Технические науки/ 3. Отраслевое машиностроение

К.т.н. Сапрыкин А.А., Н.А. Сапрыкина,

Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета, Россия

Анализ факторов, влияющих на качество поверхностного слоя, полученного лазерным спеканием

В работе выявлены и проанализированы факторы, напрямую влияющие на качество поверхности изделия, полученного селективным лазерным спеканием.

Получение сложных деталей с хорошими механическими свойствами, высокой точностью и качеством поверхности при селективном лазерном спекании металлических порошков позволит значительно расширить сферы использования данной технологии. Только в узком диапазоне режимов можно получить качественные изделия. В связи с этим, актуальной задачей является нахождение оптимальных режимов спекания традиционных и новых порошковых материалов, что невозможно без изучения факторов, влияющих на качество поверхности.

Анализируя информацию из литературных источников и результаты экспериментов, были установлены факторы, управляющие качеством поверхности и внутренней структуры:

-термическое воздействие (вспучивание, растрескивание поверхности, расслоение, оплавление поверхности)

-технологические режимы нанесения слоя (уплотнение, скорость нанесения, смещение слоя при нанесении порошка)

-технологические режимы спекания (плотность мощности излучения, энергия в импульсе, скорость перемещения луча лазера, диаметр лазерного пятна)

-материал порошка (теплофизические и физико-химические свойства, размеры и форма порошка)

Управляя термическим воздействием можно добиться качественной поверхности. Для этого выделяются характерные зоны, влияющие на точность спекания порошка – зона, где спекание происходит стабильно, без образования дефектов, вторая зона, когда происходит вспучивание поверхности и ее деформация и третья зона, где происходит проплавление поверхности. Условно, эти режимы можно назвать «черновым», «чистовым» и «отделочным» и на основе этого принять следующую стратегию спекания: «чистовой режим» использовать для формирования поддерживающего контура и сохранения формы сечения при последующем заполнении слоя при помощи «чернового режима». «Черновой режим» обеспечивает повышенную шероховатость, что положительно влияет на прочность сцепления слоев между собой. И заключительный проход по контуру на «отделочном режиме» где обеспечивается оплавление порошка точно по контуру сечения, исключая возникшие неточности при предыдущих переходах – «черновом» и «чистовом» и обеспечивая одновременно качество поверхности [1].

Эффективность теплоотвода определяется наличием в порошковой композиции поровых промежутков, зависящих от формы частиц и соразмерности частиц порошка. Форма частиц должна быть подобрана так, чтобы при смещении уменьшить размер пор [2]. Сферические частицы лучше укладываются со сферическими, а дендритные с хлопьевидными [3]. Глубина спекания уменьшается с увеличением уплотнения порошкового материала. Ее можно увеличить, увеличивая мощность лазерного луча. Однако это приводит к увеличению потери энергии.

Мощность лазерного излучения выбирается в зависимости от коэффициента отражения излучения для данного порошка, температуры плавления порошкового материала и коэффициента температуропроводности, а также формы и размера частиц. Для тугоплавких материалов необходимо увеличивать мощность лазерного излучения, и уменьшать скорость перемещения луча лазера. При нерационально выбранных значениях мощности возникает горение порошкового материала.

При рассмотрении влияния теплофизических и физико-химических свойств на качество поверхности возникает сложность в их нахождении. Ведь свойства порошковых материалов не соответствуют традиционным данным, приведенным в справочниках для монолитного материала. Для определения механических характеристик используют метод наноиндентарования. Индентирование остается наиболее простым, быстрым, чувствительным и универсальным методом исследования механических свойств различных материалов, покрытий, тонких пленок и т.д., не требующим изготовления специальных образцов и эталонов [4]. Метод наноиндентирования заключается во вдавливании индентора с алмазным наконечником, с определенной нагрузкой, в приповерхностный слой и определения толщины этого слоя, с помощью программного обеспечения нанотведомера. По данному методу можно найти значения микротвердости, твердость по Виккерсу и модуль упругости.

Для определения оптимальных режимов спекания необходимо разделить металлические порошковые материалы на однокомпонентные и двухкомпонентные. Двухкомпонентные, в свою очередь, разделить на порошковые материалы с близкой температурой плавления, и с разной температурой плавления. В основе метода селективного лазерного спекания лежит физический процесс жидкофазного спекания. Жидкая фаза образуется за счет расплавления более легкоплавкого компонента. Различают три стадии жидкофазного спекания: 1- перегруппировка твердых частиц под воздействием течения жидкости; 2- образование жесткого скелета из твердых частиц в результате их припекания; 3- уплотнение. Тугоплавкий компонент составляет скелет будущего изделия [5]. Для реализации процесса жидкофазного спекания режим лазерного воздействия необходимо выбрать таким образом, чтобы температура в зоне спекания была много меньше тугоплавкой компоненты и немного больше легкоплавкой компоненты порошковой смеси. Дополнительный подогрев зоны обработки уменьшает разность температур в процессе спекания и таким образом уменьшает деформацию спекаемого изделия.

Список литературы

1. Сапрыкин А.А., Сапрыкина Н.А. Понятие режимов лазерного спекания порошковых материалов. Вестник Кузбасского государственного технического университета, №3, Изд. КузГТУ, 2010.

2. Wang X. Calibration of shrinkade and beam offset in CLS process // Rapid Prototyping Journal. 1999. V.5, № 3. Р. 129-133.

3. Ивенсен В.А. Кинетика уплотнения металлических порошков при спекании. М.: Металлургия, 1971. 265с.

4. Ю.И. Головин, В.И. Иволгин, В.В. Коренков, Н.В. Коренкова, Р.И. Рябко. Определение комплекса механических свойств материалов в нанообъемах методами наноиндентирования // Конденсированные среды и межфазные границы – 2001. – Т.3. – №2.

5. Шишковский И. В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезоструктур и объемных изделий. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 424 с.