способ изготовления объёмных изделий из порошковых композиций

Формула изобретения

1. Способ изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающий размещение порошковой композиции в станке для лазерного синтеза объемных изделий и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия, извлечение его из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, отличающийся тем, что в качестве порошковой композиции используют просеянные порошковые смеси для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в соответствии со стехиометрическим составом синтезируемых непосредственно под лазерным излучением эвтектоидных систем, при этом режим лазерного излучения выбирают из условия протекания СВС в диффузионном режиме горения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве просеянных порошковых смесей используют металлические смеси на основе никеля-алюминия, никеля-титана, алюминия и титана.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделия после извлечения их из станка и удаления порошковой композиции, не принявшей участия в формировании, инфильтруют поливинилацетатом или эпоксидным клеем с последующей просушкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ) /англ. термины: Rapid Prototyping, Solid Free Form Fabrication и т.п. / макетов деталей машин методом селективного лазерного спекания (СЛС), в том числе, к способам непрерывного и скоростного изготовления точных моделей со сложной формой поверхности и внутренними пустотами.

Коллектив авторов из университета штата Техас (Austin, Texas, USA), совместно с фирмой DTM Со. (также, Austin, Texas, USA), впервые предложившие и развившие метод СЛС на базе полимерных порошковых материалов в технологии ЛСОИ /J. J. Beaman, C. R. Dackard "Selective laser sintering with assist powder handling", USA Patent 4938816, 3 July 1990/, в настоящее время активно предлагают использовать также для ЛСОИ методом СЛС порошки более прочных металлических и керамических систем на основе Ni, Al, Ti, W, их карбидов и интерметаллидов /D. L. Bourell, H.L. Marcus, J.W. Barlow, J.J. Beaman. "Selective laser sintering of metal and ceramics." The International Journal of Powder Metallurgy. 1992. Vol. 28. N 4. РР. 369-381; W.L. Weiss, D. L. Bourell. "Selective laser sintering of intermetallics." Metallurgical Transactions A. Vol. 24A. March. 1993. РР. 757-759/ с целью расширения функциональных возможностей синтезируемых моделей деталей машин.

Также известен способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции (Шишковский И. В. , Куприянов Н. Л., РФ 95110182, B 22 F 3/105), включающий последовательное послойное размещение порошковой композиции в станке для СЛС, обработку каждого слоя лазерным излучением (ЛИ) по заданному контуру и извлечение полученного изделия из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия. Однако по этому способу возможно изготовление изделий из металлполимерных порошковых композиций путем реализации процесса жидкофазного спекания.

Указанные выше патенты и статьи можно считать прототипом предлагаемой заявки на изобретение. Нам представляется перспективным также альтернативный подход, когда с целью улучшения механических характеристик и функциональных возможностей прототипируемых изделий совмещается в едином технологическом процессе несколько родственных процессов (например, спекание и пайка, спекание и самораспостраняющийся высокотемпературный синтез (СВС)). Создаваемые при этом модели любой степени сложности (в англ. терминологии - "green parts") возможно в дальнейшем инфильтровать наполнителем для уменьшения шероховатости поверхности и увеличения их прочности.

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных характеристик создаваемых моделей, материал которых после синтеза обладает существенно новыми качествами, повышение прочностных и функциональных свойств спекаемого изделия из предлагаемых порошковых композиций, за счет расширения спектра используемых порошковых материалов и контролируемого совмещения процесса СЛС с процессом СВС, что обеспечивает создание эвтектоидных систем в химической реакции горения, улучшает адгезионные связи между частицами, при малых величинах деформации формы и расслоения всего изделия в широком интервале оптимальных режимов лазерного спекания.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающим размещение порошковой композиции в станке для лазерного синтеза объемных изделий и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия, извлечение его из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участие в формировании объемного изделия, в качестве порошковой композиции используют просеянные порошковые смеси для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в соответствии со стехиометрическим составом синтезируемых непосредственно под лазерным излучением эвтектоидных систем, при этом режим лазерного излучения из условий протекания СВС в диффузионном режиме горения.

При этом в качестве просеянных порошковых смесей используются металлические смеси на основе никеля-алюминия, никеля-титана, алюминия и титана.

Для повышения прочности получаемых объемных изделий, после извлечения их из станка и удаления СВС порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемных изделий, они могут быть подвергнуты инфильтрации поливинилацетом или эпоксидным клеем, с последующей просушкой.

Предварительное просеивание смешиваемых порошков необходимо для усреднения гранулометрического состава, что улучшает однородность материала изготавливаемой модели. При этом важно выбирать размер фракции (дисперсность) обрабатываемого порошка, так чтобы она была соизмерима и желательно меньше диаметра пятна ЛИ. Этим достигается перекрытие пятном и одновременная лазерная обработка нескольких частиц, что обеспечивает их успешное сцепление в процессе реакции горения. Использование именно СВС композиций стехиометрического состава позволяет получать не просто спекание порошинок друг с другом, но и одновременно синтезировать эвтектоидные системы с химическим типом связей. Следовательно, прочность таких систем гораздо выше, нежели спекаемых традиционно. Изделия же с новыми функциональными характеристиками самого материала, несомненно, найдут новые области использования. Экзотермичность реакции горения СВС композиции вносит дополнительный энерговклад в зону лазерной обработки. Таким образом, с учетом высокой поглощательной способности металлических систем на длинах волн технологических лазерных установок, интервал оптимальных режимов ЛСОИ практически не смещается в область более высоких плотностей мощности лазерного воздействия (ЛВ), что позволяет избежать деформации формы изделия и расслоения. С другой стороны важно отметить также, что не все реакционные смеси, известные в технологии СВС, можно использовать в заявляемом способе. Если экзотермический выход в течение реакции горения очень велик, управлять такой реакцией, даже тщательно дозируя подводимую энергию, практически невозможно.

Для отличительного существенного признака при ЛВ на предлагаемые СВС порошковые композиции характерны следующие свойства. Как известно, процесс СВС может протекать в режиме неконтролируемого теплового взрыва, а также в поддающемся контролю диффузионном режиме горения, характеризующимся стационарным распространением волны синтеза. Поскольку ЛСОИ требует прецизионного селективного воздействия на порошковую композицию с целью формирования строго заданной формы модели, принципиальным является выбор режима ЛВ (плотность мощности ЛВ, диаметр пятна, скорость сканирования пучка и коэффициент его перекрытия) так, чтобы имел место именно диффузионный режим. В условиях экзотермичности СВС реакции это достигается экспериментально подбором, например скорости сканирования ЛИ, при прочих фиксированных параметрах ЛВ. Диффузионный режим горения важен и потому, что порошковая смесь в каждом отдельном слое не должна прореагировать полностью (иначе слои не достаточно прочно "пристанут" друг к другу). Визуально, реакция горения при оптимальной скорости сканирования должна наблюдаться лишь в зоне прохода лазерного луча.

Пример 1. Порошки предварительно просеивались на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Наплавочный порошок ПГ-СР4 на основе ((Ni, Cr, В, Si сплава) и размером фракции <50 мкм, смешивали механически с порошком алюминия размером фракции <20 мкм в мольной пропорции 3:1 до равномерного распределения. В результате одновременно проходящей с ЛСОИ-СВС реакции создавалась модель из интерметаллида Ni3Al.

Пример 2. Порошки предварительно просеивались на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Наплавочный порошок ПГ-СР4 на основе (Ni, Cr, В, Si сплава) и размером фракции <50 мкм, смешивали механически с порошком титана размером фракции <20 мкм в мольной пропорции 3:1 до равномерного распределения. В результате одновременно проходящей с ЛСОИ-СВС реакции создавалась модель из интерметаллида Ni3Ti.

Увеличение или снижение за указанными от стехиометрии пределами процентной доли одного порошка относительно другого приводит также к частичному подавлению СВС реакции взрывного типа, однако выбирать оптимальный режим и контролировать ЛСОИ при этом становится сложнее.