Затухание интенсивности лазерного излучения при взаимодействии с высокодисперсными порошковыми средами Харанжевский Евгений Викторович

Содержание к диссертации

Введение

1. Воздействие лазерного излучения на порошковые среды в методах быстрого прототипирования 13

1.1. Методы быстрого прототипирования, использующие лазерное излучение .13

1.2. Материалы, используемые в методах селективного лазерного спека-ния 16

1.3. Методы контроля и оптимизации режимов лазерного излучения 19

1.4. Теплофизические основы СЛС процессов .23

1.5. Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью металлов 26

1.6. Метод измерения энерговыделения в слое порошка при воздействии лазера 31

1.7. Моделирование теплопереноса при лазерной обработке порошковых материалов 35

1.8. Модель гомогенной поглощающей-рассеивающей среды 41

2. Метод измерения интенсивности рассеянного лазерного излучения порошковой средой с металлическими части цами 49

2.1. Описание процессов распространения лазерного излучения в высокодисперсных порошковых средах 50

2.2. Экспериментальный метод определения интенсивности рассеянного лазерного излучения порошковой средой

2.2.1. Измерение фактической мощности лазерного излучения 55

2.2.2. Тарировка фотодатчика для измерения интенсивности лазерного излучения 55

2.2.3. Измерение интенсивности рассеянного лазерного излучения порошковым слоем 59

2.2.3.1. Порошки, используемые при измерении интенсивности рассеянного лазерного излучения 59

2.2.3.2. Измерение зависимости интенсивности рассеянного лазерного излучения от толщины слоя и угла рассеяния 61

3. Моделирование распространения лазерного излучения в дисперсных средах 72

3.1. Анализ применимости уравнений классической электродинамики сплошных сред для моделирования распространения лазерного излучения в по рошковых средах 74

3.2. Обоснование уравнений модели 76

3.2.1. Уравнения модели .76

3.2.2. Выбор граничных условий 79

3.2.3. Обоснование геометрии вычислительной области 85

3.2.4. Выбор метода интегрирования уравнений и среды численного моделирования 88

3.3. Результаты 3D компьютерного моделирования .95

3.4. Анализ результатов 2D компьютерного моделирования 99

3.4.1. Высокодисперсные порошковые среды с диэлектрическими не прозрачными частицами 102

3.4.2. Высокодисперсные порошковые среды, состоящие из металличе ских частиц 109

4. Моделирование теплопереноса при лазерном воздействии на дисперсные металлические порошки 118

4.1. Физико-математическая модель теплопереноса при лазерном воздействии на металлические порошки .118

4.2. Обоснование выбора объемного источника 120

4.3. Изменение параметров объемного источника энергии в процессе взаимодействия лазерного излучения с порошковыми средами 122

4.4. Результаты трехмерного компьютерного моделирования 128

Заключение 133

Список литературы

• Теплофизические основы СЛС процессов
• Экспериментальный метод определения интенсивности рассеянного лазерного излучения порошковой средой
• Обоснование уравнений модели
• Изменение параметров объемного источника энергии в процессе взаимодействия лазерного излучения с порошковыми средами

Введение к работе

Актуальность темы. Конкурентный характер современного производства создает многочисленные трудности промышленным предприятиям при освоении новой продукции, которые, в первую очередь, связаны с ростом сложности изделий и числа их модельных вариаций. В качестве закономерного ответа на появление таких трудностей, усилия многих исследовательских коллективов направлены на разработку и внедрение технологий быстрого прототипирования изделий (БП) или быстрого изготовления готовых изделий (БИ). Лазеры интенсивно используются практически во всем многообразии БП и БИ методов.

В основе всех методов БП и БИ лежит последовательное осуществление операций: подготовка трехмерной компьютерной модели изделия при помощи систем автоматизированного проектирования (САПР); преобразование САПР модели в файл формата STL (формат стереолитографии); изготовление изделия по STL модели; финишная обработка изделия. Наиболее известными и коммерчески реализованными являются следующие БП и БИ методики: лазерная стереолитография (LST); селективное лазерное спекание (СЛС - Selective Laser Sintering “SLS”); селективное лазерное плавление (СЛП - Selective Laser Melting “SLM”).

Понимание механизмов, управляющих процессами структурообразо-вания при лазерной обработке, естественным образом приводит к идее модернизации семейства СЛС и СЛП технологий путём изменения энергетических режимов лазерной обработки материалов в сторону значительного увеличения скорости кристаллизации. Высокая локальность скоростной лазерной обработки ультрадисперсных материалов позволяет избежать недостатков, присущих традиционным СЛС/СЛП технологиям (термические напряжения, крупные поры, неровность поверхности и большой припуск на механическую обработку), формировать и фиксировать неравновесное структурное состояние с уникальными функциональными свойствами. Это обстоятельство определяет одно из основных направлений данного диссертационного исследования: разработка метода высокоскоростного лазерного спекания/плавления (ВЛС/ВЛП) высокодисперсных порошков.

Цель работы Разработка физико-технических основ метода высокоскоростного лазерного спекания/плавления высокодисперсных порош-

ковых систем с целью получения покрытий на деталях и 3D компактов с улучшенными эксплуатационными показателями. Изучение особенностей структурно-фазовых превращений, процессов тепломассопереноса, закономерностей формирования механических, триботехнических и электрохимических свойств поверхностных покрытий, полученных лазерным спеканием/плавлением высокодисперсных порошковых материалов в условиях сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения.

Научные задачи:

1. Методические вопросы:

а) Выбор условий механического измельчения в шаровой планетарной
мельнице, обеспечивающих достижение заданных параметров порошков с
контролем загрязнения в процессе измельчения.

б) Разработка метода высокоскоростного лазерного спекания (ВЛС)
с достижением высоких скоростей нагрева и охлаждения порошково
го материала с целью получения и фиксации нерановесного структурно-
фазового состояния.

в) Оптимизация режимов лазерной обработки для достижения задан
ных значений шероховатости и пористости многослойных покрытий.

г) Выбор и обоснование защитной среды при лазерной обработке.

д) Разработка технологий нанесения износостойких, коррозионно-
стойких покрытий, изготовления электродов электрохимических устройств
с использованием метода ВЛС.

2. Изучение роли ускоренного теплопереноса и исходного нано-
структурного состояния порошка при формировании структуры в условиях
ВЛС/ВЛП.

3. Изучение закономерностей формирования макропараметров струк
туры (пористость, шероховатость) покрытий в ВЛС процессах.

1. Исследование влияния энергетических характеристик лазерного излучения на структурно-фазовое состояние и свойства полученных компактов и покрытий.

2. Изучение процессов спекания методом ВЛС композиционных материалов с металлической матрицей.

3. Исследование прочности, микротвердости и износостойкости компактов и композиционных покрытий.

7. Исследование механизмов улучшения коррозионной стойкости покрытий на основе систем Fe-Ni, Fe-Ni-C, Fe-C, Fe-Cr₂O₃, увеличения катодной активности в реакции восстановления водорода покрытий на основе систем Fe-Ni, Fe-Ni-C, WC.

8. Исследование электроёмкости двойного электрического слоя систем органический электролит – композиционный материал, полученный методом ВЛС.

9. Исследование механизмов поглощения лазерного излучения полидисперсными порошковыми средами.

10. Построение микроскопической модели рассеяния и поглощения лазерного излучения порошковыми средами.

11. Уточнение и апробация методики оптимизации режимов высокоскоростного лазерного спекания на основе компьютерного моделирования процессов:

а) транспорта энергии лазерного излучения в высокодисперсных по
рошковых средах;

б) теплопереноса при лазерном спекании пористых порошковых сред
с учетом объемного источника энергии;

в) структурно-фазовых превращений с учетом неравновесных эффек
тов.

Научная новизна:

1. Благодаря развитию физико-технических основ методов лазерной обработки материалов разработана технология высокоскоростного лазерного спекания/плавления высокодисперсных порошковых материалов и изготовлены инструментально-технические средства для её реализации. Разработанная технология позволяет получать 3D изделия и покрытия на изделиях с формированием сильнонеравновесных структур, получение которых недостижимо известными ранее методами термической обработки материалов.

2. Обоснованы условия обработки, при которых происходит формирование таких сильнонеравновесных структур, как пересыщенный твердый раствор железо-медь, неравновесное распределение никеля в системе железо-никель. Получено объяснение улучшения триботехнических, коррозионных и электрокаталитических свойств компактов.

3. На основе экспериментального исследования процессов проникновения лазерного излучения в высокодисперсный порошковый слой обоснован вид выражения для объемного источника энергии от лазерного излучения при ВЛС/ВЛП, что позволило получить уточненные количественные характеристики процессов тепломассопереноса с использованием моделей высокоскоростного затвердевания при лазерной обработке материалов.

4. Описан механизм формирования структуры сплава Fe-50 мас.% Cu (системы с ограниченной растворимостью компонентов) в условиях ВЛП и зафиксированы в твердом состоянии структуры, характерные для начальной стадии расслоения жидкости.

5. На примере системы Fe-40 мас.%Ni с гетерогенным химическим состоянием исходного порошка получено объяснение формирования сильно неоднородного структурно-фазового состава при ВЛП систем с неограниченной растворимостью компонентов.

6. Получено описание структуры, механических и электрохимических свойств металлокерамических и карбидных композиционных материалов с металлической матрицей, процесс получения которых характеризуется развитием высоких температур свыше 2500 С в локальных участках воздействия лазерного излучения при ВЛС.

7. Показана возможность синтеза высокоактивных материалов, что с одной стороны ускоряет протекание процессов, связанных с пассивацией поверхности в области анодных электрохимических потенциалов и уменьшает коррозию, а с другой стороны, способствует активации поверхности в области катодных потенциалов, например, ускоряя реакцию восстановления водорода.

Научно-практическая значимость работы. Разработанная технология высокоскоростного лазерного спекания/плавления имеет высокую практическую значимость в области промышленного производства 3D изделий и покрытий с улучшенными механическими и электрохимическими свойствами. Благодаря формированию градиентных покрытий возможно сочетание высокой твердости (до 21 ГПа) и износостойкости покрытий с высокой адгезионной прочностью к мягким подложкам, например сталям. Такие покрытия выдерживают интенсивные ударные нагрузки без отслаивания и растрескивания покрытия. Показана возможность образования

высокоактивной поверхности в электрохимическом производстве водорода. Показатели полученных материалов сопоставимы с платиновым электродом при существенно меньшей стоимости. Разработанная технология перспективна для синтеза материалов электродов каталитических систем. Изученные закономерности формирования компактов с сильнонеравновесной структурой, включая формирование пересыщенных твердых растворов, могут быть использованы при разработке сплавов с улучшенными механическими характеристиками. Исследованные в данной работе структурно-фазовые превращения в различных сплавах при ВЛС/ВЛП развивают понимание механизмов формирования структуры при повышенных температурах и высокой скорости охлаждения. Изученные закономерности проникновения лазерного излучения в высокодисперсные порошковые среды являются основой для адекватного математического описания процессов теп-ломассопереноса в процессах лазерной обработки, что ляжет в основу компьютерной модели процессов для научного обоснования оптимальных режимов лазерной обработки порошков.

Положения, выносимые на защиту:

1. Технология высокоскоростного лазерного спекания/плавления (ВЛС/ВЛП) высокодисперсных порошковых материалов позволяет получать компакты и покрытия в сильнонеравновесном структурно-фазовом состоянии, включая формирование пересыщенных твердых растворов в системах с ограниченной растворимостью или формирование гетерогенных структур в системах с неограниченной растворимостью компонентов, получение которых недостижимо известными ранее методами термической обработки материалов.

2. Неравновесное наноструктурное состояние компактов и покрытий, полученных ВЛП/ВЛС, является основным результатом ускоренного теплопереноса и затвердевания со скоростями, превышающими скорость абсолютной устойчивости фронта кристаллизации.

3. Формирование неравновесных состояний, таких как пересыщенный твердый раствор железо-медь, неравновесное распределение никеля в системе железо-никель объясняет улучшение триботехнических, коррозионных и электрокаталитических свойств полученных 3D изделий.

4. Использование моделей, учитывающих объемный источник энергии от лазерного излучения при ВЛС/ВЛП высокодисперсных порошков, позволяет получать уточненные количественные характеристики процессов тепломассопереноса.

5. Механизм формирования структуры сплава Fe-50 мас.% Cu в условиях ВЛП механоактивированного порошка состоит из следующих стадий: образование расплава с выравниванием химического состава; высокоскоростное охлаждение расплава с достижением переохлаждения T порядка 100 К; расслоение в жидкой фазе на масштабе времени порядка 1 мкс на две обогащенную железом (Fe:Cu « 60 : 40) и обогащенную медью жидкости (Fe:Cu « 35 : 65) с характерным размером областей -4 мкм; раздельное затвердевание двух сформированных жидкостей с достижением скорости затвердевания около 10 м/с; неравновесный захват примесного компонента (меди) фронтом затвердевания с формированием пересыщенного твердого раствора компонентов меди и железа.

6. Механизм формирования структуры сплава Fe-40 мас.%Ni с гетерогенным химическим состоянием исходного порошка, полученного химическим осаждением никеля на поверхность частиц карбонильного железа, состоит в следующем: образование расплава, состав которого не успевает релаксировать к однородному вследствие малого времени выдержки и высокой локальности лазерного воздействия; начало затвердевания неоднородного расплава; неравновесный захват никеля фронтом затвердевания и кристаллизация по бездиффузионному механизму; закалка с формированием трехфазной системы, состоящей из мартенсита (ск-фаза), аустенита (твердый раствор никеля в 7-Fe) и твердого раствора железа в никеле (с приблизительным составом FeNi₃).

7. Формирование градиентного химического и фазового состава функциональных покрытий на основе металлокерамических соединений, высокотвердых композиционных материалов, износостойких мета-стабильных фаз, тонких алмазоподобных пленок, электрохимически-

активных материалов объясняется протеканием химических реакций вблизи поверхности при повышенных температурах (свыше 2500 С). Образование нульвалентного хрома при ВЛС-диспергировании оксида хрома в стальной матрице хорошо согласуется с термодинамической моделью пассивных пленок Андреева.

8. Высокие антифрикционные свойства поверхностей подшипников скольжения, полученных ВЛС-диспергированием графита в стальной матрице, объясняются формированием градиентных слоев, состоящих из алмазоподобных пленок (АПП), включений нанокристалличе-ского графита, промежуточных слоев, содержащих карбиды различного стехиометрического состава. Состав пленок поверхностей подшипников скольжения, полученных ВЛС, объясняет высокий КПД редукторов ТПА.

9. Высокая прочность сцепления твердосплавных покрытий, полученных методом ВЛС, на поверхности мягких стальных подложек объясняется химическим взаимодействием карбида вольфрама с металлической матрицей, инициируемого высокими температурами при ВЛС (порядка 3000С).

10. Одновременное проявление высоких антикоррозионных свойств ивы-сокой активности поверхности ВЛП компактов в реакции восстановления водорода объясняется образованием поверхности, которая имеет сильнонеравновесную структуру и находится в высоко активном состоянии, что ускоряет как протекание процессов, связанных с пассивацией поверхности в области анодных электрохимических потенциалов, так и кинетику реакции восстановления водорода в области катодных потенциалов.

11. Высокая коррозионная стойкость поверхностей в различных средах, полученных диспергированием оксидных фаз методом ВЛС, объясняется формированием нестехиометрических оксидов смешанного типа.

Реализация результатов. Результаты диссертации внедрены в производственный процесс на предприятиях ООО “Центр лазерных решений

“Эковектор”, ОАО “Элеконд”, ОАО НПО “Высокоточные системы и технологии”, ОАО “Ижевский механический завод”, ОАО Ижевский мотозавод “Аксион-холдинг” (подразделение НТУ “ИТЦ”). Результаты диссертации внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВПО “Удмуртский государственный университет” в преподавании дисциплин “Лазерные технологии” и “Лазерные нанотехнологии”.

Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: Всероссийская конференция, посвященная 50-летию ИжГТУ, 19-22 февраля 2002 г., Ижевск, Россия. European congress and exhibition on advanced materials and processes (Euromat-2003), 1-5 September 2003, Lausanne, Switzerland. II Всероссийская конференция Ижнано 2009, Ижевск, Россия. Второй международный форум по нанотехнологиям Роснанотех2009, 6-8 октября 2009г., Москва, Россия. International conference of the Material Research Society (MRS, Fall Meeting), November 29 - December 3

2010. Boston, USA. IX Всероссийская конференция Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем, Ижевск, 22-26 ноября 2010г. XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 25 — 30 сентября

2011. Волгоград, Россия. 3rd International Conference on Advances in Solidification Processes (ICASP-3), 7-10 June, 2011, Rolduc Abbey / Aachen, Germany. European congress and exhibition on advanced materials and processes EUROMAT 2011, 12-15 September 2011, Montpellier, France. 19th International Symposium on Metastable Amorphous and Nanostructured Materials ISMANAM-2012, 18-22 June 2012, Moscow, Russia. X Всероссийская конференция Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем, 25-29 сентября 2012, Анапа, Россия. IV международная конференция (Ижнано-2013), 3-5 апреля 2013г, Ижевск, Россия. V Всероссийская конференция по наноматериалам, 23-27 сентября 2013, Звенигород, Россия. European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT 2013), September 8-13 2013, Sevilla, Spain. European Congress and Exhibition on Advanced Materials and Processes (EUROMAT 2015), 20-24 September 2015, Warsaw, Poland.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 361 наименований, приложения и изложена на 379 страницах, включая 22 таблицы и 150 рисунков.

Теплофизические основы СЛС процессов

В настоящее время известно более нескольких десятков методик БП, от экзотических, до коммерчески успешных. На данный момент, общее число патентов, касающихся как самой технологии БП, так и ее ответвлений, превышает несколько сотен.

Метод селективного лазерного спекания является альтернативным способом создания объемных моделей по отношению к другим методам, но реализуется практически аналогично. В методе СЛС имеются свои недостатки и положительные стороны. Данный метод экономичен за счет дешевизны отечественных порошковых материалов, а также существует возможность создания моделей, отличающихся повышенной прочностью и большими функциональными возможностями. Методика СЛС предложена впервые Карлом Декартом в 1989 году. Для этой методики нужны мелкодисперсные термопластичные порошки с хорошей вязкостью и быстро затвердевающие. Порошковый материал послойно спекается лазерным излучением. В рабочей камере порошок предварительно подогревается до температуры, несколько меньшей, чем температура плавления легкоплавкой фазы. Синтезируемая модель расщепляется в компьютере на сечения по информации и после разравнивания валиком порошка по поверхности зоны обработки лазерное излучение спекает требуемый контур, затем насыпается новый слой порошка, разравнивается, и процесс повторяется. Когда модель готова, она извлекается из камеры. В данной методике порошок сам поддерживает спекаемую модель, медленное остывание порошкового объема предотвращает от значительных деформаций форму изделия. Мощность лазеров в СЛС установках составляет не более 100 ВТ в ИК диапазоне. В процессе спекания контролируется уровень порошка, сканирование лазерным излучением осуществляется по направлениям X-Y двумя дефлекторами, управляемыми компьютером. В камеру возможна подача азота, аргона, чтобы избежать окисления при нагреве порошка. На практике для металлических порошков используется процесс косвенного жидкофазного спекания. К настоящему времени известно большое количество опробованных материалов для СЛС: однокомпо-нентные поликарбонаты; многокомпонентные и интерметаллидные системы; низко- и высоколегированные стали; конструкционная и сегнетоэлектрическая керамика и пьезопласты. Реализовано совмещение процесса СЛС с процессами горячего изостатического прессования и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, с химическими реакциями с участием газовых добавок, с процессом гелевого литья, с послойным нанесением покрытий. Изучены оптические [1, 4, 40, 41,], термические [1, 42–45] свойства, микроструктура и механика синтезируемых изделий [46–52] и порошков. Развиты одно –, двух – и трехмерные модели для расчетов тепловых полей методами конечных элементов [1, 53], модели клеточных автоматов и конечных разностей, напряжений и деформаций в спекаемых изделиях, а также магнитные методы контроля качества лазерной обработки [54, 55].

В работах [2, 56] приводится принципиальная схема технологии изготовления деталей с использованием процесса селективного лазерного спекания/плавления. Установка, приведенная на рисунке 1.1., используемая для выполнения экспериментов, была создана в университете Левена. зеркала сканера излишки порошка контейнер С03даваеМый подачи цилиндр

В ней используется источник лазерного излучения с длинной волны 1,064 мкм, с максимальной выходной мощностью 300 Вт, работающий в непрерывном режиме. Также возможно проводить опыты в импульсном режиме с частотой от 0 до 500 Гц. С помощью шагового двигателя платформа с порошком может перемещаться с шагом 10 мкм. Слой порошка формировался на подложке при помощи валика, движущегося в одном направлении. Исследуемый образец помещают в вакуумную камеру, которая может быть заполнена азотом или аргоном для предотвращения окисления частиц порошка. В работах [58–63] использовалась приведенная на рисунке 1.1. схема установки для лазерного спекания по технологии объемной наплавки.

Исследования, проведенные в работах [64–74, 46–52, 26–39], свидетельствуют о важности оптимизации энергетических параметров обработки в процессах селективного лазерного плавления для получения высококачественных металлических деталей. Показано, что особенности действия лазерного излучения на порошковые среды оказывают существенное влияние на качество формируемых изделий. Были обсуждены различные механизмы возникновения дефектов в структуре формируемых материалов и условия оптимизации процесса лазерной обработки.

Традиционно при СЛС в качестве исходного порошка использовались следующие материалы: пластик, полиуретан, нейлон, парафин, сложные полиэфиры, керамика и металлы. В плане дальнейшего развития и исследования представляет интерес сбор сведений о поведении металлических порошков в процессе механического и/или теплового воздействия при лазерной обработке, их физико-химические свойства и влияние этих свойств на динамику исследуемых процессов. Имеется довольно обширная литература, описывающая поведение порошковых материалов в различных традиционных процессах порошковой металлургии. По своему строению любая порошковая среда может быть охарактеризована как непрерывная система дисперсных твердых частиц, находящихся в контакте друг с другом и окружающей средой [75]. Порошкам присущи свойства коллоидных систем, увеличения роли поверхности, диффузии и т.д. Наиболее важными параметрами порошков является форма их частиц. Различаются частицы изотермические – кубические, шарообразные, и неизотермические – в виде волокон, пластин. Форма частиц сказывается на их пространственном расположении относительно друг друга, поэтому свойства порошков не одинаковы в разных направлениях. Порошки могут быть монодисперсными и полидисперсными, внутричастичная и межчастичная пористость порошков влияет на плотность порошковых материалов. На плотность укладки влияет шероховатость поверхности частиц. Механическое зацепление – одна из форм связи частиц, трение между ними является функцией внешнего давления и результатом адгезионного взаимодействия. Поэтому последние годы уделяют внимание вопросу механической активации порошковых систем [76]. Порошковое состояние не является специфическим свойством материала, поэтому основные свойства соответствующих твердых материалов в целом присущи и их порошкам.

Для лучшего понимания вопросов, связанных с поведением порошковых материалов используемых при СЛС, рассмотрим некоторые положения, касающиеся строения и физико-химических свойств интересующих нас металлических порошковых смесей. Дисперсные порошки тугоплавких соединений широко используются в промышленности. Особенности их электронного строения, высокая доля ковалентных связей определяют уникальное сочетание механических, электрофизических, химических и других свойств. Эти свойства реализуются через методы спекания. При изменении размеров частиц проявляются размерные эффекты, влияющие на физические свойства [77]. Электронные структуры отдельного атома, малых частиц, содержащих 20-30 атомов, и твердого тела из таких же атомов, отличаются. Представляют интерес теплофизиче-ские и механические свойства дисперсных металлических систем. Известно [77], что температура плавления таких порошков понижается с возрастанием степени дисперсности. Поскольку в порошках имеется наблюдаемая соизмеримость числа наружных и внутренних атомов у частиц, то вклад поверхностной энергии в свободную энергию частиц оказывается определяющим, особенно это принципиально для высокодисперсных порошков. Это объясняет эффект двойникования, уменьшение периода решетки, особенности фононного спектра, и, следовательно, теплофизических свойств. В таблице 1.1 представлены основные теплофизические свойства используемых материалов [78, 79, 80, 81, 82, 83, 84]. В ней приведены: никелевый порошок марки ПГ-СР3,4, имеющий состав 1,5-3,8 В, %; 0,6-1,0 С, %; 2,0-4,5 Si, %; 12-18 Cr, %; 5,0 Fe, %; 0,04 Р, %; 0,04 S, %; остальное Ni, % по массе; бронзовый порошок марки ПГ-19М-01 имеющий состав 9-11 Al, %; 4,0 Fe, %; остальное Cu, % по массе, а также порошки чистого никеля, титана, алюминия, железа. При лазерном спекании также использовались биметаллические порошковые компоненты: 1) имеющий состав 97-98 % Sn; 1,5-2,0 % Pb; 0,08 % Cu; 0.02 % As; 0,02 % S по массе; 2) имеющий состав 29-31 % Sn; 1,5-2,0 % Sb; 0,08 % Cu; 0,02 % As; остальное % Pb по массе.

Экспериментальный метод определения интенсивности рассеянного лазерного излучения порошковой средой

Поскольку диаметр частиц значительно превышает длину волны излучения, целесообразно использовать приближение геометрической оптики. Оценки показывают, что пропускание первого слоя в значительной степени определяется отношением площади зазоров между частицами к общей площади слоя. Как следует из полученных результатов, только 15 – 20% излучения падает на частицы второго слоя при сканировании лазерным лучом, диаметр которого больше размеров частиц. Установлена тенденция роста отражения при селективном лазерном спекании порошка титана с увеличением времени экспозиции, что обусловлено увеличением контактной поверхности и уменьшением пористости за счет плавления. Данные, полученные в измерениях по предлагаемому методу, находятся в согласии с экспериментами [103, 107 – 109] и с результатами теоретических исследований [104, 109, 110]. Так, например, измеренный коэффициент ослабления для порошка со средним диаметром частиц от 20 мкм до 57 мкм и с плотностью от 60% до 54% от твердой фазы, принимает значение от 50 мм-1 до 230 мм-1, при толщине одного слоя 50 мкм.

Рассмотренный экспериментальный метод не позволяет достоверно описать и провести исследования распространения лазерного излучения в высокодисперсных металлических порошковых средах, когда размеры частиц соизмеримы с длинной волны лазерного воздействия, поэтому существует необходимость развивать новые методы и подходы в измерении распределения лазерного излучения в порошковых средах.

Одна из моделей компьютерного моделирования СЛС – процессов рассматривается в статье [111]. В ней рассмотрено трехмерное моделирование процессов селективного лазерного спекания методом конечных элементов, для того, чтобы исследовать влияние параметров обработки на качество спекаемых частей. Процесс СЛС включает в себя изготовление твердых предметов при спекании порошка слой за слоем. Предварительно подготовленный слой порошка нагревается с помощью лазерного излучения, претерпевая фазовое превращение. Понимание физических процессов передачи тепла и явлений спекания в этих технологиях необходимо для точной оптимизации и управления процессом спекания. Анализ плавления и спекания веществ высокой плотности проводился с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии и термомеханического анализа. На основе этих экспериментов разработана статистическая модель для прогнозирования температуры плавления расплава, распределение которой необходимо регулировать по толщине кристаллической пластины, а также для прогнозирования скорости спекания.

Моделирование СЛС процесса спекания на основе полимеров и металлов широко освещалось в литературе. Так для спекания аморфных полимеров и прогнозирования плотности спеченных поликарбонатов [112] использовались одномерные разностные методы конечных элементов. Трехмерный метод конечных разностей был разработан [113, 114] для предсказания размеров, температуры и плотности спекания аморфных полимеров. Так как одномерное моделирование не в состоянии решить задачи спекания на границе порошковой среды, где существуют значительные градиенты температур. Разработаны [115, 116, 117] двумерные модели для аморфных полимеров. Кроме того, двумерная модель конечных элементов разработана [117, 118] для прогнозирования плотности поликристаллических полимеров с меняющейся вязкостью. Трехмерная модель конечных элементов для моделирования эволюции температуры в СЛС процессах металлических порошков была разработана [119] и показала зависимость от температуры теплопроводимости и удельной теплоемкости при постоянстве плотности. Предсказание распределения температуры на поверхности порошка показывает хорошее согласие с экспериментальными данными для спекания порошка титана. Моделирование процесса СЛС включает в себя: взаимодействие между лазерным лучом и поверхностью слоя порошка, механизмы передачи тепла в порошке и твердой части материала, фазовый переход преобразования порошкового материала в твердое состояние в процессе спекания. Индуцирование селективного слияния материала в процессе СЛС достига 37 ется обычно с помощью лазера. Лазерный луч выступает в качестве теплового источника энергии. Распределение интенсивности лазерного излучения вдоль диаметра пучка подчиняется гауссовскому распределению [111]: I(r,w) = (1 - Re)I0exp(- y (1.22) где г - радиальное расстояние от центра лазерного пучка и Re - отражательная способность поверхности порошка. Максимальная интенсивность пучка 1о рассчитывается исходя из мощности лазера Р и характерного радиуса профиля интенсивности лазерного излучения w: Характерный радиус w связан с диаметром луча по следующей формуле: w = —. (1.24) 2,146 Поведение теплопередачи в процессе СЛС описывается основным уравнением энергетического баланса: \pUdCL = \qdS. (1.25) n s Здесь р является плотностью материала, Q - объем порошка материала с площадью поверхности S, й - скорость изменения внутренней энергии и q - плотность потока тепла.

Уравнение переноса тепла подчиняется двум граничным условиям [120, 121]. Первое граничное условие определено для поверхности порошкового слоя Z=H, где Z - координата, определяющая вертикальное положение, отсчитываемая от нижней части слоя порошка толщиной Н. Первое граничное условие определяет долю, приходящуюся на потери энергии за счет излучения и конвекции:

Обоснование уравнений модели

Лазерное воздействие на порошковые среды используется в технологических процессах при лазерном спекании порошков. Скоростной нагрев, присущий лазерному воздействию при селективном лазерном спекании/плавлении, открывает возможности для изучения особенностей тепловых и других процессов в состояниях далеких от равновесия, но к настоящему времени слабо изучен. Существенной проблемой в СЛС-технологиях является выбор оптимальных значений энергетических параметров лазерного излучения: скорость сканирования луча лазера, плотность мощности лазерного излучения, время импульса, частота импульса. Все эти параметры определяют качество спекаемых слоев. Экспериментальный подбор этих параметров затруднен.

В известных моделях лазерной обработки поток энергии от лазерного излучения учитывается исключительно на поверхности порошкового слоя, однако, при удовлетворительном согласии распределения температуры на поверхности наблюдаются существенные отличия в распределении по глубине слоя. Распределение температуры в порошковом слое играет важную роль в процессе спекания и определяет качество спеченных слоев. В работе предлагается использовать в порошковой среде объемный источник энергии при лазерной обработке. К настоящему времени реализация идеи объемного источника испытывает значительные трудности ввиду необходимости обоснования количественных характеристик источника. Принимая во внимание то, что лазерное излучение поглощается не тонким слоем сплошной поверхности, а проникает на значительную глубину порошкового слоя, целью данного раздела является разработка метода измерения интенсивности рассеянного лазерного излучения порошковой средой с металлическими частицами. 2.1. Описание процессов распространения лазерного излучения в высокодисперсных порошковых средах

В данном разделе рассматривается модель распространения потока лучистой энергии лазерного излучения в дисперсных гетерогенных порошковых средах. Формулировка уравнений модели для описания процессов распространения потока лучистой энергии лазерного излучения в многофазных полидисперсных гетерогенных порошковых средах связана со следующими особенностями: модель распространения лазерного излучения в порошковых материалах рассматривается в условиях типичных для лазерного воздействия на эти материалы; порошковый слой представляет собой частный случай многофазной гетерогенной среды со структурой пористого слоя, где в непрерывной газовой среде случайно распределены соприкасающиеся друг с другом твердые частицы. Дисперсные частицы нескольких твердых фаз находятся, таким образом, в точечном контакте между собой.

В результате действия лазерного излучения и спекания точечные контакты могут превращаться в поверхностные. На поверхность порошкового слоя падает нормально-коллимированное лазерное излучение с распределенной интенсивностью и плотностью потока энергии. Распространение лазерного излучения происходит в тонком перпендикулярном слое толщиной h. Будем считать, что слой с толщиной h имеет неотражающие границы и освещается только с одной стороны с интенсивностью, изотропной в полусфере направлений падения. В рамках всех существующих моделей распространение излучения описывается интенсивностью излучения, определенной как поток переносимой энергии вдоль направления лучей в пределах малого телесного угла через малую площадку, поделенной на этот телесный угол и на площадь проекции этой площадки. В пространстве, заполненном частицами, будет изменяться пространственное распределение объемной плотности энергии излучения. В целом при распространении лазерного излучения в средах, наблюдается снижение полной мощности распространяющегося излучения. Основные вопросы, возникающие при лазерной обработке, касаются распределения потерь интенсивности падающего лазерного излучения при отражении, рассеянии и поглощении в порошке, а также однородности энерговыделения в порошке по глубине.

Можно указать на несколько факторов, влияющих на распределение и проникновение лазерного излучения в порошковую среду. Во-первых, лазерное излучение проникает в порошок по системе открытых пор и пустот, доставляя энергию непосредственно в его объем, рисунок 2.1.

В гетерогенных системах с размерами частиц гораздо больше длины волны падающего излучения обычно преобладает нелокальное рассеяние, поэтому перенос излучения в этом случае изучается методом отслеживания лучей, т.е. так называемым оптико-лучевым методом. Дифракция на больших частицах узко направлена вперед и не может быть экспериментально отделена от падающего излучения, прошедшего мимо частиц. Такая дифракция ничего не меняет, поэтому можно сказать, что оптико-лучевой метод является строгим для больших частиц. Для случайно ориентированных выпуклых частиц произвольной формы с малыми размерами порядка длины волны лазерного излучения необходим учет дифракции, отклонение от прямолинейного распространения и попадание в область геометрической тени.

На распределение интенсивности лазерного излучения в порошковых средах оказывает большое влияние не только большое число морфологических параметров, таких как размеры, форма и поверхность частиц, но и материал частиц. Частицы порошковой среды могут быть непрозрачными либо прозрачными диэлектриками или проводящими металлическими средами. Для порошков, состоящих из металлических частиц, как следует из теории оптики металлов, имеет место сильное отражение падающего излучения и слабое поглощение, а также быстрое затухание в тонком поверхностном слое проводника, называемом скин-слоем, рисунок 2.3.

Изменение параметров объемного источника энергии в процессе взаимодействия лазерного излучения с порошковыми средами

На третьем этапе эксперимента проводилось исследование поглощения и рассеяния лазерного излучения в объеме высокодисперсного порошкового слоя. Общий вид применяемой экспериментальной установки и принципиальная схема метода измерения приведены на рисунке 2.11. Для определения параметров взаимодействия лазерного излучения с пористыми порошковыми слоями, состоящими из полидисперсных композитных частиц, использовался иттербиевый оптоволоконный лазер, работающий в импульсном режиме генерации излучения и управляемый персональным компьютером. Параметры лазера: длина волны 1.065 мкм; частота генерации 40 кГц; длительность импульса порядка 100 нс.

На пути распространения лазерного луча может быть расположен светофильтр с определенным коэффициентом пропускания, далее лазерное излучение попадает на приготовленную порошковую смесь. Порошковый слой создавался на плоскопараллельной кварцевой пластинке, представленной на рисунке 2.12., с насыпной плотностью. Алюминиевая фольга

Слой высокодисперсного металлического порошка формируется на кварцевой плоскопараллельной пластинке с помощью масок из алюминиевой фольги с разной толщиной h. На спектрофотометре СФ – 26 методом эталона было установлено, что излучение данной лазерной установки не поглощается кварцевой пластиной. Проводились измерения рассеянного лазерного излучения для десяти слоев разной толщины от 10 до 90 мкм. Толщина порошкового слоя контролировалась на оптическом микроскопе с высоким разрешением. Кварцевую пластинку с порошковым слоем можно перемещать в горизонтальной плоскости по сечению лазерного луча микрометрическим винтом с ценой деления 1 мкм. Интенсивность рассеянного лазерного излучения, при прохождении через порошковый слой, регистрировалась фотодатчиком типа Si-Photo со спектральным диапазоном до 1150 нм, соединенным через универсальный измерительный усилитель с цифровым мультиметром с точностью 1 мкА. Фотодатчик закреплялся с помощью Г-образной штанги в шаговом двигателе и перемещался по окружности в пределах угла наклона от – /2 до + /2, что соответствовало телесному углу 4. При этом измерения в пределах угла от – /2 до 0 дают интенсивность прошедшего через порошковый слой лазерного излучения. Тогда как измерения от 0 до + /2 дают диффузно отраженное излучение порошковым слоем заданной толщины. Для решения поставленных задач в диссертационной работе6 основное внимание уделялось измерениям в пределах от – /2 до 0. Изначально, при проведении экспериментальных измерений, объектом исследования являлся порошковый слой из высокодисперсного композита Fe-10%Ni, с размерами частиц железа 3,2 мкм, а размеры частиц металлического никеля находились в интервале от 50 нм до 1500 нм и имели разную форму. Последующие измерения проводились с порошками из алюминия и карбонильного железа.

При перемещении фотодатчика с шагом 0.5 градуса по сфере радиусом R=6 см, в центре которой находился порошковый слой, определялась интенсивность рассеянного слоем потока лазерного излучения. Экспериментальная зависимость силы тока J (в) от угла рассеяния приведена на рисунке 2.13. Экспериментальные данные достаточно хорошо согласуются с теоретической функцией вида [129, 135]: j (в) = У 70;. ,а, = Д sin0, (2.8) где Jm , at, bt - коэффициенты, подбираемые при аппроксимации. На рисунке 2.13. точками представлены результаты эксперимента, сплошной линией теоре тическая аппроксимация.

Зависимость силы тока фотодатчика от угла рассеяния для порошковой среды Fe-10%Ni. Подбирая для порошкового слоя определенной толщины постоянные параметры J0i , равенство (2.8) можно представить в виде ряда с n числом слагаемых.

Для полученных в работе данных, если принять n=3, получаем хорошее согласование между экспериментальными данными и аппроксимирующей зависимостью: где ЛІ =118.25 мА, щ =0.00001 рад, J02 =5.44 мА, a2 = 2.8 рад, J03 =1.77 мА, a3 =5.6 рад для порошковой среды Fe-10%Ni и толщины порошкового слоя 10 мкм.

Так как в рассеянии участвует большое число частиц, и лазерное излучение полностью деполяризовано (степень поляризации устанавливалась на лабораторном стенде-поляриметре PhyWE OpTech), то можно принять, что рассеяние зависит от угла в и не зависит от угла ср, как показано на рисунке 2.14.

Учитывая это предположение можно получить выражение для расчета рассеянной мощности лазерного излучения слоем порошка: P = jI(0)dS, (2.10) где dS = R2dn, R - радиус нижней полусферы под кварцевой пластинкой, численно равен расстоянию от порошкового слоя до датчика, dQ = sin6d6d p - те 66 лесный угол, в пределах которого заключена часть рассеянного лазерного излучения, падающего на поверхность датчика ds, а 1(6) - интенсивность лазерного излучения. При малости геометрических размеров датчика AS = ЬАх 0.6 мм2 , можно перейти от бесконечно малых к конечным величинам и, применяя (2.1), (2.2) запишем: 1(0) = J(6) , (2.11) k-z-AS где к - коэффициент перевода из мощности лазера, приходящейся на площадь датчика, в силу тока фотодатчика J (в), % – коэффициент пропускания светофильтра, применяемого при проведении эксперимента для ослабления интенсивности лазерного излучения. Тогда уравнение для определения рассеянной мощности слоем запишем:

Проводя измерения, для нескольких слоев разной толщины установлено, что проходящее лазерное излучение достаточно хорошо соответствует закономерности функционально близкой к экспоненциальной зависимости, приведенной на рисунке 2.15., и имеет вид: P = PLexp(-jh), (2.14) где 7 = 0.11 мкм 1 - коэффициент затухания лазерного излучения в высокодисперсном порошковом слое Fe-10%Ni. На рисунке 2.15. точками представлены результаты эксперимента, сплошной линией - теоретическая аппроксимация. Поглощенная всем слоем мощность лазерного излучения: рп = рьу(1 - R)(1 - exp(- г)), (2.15). Определив рассеянное и поглощенное всем порошковым слоем лазерное излучение, можно вычислить приращение мощности лазерного излучения при прохождении слоя толщиной А/г на глубине h при выполнении условия Ah«h\