Введение к работе
В диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с процессами объемного формообразования из присадочного порошка с использованием импульсио-периодического лазерного излучения.
Актуальность работы.
Лазерное объемное формообразование металлических материалов является постоянно развивающимся методом обработки для изготовления новых деталей или восстановления изношенных поверхностей деталей машин. Процесс объемного формирования предполагает построение объекта послойно по электронной трёхмерной модели. Деталь разбивается на тонкие слои. В процессе изготовления подложка совершает перемещения относительно лазерного излучения по программируемой траектории. Одновременно в зону обработки подается порошок. При переплаве присадочного материала получается формообразующий слой. Далее слой за слоем формируется деталь. Это технологии быстрого прототипирования и производства, известные за рубежом под названиями DMD (направленное металлическое нанесение), LENS(HanpaaneHHaH материальная система выращивания) и др. Использование в качестве источника нагрева лазерного излучения, а также возможность смешивания присадочных порошков позволяет регулировать свойства детали. Известные ycTaHOBKn(DMD, LENS) оснащены мощными технологическими лазерами, генерирующими непрерывное излучение.
Несмотря на высокую концентрацию энергии в пятне нагрева, способы обработки с использованием непрерывного излучения предполагают относительно большой перегрев металла. Поэтому они имеют ряд недостатков, связанных с высоким термомеханическим воздействием на обрабатываемый металл, и, как следствие, большим проплавлением основы, перемешиванием основного и присадочного металла, относительно сильным перегревом подложки.
Наряду с указанными трудностями в зоне лазерного воздействия возможно образование трещиноподобных дефектов. Литературный анализ говорит о том, что избежать данных трудностей можно при использовании лазерного импульсно-периодического излучения.
В настоящее время отсутствуют систематизированные исследования по обоснованию возможности использования импульсно-периодического излучения для объемного формообразования деталей.
В связи с изложенным, исследование процесса объемного формообразования при использовании импульсно-периодического лазерного излучения является актуальной задачей.
Цель работы.
Оптимизация технологических режимов создания объемных металлических деталей из порошков путем оплавления их импульсно-периодическим лазерным излучением.
Задачи исследования.
-
Исследование особенностей формирования единичного валика.
-
Исследование формирования многопроходных объемных элементов.
-
Определение особенностей формирования структуры.
-
Исследование технологической прочности металла при объемном формообразовании.
-
Установление возможности создания композитных структур.
Методы исследования.
В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические задачи решались с применением научных основ технологии лазерной обработки материалов. Лазерная обработка проводилась на установке «Квант-15». Планирование и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с использованием компьютерных программ. Исследование особенностей формирования структуры проводилось с помощью микроскопов МБИ-15 и «Неофот», а также электронного микроскопа. Измерения микротвердости в ЗЛВ образцов проводились на приборе ПМТ-3.
Научная новизна.
-
Установлены закономерности формирования геометрических параметров отдельных слоев в процессе объёмного формообразования при многослойном оплавлении присадочного порошка системы Ni-Cr-B-Si лазерным импульсно-периодическим излучением. Получены зависимости, связывающие высоту, ширину валика и глубину подплавления подложки с параметрами режимов в диапазоне: энергия импульса (6,25 - 9,8 Дж), частота следования импульсов (2 - 10 Гц), расфокусировка (0-2 мм), скорость обработки (0,5 - 2,5 мм/с). Наиболее значимыми факторами являются для ширины -расфокусировка, высоты - частота следования импульсов, глубины подплавления - энергия импульса.
-
Склонность к возникновению кристаллизационных трещин при объёмном формообразовании присадочного порошка системы Ni-Cr-B-Si с использованием импульсно-периодического лазерного излучения зависит от
сочетания параметров режима обработки. Впервые обнаружено неоднозначное влияние энергии импульса (W, Дж), частоты следования импульсов (f, Гц), расфокусировки (AF, мм) на изменение склонности к образованию трещин, что связано с изменением схемы кристаллизации. Поэтому расчёт параметров режима лазерной обработки, обеспечивающих отсутствие трещин, необходимо проводить по полученному в работе регрессионному уравнению^).
3. Наиболее значимым фактором для сохранения упрочняющей фазы в композитных покрытиях с интерметаллидным упрочнением при использовании присадочного порошка ВКНА является скорость обработки. В диапазоне скоростей 0,5 - 1,8 мм/с диаметр упрочняющих частиц у'-фазы уменьшается, их количество растет, микротвердость возрастает. При скоростях выше 1,8 мм/с наблюдается обратная тенденция. Для сохранения упрочняющей фазы в композитных слоях необходимо устанавливать скорость обработки в пределах 0,5 -1,8 мм/с.
Практическая ценность.
Для установления геометрических размеров формообразующего слоя рекомендуется использовать полученные уравнения регрессии, связывающие высоту, ширину слоя и глубину подплавления подложки с параметрами процесса формообразования присадочного порошка импульсно-периодическим лазерным излучением при сохранении высокой технологической прочности.
Реализация результатов работы.
Подготовлены рекомендации по выбору импульсно-периодических лазерных режимов для получения объемных деталей, переданные ведущим машиностроительным организациям ФГУППФО "Октябрь", ФГУП "НИЦ "Атом", Машиностроительный завод "ЗиО - Подольск", ВИАМ, НПО им. С.А. Лавочкина, ЦНИИТС, НИАТ, ЦИАМ, ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", ФГУП ММПП "Салют" и др.
Апробация работы.
Основные положения работы доложены на научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана (февраль, 2007г.; июнь, 2008г.), на международном симпозиуме «Образование через Науку - 2005», на XIX международной конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» 2008г, на Всероссийской научно-технической конференции «Машиностроительные технологии» 2008г.
Публикации.
По материалам диссертации опубликованы две печатные работы.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Содержит 185 страниц текста, включая 95 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 73 наименований, а также приложения на 19 страницах.
