CC BY
74УДК 621.7.002
Влияние защитного газа и механоактивации металлических порошков на качество спечённого слоя изделий
Н.А. Сапрыкина, к.т.н. доц., А.А. Сапрыкин, к.т.н., доц., Д.А. Архипова, студент «Юргинский технологический институт (филиал) ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», E-mail: saprikina@tpu.ru, sapraa@tpu.ru, arhipova dasha@Jist.ru
Исследовано влияние защитного газа аргона и механоактивации медного порошка ПМС-1, кобальтхроммолибденового порошка DSK-F75 при разном диапазоне технологических режимов спекания на качество спеченного поверхностного слоя. Рассмотрены факторы, оказывающие влияние на качество спеченной поверхности и внутренней структуры. Представленные результаты свидетельствуют о положительном влиянии защитного газа и механоактивации порошка. Спекание медного порошка ПМС-1 в защитной среде аргона и после механоактивации характеризуется снижением внутренних напряжений, шероховатости и улучшением прочностных характеристик спеченной поверхности. Анализ спеченных образцов из механоактивированного кобальтхроммолибденового порошка DSK-F75 показывает улучшение прочностных характеристик спеченной поверхности, изменение пористости и коагуляции.
Ключевые слова: послойное лазерное спекание, режимы спекания, коагуляция, качество поверхности, аргон, механоактивация.
Influence of protective gas and mechanoactivation of metal powders on
quality of the baked layer of products
N.A. Saprykina, A.A. Saprykin, D.A.Arkhipova Yurga Institute of Technology of National Research Tomsk Polytechnic University Affiliate, e-mail: saprikina@tpu.ru, sapraa@tpu.ru, arhipova_dasha@list.ru
Influence of protective gas of argon and mechanoactivation of the copper powder PMS-1, the kobaltkhrommolibdenovy powder DSK-F75 at the different range of the technological modes of agglomeration on quality of the baked blanket is investigated. The factors having impact on quality of the baked surface and internal structure are considered. The presented results testify to positive influence of protective gas and mechanoactivation of powder. Agglomeration of the copper powder PMS-1 in the protective environment of argon and after mechanoactivation is characterized by decrease in internal tension, roughnesses and improvement of strength characteristics of the baked surface. The analysis of the baked samples from the mechanoactivatedkobaltkhrommolibdenovy powder DSK-F75 shows improvement of strength characteristics of the baked surface, change of porosity and coagulation.
Keywords: layer-by-layer laser agglomeration, agglomeration modes, coagulation, quality of a surface, argon, mechanoactivation.
В настоящее время динамично развивающимся направлением развития современной промышленности являются технологии послойного синтеза. Отдельным направлением является послойное лазерное спекание (сплавление) металлопорошковых композиций на основе 3йСАй-модели, позволяющее изготавливать функциональные изделия. Так как в основе послойного синтеза функционального изделия лежит формообразование единичного слоя одной из проблем обеспечения качества поверхностного слоя является наличие напряжений в спеченном единичном слое, которые препятствуют равномерному нанесению следующего слоя порошкового материала и искажают форму изделия.
Для того чтобы изделие полученное методом послойного лазерного спекания выполняло функциональное назначение, оно должно обладать необходимым качеством. Основными показателями качества спеченного изделия являются точность, состояние поверхностного слоя, физико-механические свойства, долговечность. Одной из проблем обеспечения качества спеченного поверхностного
слоя является наличие напряжении, которые препятствуют равномерному нанесению следующего слоя порошкового материала и искажают форму изделия. Для её решения необходимо изучение закономерностей влиянияфизико-механических свойств порошковых материалов, режимов лазерного спекания, технологических режимов нанесения слоя порошка [1, 2, 3].
Целью настоящей работы является исследование влияния защитного газа аргона и механоактивации медного порошка ПМС-1 и кобальтхроммолибденового порошка й8К^75 при разном диапазоне технологических режимов спекания на качество спеченного поверхностного слоя. Сравнивались толщина и шероховатость спеченной поверхности, прочностные характеристики спеченных образцов.
Технологические режимы спекания имеют значительное влияние на качество поверхностного слоя изделия. Мощность лазерного излучения зависит от температуры плавления порошкового материала и коэффициента температуропроводности, а также формы и размера частиц [4, 5, 6]. Для тугоплавких материалов необходимо увеличивать мощность лазерного излучения, и уменьшать скорость перемещения луча лазера. При нерационально выбранных значениях мощности происходит возгорание порошкового материала [7].
В значительной степени влияют на качество прототипа следующие факторы: коагуляция, образование пор, возникновение внутренних напряжений и деформаций.
Исследования влияния защитного газа аргона на качество спеченного поверхностного слоя осуществлялось для медного порошка ПМС-1 и кобальтхроммолибденового порошка й8К^75 при разном диапазоне технологических режимов спекания. Аргон является защитной средой, позволяющей исключить взаимодействие порошковых изделий с кислородом и азотом, а также упрочнить поверхность изделий. При спекании медного порошка ПМС-1 в аргоне наблюдалось изменение цвета спеченной поверхности, она становилась золотистой, полученные образцы имели более прочную поверхность, без образования трещин (рис. 1) [8, 9].
Сравнение образцов, спеченных на воздухе и в аргоне представленных на рисунке 1 показывает увеличение толщины спеченного слоя с 115 мкм до 200 мкм, прочность образца увеличивается.
а) б)
Рис. 1. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=30 Вт, У=3000 мм/мин, S=0,3мм, t=260C: а - на воздухе; б - в аргоне
При спекании в аргоне (рис. 2, б), режимы СЛС Р=15 Вт, У=200 мм/мин, S=0,3мм, t=2000C дефекты в виде поперечных и продольных трещин отсутствуют, толщина спеченного слоя изменяется незначительно с 1675 при спекании на воздухе до 1735 при спекании в аргоне.
а) б)
Рис. 2. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=15 Вт, У=200 мм/мин, S=0,3мм, t=2000C: а - на воздухе; б - в аргоне
При сравнении образцов, полученных на режимах Р=30 Вт, У=200 мм/мин, S=0,1мм, t=2000C, спеченных в аргоне и на воздухе, представленных на рисунке 3 наблюдалось резкое изменение качества поверхностного слоя, прочности. Шероховатость изменяется с 525 до 115 мкм, толщина спеченного слоя изменяется незначительно с 850 до 915 мкм. У образца, спеченного в аргоне, отсутствуют дефекты в виде продольных и поперечных трещин.
а) б)
Рис. 3. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС: Р=30 Вт, У=200 мм/мин, S=0,1мм, t=2000 С а- на воздухе; б - в аргоне
Спекание в аргоне значительно улучшает качество поверхностного слоя полученного из медного порошкового материала ПМС-1. Уменьшается шероховатость, отсутствуют дефекты.
Исследования влияния механоактивации на качество спеченного поверхностного слоя осуществлялось для медного порошка ПМС-1 и кобальтхроммолибденового порошка DSK-F75 при разном диапазоне технологических режимов спекания. Механическая обработка порошка осуществлялась в центробежно-планетарной мельнице АГО-2. В стальных барабанах, загруженных стальными шарами диаметром 6 мм, общая масса которых составляла 600 гр. при загрузке порошка 30 гр. При механоактивации увеличивается дисперсность порошка, дефектность кристаллической решетки его частиц [10], что приводит к быстрому окислению, и возможности осуществлять спекание при
необычно низких температурах. Интенсивное измельчение частиц увеличивает их суммарную поверхность, повышая запас избыточной энергии порошка и увеличивает толщину дефектного слоя. Механическая обработка проводилась в течение одной, трех, пяти и семи минут. На рисунках 4-8 приведены сравнительные фотографии спеченной поверхности кобальтхроммолибденовой композиции, полученные на разных режимах, порошка неактивированного и разной активации [11]. На рисунке 4 при режимах спекания Р=10 Вт, У=100 мм/мин, S=0,1мм, t=2000C для неактивированной спеченной поверхности Rz=525 мкм, после минутной активации Rz=545 мкм, после трехминутной активации Rz=540 мкм, после пятиминутной активации Rz=615 мкм увеличивается коагуляция, после семиминутной активации Rz=545 мкм.
а) б) в) г) д)
Рис. 4. Внешний вид спеченной поверхности DSK-F75 (х1).
Режимы СЛС Р=10 Вт, У=100 мм/мин, S=0,1мм, t=2000C: а - неактивированный, б -после минутной активации, в - после трехминутной активации, г - после пятиминутной активации, д- после семиминутной активации
У образцов, представленных на рисунке 5 шероховатость спеченной поверхности изменяется незначительно, увеличивается прочность. У образца, спеченного из порошкового материала, после семиминутной активации уменьшается пористость, на поверхности наблюдаются монолитные островки.
а) б) в) г) д)
Рис. 5. Внешний вид спеченной поверхности DSK-F75 (х1). Режимы СЛС Р=20 Вт,
V=100 мм/мин, S=0,1мм, t=2000C: а - неактивированный, б - после минутной активации, в - после трехминутной активации, г - после пятиминутной активации,
д - после семиминутной активации
Увеличение времени активации (рис. 6-8) приводит к уменьшению диаметра коагулированных частиц и их равномерному распределению по спеченной поверхности. Прочность спеченной поверхности увеличивается.
а) б) в) г) д)
Рис. 6. Внешний видспеченной поверхности DSK-F75 (х1). Режимы СЛС Р=20 Вт,
V=300 мм/мин, S=0,1мм, t=260C: а - неактивированный, б - после минутной активации, в - после трехминутной активации, г - после пятиминутной активации,
д - после семиминутной активации
а) б) в) г) д)
Рис. 7. Внешний вид спеченной поверхности DSK-F75 (х1). Режимы СЛС Р=10 Вт,
V=300 мм/мин, S=0,15мм, t=260C: а - неактивированный, б - после минутной активации, в - после трехминутной активации, г - после пятиминутной активации,
д - после семиминутной активации
а) б) в) г) д)
Рис. 8 Внешний вид спеченной поверхности DSK-F75 (х1). Режимы СЛС Р=20 Вт, V=300 мм/мин, Б = 0,15мм, 1=260О: а - неактивированный, б - после минутной активации, в - после трехминутной активации, г - после пятиминутной активации,
д - после семиминутной активации
На рисунках 9-15 приведены сравнительные фотографии спеченного слоя медной порошковой композиции ПМС-1, полученные на разных режимах, порошка неактивированного и разной активации. После трехминутной активации увеличивается прочность спеченного образца (рис. 9), Кг незначительно изменяется с 625 мкм до 630 мкм, толщина спеченного слоя увеличивается с 820 до 950 мкм.
Рис. 9. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=30 Вт, V=3000 мм/мин, S=0,3мм, t=260C: а - неактивированный, б - после минутной активации, в - после трехминутной активации
При сравнении двух образцов (рис. 10) наблюдается улучшение качества поверхностного слоя, исчезают трещины, уменьшается шероховатость с 975 до 715 мкм.
а) б)
Рис. 10. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=30 Вт, У=200 мм/мин, S=0,3мм, t=260C: а - неактивированный, б - после трехминутной
активации
На рисунке 11 у спеченных образцов, полученных из механоактивированных порошковых материалов, шероховатость поверхности уменьшается с 700 до 426 мкм.
а) б) в)
Рис. 11. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=15 Вт, У=200 мм/мин, S=0,3мм, t=260C: а - неактивированный, б - после минутной активации, в - после трехминутной активации
а) б) в)
Рис. 12. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=30 Вт, У=3000 мм/мин, S=0,1мм, t=2000C: а - неактивированный, б - после минутной активации, в - после трехминутной активации
а) б) в)
Рис. 13. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=15 Вт, У=3000 мм/мин, S=0,1мм, t=2000C: а - неактивированный, б - после минутной активации, в - после трехминутной активации
а) б)
Рис. 14. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=30 Вт, У=200 мм/мин, S=0,1мм, t=260C: а - неактивированный, б - после минутной
активации
а) б)
Рис. 15. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС Р=22 Вт, V=1600 мм/мин, S=0,2mm, t=260C: а - неактивированный, б - после минутной
активации
Проведенные исследования спеченного слоя из активированного и неактивированного порошкового материала показало, что предварительная механическая обработка оказывает влияние на процесс спекания и приводит к улучшению качества поверхности: уменьшается диаметр коагулированных частиц, снижается шероховатость. Наблюдалось улучшение внутренней структуры и прочностных свойств.
Показано положительное влияние защитной атмосферы и механоактивации металлических порошковых материалов на качество спеченного поверхностного слоя. Для уменьшения шероховатости, улучшения внутренней структуры и прочностных свойств спекание рекомендуется проводить в аргоне с применением металлических порошковых материалов, подвергнутых одно- и трёхминутной активации.
Список литературы
1. Отто А. Объединение лазерной обработки материалов с процессом формообразования // Фотоника. - 2007. - № 5. - С. 2 - 6.
2. Панченко В.Я. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок, монография. - М.: Физматлит, 2009. - 664 с.
3. A.V. Proskokov, S.I. Petrushin. Process clip formation with a single conditional shear surface // Applied Mechanics and Materials. - vol. 682 (2014). - pp. 304-312.
4. R.H Gubaidulina, S.I. Petrushin, A.A. Galeeva. Selecting an Economical Variant of the Manufacturing Method of Engineering Product Fabrication under Current Conditions // AppliedMechanicsandMaterials. - vol. 682 (2014). - pp. 613-616.
5. P.V. Arkhipov, A.S. Yanyushkin, D.V. Lobanov. The effect of diamond tool performance capability on the quality of processed surface // Applied Mechanics and Materials. - vol. 379 (2013). pp. - 124-130.
6. Chinakhov D.A. Dependence of Silicon and Manganese Content in the Weld Metal on the Welding Current and Method of Gas Shielding. Applied Mechanics and Materials. - Vol. 756 (2015) - pp 92-96. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.756.92.
7. Saprykin А.А., Saprykina N.A. Improvement of surface layer formation technology for articles produced by layer-by-layer laser sintering // Applied Mechanics and Materials. - 2013. - Vol. 379. - P. 56 - 59.
8. Lychagin D.V., Tarasov S.Yu., Chumaevskii A.V., Alfyorova E.A. Macrosegmentation and strain hardening stages in copper single crystals under compression // International Journal of Plasticity. - 2015. - №69. - Р. 36-53.
9. Babakova E.V., Gradoboev A.V., Saprykin A.A., Ibragimov E. A., Yakovlev V.I., Sobachkin A.V. Comparison of Activation Technologies Powder ECP-1 for the Synthesis of Products Using SLS // Applied Mechanics and Materials. - 2015 - Vol. 756. -p. 220-224
10. Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шигаев Д.А. Исследование факторов, влияющих на качество поверхности, полученной лазерным спеканием // Обработка металлов. - 2011. - № 4. - С. 78-82.
11. Saprykina N.A., Saprykin A.A., Matrunchik M.S. Formation of Surface Layer of Cobalt Chrome Molybdenum Powder Products with Differentiation of Laser Sintering Modes // Applied Mechanics and Materials. - Vol. 682 (2014). - pp. 294-298.
