WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 


«УДК 339.944; DOI 10.1872/MMF-2016-113 С.Е. Буханченко1, А.Е. Пугачёва2 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АДДИТИВНО ПОЛУЧЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗДЕЛИЙ Сергей ...»

УДК 339.944; DOI 10.1872/MMF-2016-113

С.Е. Буханченко1, А.Е. Пугачёва2

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

АДДИТИВНО ПОЛУЧЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ИЗДЕЛИЙ

Сергей Евгеньевич Буханченко, к.т.н., заведующий кафедрой

Национальный исследовательский Томский политехнический

университет

Россия, Томск

E-mail: triboss@tpu.ru

Пугачёва Анна Евгеньевна, магистрант

Национальный исследовательский Томский политехнический университет Россия, Томск E-mail: ae_pugacheva@list.ru Аннотация В статье поставлена задача исследования свойств конструкционных материалов, полученных методом послойного синтеза, применительно узлам трения технических систем. В результате анализа показаны возможности технологии, исследованы достоинства и недостатки данного метода.

Ключевые слова: аддитивные технологии, микроструктура, механические свойства.

Производство современных машин и их узлов представляет собой разнообразие выбора технологий и материалов, однако существуют технологии, которые не используются достаточно широко по той причине, что недостаточно изучены их механические свойства, структура и область применения. Аддитивные технологии (AF – Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Они позволяют существенно ускорить НИОКР и решить задачи подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются для производства различной продукции.

Аддитивные технологии являются ярким примером того, что при минимальных экономических затратах возможно получать качественные изделия в минимальные сроки. При этом привлечение ресурсоэффективных технологий в сферу машиностроения актуально, так как важным аспектом является снижение негативного влияния на окружающую среду и уменьшение затрат на производство изделий.

Цель исследования заключается в изучении структуры и механических свойств аддитивно полученных конструкционных материалов при динамических режимах нагружения узлов трения технических систем.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Анализ технологий получения и характеристик аддитивно полученных конструкционных материалов.

2. Выбор оптимальной технологии 3D печати для узлов трения технических систем.

3. Определить перечень механических характеристик аддитивно полученных конструкционных материалов, определяющих триботехнические свойства узлов трения.

4. Исследовать структуры аддитивно полученных конструкционных материалов.

В настоящее время наиболее используемыми в получении металлических деталей можно считать следующие аддитивные методы:

лазерное спекание и вакуумно-дуговое напыление.

Электронно-лучевое напыление. Принцип действия электроннолучевого испарителя: для формирования потока электронов предназначена электронная пушка (рис.1), состоящая из вольфрамового термокатода и фокусирующей системы. Внешний вид установки электронно-лучевого напыления представлен на рис. 2.

Рис. 1. Схема электронно-лучевого испарителя.

Рис. 2. Установка электроннолучевого напыления Arcam Q10.

Электроны проходят эту систему, ускоряются за счет разности потенциалов до 10 кВ между катодом и анодом и формируются в электронный луч. Отклоняющую систему создает магнитное поле, перпендикулярное направлению движения выходящих из фокусирующей системы пушки электронов. Это поле направляет электронный луч в центральную часть водоохлаждаемого тигля, причем в месте падения луча создается локальная зона разогрева и испарения вещества из жидкой фазы.

Поток испарившегося материала осаждается в виде тонкой пленки на подложке, которая обычно располагается на определенном расстоянии над испарителем. Изменяя ток в катушке управляющего отклоняющей системой электромагнита, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предотвращает образование «кратера» в испаряемом материале.

К недостаткам электронно-лучевого испарения следует отнести:

• высокое ускоряющее напряжение (порядка 10 кВ);

• вследствие затрат энергии на образование вторичных электронов низкий КПД установок (до 25% энергии первичного пучка), нагрев тигля, рентгеновское и УФ-излучение;

• при бомбардировке наносимых пленок вторичными электронами генерацию радиационных дефектов;

• по сравнению с магнетронным напылением низкую стехиометрию пленок;

• вследствие низкой энергии осаждаемых частиц плохую адгезию тонких пленок к основе;

• заряжение напыляемой поверхности статическим зарядом, который может вызвать пробои по пленке и нарушить ее адгезию;

• не высокую производительность.

К преимуществам метода относятся:

• возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектриков с температурой плавления вплоть до 3500°С;

• высокая скорость испарения веществ (от 1 до 10 нм/м) и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности;

• возможность получения при высоком вакууме покрытий, практически свободных от загрязнений; их чистота определяется чистотой используемого для напыления материала;

• равномерность получаемых покрытий;

• свободная диффузия атомов вещества испарителя в рабочей камере, прямолинейное их движение без столкновения с остаточными молекулами компонентов воздуха и бесполезного рассеивания материала в объеме камеры, исключение химического взаимодействия напыляемого вещества с остатками воздуха [1].

Лазерное спекание. Выборочное лазерное спекание (SLS) – метод аддитивного производства, используемый для создания функциональных прототипов и мелких партий готовых изделий. Технология основана на последовательном спекании слоев (рис. 3) порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. SLS зачастую ошибочно принимают за схожий процесс, называемый выборочной лазерной плавкой (SLM).

Разница заключается в том, что SLS обеспечивает лишь частичную плавку, необходимую для спекания материала, в то время как выборочная лазерная плавка подразумевает полную плавку, необходимую для построения монолитных моделей.

Процесс включает использование трехмерных моделей в формате STL в качестве чертежей для построения физических моделей. Трехмерная модель подлежит цифровой обработке для виртуального разделения на тонкие слои с толщиной, соответствующей толщине слоев, наносимых печатным устройством. В качестве нагревательного элемента для спекания металлического порошка используются оптоволоконные лазеры относительно высокой мощности – порядка 200Вт. Некоторые устройства используют более мощные лазеры с повышенной скоростью сканирования (т.е. передвижения лазерного луча) для более высокой производительности. Возможно повышение производительности за счет использования нескольких лазеров.

Порошковый материал подается в рабочую камеру в количествах, необходимых для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал в ровный слой и удаляет излишний материал из камеры, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определенным цифровой моделью. После завершения спекания слоя, процесс повторяется: валик подает свежий материал, лазер начинает спекать следующий слой. Привлекательной особенностью этой технологии является очень высокое разрешение печати – в среднем около 20 микрон [2].

Интересной особенностью процесса является отсутствие необходимости построения опор для сложных элементов конструкции. Не спеченный порошок не удаляется во время печати, а остается в рабочей камере. Таким образом, каждый последующий слой имеет опорную поверхность.

Кроме того, неизрасходованный материал может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован заново:

производство можно считать фактически безотходным.

Технология практически не имеет ограничений по геометрической сложности построения, а высокая точность исполнения минимизирует необходимость механической обработки напечатанных изделий.

Технология обладает несколькими достоинствами по сравнению с традиционными производственными методами:

• возможность быстрого производства геометрически сложных деталей без необходимости механической обработки;

• производство практически безотходно, что выгодно отличает подобного рода печать от субтрактивных технологий;

• возможность создания нескольких моделей одновременно с ограничением по размеру рабочей камеры;

• построение моделей занимает порядка несколько часов, что несоизмеримо более выгодно, чем литейный процесс, который может занимать до нескольких месяцев с учетом полного производственного цикла.

С другой стороны, у технологии есть и свои недостатки:

• детали, произведенные лазерным спеканием, не обладают достаточной монолитностью, а потому не достигают тех же показателей прочности, что и отлитые образцы, или детали, произведенные субтрактивными методами.

Технологии послойного лазерного спекания используется в промышленности ввиду возможности построения внутренних структур цельных деталей, недоступных по сложности традиционным методам производства. Детали с комплексной геометрией могут быть выполнены целиком, а не из составных частей, что благоприятно влияет на качество и стоимость изделий.

В данной исследовательской работе была задействована установка лазерного спекания фирмы Arcam AB - Arcam Q20, так как она имеет ряд преимуществ и широко представлена на российском рынке.

Arcam Q20 (рис. 4) - разработка в области аддитивного производства Additive Manufacturing от фирмы Arcam AB. Она спроектирована для быстрого производства больших, сложных металлических деталей.[3].

Рис. 4. Установка лазерного Рис. 3. Принцип работы принтера, основанного спекания Arcam Q20.

на лазерном спекании.

Установка Arcam Q20 обеспечивает работу с различными сплавами:

на основе титана, никеля, алюминия, а также сталями и некоторыми другими.

Наиболее показательными для триботехнических характеристик аддитивно полученных конструкционных материалов являются исследования структуры, пористости поверхности и твёрдости.

Наибольший интерес для исследования поверхностных характеристик заготовок и деталей, работающих при трении, является пористость — доля объёма пор в общем объёме пористого тела. Характер пористости является словесной характеристикой материала и его определение зависит от отрасли применения [5].

Кроме того, необходимо рассмотреть твёрдость материала, так как характеристика износа зависит от твердости материала.

Кроме классических установок для определения твёрдости используются также портативные, которые позволяют измерить твёрдость любых хорошо отполированных поверхностей. Таким устройством является твердомер ультразвуковой МЕТ-У1, который реализует метод ультразвукового контактного импеданса (UCI).

Для проведения экспериментов были выбраны следующие конструкционные материалы, которые интересны для исследования с точки зрения трибологии.

1. Порошок фирмы EOS Titanium Ti64, сплав Ti6Al4V, принадлежащий к (+)-классу, в странах зарубежья является одним из самых востребованных сплавов из титана. Аналогом этого сплава на отечественном рынке является сплав ВТ6.

Этот сплав имеет повышенную стойкость к водороду, что препятствует водородному и коррозионному изнашиванию. Наличие в его составе алюминия делает его более прочным и жаропрочным.

Ванадий же в составе титана увеличивает его прочность и пластичность.

2. Порошок фирмы EOS stainless steel PH 1. Нержавеющая сталь в форме мелкодисперсного порошка.

Этот тип стали характеризуется высокой коррозийной стойкостью и превосходными механическими свойствами, особенно в дисперсионно-твердеющем состоянии. Кроме того, он широко используется в различных областях медицины, аэрокосмической отрасли и других инженерных приложениях требующих высокой прочности, твердости и коррозийной стойкости. Материал идеально подходит для построения деталей, например, полнофункциональные металлические прототипы, малая серия продукции, индивидуальные изделия или запчасти. Изготовление при стандартных параметрах и 20 мкм толщине слоя построения, детали получаются полностью сплавленные. Детали, изготовленные из материала EOS StainlessSteel PH1, могут подвергаться механической обработке, обработке на электроэрозионном станке, сварке, микродробестрйной обработке, полировке и покрытию.

Из рассмотренных выше материалов были получены образцы (рис. 5, 6). На титановом сплаве можно заметить путь лазера - полосы, которые были подвергнуты шлифованию и полировке.

На обработанных поверхностях исследованы пористость (рис. 7,9,10) и структура (рис. 8) под инвертированным микроскопом Axio Vert A1.

Рис. 5. EOS Titanium Ti 64. Рис. 6. EOS stainless steel PH 1.

Вместе с тем, для сплава EOS stainless steel PH1 был проведено травление, которое помогло исследовать структуру. Структура аддитивно полученной стали похожа на структуру обычной ферритной стали хорошего качества. Пористость аддитивно полученной стали стандартная, не отличается от образцов, полученным традиционным путём, распределение пор равномерное по поверхности.

–  –  –

Значения табличных данных отличается от заявленных производителем. Скорее всего, это результат погрешности твердомера или поверхностного упрочнения вследствие механической обработки.

В некоторых случаях, таких, как при сложной геометрии или малой серии, экономически выгодно использовать аддитивные методы получения заготовок и деталей.

По всем проведённым исследованиям можно сделать вывод, что образцы, полученные методом лазерного спекания, могут использоваться для изготовления деталей. Если говорить про более узкую направленность

– исследование триботехнических свойств при динамических режимах нагружения узлов, то стоит исследовать образцы при работе на трение, что и станет вектором развития данной работы.

Работа выполнялась в рамках проекта ТЕМПУС 4.1271.T.2014 «Международная магистратура «Обеспечение эффективности технологических процессов жизненного цикла изделия».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов А. Электронно-лучевое напыление: технология и оборудование://

Иванов А., Смирнов Б. Наноиндустрия научно-технический журнал. – М.:

2012, №6.

2. http://3dtoday.ru/wiki/SLS_print/ (дата обращения 5.04.2016).

3. http://abuniversal.ru/ (дата обращения 2.04.2016).

4. Беккерт М. Справочник по металлографическому травлению// Беккерт М., Клемм Х. - М.: Металлургия, 1979.

5. Житников Ю.З. Определение пористости материалов// Житников Ю.З. М.:

Контроль. Диагностика 2004, №4. С.40-43.

6. Геллер Ю.А. Материаловедение: методы анализа, лабораторные работы и задачи// Геллер Ю.А., Рахштадт А. Г. -М.: Металлургия, 1975.

–  –  –

In the article the task of the study of structural properties of materials obtained by layering synthesis applied friction units of technical systems. The analysis shows the possibilities of technology, studied the advantages and disadvantages of this method.

Key words: additive technology, microstructure, mechanical properties.

REFERENCES

[1] Ivanov A. electron beam evaporation: technology and equipment: // Ivanov A., Smirnov B. Nanoindustry scientific and technical magazine. - Moscow, 2012, №6.

[2] http://3dtoday.ru/wiki/SLS_print/ (date of the application).

[3] http://abuniversal.ru/ (date of the application).

[4] M. Beckert Reference metallographic etching // Beckert M., H. Klemm - M.:

Metallurgy, 1979.

[5] Zhitnikov Yu. Z. Determination of porosity materials // Zhitnikov Yu. Z. M.:

Control. Diagnostics 2004, №4. P.40-43 [6] Geller Yu. A. Materials science: methods of analysis, laboratory work and tasks

Похожие работы:

«МАДАРА АД ЗАДНИЕ ВЕДУЩУЕ МОСТЬІ “ МАДАРА ” – 397.1 “ МАДАРА ” – 397.2 ИНСТРУКЦИЯ ПО РЕМОНТУ 08.2004 г “МАДАРА” АД, ШУМЕН, БОЛГАРИЯ Задние ведущуе мосты “МАДАРА” 397 – Инструкция по ремонту СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 3 2. Маркировка 3 3. Технические данные 4 4. Регулировочные д...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОСТ Р СТАНДАРТ 56192 – РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Услуги жилищно-коммунального хозяйства и управления многоквартирными домами УСЛУГИ СОДЕРЖАНИЯ ОБЩЕГО ИМУЩЕСТВА МНОГОКВАРТИРН...»

«DYWERY.RU DYWERY СУТЬ ПРОЕКТА Создание первого в России импортозамещающего завода по производству инновационных самоклеящихся графических и световозвращающих материалов, а также систем клеящих лент. Основные области применения: дизайнерские реше...»

«КАТЕГОРИЯ СМЫСЛА УДК 1(091) Коцюба В.И. П.А. Флоренский и духовно-академическая философия первой XIX века половины Коцюба Вячеслав Иванович, кандидат философских наук, доцент кафедры философии Московского физико-технического института (государственного университета) E-mail: vk1993@mail.ru В стать...»

«ISSN 0536 – 1036. ИВУЗ. "Лесной журнал". 2013. № 5 © УДК 630*23 Н.В. Беляева, А.В. Грязькин, М. Гуталь, П.М. Калинский С.-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С...»

«ДОГОВОР ДОЛЕВОГО УЧАСТИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ № с ПО АДРЕСУ: г. СТАВРОПОЛЬ, ул. ЛЕНИНА, 228 в квартале 116 ДОЛЬЩИК: г. Ставрополь _ год г. Ставрополь "" _ "" г. Понятия и термины, используемые в договоре долевого участия в строительстве. Застройщик уполномоченная на выполнение строительно-монтажных работ строи...»

«Самолет Ил-76ТЛ ИНСТРУКЦИЯ ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ Часть III, глава 33 Гидравлическая система "Инструкция по технической эксплуатации" содержит сведения, необходимые для проведения работ по техническому обслуживанию...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Аннотированный сборник научно-исследовательских выпускных квалификационных работ выпускников СПбГУ ИТМО Санкт-Петербург Аннотированный сборник научно-и...»

«ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ КАДАСТРОВЫХ РАБОТ Насонова В.В студентка 4 курса землеустроительного факультета, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А.К. Кортунова ФГБОУ ВО Донско...»

«Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н.Ельцина" Нижнетагильский технологический институт (филиал)...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.