Содержание к диссертации
Введение
1. Оборудование и технологии аддитивного лазерного производства металлических изделий 12
1.1. Виды лазерных аддитивных технологий 12
1.1.1. Технологии послойного синтеза изделий локальным источником нагрева 13
1.1.2. Оборудование и материалы для послойного синтеза металлических изделий 19
1.1.2.1. Состояние рынка машин 19
1.1.2.2. Порошковые металлические материалы для машин СЛП 28
1.1.3. Опыт применения медных порошковых материалов при СЛП 32
1.1.4. Особенности изделий, полученных методом СЛП 36
1.2. Способы обработки порошка механическим воздействием 37
1.2.1. Основные процессы, происходящие при измельчении порошка 38
1.2.2. Оборудование для измельчения порошка 39
1.3. Производство функциональных металлических изделий методом СЛП 41
1.3.1. Изготовление пресс-форм методом СЛП 41
1.3.2. Получение изделий с изменяющимися свойствами по объему 45
1.4. Выводы по главе 1 и постановка задач исследования 49
2. Объекты и методы исследования 53
2.1. Изготовление объемных образцов из медного порошка 54
2.2. Оборудование для механической обработки порошка 56
2.3. Оборудование для определения механических свойств образцов 57
2.4. Методика проведения экспериментов 59
2.4.1. Определение теплофизических характеристик порошковых материалов методом импульсного теплового воздействия 60
2.4.2. Определение пористости сплавленных образцов 63
2.5. Планирование и обработка результатов эксперимента 65
2.6. Выводы по главе 2 69
3. Разработка экспериментальной установки селективного лазерного плавления ВАРИСКАФ-100МВС 70
3.1. Конструкция рабочей камеры установки СЛП ВАРИСКАФ-100МВС 70
3.2. Технологические особенности работы установки СЛП ВАРИСКАФ-100МВС 76
3.3. Выводы по главе 3 83
4. Разработка методики определения диапазона основных технологических параметров СЛП на основе модельных тепловых расчетов 84
4.1. Методы моделирования процесса СЛП 84
4.2. Отечественный и зарубежный опыт моделирования СЛП 93
4.3. Тепловая модель СЛП медного порошка ПМС-1 96
4.4. Методика оценки диапазона значений основных технологических режимов СЛП для синтеза изделий из медного порошка ПМС-1 102
4.5. Выводы по главе 4 110
5. Исследование влияния режимов селективного лазерного плавления на предел прочности и пористость образцов, изготовленных из медных порошков ПМС-1 и ММП-1.5 112
5.1. Влияние режимов обработки порошка ПМС-1 в планетарной мельнице АГО-2С на его свойства 112
5.2. Влияние режимов СЛП на предел прочности и пористость образцов 117
5.2.1. Определение зависимости предела прочности при сжатии образцов из порошка марки ПМС-1 от технологических режимов процесса СЛП 117
5.2.2. Определение зависимости пористости сплавленных образцов из порошка марки ПМС-1 от технологических режимов процесса СЛП 125
5.2.3. Определение математической зависимости предела прочности на сжатие образцов из порошка ММП-1.5 от технологических режимов СЛП 129
5.2.4. Определение математической зависимости пористости сплавленных образцов из порошка ММП-1.5 от технологических режимов процесса СЛП 133
5.3. Выводы по главе 5 137
6. Определение рациональных технологических режимов селективного лазерного плавления медного порошка ПМС-1 139
6.1. Степень влияния технологических параметров СЛП на предел прочности и пористость образцов из медного порошка ПМС-1 139
6.2. Определение схемы сканирования лазерным лучем при СЛП 148
6.3. Определение рациональных режимов сплавления 154
6.4. Выводы по главе 6 159
Заключение 161
Список литературы 163
Приложение 1 186
- Опыт применения медных порошковых материалов при СЛП
- Технологические особенности работы установки СЛП ВАРИСКАФ-100МВС
- Тепловая модель СЛП медного порошка ПМС-1
- Определение схемы сканирования лазерным лучем при СЛП
Введение к работе
Актуальность работы. В современных рыночных условиях для обеспечения конкурентоспособности предприятия необходимо значительное сокращение времени изготовления новой продукции. Соответствовать данным условиям современного рынка позволяют аддитивные технологии за счет возможности создания изделия любой геометрической сложности с заданной точностью без затрат на изготовление технологической оснастки.
Среди большого разнообразия видов технологий аддитивного производства особое место занимает технология селективного лазерного плавления – СЛП (Selective Laser Melting – SLM), при которой формирование объемного изделия происходит путем последовательного послойного наплавления металлического порошка под воздействием лазерного излучения. Интеграция СЛП в традиционный технологический процесс изготовления литейной оснастки, пресс-форм и формообразующих вставок из меди для мелкосерийного, штучного и опытного производства позволяет значительно сократить временные и трудовые затраты, а также получать изделия заданной формы, исключив использование специальной инструментальной оснастки с минимальной механической постобработкой либо вообще без нее.
Степень разработанности темы исследования. В России и за рубежом исследованием технологии получения изделий методом СЛП занимались ученые: И.В. Шишковский, И.Ю. Смуров, Е.В. Харанжевский, И.А. Ядроитцев, А.А. Сапрыкин, J.P. Kruth, D. Gu, N.K. Roy и другие. Анализ литературных источников показал, что изделия, полученные в процессе СЛП, в большинстве случаев обладают анизотропными механическими свойствами относительно сплавленных слоев, что не всегда является приемлемым. Большинство исследований направлены на изучение влияния основных технологических параметров СЛП (мощность лазерного излучения, скорость сканирования, толщина насыпаемого слоя порошка) на пористость полученных изделий и их предел прочности. При этом зарубежные компании-производители оборудования СЛП зачастую не раскрывают технологические режимы процесса СЛП, в том числе и характеристики используемых дорогостоящих «фирменных» порошковых материалов. Поэтому разработка оборудования и технологических решений получения функциональных изделий методом СЛП с использованием порошковых материалов отечественного производства, установление рациональных технологических режимов для формирования изделий с прогнозируемыми механическими свойствами и пористостью представляет собой актуальную задачу.
Целью диссертационной работы является разработка и изготовление оборудования СЛП, разработка методики изготовления функциональных изделий с прогнозируемыми механическими свойствами из медного несферического порошка путем установления рациональных технологических режимов СЛП.
Задачи исследования
1. Разработать конструкцию и изготовить экспериментальную установку
СЛП, позволяющую проводить широкий спектр исследований синтеза изделий из
металлических порошковых материалов в условиях защитной газовой атмосферы
или глубокого вакуума.
-
Изучить влияние предварительной обработки медного порошка в мельнице-активаторе планетарного типа на размеры и форму частиц, насыпную плотность, теплофизические характеристики объема порошка и на предел прочности и пористость образцов, полученных СЛП.
-
Исследовать процесс плавления медного несферического порошка марки ПМС-1 под воздействием лазерного излучения при различных значениях основных параметров процесса СЛП: мощности лазерного излучения, скорости перемещения пятна лазера и толщины порошкового слоя.
-
Разработать методику предварительной оценки диапазона технологических режимов СЛП на основе математического моделирования процесса плавления медного порошка под воздействием движущегося лазерного луча с учетом тепло-физических характеристик объема порошка.
-
Получить панель экспериментальных образцов методом СЛП из медного порошка в состоянии поставки и после обработки в планетарной мельнице.
-
Получить регрессионные зависимости предела прочности и пористости изделия от основных технологических режимов СЛП.
7. Определить рациональные технологические режимы СЛП (мощность ла
зерного излучения, скорость сканирования, толщина порошкового слоя, схема
сканирования, температура порошка, диаметр пятна лазера) медного порошка для
формирования изделий с прогнозируемыми механическими свойствами.
Научная новизна работы
1. Предложена методика определения диапазона основных технологических параметров СЛП: мощности лазерного излучения, скорости сканирования и толщины порошкового слоя, на основе математических модельных расчетов процесса СЛП с учетом теплофизических параметров порошкового материала.
-
Численным моделированием установлен диапазон значений основных технологических параметров СЛП, при котором в процессе плавления объема порошка под воздействием лазерного излучения формируется область температур, превышающая температуру плавления порошкового материала, определяющая геометрию зоны плавления, ширину и толщину сплавленного трека.
-
Статистической обработкой экспериментальных данных получены эмпирические зависимости предела прочности и величины пористости сплавленных образцов от основных технологических параметров СЛП, позволившие определить факторы (толщина слоя порошка, мощность лазерного излучения), оказывающие наибольшее влияние на увеличение предела прочности и уменьшение пористости в образцах, а также технологические условия СЛП, при которых получаемые изделия обладают максимальным изотропным пределом прочности и минимальной пористостью.
Практическая значимость работы
1. Разработана и изготовлена экспериментальная установка послойного лазерно
го синтеза изделий ВАРИСКАФ-100МВС с системой создания защитной газовой ат
мосферы по схеме «глубокий вакуум-наполнение аргоном», позволяющая реализовы-
вать экспериментальные исследования с любыми видами порошковых материалов
различного химического состава в условиях глубокого вакуума либо в защитной ат
мосфере, проводить дегазацию и удаление влаги из порошка непосредственно перед
началом синтеза, а также управлять основными технологическими параметрами СЛП.
-
Разработана и рекомендована для практического применения методика предварительной оценки диапазона значений технологических режимов лазерного воздействия для синтеза изделий из медного порошка ПМС-1.
-
Разработаны технологические рекомендации по формированию методом СЛП объемных изделий с изотропным пределом прочности и пористостью из медного порошка отечественного производства марки ПМС-1.
-
Определены условия предварительной механической обработки медного порошка в мельнице-активаторе планетарного типа, позволяющие получить квазиравноосную форму частиц медного порошка ПМС-1 и увеличить его насыпную плотность.
-
Разработаны рекомендации по выбору схемы сканирования лазерным лучом поверхности порошкового материала с разбиением зоны сканирования на подобласти, позволяющей полностью избавиться от дефектов, связанных с расплавлением частиц порошка вне зоны сканирования.
-
Определены рациональные технологические режимы СЛП, на основе кото-
рых разработана и внедрена в производство методика изготовления изделий из медного порошка ПМС-1 на примере формообразующих медных вставок пресс-форм для изготовления литейных восковых моделей.
Методы исследования. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях с использованием современных методов и аналитических приборов. Реализация процесса СЛП проводилась на разработанной и изготовленной экспериментальной установке ВАРИСКАФ-100МВС. Оценка изменения предела механической прочности образцов реализовывалась на настольной универсальной испытательной системе с двумя колоннами INSTRON 5966. Механическая обработка медного порошка ПМС-1 осуществлялась на планетарной шаровой мельнице АГО-2С. Анализ структуры образцов проводился с помощью оптической микроскопии. Математические зависимости получены на основе теории планирования эксперимента. Тепловые модели процесса СЛП получены методом конечных элементов с использованием современного математического пакета COMSOL Multiphysics.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальная установка селективного лазерного плавления ВАРИ-СКАФ-100МВС с предварительным прогревом и вакуумированием камеры для синтеза изделий из металлических порошковых материалов, обладающих высоким химическим сродством к кислороду.
-
Результаты экспериментального исследования медного порошка ПМС-1 подвергнутого предварительной обработки в планетарной мельнице, приводящие к увеличению насыпной плотности, снижению теплопроводности и уменьшению размера частиц порошка, позволяющие получать квазиравноосный медный порошок без использования методов атомизации.
-
Математические зависимости предела прочности и пористости изделия из медного порошка от основных технологических параметров СЛП (мощность лазерного излучения, скорость сканирования, толщина слоя порошка), позволяющие определить технологические условия формирования изделий из порошка ПМС-1 с максимальным значением изотропного предела прочности и минимальной пористостью.
-
Технологические рекомендации и методика изготовления изделий с изотропным пределом прочности методом СЛП из отечественного медного порошка несферической формы марки ПМС-1.
Достоверность. Основные научные положения, результаты и выводы, представленные в диссертационной работе, подтверждены результатами эксперимен-
тов, апробацией основных результатов исследования на научно-технических конференциях разного уровня, актом внедрения. Воспроизводимость и достоверность экспериментов подтверждена результатами статистической обработки данных, а также сходимостью с аналогичными результатами других авторов.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследования внедрены на ООО «Юргинский машзавод», г. Юрга Кемеровской области.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 5-й Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» – г. Юрга (2014г.), Первой Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы в машиностроении» – г. Новосибирск (2014г.), Международной научно-технической конференции «Beam Technologies and Laser Application» – Санкт-Петербург (2015г.), Международной конференции «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» – Москва (2015г.), Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» – г. Томск (2015 г.), Международном семинаре по междисциплинарным проблемам в аддитивных технологиях «Problems of Materials Science in Additive Technologies» – г. Томск (2015г.), на кафедре «Металлургия черных металлов» Юргинского технологического института.
Публикации. По основным результатам исследования и содержанию работы опубликовано 19 печатных работ. Из них 3 – в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, 9 – в зарубежных изданиях входящих в базы Scopus и WoS.
Личный вклад автора заключается в разработке и техническом усовершенствовании экспериментального оборудования, планировании, постановке и проведении экспериментов, обработке, обобщении и анализе полученных результатов, подготовке публикаций по тематике данной работы и формулировке основных положений и выводов, выносимых на защиту.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, заключения и списка литературы из 204 наименований и одного приложения. Основной текст диссертации содержит 186 страниц, включая 89 рисунков, 24 таблицы.
Опыт применения медных порошковых материалов при СЛП
Медь – золотисто-розовый пластичный металл, обладает высокой тепло- и электропроводностью. Из-за низкого удельного сопротивления медь широко применяется в электротехнике для изготовления силовых кабелей, проводов (занимает второе место по электропроводности среди металлов после серебра). Высокая теплопроводность меди ((27 С) = 401 Вт/(мС)) позволяет применять е в различных теплоотводных устройствах, теплообменниках. Медь является диамагнетиком, на воздухе быстро покрывается оксидной плнкой, которая придат ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок, при нагреве до 200 С окисляется до Cu2O, при 400-500 С – до CuO [87].
В случае применения порошковых материалов, производителями указывается только его химический состав, фракция, насыпная плотность и способ получения. Теплофизических свойств (теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность) для порошка меди в литературе не встречается. Вероятно, это связано со сложностью определения теплофизических свойств порошков и их непостоянства, т.е. изменения теплофизических свойств порошка от размера и формы его частиц, насыпной плотности, степени уплотнения (компактирования)..
В литературе встречается большое количество примеров применения медных порошковых материалов для изготовления изделий методом СЛП [51-58, 81, 88, 89]. В большинстве случаев при синтезе изделий методом СЛП используются порошковые композиции, в состав которых входит медный порошок в различных пропорциях. Условно, по назначению, медные порошковые материалы можно разделить на три группы: 1) медный порошок является основой и к нему добавляется легкоплавкий материал; 2) медный порошок сам является легкоплавкой составляющей; 3) чистый медный порошок.
В работе [81] для изготовления функционально-градиентных фильтров методом СЛП авторы применили порошковую смесь из Cu и полимера (поликарбоната). В процессе синтеза изменялась мощность лазерного излучения от 4 до 10 Вт, скорость сканирования – от 160 до 400 мм/с, при шаге сканирования (расстояние между соседними треками) соразмерным с диаметром пятна лазера. При этом частицы меди спекались между собой, а полимер плавился и дополнительно связывал частицы между собой, формируя конечное изделие. Величина пор в полученных образцах составила 20-100 мкм.
В работах [53, 54] авторы при синтезе изделий СЛП предложили использовать порошковую смесь, состоящую из трех компонентов: Cu, Cu-10Sn и Cu-8,4P. Здесь роль связующего вещества выполняет порошок Cu-10Sn, а порошок Cu-8,4P выполняет функцию защиты медного расплава от окисления. Процесс СЛП реализован в защитной среде аргона при следующих технологических параметрах: мощность лазерного излучения – 375 Вт; скорость сканирования 40 мм/с; толщина слоя порошка 0,2 мм; температура порошка 27 С. Объемная пористость полученных изделий составила 5,4%.
В работе [51] описывается влияние добавки в медный порошок фосфористой меди Cu-P на процесс плавления частиц единичного слоя при неизменных параметрах синтеза СЛП: мощность лазерного излучения 10 Вт; скорость сканирования 10 мм/с. Помимо защитных свойств медного расплава от окисления, порошок Cu-P обладает меньшей температурой плавления (tпл.Cu-P=710 С) по отношению к порошку Cu (tпл.Cu=1083 С). Это позволило уменьшить пористость в изделиях за счет более полного сплавления частиц между собой.
Медный порошок успешно применяется при изготовлении методом СЛП металлических пресс-форм для ТПА. Так, в работе [57] исследовано изменение объемной пористости от технологических режимов СЛП в изделиях из смеси порошков Cu и предварительно легированного порошка SCuP в соотношении 45:55 (% масс). Изменялись следующие параметры СЛП: мощность лазерного излучения 100-200 Вт; скорость сканирования 160-240 мм/с; толщина слоя порошка 0,05-0,09 мм. В результате подобраны оптимальные режимы СЛП при которых удалось синтезировать функциональные изделия с объемной пористостью порядка 24% (Рисунок 1.12).
При изготовлении методом СЛП высоковольтных контактов авторами [90] предложено использовать композитную смесь тугоплавкого вольфрамового порошка и относительно легкоплавкого медного порошка. В работе [58] применена порошковая смесь W(90%)-Ni(7,5%)-Cu(2,5%) для получения методом СЛП жаропрочного немагнитного материала. При этом исследовалось влияние изменения параметров процесса на объемную пористость изделий: мощность лазерного излучения 70-200 Вт; скорость сканирования 50-300 мм/с; толщина слоя порошка 0,05-0,15 мм. Пористость полученных изделий не превышала 13 %.В работе [52] проведены исследования процесса синтеза изделия из смеси медного порошка и нанопроршка системы WC-Co. Экспериментально подобраны оптимальные значения технологических параметров: мощность лазерного излучения 700 Вт, скорость сканирования 50 мм/с, толщина слоя порошка 0,2 мм. При этом пористость полученных образцов составляла 5,7 %. Во всех выше приведенных работах медный порошок уже выступал в роли связующего материала.
Процесс СЛП однокомпонентного медного порошка рассмотрен в работе [91]. Из медного порошка сферической формы, полученного методом газовой атомизации, и размером частиц от 30 до 50 мкм изготавливались образцы размерами 10105 мм. Изменяемыми параметрами процесса СЛП были толщина слоя порошка в пределах 10–100 мкм, мощность лазерного излучения 100–200 Вт, скорость сканирования 100–300 мм/с. В результате получены образцы с объемной пористостью 12 % и пределом прочности на сжатие 149 МПа. В литературе встречаются работы, в которых однокомпонентный медный порошок применяется для избирательного формирования металлического токопроводящего покрытия на диэлектрической подложке [56, 89] (Рисунок 1.13). Порошок Cu смешивают с органической составляющей (глицерином), затем полученную суспензию наносят на подложку. Под воздействием лазерного излучения происходит сплавление частиц порошка меди с подложкой, формируя токопроводящий слой.
Как видно из представленных выше работ применение медного порошка в изготовлении изделий методом СЛП разнообразно и перспективно. Основными исследуемыми технологическими параметрами процесса СЛП являются: мощность лазерного излучения, скорость сканирования, толщина слоя порошка, при этом одной из основных характеристик получаемых изделий является объемная пористость. Вероятнее всего это связано с тем, что от величины пористости изделия будет зависеть и его прочностные характеристики.
Технологические особенности работы установки СЛП ВАРИСКАФ-100МВС
Работа установки реализуется в три этапа: подготовительный; рабочий; заключительный. Во время подготовительного этапа с помощью двухступенчатой системы вакуумирования, включающую в себя форвакуумный и турбомолекулярный насосы и систему клапанов, в рабочей камере создается газовое разряжение до 10-4 Па. Затем камера заполняется особо чистым аргоном и вся дальнейшая работа осуществляется под избыточным давлением защитного газа около 100 Па, что исключает попадание в камеру воздуха из внешней среды.
После достижения порошковым материалом необходимой температуры начинается процесс СЛП. Лазерное излучение, генерируемое иттербиевым лазером, по оптоволоконному проводу попадает в сканатор и фокусируется с помощью линзы. Сфокусированный лазерный луч через кварцевое стекло в рабочем окне попадает на поверхность рабочего стола (Рисунок 3.7, в). Перемещение лазерного луча осуществляется с помощью сканаторного устройства в соответствии с управляющей программой персонального компьютера. После завершения плавления первого слоя, рабочий стол опускается на требуемую величину и наносится следующий слой порошкового материала (Рисунок 3.7, г). Затем, по заданной программе, нанесенный слой порошкового материала вновь сплавляется. Данный цикл повторяется до полного завершения синтеза изделия.
В заключительный этап осуществляется плавное охлаждение полученного изделия в защитной газовой среде. Скорость охлаждения можно регулировать с помощью инфракрасного и спирального нагревателей. После полного охлаждения крышка камеры открывается, изделие извлекается и отправляется на постобработку.
Сканирование лазерным излучением по рабочей зоне осуществляется с помощью сканаторного устройства (Рисунок 3.8, а), которое состоит из сканаторной и коллиматорной головок соединенных между собой включает в себя блок сканаторов и зажим установки выходного оптического модуля лазерного излучателя. Сканаторы с помощью качающихся во взаимно перпендикулярных плоскостях зеркал обеспечивают отклонение луча по осям X и Y (Рисунок 3.8, б). В качестве отклоняющих устройств используются гальванометрические сканаторы, оптимизированные для растрового и векторного управления. Платы регулирующих устройств сканаторов размещены в непосредственной близости от их исполнительных двигателей, что обеспечивает высокую помехозащищенность.
Объектив, конструктивно расположенный в едином корпусе со сканаторами, обеспечивает фокусировку луча в рабочей плоскости. Положение рабочей плоскости определяется фокусным расстоянием объектива. Технические характеристики лазера представлены в таблице 3.1
Предварительный подогрев порошкового материала, осуществляется за счет двух нагревательных элементов. Спиральный нагреватель расположен под рабочей площадкой установки, инфракрасный нагреватель – над рабочей площадкой. Контроль температуры порошкового материала реализуется с помощью пирометра типа Testo 830-Т1. Нагревательные элементы подключены в электрическую сеть через ПИД-регулятор ARCOM-D44 110, который позволяет управлять скоростью нагрева порошкового материала до заданной температуры.
Между бункером 2 и рабочим столом 4 выставляется зазор необходимой величины, который определяет толщину слоя порошка. Во время движения бункера порошковый материал высыпается на рабочий стол и выравнивается нижней поверхностью бункера. Особенностью данной системы нанесения порошка является наличие на нижней поверхности бункера термостойких силиконовых накладок (Рисунок 3.10). Очень часто в процессе СЛП сплавленный слой имеет неравномерную поверхность в виде треков, капель, которые размером превышают толщину насыпаемого порошкового слоя. При последующем нанесении слоя бункер сталкивается с этими «выступами», что может привести к неравномерному нанесению слоя, заклиниванию бункера и даже к разрушению изделия. Силиконовые накладки позволяют обходить эти выступы и наносить слои толщиной до 25 мкм. Остановка и переключение направления движения каретки осуществляется концевыми датчиками, расположенными на краях рабочей зоны.
Отличительной чертой данной установки от существующих является оригинальная система создания защитной газовой атмосферы с предварительным газовым разряжением в рабочей камере до глубокого вакуума 10-3 Па и последующим заполнением ее аргоном особой чистоты 5.0. Это позволяет сократить удельный расход дорогостоящего газа Ar с 30 л/мин до 2,5 л/мин. Так же реализована возможность проводить синтез СЛП в условиях глубокого вакуума. Установка оснащена системой двустороннего подогрева на рабочем столе слоя порошкового материала (снизу и сверху), что позволяет нагреть порошок до необходимой температуры перед началом СЛП и уменьшить термические напряжения в полученных изделиях путем плавного их охлаждения. Оптическая система лазера находится за пределами рабочей камеры, что гарантировано обеспечивает защиту оптики от загрязнения продуктами синтеза, при этом обеспечивается оперативная регулировка размера пятна лазерного излучения. Весь объем порошкового материала подвергается вакуумированию и нагреву перед началом СЛП, что позволяет дегазировать объем порошка и избавиться от влаги в нем. Применение элементов из термостойкого силикона на разравнивающем торце бункера обеспечивает возможность нанесения тонкого от 25 мкм слоя порошка при избыточной коагуляции сплавленных слоев. Главным отличием и достоинством экспериментальной установки ВАРИСКАФ-100МВС является возможность реализовать широкий спектр исследований с любыми видами порошкового материала различного химического состава.
Тепловая модель СЛП медного порошка ПМС-1
В данной работе предлагается решение нестационарной модели распределения температуры в объеме образца под воздействием движущегося источника лазерного излучения по заданной траектории для двух случаев: сплавление единичного трека и сплавление монослоя. Реализация решения тепловых моделей была осуществлена при помощи математического пакета COMSOL Multiphysics. COMSOL Multiphysics – это программный пакет, предназначенный для моделирования и расчетов научных и инженерных задач, основанных на дифференциальных уравнениях в частных производных (PDE) с использованием метода конечных элементов (FEM) [178-180]. В литературе встречается достаточно большое количество работ, в которых с помощью данного пакета построены модели процессов, происходящих при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью твердого тела, например [144, 181-188].
В реальных условиях при СЛП процессе порошок при нанесении, как правило, распределяется по всей поверхности рабочей зоны установки, а участок, на котором происходит сплавление – значительно меньше. Так на рисунке 4.9 изображены медные образцы, полученные СЛП, находящиеся в слое остаточного свободно насыпанного медного порошка. Видно, что сплавленный участок образца относительно всего остаточного порошка занимает меньшую площадь.
В связи с этим, при моделировании реальных процессов СЛП можно упростить модель, путем уменьшения размеров свободно насыпанного медного порошка, ограничившись несколькими миллиметрами вокруг области сплавляемого участка. На рисунке 4.10 представлена схема решаемой задачи для случая сплавления единичного трека на слое порошка. На поверхность слоя медного порошка, ограниченного размерами abh, попадает тепловой поток от лазерного излучения Qm. Размер области контакта теплового потока с поверхностью порошка ограничен диаметром пятна с1ли и скоростью перемещения v лазерного излучения. При этом учитываются потери тепловой энергии с поверхности порошка за счет конвекции qKom, с окружающей средой. Распределение тепла внутри порошка происходит с учетом его теплофизических параметров (теплопроводность К теплоемкость С, плотность р), полученных экспериментально.
Под слоем порошка расположены остаточный порошок и сплавленный медный материал. Распределение тепла внутри тел происходит с учетом их теплофизических параметров. С поверхности порошка учитываются потери тепловой энергии за счет конвекции qKom, с окружающей средой. Результаты решения данной задачи позволили оценить влияние схемы сканирования на качество синтезируемого образца (Глава 5).
В общем случае теплопередача рассматривается как физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему и определяется тремя механизмами: теплопроводностью, конвекцией и излучением [189]. В предлагаемой модели распределение тепла в теле образца происходит только за счет теплопроводности. Математической моделью теплопередачи за счет теплопроводности является уравнение Фурье-Кирхгофа, которое устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры в любой точке среды [179, 189].
Как уже отмечалось выше теплофизические параметры порошковых материалов (р, С, к) значительно отличаются от параметров твердых (монолитных) материалов. Так как на сегодняшний день нет единой базы данных теплофизических параметров порошковых материалов, то их приходится определять либо теоретически, либо экспериментально. В данной работе теплофизические параметры порошков были определены экспериментально (Глава 5).
Источником тепла Q является лазерное излучение. Воздействие лазерного излучения описывается как объемный источник теплоты, распределенный по закону Гаусса с переменной тепловой мощностью по диаметру пятна лазерного излучения. Интенсивность теплового источника связанна с мощностью лазерного воздействия на различной глубине порошкового слоя. Уравнение, определяющее теплоту от лазерного воздействия, имеет вид [181, 182].
При реализации модели с учетом уравнения (4.13) сделаны следующее допущения:
коэффициенты отражения Re и поглощения Ас считаются постоянными;
поверхность слоя порошка, по которому происходит перемещение лазерного излучения, параллельна плоскости х-у системы координат;
верхняя плоская поверхность слоя порошка выравнивается по z=0, соответственно эффект поглощения мощности может быть описан как exp(-Acabs(z));
перемещение центра пучка лазера осуществляется путем изменения значения параметров х0 и у0;
диаметр луча лазера определяется через стандартные параметры отклонения ах и (Ту.
Так как с поверхности порошка происходят потери тепла за счет конвективного теплообмена с окружающей средой, то в качестве граничных условий использованы граничные условия Неймана, в виде теплового потока на границах модели.
В рассматриваемой тепловой модели учитывается естественная конвекция с верхней поверхности слоя порошка. Ниже в таблице 4.3 приведены наименования и значения параметров, которые учитывались при реализации модели.
Определение схемы сканирования лазерным лучем при СЛП
В результате проведенных экспериментов и исследований (Раздел 6.1), при режимах СЛП №5 и №7 (Таблица 6.2) были получены образцы правильной кубической формы с наилучшими значениями предела прочности и пористости (Рисунок 6.7).
Для оценки влияния схемы сканирования на процесс СЛП при данных режимах из порошка ПМС-1 были изготовлены образцы в форме прямоугольного параллелепипеда размерами 6630 мм (Рисунок 6.8). Всего было изготовлено по четыре образца на каждом режиме.
На режиме 5 все четыре полученных образца не имели существенных макро дефектов и сохраняли заданную геометрию (Рисунок 6.9, а). В случае режима 7 в процессе синтеза по боковым граням образцов образовались дефекты (Рисунок 6.9, б). Дефекты представляли собой оплавленные частицы порошка, по боковым граням образца, за пределами зоны сканирования. Образование дефектов происходило преимущественно во второй половине цикла сплавления слоя. Для выявления причин образования дефектов была построена тепловая модель для случая сплавления единичного слоя по заданной схеме (Рисунок 4.11), в соответствии с технологическими параметрами режима 7 СЛП. Начальные и граничные условия модели рассмотрены в разделе 4.3. С учетом размеров области сканирования 630 мм, шага сканирования 0,1 мм и скорости сканирования 34 мм/с цикл сплавления единичного слоя будет проходить за 54 с. Результаты моделирования, представленные на рисунке 6.10, показывают общую картину распределения температурных полей по поверхности слоя в различные моменты времени цикла сплавления.
Для выяснения причин образования оплавленных частиц по боковым граням образцов (Рисунок 6.9, б) был проведен детальный анализ изменения температуры поверхности порошка, находящегося за зоной сканирования. Исследуемая граница располагалась вдоль линии зоны сканирования (Рисунок 4.11 «Исследуемая граница»), на расстоянии 0,3 мм от ее края, а именно в области свободно насыпанного порошка. Исследуемая граница и зона сканирования схематично представлена на рисунке 6.11
Перемещение лазерного луча происходит по следующему циклу: 1) от верхней границы зоны сканирования вдоль оси y из точки (-15; 3) в точку (-15; -3); 2) луч смещается вдоль оси x на величину шага сканирования из (-15; -3) в точку (-14,9; -3); 3) от нижней границы зоны сканирования к верхней вдоль оси y из точки (-14,9; -3) в точку (-14,9; 3); 4) луч вновь вдоль оси x смещается на величину шага сканирования. По такому циклу лазерный луч перемещается до правой границы зоны сканирования. При детальном анализе изменения температуры поверхности порошка рассматривались только те моменты времени, при которых лазерный луч находился ближе всего к исследуемой границе, т.е. достигал нижней границы зоны сканирования. При шаге сканирования 0,1 мм, длине зоны сканирования 30 мм лазерный луч достигнет нижней границы зоны сканирования 300 раз. Поэтому, для упрощения понимания и наглядности результатов, количество результирующих графиков, представленных на рисунке 6.12, сокращено до 60 штук.
Результирующие графики показывают распределение температуры вдоль всей исследуемой зоны с шагом 0,5 мм в моменты времени, когда лазерный луч достигал нижней границы зоны сканирования. График показывает, что начиная со второй половины цикла плавления слоя (координата x = 0–15 мм) происходит интенсивный разогрев свободно насыпанного порошка за пределами области сканирования. В диапазоне координаты x = 0–8 мм температура порошка возрастает и достигает значений температуры плавления меди (1083 С), а на участке x = 8–15 мм увеличение температуры идет по экспоненте и превышает значение 1500 С. При этом создаются благоприятные тепловые условия для самопроизвольного оплавления частиц порошка (дефекты, рисунок 6.9, б).
Объяснить такое изменение температуры порошка за областью сканирования, можно следующим образом. В начальный период плавления (первая половина цикла) тепло от лазерного излучения расходуется на нагрев и плавление порошка. Избыток тепловой энергии за счет теплопроводности поглощается нижележащими сплавленными слоями и нагревает их. Тепло от сплавленных слоев передается свободно насыпанному порошковому материалу, который находится вокруг образца. Однако, из-за того, что теплопроводность порошкового материала очень низкая, на несколько порядков меньше чем у монолитного материала, передача тепла в объем порошка происходит крайне медленно. Поэтому, при дальнейшем тепловом воздействии происходит аккумуляция тепловой энергии в объеме сплавленного образца, что приводит к его интенсивному разогреву во второй половине цикла плавления. При этом накопленной теплоты хватает, чтобы нагреть и расплавить частицы порошка, которые контактируют со сплавленными слоями образца.
По результатам проведенного исследования, для уменьшения нагрева порошка по боковой границе предложено изменить схему сканирования поверхности, а именно разбить область сканирования на участки и сканировать их по схеме «друг к другу» (Рисунок 6.13, а), или «друг от друга» (Рисунок 6.13, б).
При таких условиях, порошок по бокам зоны сканирования будет успевать остывать за счет конвекции и теплоотвода в тело сплавленного образца, подложку и остаточный порошок. Проверочные модельные расчеты показали, что при разбиении зоны сканирования на две равные части и сканированию их по схеме «друг к другу» уже достаточно для снижения температуры порошка вне зоны сканирования ниже температуры ликвидуса (Рисунок 6.14).