Разработка научных и технологических принципов получения порошковых и композиционных изделий с программируемой структурой методом послойного синтеза

• Автор: Соколов, Юрий Алексеевич
• Шифр специальности: 05.16.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 421 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ОБОСНОВАНИЕ

ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Способ центробежного распыления вращающегося

электрода плазменным потоком

1.2. Способ центробежного распыления с вращающимся тиглем

1.3. Способ распыления расплава в охлаждаемом инертном газе

1.4. Современные технологии послойного синтеза изделий

1.5. Технология послойного синтеза изделий электронным лучом

1.5.1. Формирование изделия из порошка различного химического
состава
1.5.2. Структурно-параметрическая оптимизация процесса послойного синтеза изделий
1.6. Способы упаковки частиц шаровидной формы
1.7. Цель и задачи исследования
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРОДА
2.1. Вывод аналитических зависимостей теплофизических
свойств газов и материала частицы от температуры
2.2. Аэродинамическая модель полёта частицы
2.2.1. Определение зависимости между частотой вращения
электрода и диаметром частицы
2.2.2. Расчёт параметров динамики частицы при движении вверх
2.2.3. Расчёт параметров динамики частицы при движении вниз
2.2.4. Анализ полученных результатов

2.2.5. Расчёт динамики полёта на примере частиц из титановых
сплавов
2.3. Исследование напряжённого деформированного состояния
частицы при ударе об стенку камеры
2.4. Моделирование процесса охлаждения частиц распыленного
металла в газовой смеси
2.4.1. Аэротермодинамическая математическая модель процесса охлаждения частицы
2.4.2. Моделирование процесса охлаждения частицы из сплава ВТ
в газовой смеси аргона и гелия
2.4.3. Моделирование процесса охлаждения частицы из сплава ВТ
в среде гелия и в среде аргона
2.4.4. Исследование образования частицы при слёте с венца
под различным углом
2.5. Анализ технологических режимов получения порошка на базе аппарата параметрической оптимизации
2.5.1. Исследование образования частиц при различных частотах вращения электрода
2.5.2. Исследование влияния состава газовой смеси на охлаждение частиц
2.5.3. Влияние коэффициента турбулентности на охлаждение частиц
2.5.4. Исследование влияния рабочего давления на охлаждение частиц
2.6. Особенности моделирования охлаждения частиц в процессе получения порошка металлов и сплавов
2.7. Моделирование процесса получения порошка на
специализированной технологической установке
2.8. Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО СИНТЕЗА ИЗДЕЛИЙ
3.1. Математическая модель взаимодействия сканирующего электронного луча с изделием
3.1.1. Распределение мощности электронного луча по поверхности порошка
3.1.2. Учёт пористости верхнего слоя порошка
3.2. Математическое моделирование процесса послойного спекания/плавления изделий электронным лучом в вакууме с учётом сопряжённых процессов тепло - и массопереноса, гидродинамики расплава
3.3. Моделирование процесса синтеза изделий электронным лучом из порошка титанового сплава ВТ
3.3.1. Определение температурного поля при сканировании поверхности электронным лучом
3.3.2. Расчёт температурного поля при плавлении порошка с учётом теплоты фазового перехода (двухфазная задача Стефана)
3.3.3. Растекание расплавленного порошка по поверхности синтезируемого изделия
3.3.4. Параметрическая оптимизация процесса синтеза изделий электронным лучом
3.4. Выводы по третьей главе
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКОВЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА
4.1. Получение заготовки из титанового сплава ВТ6 требуемого химического состава
4.2. Распыление исходного электрода
4.2.1. Получение порошка из титанового сплава ВТ

поперечного сечения и объёма, для создания необходимых тепловых условий при получении контура изделия. Наличие одинаковой температуры порошка внутри и вне границ контура детали создаёт благоприятные условия для размерной обработки изделия.
Электронный луч перемещается по подложке или формируемому изделию со скоростью сканирования Уск. Это эквивалентно действию (приложению) периодической тепловой нагрузки с длительностью импульса сууск (с1„ - диаметр луча в месте его встречи с поверхностью объекта). К числу параметров оперативного управления во время технологического процесса можно отнести ток луча 1л, скорость сканирования луча Уск, диаметр луча с!0, шаг смещения луча при сканировании поверхности зсм, размеры сканируемой площади х-, и у; (угол отклонения луча). Нагрев каждой элементарной ячейки (ЭЯ) происходит за время, равное перемещению электронного луча над этой ячейкой. Под ЭЯ будем подразумевать выделенный объём размером с! х с! х Ь (Ь
- высота изделия).
При прохождении электронного луча над ЭЯ данный объём:
- нагревается до температуры Тэя;
- теряет тепло в результате радиационного теплообмена и теплопередачи с соседними элементами, принимает часть тепла от соседних элементов во время их нагрева лучом.
Можно выделить следующие основные этапы технологии послойного синтеза изделий (122]:
- предварительный нагрев подложки до заданной температуры;
- формирование специальной поддержки изделия (сетки), обеспечивающей в дальнейшем легкий демонтаж изделия от подложки;
- синтез изделия, включающий нанесение слоя порошка, формирование внешнего и внутреннего контуров, предварительный нагрев слоя порошка на малом токе (спекание слоя для удерживания порошка при действии электромагнитных сил при обработке слоя большими токами), плавление порошка в определённом сечении изделия.