Разработка и исследование процессов лазерной обработки композиционных материалов сталь СПН14А7М5-TiC тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат наук Маранц, Александр Вадимович

• Маранц, Александр Вадимович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Маранц, Александр Вадимович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Литературный обзор

1.1. Технологии поверхностного лазерного упрочнения материалов

1.2. Процесс лазерного плавления

1.3. Процесс поверхностной лазерной обработки

1.4. Композиционные материалы

1.4.1. Общие сведения о композиционных материалах

1.4.2. Композиционные материалы с металлической матрицей

1.5. Выбор композиционного материала для лазерной обработки

1.5.1. Металлическая матрица

1.5.2. Упрочняющая фаза

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ГЛАВА 2. Оборудование и материалы

2.1. Экспериментальные установки

2.1.1. Установка LASMA 1054

2.1.2. Установка Phénix РМ 100

2.1.3. Оборудование прессования-спекания

2.1.4. Анализ структуры и свойств композиционных материалов

2.1.5. Методика измерения коэффициента трения

2.2. Порошковые материалы

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2

ГЛАВА 3 Лазерная наплавка КМ сталь СПН14А7М5-Т1С

3.1 Регрессионный анализ влияния параметров лазерной наплавки на геометрические характеристики наплавленного слоя

3.2. Определение оптимальных режимов лазерной напавки

3.3. Микроструктура и свойства материалов после ЛН

3.4. Термическая обработка (старение) наплавленных материалов

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3

ГЛАВА 4 Селективное лазерное плавление КМ сталь СПН14А7М5-Т1С

4.1. Особенности селективного лазерного плавления многокомпонентных систем

4.2. Микроструктура и свойства материалов сталь СПН14А7М5-ТЮ после СЛП

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4

ГЛАВА 5. Поверхностная лазерная обработка спеченных материалов сталь СПН14А7М5-Т1С

5.1. Исследование влияния пористости спеченной стали СПН14А7М5 на геометрические характеристики ванны расплава в процессе лазерной обработки

5.2. Критерии выбора параметров поверхностной лазерной обработки

-45.3. Микроструктура и трибологические свойства спеченного материала

сталь CnH14A7M5-TiC после лазерной обработки

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование процессов лазерной обработки композиционных материалов сталь СПН14А7М5-TiC»

ВВЕДЕНИЕ

Технологии поверхностного лазерного упрочнения материалов делятся на две основных категории: аддитивные технологии и технологии поверхностной лазерной обработки. Аддитивные технологии представляют собой процесс изготовления объектов непосредственно из 3D данных с помощью добавления материала, как правило, наращивая его слой за слоем. Применительно к металлических материалам используются технологии лазерного плавления: метод DMD (Direct Metal Deposition) - лазерная наплавка и SLM/SLS (Selective Laser Sintering/Melting) - селективное лазерное спекание/плавление. Технологии поверхностной лазерной обработки характеризуются процессами, приводящими к изменениям структуры и трибологических свойств поверхности обрабатываемого материала.

Благодаря смешиванию различных порошков лазерные технологии являются перспективными для создания композиционных материалов с металлической матрицей. Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых выделят армирующий элемент, который гарантирует требуемые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Композиционные материалы обладают высокими показателями усталостной и удельной прочности, а

также повышенной износостойкостью, обеспечивающей размерную стабильность конструкции.

В настоящее время наиболее перспективным направлением является создание и внедрение инновационных КМ, обладающихповышенноми физико-механическими и трибологическими свойствами. Среди конструкционных материалов получают широкое распространение карбидостали - композиционные материалы, состоящие из легированной стали и карбидов. Они могут быть использованы для изготовления режущих инструментов, валов, роликов и втулок, подвергающихся большому износу.

В данной работе представлены экспериментальные и теоритические данные лазерной обработки композиционных материалов аддитивными методами и поверхностной лазерной обработки. С помощью регрессионного анализа установлена связь между составом карбидосталей, параметрами лазерной наплавки и геометрическими характеристиками единичных слоев. Определены оптимальные режимы лазерной наплавки и последующей термической обработки. Методом селективного лазерного плавления (СЛП) получены карбидостали с содержанием упрочняющей фазы до 30%Об-Выявлено формирование субзеренной и ультрадисперсной структуры материалов, что подчеркивает уникальность их свойств для технологии СЛП и открывает новые направления в этой области. Проведены расчеты оценки влияния пористости материалов на распространение теплового фронта в процессе поверхностной лазерной обработки на примере спеченной стали СПН14А7М5. Модернизирована математическая модель, описывающая

процесс распространения тепла для несплошных тел, основанная на интегральной теории эффективной среды Максвелла-Гарнетта и уравнении Рыкалина для непрерывно-действующего нормально-кругового (гауссова) источника. Она дает возможность в первом приближении оценить степень влияния пористости на распространение теплового фронта в материале. Исследованы особенности структурных и фазовых преобразований в материалах в процессе структурной модификации поверхности.

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.

ГЛАВА 1 Литературный обзор

1.1. Технологии поверхностного лазерного упрочнения материалов

В настоящее время лазерные технологии поверхностного упрочнения материалов находят все более широкое применение в различных отраслях производства. По характеру воздействия на упрочняемый материал их можно разделить на две основные категории: аддитивные технологии и технологии поверхностной лазерной обработки.

Аддитивные технологии представляют собой процесс изготовления объектов непосредственно из 3D данных с помощью добавления материала, как правило, наращивая его слой за слоем. Примером применительно к неметаллическим объектам (пластмассы) служит технология 3D-Printing -печатание трехмерных изделий, различного плана макетов и прототипов [1]. При изготовлении объектом из металла широко используются технологии лазерного плавления: метод DMD (Direct Metal Deposition) - лазерная наплавка и SLM/SLS (Selective Laser Sintering/Melting) - селективное лазерное спекание/плавление [2, 3].

Процесс лазерной наплавки материала заключается в нанесении на поверхность обрабатываемого изделия покрытия путем расплавления основы и присадочного материала (рис. 1.1). Поскольку основа подплавляется минимально, свойства покрытия, главным образом, зависят от свойств присадочного материала [3, 4].

Лазерный луч

Коаксиальное сопло

Поток порошка

Ванна расплава

Нанесенный материал

Рис. 1.1.

Схема процесса лазерной наплавки материала

Процесс селективного лазерного плавления (СЛМ) отличается от наплавки главным образом способом подачи материала: лазерным лучом производится сканирование по поверхности тонкого слоя порошка, предварительно нанесенного на подложку или ранее переплавленного слоя, который является субстратом для следующего слоя. При этом происходит плавление не всего порошка, а избирательно, в соответствии с компьютерной моделью [2, 5].

По сравнению с промышленными технологиями плазменной и дуговой наплавки, технологии лазерного плавления обладают рядом преимуществ [4]. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева создает возможность проведения процесса при повышенных скоростях обработки [6]. Это, в свою очередь, обуславливает:

- формирование слоя с малым коэффициентом перемешивания (0.050.15) в результате незначительного подплавления основы;

- 10- минимальное термическое воздействие на основной металл, что

особенно важно для материалов, претерпевающих структурные и фазовые

превращения;

- малые остаточные деформации обработанных деталей

- возможность нанесения материала на малые поверхности, соизмеримые с диаметром пятна нагрева в случае применения импульсных и импульсно-периодических лазеров;

- повышенные свойства нанесенного слоя по сравнению со свойствами покрытия, полученного традиционными методами;

- автоматизация и высокая производительность процесса [7, 8].

Таким образом, малые деформации, с одной стороны, и высокие

эксплуатационные свойства, с другой, создают предпосылки для применения технологии лазерного плавления не только для получения специальных свойств поверхности изделий, но и при изготовлении отдельных деталей и узлов машин [9].

Технологии поверхностной лазерной обработки характеризуются процессами, приводящими к изменениям структуры и трибологических свойств поверхности обрабатываемого материала.

Локальное лазерное воздействие представляет собой термическую обработку в заданной области, приводящую к изменению структуры. Также оно способно провоцировать химическое взаимодействие между компонентами материала, инициируя тем самым фазовые превращения в нем

[10]. Помимо этого в результате образования ванны расплава, в пористых материалах происходит залечиваение пор в приповерхностной области [11].

Таким образом, поверхностная лазерная обработка находит применение как в улучшении механических свойств обрабатываемой поверхности (повышение твердости, износостойкости), так и физических свойств (залечивание пористости, создание прочных химических соединений), сохраняя при этом высокое качество поверхности.

1.2. Процесс лазерного плавления

Лазерное плавление материала является аддитивным методом формирования трехмерных объектов путем постепенного наращивания (добавлением) материала [12]. Объект изготавливается послойно по заданной компьютерной модели (3D CAD модель). При нанесении покрытий малым количеством слоев возможно проведение поверхностного упрочнения или восстановления изношенных деталей [13, 14].

Точность изготавливаемых объектов определяется техническими характеристиками установки (лазерной, оптической, механической системы), параметрами обработки (толщиной слоя, стратегией изготовления) и физическими процессами (фазовыми и структурными превращениями). Максимальная достижимая точность с использованием существующих технологий составляет ±0.05 мм [15, 16].

Лазерная наплавка (DMD-процесс) позволяет изготавливать металлические объекты, а также наносить защитные покрытия и

восстанавливать изношенные узлы деталей со 100%-ой плотностью и высокой производительностью [17] (рис. 1.2).

Рис. 1.2.

Деталь из титанового сплава Т16А14У, полученная методом лазерной наплавки: а - после изготовления; б - после механической обработки

Метод селективного лазерного плавления производит объекты сложной геометрической формы, с внутренними полостями и переменного состава, не требующие дополнительной механической обработки [2, 18] (рис. 1.3).

■ Ей. 4

1 лй

10 тт

Рис. 1.3.

Объекты, полученные методом СЛП: а - с внутренними полостями; б -

переменного состава

- 13 -

1.3. Процесс поверхностной лазерной обработки

Поверхностная лазерная обработка представляет собой процесс термического воздействия на поверхность лазерным лучом, в результате которого тепловой фронт, распространяясь в материале, инициирует микроструктурные и фазовые преобразования между составными компонентами материала. Задание траектории с помощью компьютерной модели позволяет производить лазерную обработку в заданной области [10, 11].

Степень лазерного воздействия на материал определяют как параметры лазерной обработки (мощность и скорость сканирования), так и физико-химические свойства (теплопроводность, температура плавления, пористость и др.) самого материала [19]. Таким образом, глубина термического воздействия может варьироваться от нескольких микрометров до нескольких миллиметров [20].

Основной характеристикой поверхностной лазерной обработки является провоцирование взаимодействия между составными компонентами обрабатываемого материала. Оно может сопровождаться поверхностным упрочнением как за счет образования упрочняющих фаз в процессе реакции, так и за счет закалки, обусловленной высокими скоростями охлаждения при лазерной обработке [21]. Образование жидкой ванны расплава способствует залечиванию пор и формированию беспористого приповерхностного слоя в материале.

- 141.4. Композиционные материалы

1.4.1. Общие сведения о композиционных материалах

Композиционный материал (КМ) - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить упрочняющие или армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают (рис. 1.4). В композиционных материалах нагрузка переносится с малопрочного материала матрицы на более прочный материал армирующего элемента [22].

Детали из композиционных материалов имеют ряд особенностей:

- высокая удельная прочность;

- высокая жесткость;

- высокая износостойкость;

- высокая усталостная прочность;

- размерная стабильность конструкции.

Металлы

Металлическая саязо Крисалличеснав структура ВоЮОКЙЯ проводимость

Кристапл<"чес*ая или аморфная структура Ниш» проводимость

Керамика

I

МО«»"«« /

Композиционные материалы

/

Неметаллы

Одиополярмая »* бипсг ирная саяъь

Г1П I-' г И4* '41 При И-1ГГОИ*

!«иП»М1ур<1»

Рис. 1.4.

Классификация композиционных материалов в рамках других материалов:

Композиционные материалы обладают также рядом недостатков:

- высокая стоимость;

- анизотропия свойств;

- повышенная наукоемкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья.

В зависимости от вида армирующего компонента композиционные материалы могут быть разделены на три основные группы, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности (рис. 1.5):

- слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями);

металлов, керамики и неметаллов

-16- волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами);

- дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных

частиц).

Путем подбора состава и свойств упрочняющей фазы и матрицы, их соотношения и взаимной ориентации можно получить композиционные материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических

свойств [23].

,5 " "

ь* С IV 'Я/ в • ■

V -ГГ ¡4 £ •

их*

а)

б)

Рис. 1.5.

в)

Схематичное изображение трех типов композиционных материалов: а - слоистые; б - волокнистые; в - дисперсно-упрочненные

Внедрение композиционных материалов осуществляется по трем основным направлениям:

- замена традиционных материалов без изменения конфигурации деталей;

- локальное упрочнение, при котором элементы из композиционных материалов в виде накладок или вставок подкрепляют детали из

традиционных материалов;

- 17- оптимальное проектирование с учетом особенностей применяемых

композиционных материалов.

Применение высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов позволяет снизить их массу и повысить ресурс. Например, ресурс лопастей из полимерных композиционных материалов в 2 раза превышает ресурс лопастей цельнометаллической конструкции, при этом вес лопасти на 30...50% ниже [24].

1.4.2. Композиционные материалы с металлической матрицей

Наибольшее применение в машиностроении получили композиционные материалы на основе сплавов железа, титана, никеля, кобальта, меди, алюминия, магния, армированных высокопрочными непрерывными углеродными, борными, карбидными, молибденовыми, вольфрамовыми волокнами или тугоплавкими мелкодисперсными частицами. Волокнистые и дисперсно—упрочненные композиционные материалы превосходят металлы и сплавы по усталостной прочности, термостойкости, виброустойчивости, шумопоглощению, ударной вязкости и другим свойствам [25].

Волокнистые композиционные материалы. Матрица передает напряжение высокопрочным волокнам при их объемном содержании до 5070% за счет сил сцепления на границе раздела волокно-матрица. Поскольку упрочнение зависит главным образом от свойств армирующего волокна

(матрица действует как среда для передачи напряжения), такие системы по своим высокотемпературным характеристикам превосходят системы на основе дисперсных частиц.

Волокнистые композиционные материалы имеют анизотропные свойства, обусловленные расположением волокон в том или ином направлении.

Упрочнение алюминиевых сплавов волокнами бора значительно улучшает их механические характеристики и позволяет повысить температуру эксплуатации сплава с 250-300 до 450-500°С. Легирование расплавов карбидными и интерметаллическими соединениями, образующими при охлаждении в контролируемых условиях волокнистые или пластинчатые кристаллы, приводит к упрочнению сплавов и позволяет повысить температуру их эксплуатации на 60-80°С [26].

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В матрице равномерно распределены мелкодисперсные частицы армирующего компонента. Такие композиционные материалы обладают изотропными свойствами.

В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются также путем формирования определенного структурного состояния. Эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала [27].

Существует несколько способов повышения механических свойств:

- 191. Дисперсионно-твердеющие материалы получают высокотемпературной

закалкой с последующим искусственным старением при температуре,

близкой к рабочей. Происходит образование химически устойчивых

неметаллических фаз субмикронного размера, которые тормозят

перемещение дислокаций при высокой температуре [27, 28].

Для дисперсионно-твердеющих материалов характерен механизм упрочнения Орована (рис. 1.6). Согласно нему дислокации при своем движении удерживаются частицами фазы-упрочнителя, пока прилагаемое напряжение не будет достаточным, чтобы линия дислокации прогнулась и прошла между частицами, оставив вокруг них дислокационные петли. Соответственно, уменьшается расстояние между частицами и возрастает напряжение для прохода следующего фронта дислокаций. Механизм упрочнения работает до (0.7-0.8)Тпл, так как с ростом температуры происходит постепенное растворение частиц фазы-упрочнителя, увеличивается расстояние между ними и уменьшается эффект упрочнения [29, 30].

2. Дисперсно-упрочненные материалы получают путем образования или введения тугоплавких мелкодисперсных частиц (карбидов, боридов, оксидов и т.д.), не растворяющихся при изготовлении изделия или эксплуатации.

Введение, например, 2г02 в сплав позволяет получать дисперсно-упрочненные жаропрочные сплавы, работающие под нагрузкой при 1100-1200 °С, причем предел работоспособности обычных жаропрочных сплавов при тех же условиях составляет 1000-1050°С [27, 31].

Дислокацнонные петли

Частицы фа ш-упрочшпсля

Линия дислокации

Рис. 1.6.

Схема обхода дисперсионных частиц фронтом дислокаций

Наиболее эффективное упрочнение обеспечивается при содержании упрочняющей фазы 3-15% по объему, размере частиц до 1 мкм (лучше 0.010.05 мкм) и среднем расстоянии между ними 0.1-0.5 мкм. Для таких материалов помимо механизма, описанного в теории Орована, действует механизм упрочнения за счет образования субструктуры, которая сохраняется до предплавильных температур. Образование данной субструктуры достигается термомеханической обработкой и низкотемпературным отжигом. Формируется структура, состоящая из очень мелких нерекристаллизованных зерен и крупных рекристаллизованных зерен. Мелкие зерна располагаются по границам и препятствуют снятию запасенной энергии. Такие материалы могут работать при (0.9-0.95) Тм.

[26, 32].

3. Нагартованный материал - металлы и сплавы, упрочненные вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации при температуре ниже температуры рекристаллизации. С ростом температуры происходит процесс рекристаллизации и нормализации искаженной структуры материала. Данный механизм работает в области температур ниже 0.4Тпл [27, 33].

На рисунке 1.7 схематично показано изменение прочности от температуры для различных классов жаропрочных материалов.

Схема изменения прочности в зависимости от температуры: 1 - дисперсионно-твердеющие материалы; 2 - дисперсно-упрочненные материалы; 3 - чистые нагартованные металлы [26]

1.5. Выбор композиционного материала для лазерной обработки

5

J_I I { ■д

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Т/То „

Рис. 1.7.

1.5.1. Металлическая матрица

При получении композиционных материалов методом лазерного плавления рост прочностных характеристик материалов осуществляется за счет механизмов дисперсного упрочнения и дисперсионного твердения, поэтому в качестве матричного материала была выбрана мартенситностареющая сталь СПН14А7М5. Мартенситностареющие стали -это перспективный класс высокопрочных сталей с интерметаллидным упрочнением при окончательной термической обработке - старении -применяющиеся для изготовления деталей, работающих в условиях экстремальных механических нагрузок. Поскольку лазерное плавление сочетает в себе нанесение материала и его термическую обработку, выбор мартенситностареющей стали идеально подходит для создания материала с повышенными механическими характеристиками. Химический состав стали представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Химический состав стали СПН14А7М5

Марка стали Fe С Ni А1 Мо

СПН14А7М5 осн. 0,03 14 7 5

Сталь СПН14А7М5 рекомендована для изготовления высоконапряженных конструкций, для экструзионных прессов и штампов, специальных ответственных механизмов и валов, для держателей штампов, высокопрочных шасси вертолетов и др.

Для достижения эксплуатационной надежности деталей сталь СПН14А7М5 подвергается закалке на мартенсит с последующим старением [34]. В результате выделения дисперсных фаз прочность стали возрастает без потери пластичности [35].

Стандартная термическая обработка проводится при следующих условиях:

- закалка (нагрев до 825/850°С, охлаждение в масле);

- старение (7 часа 500/550°С) [34].

Механические свойства стали СПН14А7М5 при стандартной термической обработке представлены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Механические свойства стали СПН14А7М5

Предел прочности Предел текучести Удлинение Твердость,

опр, МПа от, МПа 5, % НУ

1350 1150 13 450

1.5.2. Упрочняющая фаза

Фазой-упрочнителем являются в основном тугоплавкие материалы. Основное направление их использования - получение жаропрочных, износостойких и коррозионностойких сплавов, а также сплавов с особыми физическими и механическими свойствами. Большое значение имеет

использование тугоплавких материалов в качестве эффективных легирующих добавок для различных материалов [26].

Тугоплавкие металлы относят к переходным элементам 4-7 группы периодической системы Д.И. Менделеева, у которых при переходе от одного элемента к соседнему происходит достройка внутренних электронных

уровней (так называемых ¿/-уровней). Такими металлами являются титан, цирконий, гафний (4 группа), ванадий, ниобий, тантал (5 группа), молибден, вольфрам (6 группа), и рений (7 группа) (рис. 1.8).

Рис. 1.8.

Периодическая система Д.И. Менделеева с выделенными тугоплавкими

элементами

Особенность строения атомов определяет высокую прочность межатомных связей в кристаллической решетке рассматриваемых металлов. Это сказывается на их повышенной твердости и коррозионной стойкости,

высоких температурах плавления, а также переменной валентности, обуславливающей многообразие химических соединений этих металлов [26].

Карбиды - тугоплавкие соединения металлов и неметаллов с углеродом. Они активно применяются в машиностроении для изготовления инструментов, требующих высокой твёрдости и коррозионной стойкости при высоких температурах. Карбиды также используются при наплавке износостойких покрытий на детали, работающие в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками [26].

По кристаллической структуре карбиды подразделяются на несколько групп:

1. Карбиды с кубической решеткой типа №С1. Эту структуру имеют наиболее тугоплавкие и наиболее устойчивые карбиды: ТлС, ХхС, УС, №>С, ТаС, У4СЗ.

2. Карбиды с гексагональной плотноупакованной решеткой: Мо2С, МоС, \У2С, \¥С, БЮ, Та2С.

3. Карбиды с ромбической решеткой: Ре3С, Ре2С, Мп3С, Со3С, №3С.

Хром занимает особое положение, образуя три типа карбидов, из

которых каждый имеет свою структуру: Сг23С6 - сложную гранецентрированную кубическую решетку; Сг7С3 - гексагональную и Сг3С2 - ромбическую [36].

По возрастающей стойкости карбидов образующие их элементы можно расположить в следующем порядке: марганец, железо, хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан, тантал, ниобий и цирконий. О стойкости

соединений приближенно можно судить по теплоте их образования, которые для некоторых карбидов приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3.

Теплота образования карбидных фаз

ZvC ТЮ УС М02С 8Ю \УС

Теплота образования, кДж/мол 242.7 209.2 205.0 175.7 66.1 60.7

Реакция образования наиболее стойких карбидов, за исключением карбидов молибдена и вольфрама, экзотермическая. Порядок образования и выделения карбидов соответствует карбидообразующей способности элементов, их степени химического сродства. В первую очередь в аустените образуются те карбиды, которые обладают наибольшей стойкостью. Например, титан в присутствии хрома и ванадия образует карбиды в первую очередь. А хром и молибден переходят в твердый раствор в присутствии титана, образующего более стойкие карбиды [36].

Кроме указанных выше свойств, карбидные фазы обладают весьма ценным свойством образовывать между собой и металлами непрерывные или ограниченные твердые растворы. Чем меньше отличаются параметры решеток карбидных фаз, тем лучшей взаимной растворимостью они обладают. С карбидами вольфрама или молибдена карбиды титана образуют ограниченные твердые растворы переменной растворимости, характерной для дисперсионно-твердеющих систем [36].

Все эти закономерности определяют условия образования карбидов в стали при наличии нескольких карбидообразующих элементов и последовательность их растворения и выделения в аустените.

Среди карбидных фаз карбид титана выделяется более низкой плотностью, высокой твердостью, повышенной термической стабильностью и стойкостью против окисления, сопоставимым с легированной сталью коэффициентом линейного теплового расширения (табл. 1.4). Он может быть использован как для упрочнения, так и для облегчения стали [37].

Таблица 1.4.

Теплофизические свойства карбидных фаз

Характеристики тю \УС ею

Плотность р г/см3 4,94 15,8 3,2

Модуль Юнга Е ГПа 439 714 410

Твердость НУо.1 3200 1730 2960

Предел прочности опр (сжатие) МПа 2500 1379

Коэффициент Пуассона 0,185 0,24 0,19

Температура плавления Гпл. К 3065 2870 2730

Коэффициент расширения а 10^-К"1 7,7

Теплопроводность X Вт-м_1-К_1 20

Карбид титана является фазой переменного состава с широкой областью гомогенности по углероду. Карбид титана имеет кристаллическую

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Маранц, Александр Вадимович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Berman В. 3-D printing: The new industrial revolution // Business Horizons. 2012. p. 155-162.

2. Yadroitsev I., Shishkovsky I., Bertrand P., Smurov I. Manufacturing of fine-structured 3D porous filter elements by selective laser melting // Applied Surface Science. 2009. p. 5523-5527.

3. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н, Мисюров А.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.

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

5. I. Yadroitsev, Ph. Bertrand, B. Laget, I. Smurov. Application of laser assisted technologies for fabrication of functionally graded coatings and objects for the International Thermonuclear Experimental Reactor components // Journal of Nuclear Materials. 2007. Volume 362. p. 189-196.

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

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

8. Ахйп N., Zum Gahr K.-H. Abrasive wear of TiC-steel composite clad layers on tool steel // Wear. 1992. Vol. 157. P. 189-201.

- 1099. Steen W.M. Laser material processing. London: Springer, 2003. 558 p.

10. Ho Jun Shin, Young Tae Yoo. Microstructural and hardness investigation of hot-work tool steels by laser surface treatment // Journal of materials processing technology, 201, 2008, 342-347.

11. B.S. Yilbas et al. Laser gas assisted treatment of pre-prepared high strength low alloy steel surface // Journal of Materials Processing Technology 211, 2011, 1268-1277.

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

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

14. Cabeza M., Castro G., Merino P., Pena G., Roman M. Laser surface melting: A suitable technique to repair damaged surfaces made in 14 Ni (200 grade) maraging steel // Surface and Coatings Technology. 2012. p. 159-168.

15. 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.

16. Laser-assisted direct manufacturing of functionally graded 3D objects / A. Yakovlev [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol 190, P. 15-24.

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

- 11018. Shishkovsky I., Yadroitsev I., Smurov I. Direct selective laser melting of

nitinol powder. // Physics Procedia, 39, 2012, 447 - 454.

19. Gao F., Wang H.M. Abrasive wear property of laser melting/deposited Ti2Ni/TiNi intermetallic alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2007, p. 1358-1362.

20. Damborenea J. Surface modification of metals by high power lasers // Surface and Coatings Technology. 1998. p. 377-382.

21. Baburaj E., Starikov D., Evans J., Shafeev G., Bensaoula A. Enhancement of adhesive joint strength by laser surface modification // International Journal of Adhesion and Adhesives. 2007. p. 268-276.

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. Либенсон Г.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. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Материаловедение, термообработка и рентгенография: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. М.: Изд-во МИСиС, 1994. 480 с.

29. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.

30. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технологии конструкционных материалов: Учебник для вузов / Под ред. Колесов С.Н., Колесов И.С. М.: Высш. шк., 2007. 535 с.

31. Шлямнев А. П., Свистунова Т. В. Коррозионностойкие жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справочное издание. М.; "Интермет, Инжиниринг", 2000. 132 с.

32. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.

33. Золотаревский В. С. Механические свойства металлов. М.: Изд-во МИСиС. 1998.400 с.

34. Анциферов В.Н., Акименко В.Б., Гревнов Л.М. Порошковые легированные стали. -М.: Металлургия, 1988. 318 с.

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

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

- 11237. CRC materials science and engineering handbook / Edited by J. Shackelford,

W. Alexander. Boca Raton: CRC Press, 2001. 1980 p.

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

39. 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.

40. Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге Н.Р. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 144 с.

41. D.I. Bourell, H.L. Marcus, J.W. Barlow, and J J. Beaman Selective laser sintering of metals and ceramics // Powder Matallurgy, 28 (4). 1992, p. 369-381.

42. G.N. Levy, R. Schindel, J.P. Kruth Rapid manufacturing and rapid tooling with layer manufacturing (LM) technologies, state of the art and future perspectives // CIRP Annals - Manufacturing Technology, 52 (2). 2003, p. 589-609.

43. Shishkobsky I., Petrov A., Sherbakov V. Porous surface structure of biocompatible impacts base of titanium and nitinol, synthesized SLS/SLM method // International Conference on Lasers. 2007, p. 6734.

44. Yadroitsev I., Bertrand Ph., Smurov I. Parametric analysis of the selective laser melting process // Applied Surface Science. 2007, p. 8064-8069.

45. Петржик М.И., Штанский Д.В., Левашов Е.А. // Матер. X Междунар. науч.-техн. конф. «Высокие технологии в промышленности России» и XVI Междунар. симп. «Тонкие пленки в электронике» (Москва, 9-11 сент. 2004 г.). М.: ОАО ЦНИТИ «Техномаш», 2004. С. 311.

46. Freedman D. A. // Statistical Models - Theory and Practice. Cambridge University Press, New York, 2005.

47. U. de Oliveira, V. Ocelik, J.Th.M. De Hosson Analysis of coaxial laser cladding processing conditions // Surface Coatings Technology, 197, 2005, 127136.

48 Meriaudeau F., Truchetet F. 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.

49. V. Ocelik, U. de Oliveira, M. de Boer and J.Th.M. De Hosson Thick Co-based coating on cast iron by side laser cladding: Analysis of processing conditions and coating properties // Surface Coatings Technology, 201, 2007, 5875-5883.

50. B.K. Нарва, A.B. Маранц, Ж.А. Сентюрина. Изучение процесса лазерной наплавки порошковых смесей «сталь - карбид титана» на стальную подложку// Известия ВУЗов: Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2012. № 4. С. 25-32.

51. Сварка. Введение в специальность: Учеб. пособие для вузов / В.А. Фролов [и др.]. М.: Интермет Инжиниринг, 2008. 382 с.

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

53. Y. Hua, J. Choi Freeback control effects on dimensions and defects of H13 tool steel by DMD process // Journal of Laser Applications, 17 (2). 2005, p. 118-127.

54. Kahlen F.-J., Von Klitzing A., Kar A. Hardness, chemical, and microstructural studies for laser-fabricated metal parts of graded materials // Journal of Laser

- 114-

Applications. 2000. Vol. 12, № 5. P. 205-209.

55. Thivillon L., Bertrand Ph., Laget В., Smurov I. Potential of direct metal deposition technology for manufacturing thick functionally graded coatings and parts for reactors components // Journal of Nuclear Materials. 2009, p. 236-241. 56 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. 38^14.

57.1. Smurov Laser cladding and laser assisted direct manufacturing // Surface and Coatings Technology, 202, 2008, 4496-4502.

58. 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.

59. Novichenko D., Thivillon L., Bertrand Ph., Smurov I. Carbide-reinforced metal matrix composite by direct metal deposition // Physics Procebia. 2010, p. 369-377.

60. Novichenko D., Marants A., Thivillon L., Bertrand Ph., Smurov I. Metal Matrix Composite Material by Direct Metal Deposition // Physics Procedia. 2011, p. 296-302.

61. Шнейдер E.A. Влияние режима термической обработки на морфологию структурных составляющих наплавленной быстрорежущей стали // Сварочное производство. 2009. №11. С. 42-47.

62. В.К. Нарва, А.В. Маранц, Ж.А. Сентюрина. Термическая обработка композиционных материалов сталь-TiC, полученных методом лазерной

наплавки// Известия ВУЗов: Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 4. (в печати).

63. Yadroitsev, I., Yadroitsava, I., Bertrand, Ph., Smurov, I.,. Factor analysis of selective laser melting process parameters and geometrical characteristics of synthesized single tracks. Rapid Prototyping Journal, 2012, 18, p. 201-208.

64. Yadroitsev I., Thivillon L., Bertrand Ph., Smurov I. Strategy of manufacturing components with designed internal structure by selective laser melting of metallic powder // Applied Surface Science. 2007, p. 980-983.

65. I. Yadroitsev, I. Smurov Surface Morphology in Selective Laser Melting of Metal Powders // Physics Procedia. 2011, p/ 264 - 270.

66 Exner, H.; Horn, M.; Streek, A.; Ullmann, F.; Hartwig, L.; RegenfuB, P. et al.: Laser micro sintering, a new method to generate metal and ceramic parts of high resolution with sub-micrometer powder. In: Virtual and Physical Prototyping, 3/1 (2008), pp. 3-11

67 Mullen, L.; Stamp, R. C.; Brooks, W. K.; Jones, E.; Sutcliffe, C. J.: Selective laser melting, a regular unit cell approach for the manufacture of porous, titanium, bone in-growth constructs, suitable for orthopedic applications. In: J. Biomed. Mater. R.es. В Appl. Biomater., 89/2 (2009), pp. 325-334

68 Yadroitsev, I.; Gusarov, A.; Yadroitsava, I.; Smurov, I.: Single track formation in selective laser melting of metal powders. In: Journal of Materials Processing Technology, 210 (2010), pp. 1624-1631

69 Wohlers T. et al., Wohlers Report 2005. Rapid Prototyping, Tooling & Manufacturing State of the Industry, Annual Worldwide Progress Report, 2005.

-11670 N.K. Tolochko, S.E. Mozzharov, I.A. Yadroitsev, T. Laoui, L. Froyen, V.I.

Titov, M.B. Ignatiev, Balling processes during selective laser treatment of

powders, Rapid Prototyping J. 10 (2) (2004) 78-87.

71 I. Yadroitseva,*, P. Krakhmalevb, I. Yadroitsavaa, S. Johanssonc, I. Smurov Energy input effect on morphology and microstructure of selective laser melting single track from metallic powder // Journal of Materials Processing Technology 213 (2013)606-613.

72 Thijs, L., Verhaeghe, F., Craeghs, T., Van Humbeeck, J., Kruth, J.-P., 2010. A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti-6A1—4V. Acta Materialia 58, 3303-3312.

73 Mumtaz, K., Hopkinson, N. Selective laser melting of Inconel 625 using pulse shaping // Rapid Prototyping Journal 16, 2010, p. 248-257.

74 Leu, M.C., Pattnaik, S., Hilmas, G.E., 2010. Optimization of selective laser sintering process for fabrication of zirconium diboride parts. In: Proceedings of Interna tional Solid Freeform Fabrication Symposium, The University of Texas, Austin, USA, pp. 493-503.

75. I. Shishkovsky a, I. Yadroitsev b, Ph. Bertrand b, I. Smurov Alumina-zirconium ceramics synthesis by selective laser sintering/melting // Applied Surface Science 254 (2007) 966-970.

76. Yadroitsev I., Smurov I. Selective laser melting technology: from the single laser melted track stability to 3D parts of complex shape // Physics Procedia. 2010, p. 551-560.

- 11777. A. Yakovlev, Ph. Bertrand, I. Smurov Development of 3D functionally graded

models by laser-assisted coaxial powder injection, laser-assisted micro-and nano-

technologies 2003, in: V.P. Veiko (Ed.), Proceedings of SPIE, Bellingham, WA,

2004, p. 220.

78. I. Shishkovsky, I. Smurov Titanium base functional graded coating via 3D laser cladding // Materials Letters, Volume 73, 15 April 2012, Pages 32-35.

79. I. Yadroitsev, I. Smurov Selective laser melting technology: From the single laser melted track stability to 3D parts of complex shape // Physics Procedia,

Volume 5, Part B, 2010, Pages 551-560.

i

80. Shishkovsky I., Yadroitsev I., Smurov I. Direct selective laser melting of

i

nitinol powder // Physics Procedia 39 ( 2012 ) 447 - 454.

i

81. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз. 1951, 166 с.

1

82. A.V. Gusarov, Т. Laoui, L. Froyen, V.I. Titov Contact thermal conductivity of a powder bed in selective laser sintering // International Journal of Heat and Mass Transfer 46 (2003) 1103-1109.

83. H. Yasuda, I. Ohnaka, H. Kaziura, Y. Nishiwaki, Fabrication of metallic porous media by semisolid processing using laser irradiation, Mater. Trans. 42 (2001) 309-315.

84. S.-Y. Lu, Effective conductivities of rectangular arrays of aligned spheroids, J. Appl. Phys. 85 (1999) 264-269.

- 11885 C. Simovski, S. He, Rapidly convergent expansion method for calculating the

effective conductivity of three-dimen- sional lattices of symmetric inclusions, J.

Appl. Phys. 86 (1999) 3773-3779.

86 G. Gu, Z. Liu, Effects of contact resistance on thermal conductivity of composite media with a periodic structure, J. Phys. D 25 (1992) 249-255.

87 C.-W. Nan, R. Birringer, D.R. Clarke, H. Gleiter, Effective thermal conductivity of particulate composites with inter- facial thermal resistance, J. Appl. Phys. 81 (1997) 6692- 6699.

88. A.V. Gusarov, J.-P. Kruth Modelling of radiation transfer in metallic powders at laser treatment // International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 48, Issue 16, July 2005, Pages 3423-3434.

89. Wang, X. C., Kruth, J. P., 2000. A simulation model for direct selective laser sintering of metal powders, in B. H. V. Topping (ed.), Computational Techniques for Materials, Composites and Composite Structures, pp. 57-71

90 X. C. Wang, T. Laoui, J. Bonse, J. P. Kruth, B. Lauwers, L. Froyen Direct Selective Laser Sintering of Hard Metal Powders: Experimental Study and Simulation // International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2002; 19(5):351-357.

91 A.V. Gusarov, I. Yadroitsev, Ph. Bertrand, I. Smurov Heat transfer modelling and stability analysis of selective laser melting // Applied Surface Science, Volume 254, Issue 4, 2007, Pages 975-979.

- 11992. A.V. Gusarov, I. Smurov Direct laser manufacturing with coaxial powder

injection: Modelling of structure of deposited layers // Applied Surface Science,

Volume 253, Issue 19, 31 July 2007, Pages 8316-8321.

93. A.V. Gusarov, I. Smurov Two-dimensional numerical modelling of radiation transfer in powder beds at selective laser melting // Applied Surface Science, Volume 255, Issue 10, 1 March 2009, Pages 5595-5599.

94. A.V. Gusarov, I. Smurov Modeling the interaction of laser radiation with powder bed at selective laser melting // Physics Procedia 5 (2010) 381-394.

95. A.V.f Gusarov, I. Smurov Radiation transfer in metallic powder beds used in laser processing // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 111, Issues 17-18, November 2010, Pages 2517-2527.

I

96. A.V. Gusarov The multiphase radiation transfer model for two-phase layered systems // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 116, 2013, P.156-168.

97. A.V. Gusarov, I. Smurov Modeling the interaction of laser radiation with powder bed at selective laser melting // Physics Procedia, Volume 5, Part B, 2010, Pages 381-394.

98. Маранц A.B., Сентюрина Ж.А., Ядройцев И.А.., Ядройцева И.А., Нарва В.К., Смуров И.Ю. Сравнение свойств материалов сталь-TiC, полученных методами лазерных технологий и порошковой металлургии// Известия ВУЗов: Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 1. С. 22-26.

99. http://www.efunda.com

TO

100. J. C. Maxwell. A treatise on electricity and magnetism. Dover, New York, 1954.

101. M. Rombouts, L. Froyen, A. V. Gusarov, E.H. Bentefour, C. Glorieux. Photopyroelectric measurement of thermal conductivity of metallic powders. Journal of Applied Physics, 97(2), 2005.