Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Ставертий, Антон Яковлевич

• Ставертий, Антон Яковлевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Ставертий, Антон Яковлевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Лазерные аддитивные технологии

1.2. Параметры технологии

1.2.1. Геометрические размеры валиков

1.2.2. Производительность

1.2.3. Дефектность

1.3. Выводы по главе 1

Цели и задачи

Глава 2. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

2.1. Анализ существующих систем

2.2. Известные комплексы для коаксиальной лазерной обработки материалов

2.3. Технологические особенности разработанного комплекса

2.3.1. Датчик расстояния

2.3.3. Исследование эффективности способов подачи порошка

2.4. Программное обеспечение комплекса

2.5. Технические параметры разработанного опытно-промышленного комплекса

Глава 3. РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИИ ВЫРАЩИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Параметры многопроходного процесса выращивания объектов

3.2. Стратегия разбиения и выращивания

3.3. Кинематические особенности выращивания объемов с коаксиальной лазерной обработкой порошкового материала

Выводы по главе 3

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА

4.1. Постановка задачи расчетов

4.2. Допущения расчетной модели

4.3. Подача порошка в поле действия лазерного излучения

4.3.1. Физическая постановка

4.3.2. Математическая реализация

4.4. Формирование валика и нагрев материала подложки

4.4.1. Физическая постановка

4.4.2. Математическая реализация

4.5. Численное моделирование процесса выращивания тестового объекта

4.6. Сравнение экспериментальных и численных данных об элементарном объекте выращивания

4.6.1. Формирование валиков с помощью математического моделирования

4.6.2. Сравнение модели и экспериментальных данных

4.6.3. Геометрические параметры валиков

4.6.4. Температурные циклы

Выводы по главе 4

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫРАЩИВАНИЯ С ЗАДАННЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ

5.1. Постановка задачи

5.2. Описание материала

5.3. Подготовка образцов для испытаний

5.4. Анализ полученных образцов

5.4.1. Рентгеновская дефектоскопия

5.4.2. Исследование твердости заготовок с термообработкой и без неё

5.4.3. Фрактографический анализ

5.5. Разработка технологии выращивания объекта с учетом требований задания

5.6. Предпосылки к выращиванию опытного изделия

Выводы по главе 5

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Интеграция экономики Российской Федерации в мировую систему делает исключительно актуальной проблему обеспечения конкурентоспособности отечественной высокотехнологической и наукоемкой продукции и, прежде всего, продукции отечественного машиностроения. Большое внимание стали уделять не только технологии обработки массивных заготовок с целью удаления лишнего материала и формообразования намеченной заготовки, но и технологии прямого получения деталей из порошкового материала и материала в виде проволоки. Общее название таких технологий - аддитивные технологии. От английского add, добавлять. Методы объединены именно по принципу «от простого к сложному», то есть, от заготовки в виде порошка или проволоки, к готовой детали с минимальным удалением материала. Эти технологии в мире так же известны под названием Rapid Prototyping (Прогрессивное Прототипирование) или, реже, Rapid Prototyping and Manufacturing (Прогрессивное Прототипирование и Производство).

Поскольку достижения компьютерной техники в последние десятилетия позволяют любую дизайнерскую мысль реализовать в виде компьютерной модели, данную модель можно вырастить послойно из элементарных объектов, как конструктор из кубиков. В погоне за экономией материала и повышением эффективности механизмов, резко возрастает сложность деталей новых механизмов.

Традиционные технологии литья и удаления материала хоть и развиваются, однако имеют ряд физических и экономических ограничений. Так, например, создание цельной детали с системой каналов охлаждения методами литья возможно, но потребует значительных затрат времени и труда на производство оснастки. Наиболее существенными ограничениями методов литья являются необходимость создания формы для отливки и разогрев всего объема металла до температуры выше температуры плавления. Аддитивные технологии

в данном случае позволяют получить заготовку детали со всеми каналами и поднутрениями буквально с первого запуска, минуя несколько традиционных этапов производства, а значит - в кратчайшие сроки.

Помимо усложнения геометрической формы деталей, в развитии машиностроения возникла еще одна тенденция: увеличение доли градиентных и композиционных материалов в конструкциях. Получение и использование градиентных и композиционных металлических материалов часто невозможно без использования аддитивных технологий. Методы порошковой металлургии позволяют получать лишь слоистые материалы, и не позволяют получать заготовки сложной формы с изменением состава, например, от поверхности к сердцевине детали.

Несмотря на разнообразие методов выращивания: источников энергии, используемых материалов, в настоящее время в мире активно развиваются и внедряются две принципиальных технологии изготовления трехмерных объектов путем постепенного наращивания, а не удаления:

- Послойное выращивание в объеме материала, так называемые технологии «bed deposition», заготовка детали выращивается на поддержках и может так же опираться на окружающий, не использованный материал. Композиционные и градиентные материалы возможно получать данным методом лишь в направлении выращивания.

- Прямое нанесение материала. Выращивание объема происходит в защитной среде, в атмосфере или в вакууме. Элементы заготовки опираются лишь на подложку и не имеют поддержек. В силу принципа выращивания «в свободном состоянии», методы этого класса позволяют получать композиционные и градиентные материалы не только между слоями, но и внутри каждого слоя, то есть в любом направлении.

В 2003 году R.P. George, вице-президент компании WorldTech [1] идентифицировал 13 основных методов (технологий RP) и компаний, занимающихся этими методами:

1. Стереолитография (3D Systems, CMET, Denken, Meico, Unirapid, Autostrade);

2. Трехмерное печатание крахмального порошка (Z Corp);

3. Трехмерное печатание пластика (3D Systems, Solidscape, SDI);

4. Штамповка выдавливанием нагретого пластика (Stratasys, Beijing Yinhua);

5. Трехмерное печатание металлического порошка (Extrude Hone);

6. Селективное лазерное спекание (3D Systems, EOS);

7. Лазерное формообразование (Optomec, POM, Aeromet, MCP);

S. Безмасочное мезомасштабирование нанесением металлов, оксидов, керамики, композитов и пластиков (Optomec);

9. Плавление электронным лучом (Arcam);

10. Соединение листового материала (Helisys (LOM), Schroff Development, Toyoda MachineWorks, Kira);

11. Лазерная наплавка с присадочной стальной проволокой (Roders);

12. Нанесение металлических пленок спреем (Ford Motor Company, Idaho National Engineering and Environmental Lab, 3D Systems);

13. Технологии быстрого литья (MCP);

В последнее время RP-технология делится на системы выращивания из жидкой фазы, из твердой фазы и из порошковых материалов:

1. к RP-системам из жидкой фазы относятся следующие процессы: SLA, SGC, SCS, SOUP, SLP и др.

2. к RP-системам из твердой фазы относятся следующие процессы: LOM, FDM, PLT, MJM, M-RPM и др.

3. к RP-системам из порошковых материалов относятся следующие процессы: SLS, 3DP, LENS, MJS, EBM, DMD, LMD и др.

Кроме того, на данный момент существует огромная номенклатура материалов, в том числе и композиционных, которые имеют различные физико-механические свойства. Основной целью современного машиностроения и задачей материаловедов является снижение стоимости этих материалов,

повышение физико-механических свойств и снижение трудоемкости их обработки.

К сожалению, в Российской Федерации нет ни готового серийного оборудования для получения деталей лазерной обработкой порошковых материалов, ни технологии такой обработки, что делает данную научно-техническую задачу очень актуальной.

1. Современные системы в основном используются инженерами для наилучшего понимания и предварительного испытания их конструкторских разработок - для опытных партий изделий до их серийного производства. Лишь в некоторых случаях технологии используют для серийного производства: это, обычно, обработка металлов давлением, медицина и авиация [2..4].

Предложенная концепция ориентирована на применение, в первую очередь, при производстве сложных наукоемких изделий машиностроения. Ее полноценная реализация позволит вооружить отечественное машиностроение мощным инструментом повышения качества и конкурентоспособности продукции, а также значительно расширит возможности проектирования новой техники.

Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АДДИТИВНЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

1.1. Лазерные аддитивные технологии Наиболее яркая тенденция современного выращивания деталей -повышение производительности процесса и сокращение времени производства от создания компьютерной модели до получения трехмерной металлической детали. Методы выращивания заготовок с помощью лазерного излучения в данном отношении выигрывают по сравнению с традиционными, благодаря минимальному тепловому вложению в материал, благодаря чему достигаются высокие свойства материала, малым припускам на механическую обработку.

1) Возможно изготовление объектов из нескольких материалов с послойным изменением состава;

2) Возможно изготовление объектов высокой сложности геометрии, включая поднутрения, скрытые полости;

3) Процесс высоко автоматизированный, благодаря этому снижается человеческий фактор и достигается высокая воспроизводимость траектории обработки при выращивании объектов.

В настоящее время существует большое количество методов получения деталей сложной формы из металла: специальные методы литья [5], порошковая металлургия [6], многокоординатная фрезерная обработка на станках с ЧПУ [7] и др. Методы широко распространены, имеют низкую себестоимость единицы продукции. Преимущество методов литья - высокая производительность процесса и высокая повторяемость геометрических размеров полученных деталей. Недостатком группы методов литья является трудность создания литейной формы для деталей единичного и мелкосерийного производства. По сравнению с литьем, методы аддитивных технологий позволяют вырастить детали без создания промежуточных литейных форм. Это существенно снижает как сроки изготовления, так и стоимость конечного изделия. Кроме того, для

методов литья очень сложной задачей является получение деталей из композиционного материала.

Создание деталей сложной формы на станках фрезерной группы - в настоящее время наиболее распространенный метод получения деталей машиностроения с требуемой точностью. Однако, при необходимости использования дорогостоящих, в том числе композиционных материалов, методы механической обработки, «удаления» материала, проигрывают развивающимся в настоящее время методам «добавления» материала. Главные недостатки: высокая длительность процесса подготовки технологии, низкий коэффициент использования материала, высокая трудоемкость процесса. Кроме того, обработка высокопрочных материалов точением и фрезерованием требует специального инструмента, что повышает и время обработки, и её стоимость.

Среди наиболее производительных и распространенных методов получения металлических деталей «добавлением» материала, можно выделить следующие:

- наплавка проволоки электрической дугой [8]

- наплавка порошкового материала электронным лучом [9];

- селективное лазерное спекание порошкового материала;

- прямое лазерное нанесение порошкового материала.

Каждый из методов широко известен в литературе. В тех случаях, когда главным критерием при выборе технологии создания детали является точность, а не производительность процесса, выбирают методы с минимальной толщиной слоя и минимальным размером источника тепловложения. Лазерный источник излучения в данном случае является неоспоримым лидером, благодаря гибкости настраиваемых параметров, широкому выбору используемых материалов и простоте управления.

Лазерная обработка порошковых материалов, впервые описанная в 1988 году [10], открыла новые горизонты в получении деталей сложной формы, не только для мономатериалов, но и для сложных композиционных составов, необходимых при производстве высоконагруженных деталей механизмов и

машин. Существует два метода выращивания объектов лазерной обработкой порошковых материалов:

1. Послойная обработка порошка лазерным лучом по насыпанному слою.

2.Обработка порошка, подаваемого непосредственно в зону выращивания, коаксиально с лазерным излучением.

Преимущества и недостатки двух методов широко описаны в литературе [11]. Выделим лишь основные, существенные для данной работы.

Технология послойной обработки насыпанного слоя заключается в обработке порошкового материала, расположенного в поддоне с порошком. Порошок переплавляется лазерным излучением минимальной достаточной мощности. После обработки каждого слоя металл в необходимых местах сплавляется с подложкой или предыдущим слоем. Затем дно ванны опускается, добавляется слой порошка, и операция оплавления повторяется для следующего слоя, сохраненного в управляющей программе. Толщина слоя составляет не более 100 мкм, благодаря чему достигается высокая точность выращенных объектов. По реализации данный метод выгодно отличает простота кинематической схемы и программного обеспечения. Его широкое распространение обусловлено применимостью в медицине и авиации. Однако, у данной группы методов существует несколько серьезных недостатков:

1. Сложность выращивания объектов сколь-нибудь значимых габаритов: размер заготовки больше чем 0,3х0,3х0,3 метра достижимы в настоящее время специальными мерами: введением нескольких источников излучения, многоступенчатого производства, и требует в каждом случае дополнительных исследований.

2. Технология позволяет выращивать объекты лишь из мономатериалов или готовых смесей порошков. Изменить состав в процессе выращивания невозможно.

3. Производительность процесса селективного плавления составляет в настоящее время от 5 см3/час до 80 см3/час и сильно зависит от сложности выращиваемого объекта.

4. Высокие требования к используемому порошковому материалу. Номенклатура применяемых материалов для технологии селективного лазерного плавления является в настоящее время недостаточно широкой. Большинство фирм - производителей установок выпускает свои специальные порошки. В результате эксплуатация таких машин замыкается лишь на одном поставщике материалов с завышенными ценами.

5. Неудовлетворительное качество материала выращенных заготовок. Выращенный данным методом объект требует последующей обработки для получения требуемых свойств материала. Существует ряд методов повышения качества материала полученных заготовок: виды термической обработки, механической обработки и обработки давлением.

Коаксиальная лазерная обработка порошковых материалов, в отличие от селективной послойной обработки, происходит не в емкости, а свободно, в защитной атмосфере. Метод известен в мире под именами LENS (Laser Engineered Net Shaping), DMD (Direct Metal Deposition), LMD (Laser Metal Deposition) и др.

С помощью защитного газа, коаксиально с лазерным лучом в зону обработки подается порошковый материал. В зоне их взаимодействия возникает валик нанесенного металла. Таким образом, перемещая луч относительно заготовки, шаг за шагом выращивается заготовка будущей детали. Наиболее важно в процессе то, что заготовка не погружена в емкость, а выращивается напрямую от подложки. В связи с такой свободой существует множество кинематических схем для обработки всей траектории выращивания. В схемах реализовано либо движение по трем осям, либо по трем осям с наклоном заготовки, либо, в более сложных системах, осуществляется наклон как технологической головы, так и заготовки. Обратной стороной такого разнообразия кинематических схем является тот факт, что поддержание стабильности процесса в данном методе выращивания является задачей на порядок более сложной, чем послойное выращивание в ванне порошка. Каждая конкретная кинематическая схема требует специального технологического

решения: датчиков слежения за процессом. В зарубежной литературе встречаются описания подобных технологий, однако их широкое использование в настоящее время затруднено в связи с низкой автоматизацией процесса и трудностями как реализации такого оборудования, так и его эксплуатации. В настоящей работе проведена разработка кинематической схемы, необходимой для выращивания сложных объектов с высокой производительностью и эффективностью использования порошка.

Прямое нанесение порошкового материала - метод, созданный по аналогии с выращиванием объектов при помощи электрической дуги и плавящегося электрода. Однако размер электрода ограничивает толщину наносимого слоя. Совместно с жестким термическим циклом данный метод имеет непреодолимые ограничения для процесса выращивания. Лишь выращивание объектов с помощью микродуговых способов применимо в отдельных направлениях аддитивного производства, однако точность геометрических размеров там составляет не выше 1 мм.

Выделим основные отличительные черты исследуемой технологии.

1. Коаксиальная подача порошкового материала позволяет обрабатывать поверхности одинаково эффективно в различных направлениях. При этом коэффициент использования порошка - не ниже, чем в технологии выращивания с боковой подачей присадочного материала. Материал, не использованный в процессе выращивания, не претерпевает существенных химических и геометрических преобразований, поэтому может быть использован повторно до 10 раз, после предварительного просева от крупной фракции [12].

2. Коаксиальная подача позволяет получать слои материала с изменяемым составом порошковой смеси, не только от слоя к слою, но и от валика к валику. Предварительная подготовка смеси не требуется, порошковые материалы можно смешивать непосредственно в процессе нанесения.

3. Металлургические свойства полученного материала не уступают литейным, и позволяют производить рабочие детали уникальной формы, востребованные в современном производстве.

4. Технологическая оснастка метода коаксиальной обработки порошковых материалов позволяет изменять диаметр пятна обработки в процессе выращивания. Данное оборудование позволяет повысить производительность процесса при выращивании массивных элементов, не теряя и механических свойств заготовки. Ряд действующих зарубежных установок уже имеет сменные технологические головы для получения объектов.

5. Габариты выращиваемой детали при стабильной организации технологии ограничены только возможностями системы перемещения. Если систему перемещения можно перемещать относительно заготовки по одной из осей на протяженное расстояние, то все правила и условия стабильного выращивания малого объекта будут справедливы для протяженных объектов.

1.2. Параметры технологии

В условиях необходимости экономической эффективности любого производства, в любой аддитивной технологии можно выделить три основных критерия: геометрические размеры, производительность и габариты деталей. В зависимости от целей производства, используют ту или иную аддитивную технологию. Наиболее распространенные из существующих технологий выращивания можно оценить по комбинации этих параметров. Разделение условно и носит лишь сравнительный характер.

Остановимся подробно на отдельных критериях для понимания этих отличий.

1.2.1. Геометрические размеры валиков

Рассмотрим единичный валик, полученный лазерным излучением из порошка и стенку из последовательно уложенных валиков.

Геометрические размеры: угол при основании валика, выступ от оси излучения, ограничены диаметром луча и смачиваемостью металла в жидком состоянии и пропорциональны, таким образом, толщине слоя И. Чем выше толщина слоя, тем больше выступает нанесенный металл за теоретическую

линию создания объекта. В данном контексте валики, полученные при прямом выращивании, являются более грубыми, чем при послойном выращивании по насыпанному слою. Геометрические размеры объектов, выращенных лазерным излучением из металла, ограничены свойствами жидкотекучести и смачиваемости того или иного сплава.

Изготовление объекта начинается с создания трехмерной компьютерной модели (CAD-модели), которая затем разбивается на слои (плоскости с постоянной толщиной). Эта информация передается в систему управления установки, которая выращивает деталь «слой за слоем». В каждом слое валики должны накладываться друг на друга и быть расположены в определенной последовательности, чтобы снизить дефектность и оптимизировать обход лазерным лучом по контуру. Процесс выращивания объектов, т.е. сложный последовательный процесс послойного выращивания, охлаждения и повторного нагрева одних и тех же участков следующими нанесенными валиками, изучен значительно меньше. Существует лишь несколько работ по планированию стратегии обработки слоя лазерным лучом. Для создания системы автоматизированной подготовки траектории был проведен анализ существующих данных и разработка стратегии выращивания объектов, начиная от одиночного валика и заканчивая объектом сложно формы.

Первоначальная технология процесса, подготовки траектории и номенклатура используемых материалов, применялись для получения покрытий лазерной обработкой порошковых материалов. Метод коаксиальной лазерной обработки порошковых материалов с целью получения покрытий подробно описан рядом авторов [13]. Суть метода заключается в подаче порошка транспортирующим газом и создании общей ванны металла, содержащей материал присадки и основы. В процессе кристаллизации этой ванны формируется единичный валик. Большинство параметров процесса совпадают с параметрами процесса выращивания (Таблица 1.).

Таблица 1.

Параметры процессов аддитивного выращивания деталей

Параметр Единица измерений Типичный диапазон изменений

Покрытия Объёмы

Средняя мощность лазерного излучения Вт от 600 до 4000 от 500 до 1500

Скорость перемещений мм/с от 5 до 35 от 3 до 15

Расход порошка г/мин от 5 до 30 от 5 до 10

Шаг между валиками мм от 0,6 до 10

Толщина слоя мм от 0,3 до 3 от 0,3 до 1

Диаметр пятна мм 0,5 до 12 0,5 до 2

Однако, поскольку процесс выращивания объектов в общем случае происходит с переменными условиями охлаждения и формирования валиков, закономерности технологии создания покрытий в данном случае не работают. Выращивание объектов - качественно более сложный и неустойчивый процесс по ряду причин.

Во-первых, теплоотвод от наносимого слоя является переменным в течение всего процесса выращивания. Следовательно, свойства материала после выращивания воспроизвести гораздо сложнее. Согласно исследованиям [14], микротвердость материала напрямую зависит как от условий охлаждения, так и от размеров и формы выращиваемого объекта, если не принимать технологических мер: корректировки вводимой энергии и последовательности ее ввода.

Во-вторых, допустимые припуски на механическую обработку покрытий значительно грубее, чем для выращиваемых объектов. Если механическая

обработка покрытий включает в себя лишь обработку поверхности покрытия, и не затрагивает его габаритов, то при выращивании объекта его необходимо обработать по всем поверхностям, включая «стартовую» поверхность выращивания.

В-третьих, выращивание многослойных объектов - накопление напряжений и размеров от каждого отдельного валика. В связи с этим очень высокие требования предъявляются к стабильности отдельных параметров процесса:

- расхода порошка,

- мощности лазерного излучения,

- расхода сопутствующего газа.

Колебания этих параметров, и их влияние на стабильность процесса, изучены в ряде работ [15], и в данной работе не затронуты. Использование современного автоматизированного оборудования позволяет снизить влияние этих колебаний на конечный результат выращивания. В настоящее время уровень техники позволяет реализовать задачу выращивания объектов, как со стороны систем перемещения, так и со стороны лазерного излучателя. В свою очередь, к кинематической системе, способной выполнить данную задачу, предъявляются требования по точности, грузоподъемности и повторяемости результатов.

Геометрические отклонения, таким образом, возникают при выращивании объектов по двум причинам:

1. Переменные условия охлаждения при постоянных условиях нагрева лазерным лучом. Наибольшие трудности при создании многослойных объектов возникают по причине того, что условия выращивания изменяются в каждый момент времени. Изменяющиеся условия охлаждения нанесенного металла и краевые эффекты, возникающие в общем случае вначале и при завершении выращивания каждого отдельного валика металла, требуют глубокого изучения

и корректировки процесса для получения стабильных результатов обработки. Такие исследования необходимы не только на экспериментальных стендах, но и с использованием численных методов и современных компьютерных технологий. Аналогичные работы [16] показали высокое совпадение результатов расчета и эксперимента. Однако применимость работ к данной задаче ограничена тем, что в них не проводился учет совокупности параметров процесса, происходящего в зоне воздействия и в зоне остывающего металла переменной массы. Моделирование процесса обычно ограничивается одиночным валиком, и лишь немногие исследователи проводят многослойное выращивание [17].

2. Краевые эффекты технологии. На каждом отдельном валике в его начале и окончании возникает зона переменной толщины. При наслоении этих зон возникает дефект: либо «нарост», либо «провал». Для его устранения необходимо корректировать траекторию обработки, создавая зазоры между окончаниями валиков, либо наоборот, наслаивая отдельные валики для заполнения объема пустот металлом.

Регистрация таких дефектов на аппаратуру - проблема довольно сложная, в связи с чем необходимо привлекать методы численного моделирования процесса многослойного выращивания. Для объективного представления решаемой задачи в системе моделирования необходимо провести ряд исследований и создать систему алгоритмов по обработке начальных данных, возникающих при постановке задачи «выращивание детали из компьютерной модели». Модельная задача должна учитывать такие физические явления, как взаимодействие системы «лазерный луч - газопорошковый поток» и «лазерный луч - подложка металла». По отдельности такие задачи решены с достаточно высокой точностью, однако совместное их решение представляет особую трудность по причине различной природы процессов: первая часть процесса происходит в газе, вторая часть - в зоне лазерного воздействия, третья - в твердом теле переменной массы.

1.2.2. Производительность

Производительностью процесса называют массу заготовки, выращенной в единицу времени. Зависимость мощности лазерного излучения и производительности в диапазоне применяемых мощностей - практически линейная. Ограничением является плотность мощности лазерного излучения. При достижении величины 3*109 Вт/м2 металл закипает, и выращенный объект становится дефектным. Поднять производительность в таком случае возможно лишь увеличив ширину валика и, соответственно, толщину слоя. Чтобы при этом сохранить точность, на краю выращиваемого объекта необходимо проводить процесс более тонким лучом. В связи с такой стратегией возникает необходимость использования технологической головы с переменным диаметром луча в зоне обработки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ставертий, Антон Яковлевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Stelzner J., Palacios C., Swaton T. TRIZ on Rapid Prototyping-a case study for technology foresight //The TRIZ Journal, 2002. URL: https://triz-journal.com/triz-rapid-prototyping-case-study-technology-foresight/ (дата обращения: 05.04.2017).

2. Environmental aspects of laser-based and conventional tool and die manufacturing / W. R. Morrow [et al.] //Journal of Cleaner Production, 2007. Vol. 15, №10. P. 932-943.

3. Pallari J. H. P., Dalgarno K. W., Woodburn J. Mass customization of foot orthoses for rheumatoid arthritis using selective laser sintering //IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2010. Vol. 57. №7. P. 1750-1756.

4. Schafrik R., Sprague R. Superalloy technology - a perspective on critical innovations for turbine engines //Key Engineering Materials: Trans Tech Publications. 2008. Vol. 380. P. 113-134.

5. Гини Э.Ч., Зарубин А.М., Рыбкин В.А. Технология литейного производства: Специальные виды литья: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. В.А. Рыбкина. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 352 с. (С. 260).

6. Старостин Ю.С. Инновационные технологии на основе прессования / учеб. пособие. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007. 64с. (C. 34).

7. Проектирование технологии: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / И.М. Баранчукова [и др.]; Под общ. ред. Ю.М. Соловенцева. М.: Машиностроение, 1990. 416 с. (С. 326).

8. URL: http://www.themanufacturer.com/articles/amrc-offers-bulk-additive-manufacturing/ (дата обращения: 05.04.2015).

9. URL: http://www.sciaky.com/additive-manufacturing/electron-beam-additive-manufacturing-technology (дата обращения: 05.04.2015).

10. Hammeke A. W. Laser spray nozzle and method: Pat. 4724299 USA. 1988.

11.Comparison of Additive Technologies for Gradient Aerospace Part Fabrication from Nickel-Based Superalloys / I. V. Shishkovsky [et al.]. URL: https://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/48879.pdf. (дата обращения: 06.04.2017).

12.The effect of powder recycling in direct metal laser deposition on powder and manufactured part characteristics / P. A. Carroll [et al.]. URL: http://eprints.lancs.ac.Uk/59645/1/MP_AVT_139_18.pdf (дата обращения: 06.04.2017).

13.Applications of laser cladded WC-based wear resistant coatings/ J. Verwimp [et al.] // Physics procedia. 2011. Vol. 12. P. 330-337.

14.Additive manufacturing of Inconel 718 using electron beam melting: Processing, post-processing, & mechanical properties/ W. J. Sames [et al.]. 2015.

15.McDonald K. Thermal management during direct laser deposition (DLD) of Ti-6Al-4V components: A thesis submitted to School of Engineering University of Birmingham for the degree of MASTER OF RESEARCH (UK). 2015. 90 p. (P.43).

16.Kumar A., Roy S. Development of a theoretical process map for laser cladding using a three-dimensional conduction heat transfer model //Numerical Heat Transfer. Part A: Applications. 2009. Vol. 56. №6. P. 478-496.

17. Simulation of layer overlap tempering kinetics in steel parts deposited by laser cladding/ L. Costa [et al.] //Proceedings of International Conference on Metal Powder Deposition for Rapid Manufacturing. MPIF, Princeton, NJ (USA). 2002. Р. 172-176.

18.Paul S., Singh R., Yan W. Thermo-mechanical modelling of laser cladding of CPM9V on H13 Tool Steel //Proceedings of the 5th International and 26th All India Manufacturing Technology, Design and Research Conference (AIMTDR 2014). Guwahati (India). 2014. P. 12-14.

19. URL: http://www.dm3dtech.com/ (дата обращения 20.05.2015).

20. URL: http://texnolog.uz/article/article_post/3-d (дата обращения 20.05.2015).

21. URL: http://metal-cutting-composites.fivesgroup.com/products/laser-cutting-and-additive-manufacturing/laser-additive-manufacturing.html (дата обращения 20.05.2015).

22.URL: http://www.optomec.com/ (дата обращения 20.05.2015).

23. URL: http: //www. iws. fraunhofer. de/en/business_fields/surface_treatment/ laser_cladding/equipment/5_axes_laser_milling_center_hermle_c_800_u.ht ml (дата обращения 20.05.2015).

24. URL: http://huffman-llc.com/Laser-Cladding-Welding.aspx?sid=17&pid=15 &red=yes (дата обращения 20.05.2015).

25. URL: http://www.beam-machines.fr/uk/en/ (дата обращения 20.05.2015).

26. URL:http://m.dmgmori.com/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1 %83%D0%BA%D 1 %82%D 1 %8B/lasertec/lasertec-shape/lasertec-65-shape (дата обращения 20.05.2015).

27.Proven Industrial Additive Manufacturing System for Repair, Rework, Modifi cation and Manufacturing/ Optomec Inc. URL: http://www.multistation.com/IMG/pdf/brochure optomec novembre 2016. pdf (дата обращения 10.05.2016).

28.The effect of average powder particle size on deposition efficiency, deposit height and surface roughness in the direct metal laser deposition process / C. Y. Kong [et al.] //14th International Conference on Joining of Materials. URL: http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/the-effect-of-average-powder-particle-size-on-deposition-efficiency-deposit-height-and-surface-roughness-in-the-direct-metal-las/ (дата обращения 10.04.2017).

29. http://www. iws.fraunhofer. de/en/business_fields/surface_treatment/laser_cla dding/equipment/5_axes_laser_milling_center_hermle_c_800_u.html. (дата обращения 10.05.2016).

30.http://metal-cutting-composites.fivesgroup.com/products/laser-cutting-and-additive-manufacturing/laser-additive-manufacturing.html. (дата обращения 10.05.2016).

31.Третьяков Р.С. Пятиосевой комплекс для выращивания деталей из порошкового материала. Патент России №168271 от 25.01.2017 г.

32.IREPA Laser introduces EasyCLAD MAGIC LF6000 laser additive manufacturing machine // Industrial laser solutions. URL: http://www.industrial-lasers.com/articles/2012/02/irepa-laser-introduces-easyclad-magic-lf6000-laser-additive-manufacturing-machine.html (дата обращения: 10.04.2017).

33.Hu D., Kovacevic R. Sensing, modeling and control for laser-based additive manufacturing// Int. J. Mach. Tools Manuf. 2003. №43. Р. 51-60.

34.Remanufacture of turbine blades by laser cladding, machining and in-process scanning in a single machine / J. B. Jones [et al.] // 23rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium. TX (USA): University of Texas, 2012. №08. Р. 821-827

35.Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S. 3-D finite element modeling of laser cladding by powder injection: effects of laser pulse shaping on the process //Optics and Lasers in Engineering. 2004. Vol. 41, №. 6. P. 849-867.

36. Формирование поверхностных слоев при лазерной наплавке с использованием мощных волоконных лазеров/ Е. В. Земляков [и др.]. // Научно-технические ведомости санкт-петербургского государственного политехнического университета, 2013. №. 166. C. 231-236.

37. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом/ Г.М. Зверев [и др.]. М.: Радио и связь. 1985. 240 с. (С. 128).

38.Дренин А.А. Исследование взаимодействия газопорошкового потока с лазерным излучением при коаксиальной подаче порошковых материалов с различной формой и размерами частиц в процессе лазерной наплавки // Молодежный научно-технический вестник:

электрон. издание. Эл. №ФС77-51038. 2014. №05. URL: http://sntbul.bmstu.ru/doc/721953.html (дата обращения: 06.04.2017).

39. Способ изменения диаметра перетяжки выходного лазерного пучка на фиксированном расстоянии от лазера / А.Я. Ставертий [и др.] // Патент России №2488861, 29.06.2012.

40.Chirag P., Patel I., Patel R.I. 3d Heat Transfer analysis and numerical modeling of LENS TM process for thin wall by using stainless steel 304. // International journal of modern engineering research. 2012. №4. P. 15961601.

41. Третьяков Р. С. Технологические особенности процесса лазерной модификации поверхностей с коаксиальной подачей порошковых материалов: дис. ... канд. техн. наук. М., 2014. 158 с. (С. 56).

42.Analytical and numerical modelling of the direct metal deposition laser process / P. Peyre [et al.] //Journal of Physics D: Applied Physics. 2008. vol.4, P.2. URL: file:///C:/Users/anton pc/Downloads/Peyre%202011%20 Analytical%20and%20numerical%20modelling%20of%20thedirect%20met al%20deposiion%20process%20.pdf (дата обращения 06.04.2017).

43.Новиченко. Д. Ю. Разработка и исследование процесса прямого лазерного изготовления детали из композиционного материала на основе стали и карбида титана: авто-реф. канд. дис. М., 2011, 22 с.

44.Цин Чжан. Разработка и исследование процесса объемного формообразования из металлических порошков при воздействии импульсно-периодического лазерного излучения: дис. ... канд. техн. наук: М., 2014. 185 с. (С.120).

45.The effect of powder recycling in direct metal laser deposition on powder and manufactured part characteristics / P. A. Carroll [et al.]. URL: http://eprints.lancs.ac.uk/59645/1/MP_AVT_139_18.pdf (дата обращения 06.04.2017).

46.Santanu P., Ramesh S., Wenyi Y. Thermo-mechanical modelling of laser cladding of CPM9V on H13 tool steel //Design and Research Conference :

AIMTDR 2014. 2014. №12. URL: http://www.iitg.ernet.in/ aimtdr2014/PR0CEEDINGS/papers/541 .pdf (дата обращения 06.04.2017).

47.Devesse W., De Baere D., Guillaume P. Modeling of laser beam and powder flow interaction in laser cladding using ray-tracing //Journal of Laser Applications. 2015. Vol.27, №S2. Р.29.

48.Duley W. W. CO2 lasers: effects and applications //NASA STI/Recon Technical Report. 1976. Vol. 77. P. 158.

49.E. Toyerskani, A. Khajepour, S. Corbin, ICALEO Proc., Scottsdale, Arizona, USA. 2002. URL:

50.Numerical modelling of the laser cladding process using a dynamic mesh approach / E. H. Amara [et al.] //Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2006. Vol. 15, №. 1-2. P. 100-106.

51.Pinkerton A. J. An analytical model of beam attenuation and powder heating during coaxial laser direct metal deposition // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. 40D. p. 7323-7334.

52.Modeling of coaxial powder flow for the laser direct deposition process / Wen S. Y. [et al.] // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Vol. 52, №5. P. 5867-5877.

53.Influence of processing conditions on geometrical features of laser claddings obtained by powder injection / J. M. Pelletier [et al.] // Journal of materials science. 1993. Vol. 28, №. 19. p. 5184-5188.

54.Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S. 3-D finite element modeling of laser cladding by powder injection: effects of laser pulse shaping on the process //Optics and Lasers in Engineering. 2004. Vol. 41, №. 6. p. 849-867.

55.Kumar A., Roy S. Effect of three-dimensional melt pool convection on process characteristics during laser cladding // Computational Materials Science. 2009. Vol. 46, №. 2. p. 495-506.

56.Modeling of coaxial powder flow for the laser direct deposition process / S. Y. Wen [et al.] //International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Vol. 52. №. 25. p. 5867-5877.

57.Numerical modelling of the laser cladding process using a dynamic mesh approach / E. H. Amara [et al.] //Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2006. Vol. 15, №. 1-2. P. 100-106.

58. Kumar A., Roy S. Development of a theoretical process map for laser cladding using a three-dimensional conduction heat transfer model //Numerical Heat Transfer, Part A: Applications. 2009. Vol. 56. №. 6. p. 478-496.

59. Deus A. M., Mazumder J. Three-dimensional finite element models for the calculation of temperature and residual stress fields in laser cladding //Arbor. 2006. Vol. 10.01. P. 48-59.

60. Dupont J.N., Lippold J.C., Kiser S.D. Welding Metallurgy and Weldability of Nickel-Base Alloys // Hoboken, NJ: John Wiley and Sons Inc (USA). 2009. 440 p. (P.359).

61. Weldability of Superalloys by Nd:YAG Laser / D. Cornu [et al.] // Welding International. 1995. №9. p. 802-811.

62. Effect of Pre- and Post-weld Heat Treatment on Metallurgical and Tensile Properties of Inconel 718 Alloy Butt Joints Welded Using 4 kW Nd:YAG Laser / X. Cao [et al.] // Journal of Materials Science. 2009. 44 (17), p. 45574571.

63. Сорокин Л.И. Образование горячих трещин в околошовной зоне при сварке жаропрочных никелевых сплавов. Обзор. // М.: Сварочное производство. 2005. №8. С. 38-43.

64. Ion J.C. Laser Processing of Engineering Materials: Principles, Procedure and Industrial Application // Oxford (UK): Elsevier Butterworth-Heinemann. 2005. URL: https://www.elsevier.com/books/laser-processing-of-engineering-materials/ion/978-0-7506-6079-2 (дата обращения: 06.04.2017).

65. Specialmetals. Inconel 718: Справочник. URL: www.specialmetals.com (дата обращения 06.04.2017).

66. Механические испытания: растяжение титанового сплава Ti6Al4V. URL: www.beam-machines.com. (дата обращения: 06.04.2017).

В диссертационный совет Д 212.141.06 при

МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5. стр.1

ОТЗЫВ

Научного руководителя, д.т.н, проф. Григорьянца Александра Григорьевича о работе Ставертия Антона Яковлевича над диссертацией «Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Актуальность выбранной темы связана с необходимостью получения изделий сложной формы из жаропрочных никелевых сплавов. В связи с ней остро стоит проблема разработки отечественного оборудования и технологии, которые позволят снизить время производства и снизят объем последующей обработки заготовки до получения самого изделия. Поэтому изыскание и разработка высокопроизводительных методов и технологических процессов создания объектов сложной формы и исследование их эксплуатационных характеристик является актуальной задачей.

Автор работы Ставертий А.Я. провёл теоретическое и экспериментальное исследование процесса получения объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов. Им установлено, что рациональным планированием траектории, а также грамотной термообработкой, можно снизить степень окисления материала в процессе выращивания заготовки и повысить прочность конечного изделия.

Путём физического и математического моделирования процесса коаксиальной лазерной обработки порошковых материалов ему удалось установить закономерности подачи частиц порошка в поле действия лазерного

излучения, их нагрева лазерным излучением, а также нагрева и остывания выращиваемого объекта.

В ходе работы над диссертацией Ставертий А.Я. показал устойчивые и высокие навыки экспериментатора, достаточное владение методами научных исследований, в том числе математическим аппаратом. В процессе работы над диссертацией Ставертием А.Я. разработана конструкция и опытный образец комплекса, способного выращивать объекты сложной формы из различных типов металлических порошковых материалов. В целом он проявил себя как грамотный специалист в области лазерных технологий.

Будучи аспирантом кафедры МТ-12 МГТУ им. Н.Э. Баумана Ставертий А.Я. проявил высокую инициативность и работоспособность. Участвовал в выполнении трех научно-технических тем по теме диссертации.

Ставертием А.Я. в соавторстве опубликовано 10 статей в изданиях, входящих в список ВАК РФ, по материалам работы подготовлены два патента РФ на полезную модель, подготовлены и проведены доклады на международных научных конференциях.

С учётом активности работы и достижения практических результатов, приведших к созданию нового комплекса для реализации процесса выращивания полноценных заготовок изделий машиностроения из требуемого материала: жаропрочного никелевого сплава, а также квалификационного уровня соискателя, рекомендую присвоить Ставертию А.Я. учёную степень кандидата технических наук по специальности 05.02.07 -Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

заведующий кафедрой лазерных технологий в

машиностроении МГТУ им. Н.Э. Баумана

г. Москва, 2-я Бауманская ул. д.5. стр.1.

т. 8 [phone]

Эл. почта: [e-mail]