Введение к работе
Актуальность работы.К настоящему времени разработано множество металлокерамических композиционных материалов, отличающихся повышенной механической прочностью, износо-, термо- и коррозионной стойкостью, широкое применение которых сдерживается трудностью получения из них деталей заданной геометрической формы традиционными методами спекания и механической обработки. В настоящее время перспективными методами формообразования становятся аддитивные технологии, принцип которых состоит в том, что изделия синтезируются послойно по данным цифровой трехмерной модели. Данная технология призвана стать альтернативой традиционному производству, например обработке резаньем(основанной на удалении первичного материала заготовки). Применение аддитивных технологий могло бы решить проблему формования деталей из различных материалов с повышенными механическими свойствами, которые трудно обрабатываются традиционными методами.
Степень разработанности.На данный момент наиболее активно развиваются два направления аддитивных технологий для изготовления изделий из металлокерамических композиционных материалов: лазерная наплавка и селективное лазерное плавление (СЛП). В обоих случаях удавалось получать композиционные материалы с металлической матрицей с высокими показателями механической прочности и жаростойкости. Размерная погрешность деталей, полученных лазерной наплавкой составляет около 1 мм, поэтому такие детали почти всегда требуют дополнительной механической обработки. Это приводит к значительным трудностям в случае твёрдых композиционных материалов. Поэтому в данной работе изучается технология СЛП, размерная погрешность которой на порядок меньше.
СЛП принципиально не ограничено сложностью геометрической формы и тугоплавкостью материала. Более того, высокие скорости охлаждения порядка 106 К/с, характерные для этого процесса, часто обеспечивают получение наноструктурированного материала с повышенными прочностью и износостойкостью. Технология СЛП уже разработана для ряда металлических материалов, на примере которых подтверждаются вышеуказанные преимущества. Накопленный опыт показывает, что СЛП очень чувствительно к выбору материала и к параметрам процесса.
Процесс СЛП определяется большим числом технологических параметров, такими как мощность лазера, скорость сканирования, интервал сканирования (шаг перемещения лазерного луча), стратегия сканирования
(направление и последовательность перемещений лазерного луча), толщина слоя порошка, а также физико-химическими характеристиками материала, гранулометрическими и морфологическими параметрами порошка. Взаимодействие этого множества параметров очень сложное, поэтому важно понимание того, как изменение каждого из них влияет на процесс СЛП в целом. Распространение этого метода на новые материалы ставит ряд научных и технологических задач, требующих проведения теоретических и экспериментальных исследований, на решение которых направлена данная работа.
Целью работы является разработка процессов получения износостойких композиционных материалов системы WC-Co методом селективного лазерного плавления с целью замены традиционных методов изготовления изделий из труднообрабатываемых материалов.
Поставленная цель может быть достигнута решением следующих задач:
- анализ и выбор исходных порошковых материалов для селективного
лазерного плавления;
получение новых порошковых композиций системы WC-Co для технологии СЛП
расчет температурных полей в зоне обработки при лазерном воздействии;
- теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров
обработки на структуру, химический и фазовый состав композиционного
материала системы WC-Co;
- исследования влияния параметров селективного лазерного плавления
на физико-механические свойства исследуемого материала;
- выбор рациональных технологических режимов селективного
лазерного плавления обрабатываемых материалов;
Поставленные задачи решались методами теоретических, численных и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам с использованием контрольно-измерительной аппаратуры и аттестованных приборов.
Научная новизна:
- разработаны износостойкие металлокерамические композиции
системы WC-Co с соотношением компонентов: 1) 25% (по массе)
наноразмерного порошка карбида вольфрама и 75% (по массе) микронной
фракции кобальта; 2) 94% (по массе) микронного порошка карбида
вольфрама и 6% (по массе) наноразмерной фракции кобальта для
изготовления изделий методом селективного лазерного плавления;
на основе математической модели, учитывающей оптические, теплофизические свойства и испарение композиционного материала системы WC-Co, показано, что высокие скорости сканирования при селективном лазерном плавлении минимизируют потери кобальта при испарении;
определены связи между параметрами селективного лазерного плавления, структурой и фазовым составом композиционного материала системы WC-Co, установлены закономерности структурообразования, заключающиеся в возможности получения износостойких композиционных материалов субмикронной структуры, состоящих из карбидов вольфрама и твердого раствора на основе кобальта;
установлено влияние структуры и фазового состава композиционного материала системы WC-Co на комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств;
определены рациональные режимы селективного лазерного плавления металлокерамической композиции системы WC-Co для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного абразивного износа.
Практическая ценность работы заключается в:
- разработке устройств селективного лазерного плавления при работе с
порошковыми композициями (патенты на полезную модель №152914,
№154761, №163795, 164759 и 173526);
разработке и реализации технологического процесса изготовления изделий из металлокерамических композиций с использованием рациональных режимов селективного лазерного плавления (мощности лазерного излучения, толщины порошкового слоя, скорости сканирования, шага сканирования, стратегии сканирования);
использование результатов работ в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» профиля «Конструкторско-технологическое обеспечение высокоэффективных технологий обработки материалов» в курсе дисциплины «Аддитивное производство».
Достоверность результатовобеспечена математическими расчетами и использованием общих положений фундаментальных наук (уравнение теплопроводности и т.п.), материаловедения и научных основ технологии машиностроения. Результаты экспериментальных работ получены на сертифицированном оборудовании. Основные положения работы отражены в 20 научных трудах, которые включают 5 патентов на полезную модель, 13 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудов соискателей ученых степеней из них 10 в зарубежных журналах, индексируемых в базах данных WebofScience и Scopus , 3 из которых входят
в 1-2 квартиль. Основные результаты работы были представлены на следующих международных и всероссийских симпозиумах, конференциях: международная научная конференция "Scienceofthefuture» (17-20 сентября 2014, г. Санкт-Петербург, Россия); Лазеры и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и применения ILLA (29 сентября-3 октября 2014, Шатура, Россия); Конференция «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (13-15 мая 2014, Москва, Россия); симпозиум международного союза по теоретической и прикладной механике синтеза твердых тел – IUTAM SymposiumonGrowingsolids (23-27 июня 2015, Москва, Россия); II Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» (16 марта 2016, Москва, Россия); конференция применения лазера в инженерии LIMLaserinManufacturing (22-24 июля 2015, Мюнхен, Германия); 8-ая Международная конференция фотонных технологий LANE 2014 (8-11 сентября 2014, Фюрт, Германия); 9-ая Международная конференция фотонных технологий LANE 2016 (19-22 сентября 2016, Фюрт, Германия).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, общих выводов по работе, приложений, списка использованных литературных источников. Представленная работа содержит: 183 страницы, включая 88 рисунков, 30 таблиц и 104литературных источника.
Автор искренне благодарит д.ф.-м.н. Андрея Владимировича Гусарова за ценные консультации и помощь в работе.