create an air flow. The connection of the lower unit to the unit is carried out by two rubber rings. In the lower part of the unit there is a 3/4 inch pipe thread designed to attach the adapter to the pneumatic collet fitting. After assembling and securing the unit on the tripod, the air compressor tube with the receiver is connected to the lower unit.
Лазерное плавление полученного композиционного материала осуществляют Nd:YAG - лазером с длиной волны излучения 1064 нм при следующих параметрах: напряжение питания лазера 200-240 В, длительность импульса - 10 мс, скорость сканирования - 0,25 мм/с, перекрытие - 0,1 мм. Фокусное расстояние - 10 см. В качестве защитной атмосферы используют аргон высокой чистоты (марки 5.5).Laser melting of the obtained composite material is carried out by a Nd:YAG laser with a radiation wavelength of 1064 nm under the following parameters: laser supply voltage of 200-240 V, pulse duration of 10 ms, scanning speed of 0.25 mm/s, overlap of 0.1 mm. Focal length is 10 cm. High-purity argon (grade 5.5) is used as a protective atmosphere.
Структура после лазерного плавления композиционного материала характеризуется высокой однородностью и дисперсностью структурных составляющих. Благодаря расплавлению частиц порошка сплава ВТ5 формируется ультрамелкая фазы TiC, что приводит к значительному росту прочностных характеристик. Карбид кремния (SiC) способствует формированию игольчатой фазы, обогащенной кремнием, титаном и алюминием, длиной до 5 мкм. Высокая дисперсность структурных составляющих и их однородное распределение по объему композиционного материала обеспечивает высокий уровень твердости. Однородность структуры и чистота порошка обеспечивается равномерным смешиванием исходных компонентов с использованием пневматического смесителя в среде аргона.The structure after laser melting of the composite material is characterized by high homogeneity and dispersion of structural components. Due to the melting of the VT5 alloy powder particles, an ultra-fine TiC phase is formed, which leads to a significant increase in strength characteristics. Silicon carbide (SiC) contributes to the formation of a needle phase enriched with silicon, titanium and aluminum, up to 5 μm long. High dispersion of structural components and their uniform distribution throughout the volume of the composite material ensures a high level of hardness. Homogeneity of the structure and purity of the powder are ensured by uniform mixing of the original components using a pneumatic mixer in an argon environment.
Пример 1Example 1
Химический состав алюминиевого сплава Al-Si, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2 под названием А. Состав применяемого сплава марки ВТ5 приведен в таблице 3. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.The chemical composition of the aluminum alloy Al-Si used to obtain the aluminum matrix composite is given in Table 1. The composition of the aluminum matrix composite is given in Table 2 under the name A. The composition of the VT5 alloy used is given in Table 3. The composite material was obtained using the technology described above.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 200 В, длительности импульса 12 мс, скорости сканирования 1 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Процесс плавления происходил при комнатной температуре. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью, однако на треке видны границы ванны расплава, что никак не влияет на равномерное и полное расплавление тугоплавких карбидных частиц. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Первичная фаза кремния равномерно распределена по всему объему материала и ее размер составляет менее 1 мкм. Частицы TiC фазы равномерно распределены по всему объему, их размер составляет порядка 0,5 мкм.The obtained powder was subjected to laser melting at a laser radiation power of 200 V, a pulse duration of 12 ms, a scanning speed of 1 mm/s, and an overlap of 0.2 mm. The melting process took place at room temperature. The structure of the material after laser melting is characterized by high dispersion, but the boundaries of the melt pool are visible on the track, which does not affect the uniform and complete melting of refractory carbide particles. The latter is achieved due to uniform mixing of the original powders in a pneumatic mixer. The primary silicon phase is uniformly distributed throughout the volume of the material and its size is less than 1 μm. TiC phase particles are uniformly distributed throughout the volume, their size is about 0.5 μm.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 213 HV0.05.The hardness was determined directly after laser melting without preliminary annealing. The hardness of the aluminum composite material is 213 HV 0.05 .
Пример 2Example 2
Химический состав алюминиевого сплава Al-Si, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2 под названием А. Состав применяемого сплава марки ВТ5 приведен в таблице 3. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.The chemical composition of the aluminum alloy Al-Si used to obtain the aluminum matrix composite is given in Table 1. The composition of the aluminum matrix composite is given in Table 2 under the name A. The composition of the VT5 alloy used is given in Table 3. The composite material was obtained using the technology described above.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 200 В, длительности импульса 12 мс, скорости сканирования 1 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Процесс плавления происходил при комнатной температуре. Структура материала после 12-часового отжига при температуре 400°С после лазерного плавления характеризуется чуть менее высокой дисперсностью по сравнению со структурой до отжига. Первичная фаза кремния равномерно распределена по всему объему материала и ее размер составляет более 1 мкм. Частицы TiC фазы равномерно распределены по всему объему.The obtained powder was subjected to laser melting at a laser radiation power of 200 V, a pulse duration of 12 ms, a scanning speed of 1 mm/s, and an overlap of 0.2 mm. The melting process took place at room temperature. The structure of the material after 12-hour annealing at a temperature of 400 °C after laser melting is characterized by slightly lower dispersion compared to the structure before annealing. The primary silicon phase is uniformly distributed throughout the volume of the material and its size is more than 1 μm. TiC phase particles are uniformly distributed throughout the volume.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления и 12-часового отжига при 400°С. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 159 HV0.05.The hardness was determined immediately after laser melting and 12-hour annealing at 400°C. The hardness of the aluminum composite material is 159 HV 0.05 .
Пример 3Example 3
Химический состав алюминиевого сплава Al-Si, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2 под названием А. Состав применяемого сплава марки ВТ5 приведен в таблице 3. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.The chemical composition of the aluminum alloy Al-Si used to obtain the aluminum matrix composite is given in Table 1. The composition of the aluminum matrix composite is given in Table 2 under the name A. The composition of the VT5 alloy used is given in Table 3. The composite material was obtained using the technology described above.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 300 В, длительности импульса 12 мс, скорости сканирования 1 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Процесс плавления происходил при температуре 400°С. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью, однако на треке видны границы ванны расплава, что никак не влияет на равномерное и полное расплавление тугоплавких карбидных частиц. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Первичная фаза кремния равномерно распределена по всему объему материала и ее размер составляет 1 мкм. За счет высокой температуры подложки в процессе лазерного плавления достигается снижение скорости охлаждения, что приводит к увеличению объемной доли и среднего размера синтезируемых в процессе реакции in-situ частиц TiC.The obtained powder was subjected to laser melting at a laser radiation power of 300 V, a pulse duration of 12 ms, a scanning speed of 1 mm/s, and an overlap of 0.2 mm. The melting process took place at a temperature of 400 °C. The structure of the material after laser melting is characterized by high dispersion, but the boundaries of the melt pool are visible on the track, which does not affect the uniform and complete melting of refractory carbide particles. The latter is achieved due to uniform mixing of the original powders in a pneumatic mixer. The primary silicon phase is uniformly distributed throughout the volume of the material and its size is 1 μm. Due to the high temperature of the substrate during laser melting, a decrease in the cooling rate is achieved, which leads to an increase in the volume fraction and average size of TiC particles synthesized during the in-situ reaction.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 157 HV0.05.The hardness was determined directly after laser melting without preliminary annealing. The hardness of the aluminum composite material is 157 HV 0.05 .
Пример 4Example 4
Химический состав алюминиевого сплава Al-Si, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2 под названием А. Состав применяемого сплава марки ВТ5 приведен в таблице 3. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.The chemical composition of the aluminum alloy Al-Si used to obtain the aluminum matrix composite is given in Table 1. The composition of the aluminum matrix composite is given in Table 2 under the name A. The composition of the VT5 alloy used is given in Table 3. The composite material was obtained using the technology described above.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 300 В, длительности импульса 12 мс, скорости сканирования 1 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Процесс плавления происходил при температуре 400°С. Структура материала после 12-часового отжига при температуре 400°С характеризуется менее чуть менее высокой дисперсностью по сравнению со структурой до отжига, однако это никак не влияет на равномерное и полное расплавление тугоплавких карбидных частиц. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Первичная фаза кремния равномерно распределена по всему объему материала и ее размер составляет 2-3 мкм. За счет высокой температуры подложки в процессе лазерного плавления достигается снижение скорости охлаждения, что приводит к увеличению объемной доли и среднего размера синтезируемых в процессе реакции in-situ частиц TiC.The obtained powder was subjected to laser melting at a laser radiation power of 300 V, a pulse duration of 12 ms, a scanning speed of 1 mm/s, and an overlap of 0.2 mm. The melting process took place at a temperature of 400 °C. The structure of the material after 12-hour annealing at a temperature of 400 °C is characterized by a slightly lower dispersion compared to the structure before annealing, but this does not affect the uniform and complete melting of refractory carbide particles. The latter is achieved due to uniform mixing of the original powders in a pneumatic mixer. The primary silicon phase is uniformly distributed throughout the volume of the material and its size is 2-3 μm. Due to the high temperature of the substrate during laser melting, a decrease in the cooling rate is achieved, which leads to an increase in the volume fraction and average size of TiC particles synthesized during the in-situ reaction.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления и 12-часового отжига при 400°С. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 157 HV0.05.The hardness was determined immediately after laser melting and 12-hour annealing at 400°C. The hardness of the aluminum composite material is 157 HV 0.05 .
Пример 5Example 5
Химический состав алюминиевого сплава Al-Si, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2 под названием F. Состав применяемого сплава марки ВТ5 приведен в таблице 3. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.The chemical composition of the aluminum alloy Al-Si used to obtain the aluminum matrix composite is given in Table 1. The composition of the aluminum matrix composite is given in Table 2 under the name F. The composition of the VT5 alloy used is given in Table 3. The composite material was obtained using the technology described above.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 200 В, длительности импульса 12 мс, скорости сканирования 1 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Процесс плавления происходил при комнатной температуре. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью, однако на треке видны границы ванны расплава, что никак не влияет на равномерное и полное расплавление тугоплавких карбидных частиц. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Первичная фаза кремния равномерно распределена по всему объему материала и ее размер составляет менее 1 мкм. Частицы TiC фазы равномерно распределены по всему объему, их размер составляет порядка 1 мкм.The obtained powder was subjected to laser melting at a laser radiation power of 200 V, a pulse duration of 12 ms, a scanning speed of 1 mm/s, and an overlap of 0.2 mm. The melting process took place at room temperature. The structure of the material after laser melting is characterized by high dispersion, but the boundaries of the melt pool are visible on the track, which does not affect the uniform and complete melting of refractory carbide particles. The latter is achieved due to uniform mixing of the original powders in a pneumatic mixer. The primary silicon phase is uniformly distributed throughout the volume of the material and its size is less than 1 μm. TiC phase particles are uniformly distributed throughout the volume, their size is about 1 μm.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 162 HV0.05.The hardness was determined directly after laser melting without preliminary annealing. The hardness of the aluminum composite material is 162 HV 0.05 .
Пример 6Example 6
Химический состав алюминиевого сплава Al-Si, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2 под названием F. Состав применяемого сплава марки ВТ5 приведен в таблице 3. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.The chemical composition of the aluminum alloy Al-Si used to obtain the aluminum matrix composite is given in Table 1. The composition of the aluminum matrix composite is given in Table 2 under the name F. The composition of the VT5 alloy used is given in Table 3. The composite material was obtained using the technology described above.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 300 В, длительности импульса 12 мс, скорости сканирования 1 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Процесс плавления происходил при температуре 400°С. Структура материала после 12-часового отжига при температуре 400°С характеризуется менее чуть менее высокой дисперсностью по сравнению со структурой до отжига, однако это никак не влияет на равномерное и полное расплавление тугоплавких карбидных частиц. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Первичная фаза кремния равномерно распределена по всему объему материала и ее размер составляет 2-3 мкм. За счет высокой температуры подложки в процессе лазерного плавления достигается снижение скорости охлаждения, что приводит к увеличению объемной доли и среднего размера синтезируемых в процессе реакции in-situ частиц TiC.The obtained powder was subjected to laser melting at a laser radiation power of 300 V, a pulse duration of 12 ms, a scanning speed of 1 mm/s, and an overlap of 0.2 mm. The melting process took place at a temperature of 400 °C. The structure of the material after 12-hour annealing at a temperature of 400 °C is characterized by a slightly lower dispersion compared to the structure before annealing, but this does not affect the uniform and complete melting of refractory carbide particles. The latter is achieved due to uniform mixing of the original powders in a pneumatic mixer. The primary silicon phase is uniformly distributed throughout the volume of the material and its size is 2-3 μm. Due to the high temperature of the substrate during laser melting, a decrease in the cooling rate is achieved, which leads to an increase in the volume fraction and average size of TiC particles synthesized during the in-situ reaction.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления и 12-часового отжига при 400°С. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 153 HV0.05.The hardness was determined immediately after laser melting and 12-hour annealing at 400°C. The hardness of the aluminum composite material is 153 HV 0.05 .
Пример 7Example 7
Химический состав алюминиевого сплава Al-Si, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2 под названием F. Состав применяемого сплава марки ВТ5 приведен в таблице 3. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.The chemical composition of the aluminum alloy Al-Si used to obtain the aluminum matrix composite is given in Table 1. The composition of the aluminum matrix composite is given in Table 2 under the name F. The composition of the VT5 alloy used is given in Table 3. The composite material was obtained using the technology described above.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 300 В, длительности импульса 10 мс, скорости сканирования 0,25 мм/с, перекрытии 0,1 мм. Процесс плавления происходил при температуре 400°С. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью, однако на треке видны границы ванны расплава, что никак не влияет на равномерное и полное расплавление тугоплавких карбидных частиц. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Первичная фаза кремния равномерно распределена по всему объему материала и ее размер составляет 3 мкм. Частицы TiC фазы равномерно распределены по всему объему, их размер составляет порядка 2-3 мкм. Однако из-за сниженной скорости кристаллизации размер структурных составляющих больше, чем в предыдущем примере аналогичного состава, что ведет к снижению значений твердости материала.The obtained powder was subjected to laser melting at a laser radiation power of 300 V, a pulse duration of 10 ms, a scanning speed of 0.25 mm/s, and an overlap of 0.1 mm. The melting process took place at a temperature of 400 °C. The structure of the material after laser melting is characterized by high dispersion, but the boundaries of the melt pool are visible on the track, which does not affect the uniform and complete melting of refractory carbide particles. The latter is achieved due to uniform mixing of the original powders in a pneumatic mixer. The primary silicon phase is uniformly distributed throughout the volume of the material and its size is 3 μm. TiC phase particles are uniformly distributed throughout the volume, their size is about 2-3 μm. However, due to the reduced crystallization rate, the size of the structural components is larger than in the previous example of a similar composition, which leads to a decrease in the hardness values of the material.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 185 HV0.05.The hardness was determined directly after laser melting without preliminary annealing. The hardness of the aluminum composite material is 185 HV 0.05 .
Пример 8Example 8
Химический состав алюминиевого сплава Al-Si, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2 под названием F. Состав применяемого сплава марки ВТ5 приведен в таблице 3. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.The chemical composition of the aluminum alloy Al-Si used to obtain the aluminum matrix composite is given in Table 1. The composition of the aluminum matrix composite is given in Table 2 under the name F. The composition of the VT5 alloy used is given in Table 3. The composite material was obtained using the technology described above.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 300 В, длительности импульса 12 мс, скорости сканирования 1 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Процесс плавления происходил при температуре 400°С. Структура материала после 12-часового отжига при температуре 400°С характеризуется менее чуть менее высокой дисперсностью по сравнению со структурой до отжига, однако это никак не влияет на равномерное и полное расплавление тугоплавких карбидных частиц. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Первичная фаза кремния равномерно распределена по всему объему материала и ее размер составляет 2-5 мкм. За счет высокой температуры подложки в процессе лазерного плавления достигается снижение скорости охлаждения, что приводит к увеличению объемной доли и среднего размера синтезируемых в процессе реакции in-situ частиц TiC.The obtained powder was subjected to laser melting at a laser radiation power of 300 V, a pulse duration of 12 ms, a scanning speed of 1 mm/s, and an overlap of 0.2 mm. The melting process took place at a temperature of 400 °C. The structure of the material after 12-hour annealing at a temperature of 400 °C is characterized by a slightly lower dispersion compared to the structure before annealing, but this does not affect the uniform and complete melting of refractory carbide particles. The latter is achieved due to uniform mixing of the original powders in a pneumatic mixer. The primary silicon phase is uniformly distributed throughout the volume of the material and its size is 2-5 μm. Due to the high temperature of the substrate during laser melting, a decrease in the cooling rate is achieved, which leads to an increase in the volume fraction and average size of TiC particles synthesized during the in-situ reaction.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления и 12-часового отжига при 400°С. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 130 HV0.05.The hardness was determined immediately after laser melting and 12-hour annealing at 400°C. The hardness of the aluminum composite material is 130 HV 0.05 .
Данные примеры показывают также экономическую выгоду в использовании порошка марки ВТ5 в составе алюминиевого композиционного материала, так как его стоимость практически в 2 раза меньше стоимости порошка TiC. Также энергетически более выгодно применять порошок сплава ВТ5, температура плавления которого составляет 1668°С, в то время как температура плавления TiC составляет 3260°С.These examples also show the economic benefit of using VT5 grade powder in the aluminum composite material, since its cost is almost 2 times less than the cost of TiC powder. It is also energetically more advantageous to use VT5 alloy powder, the melting point of which is 1668°C, while the melting point of TiC is 3260°C.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2840530C1 true RU2840530C1 (en) | 2025-05-26 |
Family
ID=
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996034991A1 (en) * | 1995-05-02 | 1996-11-07 | The University Of Queensland | Aluminium alloy powder blends and sintered aluminium alloys |
| KR100257479B1 (en) * | 1997-12-22 | 2000-06-01 | 원창환 | Method for forming al2o3-sic-tic composite powder by self-propagating high-temperature synthesis |
| RU2246379C1 (en) * | 2004-02-25 | 2005-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method for producing composition material |
| RU2440433C1 (en) * | 2010-10-22 | 2012-01-20 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Aluminium-based nanostructure composite material |
| RU2573309C1 (en) * | 2014-07-08 | 2016-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of production of composite reinforced powder material |
| CN111235417A (en) * | 2020-01-15 | 2020-06-05 | 华南理工大学 | A high-performance aluminum matrix composite material based on laser selective melting and forming and its preparation method |
| US11052460B2 (en) * | 2017-02-01 | 2021-07-06 | Hrl Laboratories, Llc | Methods for nanofunctionalization of powders, and nanofunctionalized materials produced therefrom |
| CN109759578B (en) * | 2019-01-28 | 2021-11-23 | 华南理工大学 | Aluminum-based composite powder for 3D printing assembled and modified by two types of ultrafine ceramic particles and preparation method and application thereof |
| US11286543B2 (en) * | 2017-02-01 | 2022-03-29 | Hrl Laboratories, Llc | Aluminum alloy components from additive manufacturing |
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996034991A1 (en) * | 1995-05-02 | 1996-11-07 | The University Of Queensland | Aluminium alloy powder blends and sintered aluminium alloys |
| KR100257479B1 (en) * | 1997-12-22 | 2000-06-01 | 원창환 | Method for forming al2o3-sic-tic composite powder by self-propagating high-temperature synthesis |
| RU2246379C1 (en) * | 2004-02-25 | 2005-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method for producing composition material |
| RU2440433C1 (en) * | 2010-10-22 | 2012-01-20 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Aluminium-based nanostructure composite material |
| RU2573309C1 (en) * | 2014-07-08 | 2016-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of production of composite reinforced powder material |
| US11052460B2 (en) * | 2017-02-01 | 2021-07-06 | Hrl Laboratories, Llc | Methods for nanofunctionalization of powders, and nanofunctionalized materials produced therefrom |
| US11286543B2 (en) * | 2017-02-01 | 2022-03-29 | Hrl Laboratories, Llc | Aluminum alloy components from additive manufacturing |
| CN109759578B (en) * | 2019-01-28 | 2021-11-23 | 华南理工大学 | Aluminum-based composite powder for 3D printing assembled and modified by two types of ultrafine ceramic particles and preparation method and application thereof |
| CN111235417A (en) * | 2020-01-15 | 2020-06-05 | 华南理工大学 | A high-performance aluminum matrix composite material based on laser selective melting and forming and its preparation method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10710156B2 (en) | Process for additive manufacturing of parts by melting or sintering particles of powder(s) using a high-energy beam with powders adapted to the targeted process/material pair | |
| Konstantinov et al. | Ti-B-based composite materials: Properties, basic fabrication methods, and fields of application | |
| US9222158B2 (en) | Method of producing particulate-reinforced composites and composites produced thereby | |
| CN1198780A (en) | One-step synthesis and densification of ceramic-ceramic and ceramic-metal composites | |
| CN1410585A (en) | High-toughness high-strength ferritic steel and its producing method | |
| CN112775440A (en) | Selective laser melting aluminum alloy and additive manufacturing method | |
| JP7771405B2 (en) | Additive Friction Stir Deposition onto Cold-Sprayed Barrier Layers | |
| Wu et al. | Additive manufacturing of heat-resistant aluminum alloys: a review | |
| CN1030447A (en) | Rapid Solidification Silicon-Containing Al-Based Alloys for High Temperature Applications | |
| Ponhan et al. | Enhanced microstructures, mechanical properties, and machinability of high performance ADC12/SiC composites fabricated through the integration of a master pellet feeding approach and ultrasonication-assisted stir casting | |
| CN113600833A (en) | Grain refinement method for modifying Al-Cu alloy based on ultrasonic treatment assisted laser 3D printing nano particles | |
| CN113199027B (en) | A kind of nano-Al4C3 reinforced aluminum matrix composite material and preparation method thereof | |
| RU2840530C1 (en) | Aluminium composite material for laser melting | |
| CN112593111A (en) | Carbide nanoparticle modified aluminum-based nanocomposite and preparation method thereof | |
| Li et al. | Two kinds of α/β phase transformations and enhanced strengths of the bonded interface in laminated Ti alloys | |
| JP2019037992A (en) | Grain refiner for casting containing heterogeneous core particles in high concentration and method for producing the same | |
| Sun et al. | Transient liquid phase bonding of magnesium alloy (Mg–3Al–1Zn) using copper interlayer | |
| Kondoh et al. | Solid-state recycle processing for magnesium alloy waste via direct hot forging | |
| Nath et al. | SHS amidst other new processes for in-situ synthesis of Al-matrix composites: A review | |
| JPH11209839A (en) | High-strength aluminum alloy powder excellent in workability, preform and molding method thereof, and method of manufacturing high-strength aluminum alloy member | |
| Zhuo et al. | Effects of trace boron addition and different arc types on microstructure and mechanical properties of TC11/TC17 dual alloy fabricated by wire arc additive manufacturing | |
| JPH0578762A (en) | Tial-based composite material having excellent strength and its production | |
| RU2831668C1 (en) | Aluminium composite material reinforced by sic/tic, for laser melting and method of obtaining thereof | |
| Gholamzadeh et al. | Processing of Ultrafine/nano-grained microstructures through additive manufacturing techniques: a critical review | |
| Li et al. | Effect of SiCp volume fraction on the microstructure and tensile properties of SiCp/2024 Al-based composites prepared by powder thixoforming |