Разработка и исследование процесса прямого лазерного изготовления детали из композиционного материала на основе стали и карбида титана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Новиченко, Денис Юрьевич

• Новиченко, Денис Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Новиченко, Денис Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Технология прямого лазерного нанесения материала

1.2. Быстрое прототипирование деталей методом прямого лазерного нанесения

1.3. Композиционные материалы

1.3.1. Общие сведения о композиционных материалах

1.3.2. Композиционные материалы с металлической матрицей

1.4. Выбор металлической матрицы для композиционного материала

1.4.1. Машиностроительная сталь 14ХНЗМА

1.4.2. Термическая обработка стали 14ХНЗМА

1.4.3. Механические свойства стали 14ХНЗМА

1.5. Выбор упрочняющей фазы

1.5.1. Общая характеристика упрочняющих фаз

1.5.2. Характеристика карбидных фаз

1.5.3. Свойства и методы получения карбида титана

1.6. Композиционные материалы на основе стали и карбида титана

1.7. Методы получения композиционного материалы на основе стали и карбида титана

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ГЛАВА 2. Оборудование и материалы

2.1. Порошковые материалы

2.2. Экспериментальная установка

2.3. Анализ структуры и свойств композиционного материала

2.4. Система оптической диагностики

-3Стр.

2.4.1. Многоволновой пирометр

2.4.2. Инфракрасная камера

2.4.3. Принцип калибрования пирометра и инфракрасной камеры

2.4.3. Высокоскоростная ССБ камера

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. Анализ и моделирование газовой динамики и подачи порошкового материала

3.1. Описание течения газа

3.1.1. Основные предположения и допущения

3.1.2. Основные уравнения газовой динамики

3.1.3. Начальные и граничные условия для расчета газовой динамики

3.1.4. Метод численного решения

3.2. Описание движения частиц порошка в потоке газа

3.2.1. Уравнение расчета траектории и скорости частиц

3.2.2. Коэффициент сопротивления для частиц

3.2.3. Начальные и граничные условия для частиц

3.2.4. Условия отражения частиц от твердых стенок сопла

3.2.5. Распределение размеров частиц порошка

3.3. Исследование динамики течения газа

3.4. Анализ формы потока порошка

3.5. Расчет скорости частиц порошка 76 РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. Разработка и исследование технологической карты процесса прямого лазерного нанесения композиционного материала

4.1. Регрессионный анализ степени влияния параметров процесса на геометрические характеристики

4.1.1. Алгоритм проведения эксперимента

4.1.2. Уравнения регрессии

4.1.3. Технологическая карта процесса

4.2. Корреляционный анализ для установления связи между геометрическими и технологическими характеристиками и параметрами процесса

4.3. Оценка толщины слоя для изготовления деталей 94 РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 5. Исследование структуры и свойств композиционного материала из стали и карбида титана

5.1. Структура композиционного материала

5.2. Механизм образования фаз

5.2.1. Система Fe-TiC

5.2.2. Заэвтектический сплав

5.2.3. Доэвтектический сплав (дальняя от точки эвтектики зона)

5.2.4. Доэвтектический сплав (ближняя к точке эвтектики зона)

5.3. Химический и фазовый состав композиционного материала

5.4. Распределение твердости

5.5. Перераспределение и массоперенос карбидной фазы

5.6. Формирование кольцевых структур и сложных карбидов

5.7. Процессы окисления

5.8. Механические свойства

5.9. Химико-термическая обработка: цементация 128 РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

-5Стр.

ГЛАВА 6. Оптическая диагностика и контроль процесса прямого лазерного нанесения материала

6.1. Влияние параметров процесса на яркостную температуру поверхности ванны расплава

6.2. Влияние содержания карбида титана в смеси порошка на яркостную температуру

6.3. Влияние параметра слоя на яркостную температуру

6.4. Визуализация формы потока порошка и измерение скорости частиц

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование процесса прямого лазерного изготовления детали из композиционного материала на основе стали и карбида титана»

Прямое лазерное нанесение материала является аддитивным методом лазерной обработки, который позволяет послойно изготавливать детали по заданной компьютерной модели в одном технологическом цикле. В отличие от традиционных методов металлообработки с удалением материала (точение, фрезерование) или с изменением формы (ковка, штамповка) происходит постепенное наращивание материала. Процесс заключается в нанесении слоя материала путем расплавления основы и присадочного порошкового материала лазерным лучом. Порошковый материал транспортируется в зону обработки с помощью потока инертного газа. Изготовленный материал имеет прочностные характеристики, идентичные свойствам материала, полученного традиционной ковкой или литьем. Технология может уменьшить общее время производства и стоимость детали при мелкосерийном производстве за счет отсутствия дополнительной оснастки и минимальной механической обработки.

Благодаря смешиванию различных порошков метод прямого лазерного нанесения перспективен для изготовления композиционных материалов с металлической матрицей. Композиционный материал — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, гарантирующую совместную работу армирующих элементов. Композиционные материалы имеют высокие показатели удельной и усталостной прочности, обладают повышенной износостойкостью, обеспечивают размерную стабильность конструкции. Применение высокопрочных композиционных материалов в конструкциях авиационной техники позволяет снизить их массу и повысить ресурс.

В настоящий момент перспективно создание и внедрение инновационных конструкционных материалов с высокими физикомеханическими свойствами. Среди конструкционных материалов получают широкое распространение карбидостали - композиционные материалы, состоящие из легированной стали и карбидов. По своим свойствам они занимают промежуточное положение между сталями и твердыми сплавами. Они могут быть использованы для изготовления втулок, подшипников, зубчатых колес, кулачков, подвергающихся интенсивному износу, работающих при высоких температурах и в коррозионных средах.

В отличие от технологий порошковой металлургии прямое лазерное нанесение позволяет получать детали из композиционного материала со 100%—ой плотностью с градиентной или слоистой структурой.

В данной работе представлены экспериментальные и теоретические данные для прямого лазерного изготовления деталей из стали и карбида титана. Выбор металлической матрицы и упрочняющей фазы определен исходя из эксплуатационных условий конечного изделия. Получены опытные образцы с содержанием карбида титана от 2.5 до 34% и с размерами до 50x75x50 мм . На основе уравнений Навье—Стокса создана физико-математическая модель для исследования течения газа и движения частиц порошка в потоке. В численных расчетах учитывается турбулентность газа, и используются частицы разной формы, размера и плотности. Разработана технологическая карта для прямого лазерного изготовления объемных образцов с определенной структурой, заданной геометрией и высокой производительностью (коэффициент использования порошкового материала до 90%). Исследованы особенности взаимодействия карбида титана и металлической матрицы. Предложена методика бесконтактной оптической диагностики и контроля процесса прямого лазерного нанесения на основе многоволнового пирометра, инфракрасной камеры и CCD камеры.

Автор выражает благодарность проф. Смурову И.Ю., директору лаборатории Diagnostic et Ingénierie des Procédés Industriels (DIPI, Франция), и его команде за предоставленную возможность осуществить эксперименты и активное участие в их реализации.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Новиченко, Денис Юрьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработана аддитивная лазерная технология изготовления деталей из композиционного материала на основе стали и карбида титана со 100%-ой плотностью. Получены опытные образцы из композиционных материалов с содержанием упрочняющей карбидной фазы от 2.5 до 34% и с размерами до 50x75x50 мм3. Коэффициент использования порошкового материала варьируется от 50 до 90% в зависимости от типа материала.

2. Моделирование газовой динамики и движения частиц порошка в потоке при прямом лазерном нанесении материала позволило установить, что применение порошка с частицами крупного диаметра (от 50 до 100 мкм), узкой фракцией и с формой, близкой к сферической, позволит снизить потери материала и увеличить производительность процесса за счет формирования тонкой перетяжки в области фокусирования. Точка фокусировки потока порошка определяется геометрией сопла, а размер перетяжки - шириной распределения размеров частиц. Примененная схема моделирования позволяет оптимизировать различные коаксиальные системы подачи порошка.

3. Конечные свойства получаемого композиционного материала зависят от режимов нанесения и содержания карбида титана в смеси порошков. Образцы из стали, изготовленные перекрестной стратегией нанесения (направления нанесения материала в двух последовательных слоях перпендикулярны друг другу), имеют изотропные свойства, а пределы текучести и прочности находятся на уровне литого материала. В композиционном материале формируется кольцевая структура вокруг нерастворенных частиц карбида титана, выделяются мелкодисперсные частицы ТЮ и Мо2С, а также сложные карбиды типа (Т1,Мо)С. Полученные образцы характеризуются твердой поверхностью (до 600 НУо.О и пластичной сердцевиной (около 300 НУо.О- После цементации композиционный материал с низким содержанием ТЮ (до 5% об.) имеет самый высокий показатель поверхностной твердости (810 НУол).

4. Разработана методика бесконтактной оптической диагностики и контроля процесса прямого лазерного нанесения на основе многоволнового пирометра и инфракрасной камеры. Для каждого типа композиционного материала и режима обработки определяется свой индикатор качества, то есть средний уровень яркостной температуры поверхности ванны расплава и предельное отклонение. Пирометр может использоваться в качестве дефектоскопа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Аддитивное изготовление — это современная концепция производства различных деталей постепенным наращиванием материала, а не путем удаления материала или изменения формы. Процесс прямого лазерного нанесения материала является индустриальной версией быстрого прототипирования металлических деталей. Метод позволяет воспроизводить форму изделия по компьютерной модели, снижая потери материала при дальнейшей механической обработке. Технология сокращает время изготовления и себестоимость деталей при мелкосерийном производстве за счет отсутствия стадии создания пресс—штампа или литейной формы. Изготовленный материал имеет механические характеристики, идентичные свойствам литого или кованого материала.

Согласно исследованиям ассоциации Wohlers Associates более 700 различных систем аддитивного изготовления (около 20% от общемирового количества) находятся в эксплуатации в Европе в таких отраслях промышленности, как электронной (24%), автомобильной (20%), аэрокосмической (8%), военной (7%), медицине (14%), машиностроении (10%) и др. Рынок аддитивных технологий (лазерные системы, объем выпускаемой продукции, присадочные материалы, оборудование для контроля и диагностики) оценивается на сумму 1.183 млрд. евро (2008 г.). Ожидается удвоение объема рынка к 2015 году [14].

Благодаря смешиванию различных порошков метод прямого лазерного нанесения перспективен для получения инновационных композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами. Состав наносимого материала может варьироваться согласно функциональной особенности внутренней и поверхностной части детали.

В настоящей диссертации разрабатывалась технология изготовления деталей из стали и карбида титана со 100%-ой плотностью. Полученный композиционный материал является перспективным для зубчатых колес, втулок, кулачков, работающих при повышенных температурах, в условиях агрессивных сред и абразивного износа. Большинство экспериментов проводилось с низким содержанием карбида титана (до 15% об.) для изучения механизмов растворения, образования и перераспределения упрочняющей фазы в металлической матрице, оптимизации режимов нанесения материала, разработки технологических рекомендаций для получения композиционного материала, выбора типа порошкового материала и т.д. Были также изготовлены опытные образцы с высоким содержанием карбида титана (до 34% об.). Увеличение содержания карбидной фазы до 60% позволит уменьшить массу материала на 22.5%. Результаты исследований дают возможность рекомендовать полученный композиционный материал для дальнейших испытаний.

Внедрение композиционных материалов, полученных прямым лазерным нанесением, может осуществляться по следующим направлениям: а — замена традиционных материалов без изменения конфигурации детали; б — локальное упрочнение или модификация детали, при которой элементы из композиционного материала достраиваются на поверхности детали из традиционного материала; в - оптимальное проектирование с учетом особенностей структуры и свойств композиционного материала и конструкции детали.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Новиченко, Денис Юрьевич, 2011 год

1. Григорьянц А.Г., ШигановИ.Н, МисюровА.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 664 с.

2. Toyserkani Е., Khajepour A., Corbin S. Laser cladding. Boca Raton: CRS Press, 2005. 280 p.

3. Сварка. Введение в специальность: Учеб. пособие для вузов /В.А. Фролов и др.. М.: ИнтерметИнжиниринг, 2008. 382 с.

4. Ионная химико-термическая обработка сплавов / Б.Н. Арзамасов и др.. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 398 с.

5. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 357 с.

6. Газотермическое напыление: Учеб. пособие для вузов / Л.Х. Балдаев и др.. М.: Маркет ДС, 2007. 342 с.

7. Ion J.C. Laser processing of engineering materials: Principles, procedure and industrial application. Burlington: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005. 576 p.

8. Microstructural and mechanical characteristics of laser coatings / A. Hidouci et al. // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 123, №1. P. 17-23.

9. Przybylowicz J., KusinskiJ. Structure of laser cladded tungsten carbide composite coatings //Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 109, № 1-2. P. 154-160.

10. AxenN., ZumGahrK.—H. Abrasive wear of TiC—steel composite clad layers on tool steel // Wear. 1992. Vol. 157. P. 189-201.

11. HeX., MazumderJ. Transport phenomena during direct metal deposition // Journal of Applied Physics. 2007. Vol. 101, № 5. P. 1-9.

12. Van Acker K., Vanhoyweghen D., Persoons R. Influence of tungsten carbide particle size and distribution on the wear resistance of laser clad WC-Ni coatings // Wear. 2005. Vol. 258. P. 194-202.

13. Steen W.M. Laser material processing. London: Springer, 2003. 558 p.

14. Wohler T. Rapid prototyping, tooling and manufacturing state of the industry: Annual worldwide progress report. Fort Collins: Wohlers Associates, 2009. 250 p.

15. Closed loop direct metal deposition: Art to part / J. Mazumder et al. // Optics and Lasers in Engineering. 2000. Vol. 34. P. 397-414.

16. The direct metal deposition of H13 tool steel for 3-D components / J. Mazumder et al. // Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 1997. Vol. 49, № 5. P. 55-60.

17. Laser-assisted direct manufacturing of functionally graded 3D objects / A. Yakovlev et al. // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 190, № 1. P. 15-24.

18. Mazumder J., SchifFerer A., Choi J. Direct materials deposition: Designed macro and microstructure // Materials Research Innovations. 1999. Vol. 3, № 3. P. 118-131.

19. Potential of direct metal deposition technology for manufacturing thick functionally graded coatings and parts for reactors components / L. Thivillon et al. //Journal of Nuclear Materials. 2009. Vol. 385, № 2. P. 236-241.

20. Kahlen F.J., Kar A. Tensile strengths for laser-fabricated parts and similarity parameters for rapid manufacturing // ASME Journal: Manufacturing Science and Engineering. 2001. Vol. 123. P. 38-44.

21. Kahlen F.-J., Von Klitzing A., Kar A. Hardness, chemical, and microstructural studies for laser-fabricated metal parts of graded materials //Journal of Laser Applications. 2000. Vol. 12, № 5. P. 205-209.

22. Справочник по композиционным материалам / Под ред. Дж. Любина. М.: Машиностроение, 1988. Т. 1. 448 с.

23. Gay D., Hoa S.V. Composite materials: Design and applications. Paris: CRC Press, 2007. 648 p.

24. Михеев C.B., Строганов Г.Б., Ромашин А.Г. Керамические и композиционные материалы в авиационной технике. М.: Альтекс, 2002. 276 с.

25. Chung D.D.L. Composite materials. London: Springer, 2010. 349 p.

26. ЛибенсонГ.А. Производство порошковых изделий. М.: Металлургия, 1990. 240 с.

27. Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

28. ЛахтинЮ.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.

29. Справочник по конструкционным материалам / Под ред. Б.Н. Арзамасова, Т. В. Соловьевой. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 640 с.

30. Масленников С.Б. Жаропрочные стали и сплавы: Справочник. М: Металлургия, 1983. 192 с.

31. CRC materials science and engineering handbook / Edited by J. Shackelford, W. Alexander. Boca Raton: CRC Press, 2001. 1980 p.

32. Кипарисов C.C., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана: Получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987. 216 с.

33. Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МИСИС, 2001. 428 с.

34. ГуревичЮ.Г., Нарва В.К., Фраге Н.Р. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 144 с.

35. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества. М: Высшая школа, 1988. 368 с.

36. Meriaudeau F., TruchetetF. Control and optimization of the laser cladding process using matrix cameras and image processing // Journal of Laser Application. 1996. Vol. 8, № 6. P. 317-324.

37. Hildebrandt D., NaujoksD., Sunder D. Surface temperature measurements of carbon materials in fusion devices // Journal of Nuclear Materials. 2005. Уо1. 337339. P. 1064-1068

38. Doubenskaia M., BertrandPh., SmurovL Optical monitoring of Nd:YAG laser cladding // Thin Solid Films. 2004. Vol. 453^154. P. 477-485.

39. Doubenskaia M., Bertrand Ph., Smurov I. Pyrometry in laser surface treatment // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201, № 5. P. 1955-1961.

40. Pyrometry applications in thermal plasma processing / Ph. Bertrand et al. // Vacuum. 2000. Vol. 56. P. 71-76.

41. CassadyL.D., ChoueiriE.Y. High accuracy multi-color pyrometry for high temperature surfaces // Proceedings of the 28th International Electric Propulsion Conference. Toulouse. 2003. P. 64-69.

42. SvetD. The method of two-color pyrometry of true temperature with unknown emissivity // AIP Conference Proceedings. Tours. 2003. P. 681-686.

43. СветД.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982. 296 с.

44. СветД.Я. Бихроматический метод пирометрии истинных температур // Измерительная техника. 2005. № 7. С. 40-43.

45. Influence of the velocity of plasma sprayed particles on the splat formation / S. Fantassi et al. // Proceedings of the 1993 National Thermal Spray Conference. Anaheim. 1993. P. 1-6.

46. An integrated infrared sensor system for on-line monitoring of thermally sprayed particles / J. Blain et al. // Surface Engineering. 1997. № 5. P. 420-424.

47. YamakawaM., Oki S., Gohda S. Measurement of spraying particle behaviors by three-intensified-sensors color speed video camera system // Proceedings of the 15th International Thermal Spray Conference. Nice. 1998. P. 849-853.

48. In-flight particle concentration and velocity measurements in thermal spraying using a CCD camera / J. Vattulainen et al. // Proceedings of the 15th International Thermal Spray Conference. Nice. 1998. P. 767-772.

49. Lepski D., Bruckner F. The theory of laser materials processing: Heat and mass transfer in modern technology / Edited by J.M. Dowden. London: Springer, 2009. 458 p.

50. Smurovl. Laser cladding and laser assisted direct manufacturing // Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202, № 18. P. 4496-4502.

51. Liu C—Y., Lin J. Thermal processes of a powder particle in coaxial laser cladding // Optics and Laser Technology. 2003. № 35. P. 81-86.

52. HanL., LiouF.W., PhatakK.M. Modeling of laser cladding with powder injection//Metallurgical and Materials Transactions B. Process. 2004. Vol. 35, № 6. P. 1139-1150.

53. Choi J., Han L., Hua Y. Modeling and experiments of laser cladding with droplet injection//ASME Journal. Heat Transfer. 2005. Vol. 127. P. 978-986.

54. PanH., LiouF. Numerical simulation of metallic powder flow in a coaxial nozzle for the laser aided deposition process // Journal of Materials Processing Technology. 2005 Vol. 168, № 2. P. 230-244.

55. Qia H., Mazumder J., Ki H. Numerical simulation of heat transfer and fluid flow in coaxial laser cladding process for direct metal deposition // Journal of Applied Physics. 2006. Vol. 100, № 2. P. 3-14.

56. Analytical and numerical modeling of the direct metal deposition laser process / P. Peyre et al. // Journal of Physics D. Applied Physics. 2008. Vol. 41, № 2. P. 313.

57. Прикладная газовая динамика: Учеб. руководство для вузов / Под ред. Н. Абрамович. М.: Наука, 1991. 597 с.

58. Kravtsov M.V. Resistance to the free steady-state motion of a sphere in a viscous medium//Journal of Engineering Physics. 1968. Vol. 15, № 3. P. 464—470.

59. Li H.-P., Chen X. Three-dimensional modeling of the turbulent plasma jet impinging upon a flat plate and with transverse particle and carrier-gas injection // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2002. Vol. 22, № 1. P. 27-58.

60. Haider A., Levenspiel O. Drag coefficient and terminal velocity of spherical and nonspherical particles // Powder Technology. 1989. Vol. 58, № 1. P. 63-70.

61. Sommerfeld M., HuberN. Experimental analysis and modeling of particle-wall collisions // International Journal of Multiphase Flow. 1999. Vol.25, №6-7. P. 1457-1489.

62. Vittal B.V.R., TabakoffW.J. Two-phase flow around a two-dimensional cylinder //AIAA Journal. 1987. Vol. 25, № 5. P. 648-654.

63. Steel R.G.D., Torrie J.H. Principles and procedures of statistics. New York: McGraw Hill, 1960.481 p.

64. FreedmanD.A. Statistical models: Theory and practice. New York: Cambridge University Press, 2005. 424 p.

65. Крапошин B.C. Зависимость глубины закалки сталей и чугунов от режима лазерного упрочнения // Физика и химия обработки материалов. 1988. № 6. С.88-96.

66. Крапошин B.C., Крапошина И.Ф. Влияние параметров лазерного упрочнения на размеры упрочненных зон для стали 45 // Физика и химия обработки материалов. 1989. №6. С.19-24.

67. De Oliveira U., Ocelik V., De Hosson J.Th.M. Analysis of coaxial laser cladding processing conditions // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 197, № 2-3. P. 127-136.

68. Thick Co-based coating on cast iron by side laser cladding: Analysis of processing conditions and coating properties / V. Ocelik et al. // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201, № 12. P. 5875-5883.

69. Optical monitoring in direct metal deposition / M. Doubenskaia et al. //Proceedings of LIM-2009: The 5th International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing. Munich. 2009. P. 591-596.