Разработка и исследование процесса прямого лазерного изготовления детали из композиционного материала на основе стали и карбида титана

• Автор: Новиченко, Денис Юрьевич
• Шифр специальности: 05.02.07, 05.16.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 159 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1. Технология прямого лазерного нанесения материала

1.2. Быстрое прототипирование деталей методом прямого лазерного нанесения

1.3. Композиционные материалы

1.3.1. Общие сведения о композиционных материалах

1.3.2. Композиционные материалы с металлической матрицей

1.4. Выбор металлической матрицы для композиционного материала

1.4.1. Машиностроительная сталь ХНЗМА

1.4.2. Термическая обработка стали ХНЗМА

1.4.3. Механические свойства стали ХНЗМА

1.5. Выбор упрочняющей фазы
1.5.1. Общая характеристика упрочняющих фаз
1.5.2. Характеристика карбидных фаз
1.5.3. Свойства и методы получения карбида титана
1.6. Композиционные материалы на основе стали и карбида титана
1.7. Методы получения композиционного материалы на основе стали и карбида титана
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
ГЛАВА 2. Оборудование и материалы
2.1. Порошковые материалы
2.2. Экспериментальная установка
2.3. Анализ структуры и свойств композиционного материала
2.4. Система оптической диагностики
Стр.
2.4.1. Многоволновой пирометр
2.4.2. Инфракрасная камера
2.4.3. Принцип калибрования пирометра и инфракрасной камеры
2.4.3. Высокоскоростная камера
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2
ГЛАВА 3. Анализ и моделирование газовой динамики и подачи порошкового материала
3.1. Описание течения газа
3.1.1. Основные предположения и допущения
3.1.2. Основные уравнения газовой динамики
3.1.3. Начальные и граничные условия для расчета газовой динамики
3.1.4. Метод численного решения
3.2. Описание движения частиц порошка в потоке газа
3.2.1. Уравнение расчета траектории и скорости частиц
3.2.2. Коэффициент сопротивления для частиц
3.2.3. Начальные и граничные условия для частиц
3.2.4. Условия отражения частиц от твердых стенок сопла
3.2.5. Распределение размеров частиц порошка
3.3. Исследование динамики течения газа
3.4. Анализ формы потока порошка
3.5. Расчет скорости частиц порошка
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3
ГЛАВА 4. Разработка и исследование технологической карты процесса прямого лазерного нанесения композиционного материала
Стр.
4.1. Регрессионный анализ степени влияния параметров процесса
на геометрические характеристики
4.1.1. Алгоритм проведения эксперимента
4.1.2. Уравнения регрессии
4.1.3. Технологическая карта процесса
4.2. Корреляционный анализ для установления связи между геометрическими и технологическими характеристиками и параметрами процесса
4.3. Оценка толщины слоя для изготовления деталей
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4
ГЛАВА 5. Исследование структуры и свойств композиционного материала из стали и карбида титана
5.1. Структура композиционного материала
5.2. Механизм образования фаз
5.2.1. Система i
5.2.2. Заэвтектический сплав
5.2.3. Доэвтектический сплав дальняя от точки эвтектики зона
5.2.4. Доэвтектический сплав ближняя к точке эвтектики зона
5.3. Химический и фазовый состав композиционного материала
5.4. Распределение твердости
5.5. Перераспределение и массоперенос карбидной фазы
5.6. Формирование кольцевых структур и сложных карбидов
5.7. Процессы окисления
5.8. Механические свойства
5.9. Химикотермическая обработка цементация
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5
Стр.
ГЛАВ А 6. Оптическая диагностика и контроль процесса прямого лазерного нанесения материала
6.1. Влияние параметров процесса на яркостную температуру поверхности ванны расплава
6.2. Влияние содержания карбида титана в смеси порошка на яркостную температуру
6.3. Влияние параметра слоя на яркостную температуру
6.4. Визуализация формы потока порошка и измерение скорости частиц
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


В процессе дуговой наплавки образуется прочное и надежное соединение между покрытием и основным материалом, но высокие погонные энергии вызывают значительные деформации и остаточные напряжения в изделии, приводящие к изменению геометрических размеров и образованию трещин в рабочем слое 3. В случае ионного осаждения удается избежать коробления детали, однако этот способ имеет низкую производительность нескольких микрон в мин, а покрытие обладает высокой пористостью 4. Методы
газопламенного и плазменного напыления позволяют наносить практически все материалы, включая тугоплавкие, с высокой производительностью до кгч, тем не менее они не обеспечивают прочного соединения покрытия с деталью, а в нанесенном слое присутствуют поры, несплошности и другие виды дефектов 5. Детонационным напылением можно наносить многослойные композиционные покрытия, но высокий уровень шумов и трудоемкость обработки сложных поверхностей ограничивают его применение 6. Но сравнению с традиционными способами прямое лазерное нанесение обладает рядом преимуществ 7. Высокая концентрация энергии в пятне нагрева создает возможность проведения процесса при повышенных скоростях обработки 8. Для прямого лазерного нанесения используют те же порошковые материалы, что и для классических методов наплавки . К порошкам предъявляют требования по гранулометрическому составу и влажности. Размер и форма частиц порошка влияет на производительность процесса, структуру и свойства нанесенного материала . Таким образом, малые деформации, с одной стороны, и высокие эксплуатационные свойства, с другой, создают предпосылки для применения лазерного нанесения не только для получения специальных свойств поверхности изделий, но и при изготовлении отдельных деталей и узлов машин . Прямое лазерное нанесение материала является аддитивным методом формирования трехмерных объектов не путем удаления материала или изменения формы, а постепенным наращиванием добавлением материала . Деталь изготавливается послойно по заданной компьютерной модели 3 модель. Возможно также проводить быструю и недорогую модификацию детали . Точность детали 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. Шероховатость изготовленных деталей возникает вследствие ступенчатого эффекта. Детали, к размерам которых предъявляются более жесткие требования по точности, подвергаются последующей механической обработке . В настоящий момент широко используются следующие лазерные методы быстрого прототипирования i i, iv iii. В отличие от других технологий быстрого формообразования прямое лазерное нанесения процесс позволяет изготавливать металлические детали со 0ой плотностью и высокой производительностью . Заготовка для детали из титанового сплава, полученная методом прямого лазерного нанесения, и конечный вид детали после механической обработки представлены на рис. В процессе используется широкая гамма порошковых материалов и смесей . Изготовленный материал имеет механические и физические характеристики, идентичные свойствам материала, полученного традиционной ковкой или литьем , . Рис. 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. В композиционных материалах нагрузка переносится с малопрочного материала матрицы на более прочный материал армирующего элемента . Однополярная и Биполярная смя. Лмсрф эя структура Гшсхея проводимость Пластичны гри высоких . Рис. В зависимости от вида армирующего компонента композиционные материалы могут быть разделены на три основные группы, которые отличаются структурой, механизмами образования высокой прочности рис.