Abstract

Piesele complicate rezistente la uzură realizate prin topirea selectivă cu laser (SLM) a materialului sub formă de pulbere pe bază de compoziții de metal și ceramică pot fi utilizate pe scară largă în industria minieră, ingineria petrolieră și alte industrii de inginerie de precizie. Compozițiile ceramico-metalice au fost realizate folosind pulberi la scară nano prin metode de metalurgie a pulberilor. Au fost găsite regimuri optime pentru metoda SLM. Au fost determinate compoziția chimică și de fază, rezistența la rupere și rezistența la uzură a materialelor obținute. Rata de uzură a probelor din 94% în greutate carbură de tungsten (WC) și 6% în greutate cobalt (Co) a fost de 1,3 ori mai mică decât cea a unei probe din BK6 obținută prin metode convenționale. Duritatea probelor obținute la 2500 HV a fost de 1,6 ori mai mare decât cea a unei probe din BK6 obținută prin metoda tradițională (1550 HV).

produselor

1. Introducere

Fabricarea aditivă este denumirea comună pentru o familie de tehnologii de producție strat cu strat care utilizează modele CAD electronice. Principiul fabricării aditive este de a crea produse funcționale cu ajutorul adăugării strat-cu-strat de material prin depunerea sau pulverizarea pulberii și prin adăugarea unui polimer lichid sau compozit [1,2].

Una dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru fabricarea aditivă este tehnologia de topire selectivă cu laser (SLM) (Powder Bed Fusion - „topirea materialului într-un strat preformat”), deoarece are o serie de avantaje fundamentale: este fără deșeuri, are versatilitate și are capacitatea de a fabrica piese complexe de înaltă precizie care nu sunt inferioare și care sunt uneori chiar superioare în caracteristicile lor fizico-mecanice decât piesele obținute prin modelarea tradițională. Această tehnologie poate reduce timpul de fabricație și costul pieselor complexe în producția de loturi simple și mici, din cauza lipsei unei etape pentru crearea unui instrument special și a reducerii numărului de etape tehnologice [3,4,5,6].

Topirea selectivă cu laser utilizează o gamă largă de materiale. Folosind materiale precum aliajele de aluminiu, oțelurile rezistente la coroziune și aliajele pe bază de cobalt, este posibil să se obțină o complexitate ridicată a proprietăților fizico-mecanice ale produselor realizate prin metoda SLM [7,8,9,10,11,12].

Când se aplică SLM pe materiale fragile, piesa de multe ori se fisurează deja în procesul de fabricație. În timpul încălzirii cu laser apar gradienți de temperatură semnificativi. Câmpurile termice neomogene și expansiunile termice generează solicitări termomecanice. Stresurile pot depăși rezistența mecanică a materialului, astfel încât materialul procesat de laser ar trebui să fie rezistent la șocurile termice. Până în prezent, nu au existat încercări reușite de a fabrica piese din materiale ceramice comparabile ca proprietăți mecanice cu piesele obținute prin tehnologia clasică. Cu toate acestea, interesul pentru SLM pentru ceramică este destul de mare [13,14,15].

Unul dintre materialele promițătoare sunt materialele compozite pe bază de metal, cu adăugarea de incluziuni ceramice. Aliajele dure sunt un exemplu clasic de materiale cermet, care sunt bine studiate și utilizate pe scară largă. Aliajele dure se bazează pe o matrice de aliaje ale elementelor din grupul de fier întărit de carburi ale metalelor refractare [16,17,18,19,20]. Proprietățile mecanice ale aliajelor dure sunt semnificativ mai mari decât cele ale aliajelor tradiționale. Combinând diverse matrice și componente de armare, este posibil să se obțină materiale compozite cu proprietățile dorite, ceea ce ne permite să rezolvăm problema optimizării structurilor pentru a obține caracteristicile necesare. Astfel, atunci când se utilizează o matrice ductilă și incluziuni de armare dură, se combină două proprietăți opuse necesare materialelor structurale: rezistență ridicată la rupere și rezistență suficientă la rupere. În prezent, aliajele dure sunt produse în principal prin metode de metalurgie a pulberilor, a căror complexitate inhibă aplicarea lor mai largă. Compozitele cu matrice metalică cu un conținut ridicat de faze de întărire sunt slab formate și procesate prin metode tradiționale, ceea ce inhibă utilizarea lor pe scară largă. Turnarea strat cu strat din pulberi prin topire selectivă cu laser ar putea rezolva această problemă.

Imediat după apariția tehnologiei SLM, a apărut interesul de a obține prin această metodă compoziții cu o matrice metalică. De exemplu, Laoui și colab. în 1999 a studiat sistemul WC-Co [21], iar Xiao și colab. a studiat sistemul TiC-invar în 2000 [22].

Mai mult, lista materialelor compozite testate pentru SLM s-a extins; cu toate acestea, materialele obținute au fost de o calitate nesatisfăcătoare.

Exemple de utilizare a materialelor compozite cu o matrice metalică sunt descrise în literatură mai des pentru suprafața cu laser decât pentru SLM. În suprafața cu laser, distribuția temperaturii și a ratelor de răcire sunt similare cu cele pentru SLM; prin urmare, necesită luare în considerare. În [23], acoperirile au fost obținute prin suprafața cu laser a unui amestec de carbură de tungsten și pulberi din aliaj de nichel. Concentrația volumetrică a carburilor de tungsten a fost de aproximativ 40%. Matricea metalică consta dintr-o soluție plastică solidă pe bază de nichel și un amestec eutectic solid și fragil. Raportul fazelor plastice și solide din matrice a fost foarte diferit în funcție de conținutul de crom din aliajul de nichel. La un conținut ridicat de crom (12-14% din greutate), când eutectica fragilă a predominat în structura matricei, acoperirea s-a crăpat în timpul depunerii. Fisurile se întindeau pe acoperire de la margine la margine și erau perpendiculare pe direcția de scanare laser. La un conținut scăzut de crom (6-8% din greutate), când faza de nichel plastic a predominat în structura matricei, nu au fost observate fisuri [23].

Astfel, autorii au concluzionat că, atunci când se fabrică materiale compozite prin sudare cu laser, este important să se obțină o matrice de plastic, astfel încât materialul să nu se crape.

Carbura de titan este de asemenea utilizată pe scară largă ca fază de întărire în suprafața cu laser. Densitatea sa este de aproximativ patru ori mai mică decât cea a carburii de tungsten, care este esențială pentru utilizarea în industria aerospațială. Candel și colab. [24] au obținut acoperiri fără fisuri utilizând o compoziție TiC - Ti cu un conținut de carbură de 30% și 60%. În structură, s-au observat și carburi primare și secundare. Leunda și colab. [25] a obținut rezultate bune la întărirea oțelului cu carbură de vanadiu, introducându-l până la 10% din greutatea suprafeței laserului.

O direcție promițătoare pentru îmbunătățirea proprietăților mecanice a carburilor este reducerea mărimii bobului [26]. În acest scop, se utilizează alierea mecanică a pulberilor componentelor de pornire. Au fost dezvoltate metode pentru producerea unui aliaj nanostructurat mecanic din pulberi de pornire de dimensiuni micronice [27].

SLM nu este limitat în mod fundamental de complexitatea formei geometrice și a refractarității materialului. Mai mult, rate de răcire ridicate de ordinul 10 6 K/s, specifice acestui proces, oferă adesea o structură sub-micronică sau cu nano-scară cu granulație fină, cu rezistență sporită și rezistență la uzură. Părțile complicate realizate de SLM din material pulbere pe bază de compoziții de metal și ceramică pot fi utilizate pe scară largă în industria minieră, inginerie petrolieră și alte industrii de inginerie de precizie. Prin urmare, tehnologia de fabricație din compoziții de pulbere metalică prin topire selectivă cu laser este o sarcină științifică și tehnologică importantă.

Scopul acestei lucrări este cercetarea și dezvoltarea compozițiilor ceramice - metalice rezistente la uzură ale sistemului WC - Co obținut de SLM folosind pulberi nanosized.

2. Materiale și metode

Ca material experimental pentru topirea selectivă a laserului, a fost ales sistemul WC-Co. Pentru a obține pulberi de materiale compozite, am folosit pudră de metal de cobalt și pulbere de ceramică din carbură de tungsten: pulberi nanoscale și micronice de cobalt și WC. Substraturile au fost plăci de carbură de calitate BK20 GOST 19106-73 (Co - 20% în greutate; WC - 80% în greutate), producție, Rusia, Kirovgrad, uzină de aliaj dur Kirovgrad.

Pulberile au fost investigate folosind analiza dimensiunii particulelor pe echipamente de măsurare nano OCCHIO 500 (OCCHIO, Angleur, Belgia) și folosind un microscop electronic cu scanare Tescan Vega 3LMH cu detector EDS (Tescan, Brno, Republica Cehă). Pregătirea materialului compozit sub formă de pulbere a fost realizată prin aliaje mecanice într-o moară planetară Retch PM 100 cu bile (Retch, Haan, Germania).

Producția de probe experimentale a fost efectuată pe o mașină specială de laborator pentru topirea selectivă cu laser - un ALAM (mașină avansată de aditivare cu laser) - care a fost dezvoltat și asamblat la MSTU „STANKIN” (Moscova. Rusia). Diagrama procesului SLM este prezentată în Figura 1 [27].