Можливості виготовлення виробів із композитів із кераміки з використанням нанорозмірних порошків методами аддитивного виробництва

Анотація

Складні зносостійкі деталі, виготовлені методом селективного лазерного плавлення (SLM) порошкового матеріалу на основі композицій металу та кераміки, можуть широко використовуватися в гірничій, нафтовій та інших галузях точного машинобудування. Кераміко-металеві композиції виготовляли із застосуванням нанорозмірних порошків методами порошкової металургії. Для методу SLM було знайдено оптимальні режими. Визначено хімічний та фазовий склад, в’язкість на руйнування та зносостійкість отриманих матеріалів. Швидкість зношування зразків із 94 мас.% Карбіду вольфраму (WC) та 6 мас.% Кобальту (Co) була в 1,3 рази нижчою, ніж у зразка з ВК6, отриманого звичайними методами. Твердість отриманих зразків 2500 HV в 1,6 рази перевищувала твердість зразка з BK6, отриманого традиційним методом (1550 HV).

виготовлення

1. Вступ

Виробництво добавок - загальна назва сімейства пошарових технологій виробництва, що використовують електронні CAD-моделі. Принцип виробництва добавок полягає у створенні функціональних продуктів за допомогою пошарового додавання матеріалу шляхом нанесення або розпилення порошку та додаванням рідкого полімеру або композиту [1,2].

Однією з найбільш перспективних технологій виробництва добавок є технологія селективного лазерного плавлення (SLM) (Powder Bed Fusion - «плавлення матеріалу в попередньо сформованому шарі»), оскільки вона має ряд принципових переваг: вона безвідходна, має універсальність і має можливість виготовляти високоточні складні деталі, які не поступаються, і які іноді навіть перевершують за своїми фізико-механічними характеристиками, ніж деталі, отримані традиційним формуванням. Ця технологія може скоротити час виготовлення та вартість складних деталей при одиничному та дрібному партійному виробництві через відсутність етапу для створення спеціального інструменту та зменшення кількості технологічних стадій [3,4,5,6].

Вибіркове лазерне плавлення використовує широкий спектр матеріалів. Застосовуючи такі матеріали, як алюмінієві сплави, корозійно-стійкі сталі та сплави на основі кобальту, можна отримати високу складність фізико-механічних властивостей виробів, виготовлених методом СЛМ [7,8,9,10,11,12].

При нанесенні SLM на крихкі матеріали деталь часто тріскається вже в процесі виробництва. Під час лазерного нагрівання відбуваються значні градієнти температури. Неоднорідні теплові поля та теплові розширення породжують термомеханічні напруження. Напруження можуть перевищувати механічну міцність матеріалу, тому матеріал, який обробляється лазером, повинен бути стійким до термічних ударів. До цього часу не було успішних спроб виготовлення деталей з керамічних матеріалів, порівнянних за механічними властивостями з деталями, отриманими за класичною технологією. Однак інтерес до SLM для кераміки досить високий [13,14,15].

Одним з перспективних матеріалів є композитні матеріали на металевій основі з додаванням керамічних включень. Тверді сплави є класичним прикладом металокерамічних матеріалів, які добре вивчені і широко використовуються. Тверді сплави засновані на матриці сплавів елементів залізної групи, загартованих карбідами тугоплавких металів [16,17,18,19,20]. Механічні властивості твердих сплавів значно вищі, ніж у традиційних сплавів. Поєднуючи різні матриці та армуючі компоненти, можна отримати композиційні матеріали з бажаними властивостями, що дозволяє вирішити проблему оптимізації конструкцій для отримання необхідних характеристик. Таким чином, при використанні пластичної матриці та твердих армуючих включень поєднуються дві протилежні властивості, необхідні для конструкційних матеріалів: висока міцність на розрив і достатня в'язкість при руйнуванні. В даний час тверді сплави в основному виробляються методами порошкової металургії, складність яких перешкоджає їх ширшому застосуванню. Композити металевих матриць з високим вмістом фаз затвердіння погано формуються та обробляються традиційними методами, що перешкоджає їх широкому використанню. Поетапне формування з порошків шляхом селективного лазерного плавлення може вирішити цю проблему.

Відразу після появи технології SLM виник інтерес до отримання цим методом композицій з металевою матрицею. Наприклад, Laoui et al. у 1999 р. вивчав систему WC-Co [21], а Сяо та ін. вивчав систему TiC-інвар у 2000 р. [22].

Далі розширений перелік випробуваних композиційних матеріалів для УЗР; однак отримані матеріали були незадовільної якості.

Приклади використання композиційних матеріалів з металевою матрицею описані в літературі частіше для лазерного наплавлення, ніж для SLM. При наплавленні лазером розподіл температури та швидкості охолодження аналогічний розподілу для SLM; тому вони вимагають розгляду. У роботі [23] покриття отримували лазерним наплавленням суміші порошків карбіду вольфраму та сплавів нікелю. Об'ємна концентрація карбідів вольфраму становила близько 40%. Металева матриця складалася з пластичного твердого розчину на основі нікелю та твердої та крихкої евтектичної суміші. Співвідношення пластичної та твердої фаз у матриці було дуже різним залежно від вмісту хрому в нікелевому сплаві. При високому вмісті хрому (12–14% по масі), коли в структурі матриці переважала крихка евтектика, покриття тріскалося під час осадження. Тріщини, що простягалися по всьому покриттю від краю до краю, були перпендикулярними напрямку лазерного сканування. При низькому вмісті хрому (6–8% по масі), коли в структурі матриці переважала пластична фаза нікелю, тріщин не спостерігалося [23].

Таким чином, автори дійшли висновку, що при виготовленні композиційних матеріалів методом лазерного зварювання важливо отримати пластикову матрицю, щоб матеріал не тріскався.

Карбід титану також широко використовується як фаза затвердіння при лазерному наплавленні. Його щільність приблизно в чотири рази нижча, ніж у карбіду вольфраму, який є важливим для використання в аерокосмічній промисловості. Candel та співавт. [24] отримав безтріскові покриття із застосуванням композиції TiC – Ti із вмістом карбіду 30% та 60%. У структурі також спостерігалися первинні та вторинні карбіди. Леунда та ін. [25] досягнув хороших результатів у зміцненні сталі карбідом ванадію, ввівши її до 10% від маси лазерного наплавлення.

Перспективним напрямком поліпшення механічних властивостей карбідів є зменшення розміру зерен [26]. Для цього застосовується механічне легування порошків вихідних компонентів. Розроблено методи отримання механічно наноструктурованого сплаву із вихідних порошків розміром у мкм [27].

SLM принципово не обмежений складністю геометричної форми та вогнетривкістю матеріалу. Більше того, високі швидкості охолодження порядку 10 6 К/с, специфічні для цього процесу, часто забезпечують дрібнозернисту субмікронну або нанорозмірну структуру з підвищеною міцністю та зносостійкістю. Складні деталі, виготовлені методом SLM з порошкового матеріалу на основі композицій металу та кераміки, можуть широко використовуватися в гірничій, нафтовій та інших галузях точного машинобудування. Тому технологія виготовлення з композицій порошків металу методом селективного лазерного плавлення є важливим науково-технічним завданням.

Метою даної роботи є дослідження та розробка зносостійких керамічно-металевих композицій системи WC-Co, отриманих методом SLM з використанням нанорозмірних порошків.

2. Матеріали та методи

В якості експериментального матеріалу для селективного лазерного плавлення була обрана система WC-Co. Для отримання порошків композиційних матеріалів ми використовували порошок металевого кобальту та керамічний порошок карбіду вольфраму: нанорозмірні та мікронні порошки кобальту та WC. Підкладками були твердосплавні пластини марки ВК20 ГОСТ 19106-73 (Co — 20 мас.%; WC - 80 мас.%), Виробництво, Росія, м. Кіровград, Кіровградський завод твердих сплавів.

Порошки досліджували за допомогою аналізу розміру частинок на нановимірювальному обладнанні OCCHIO 500 (OCCHIO, Angleur, Бельгія) та за допомогою скануючого електронного мікроскопа Tescan Vega 3LMH з детектором EDS (Tescan, Брно, Чеська Республіка). Підготовка порошкового композиційного матеріалу проводилася шляхом механічного легування на планетарному кульовому млині Retch PM 100 (Retch, Haan, Німеччина).

Виробництво експериментальних зразків здійснювалось на спеціальній лабораторній машині для селективного лазерного плавлення - ALAM (вдосконалена машина для лазерних добавок), яка була розроблена та зібрана в МГТУ «СТАНКІН» (Москва, Росія). Схема процесу УУЗР представлена ​​на малюнку 1 [27].