Разработка процессов изготовления износостойких композиционных материалов системы WC-Co методом селективного лазерного плавления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Хмыров Роман Сергеевич

• Хмыров Роман Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Хмыров Роман Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА............................12

1.1 Классификация методов аддитивного производства................................12

1.2 Селективное лазерное плавление (СЛП)....................................................15

1.3 Материалы, используемые в аддитивном производстве..........................16

1.3.1 Применение керамического порошка в аддитивном производстве................................................................................18

1.3.2 Применение металлокерамических композиций в аддитивном производстве..........................................................................................................20

1.3.3 Методы получения металлокерамических композиций для СЛП .... 23

1.4 Металлокерамические материалы в традиционном производстве..........27

1.4.1 Технология изготовления твёрдых сплавов........................................27

1.4.2 Стандартизация твёрдых сплавов........................................................28

1.4.3 Жаростойкость и жаропрочность твёрдых сплавов...........................29

1.4.4 Наноструктурированные твёрдые сплавы...........................................29

1.5 Характеристика параметров СЛП...............................................................30

1.6 Обоснование и выбор направления исследований....................................32

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1..........................................................................................36

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ..................................................................38

2.1 Выбор исходных материалов.........................................................................38

2.2 Методика исследования исходных материалов...........................................40

2.3 Оборудование..................................................................................................41

2.4 Методика подготовки композиционного материала...................................48

2.5 Методика определения окна параметров СЛП композиционного материала...............................................................................................................49

2.6 Металлографический, энергодисперсионный, рентгеноструктурный анализы ................................................................................................................... 51

2.7 Методика исследования износостойкости...................................................52

2.8 Методика исследования микротвердости и трещиностойкости................54

2.9 Методика исследований жаростойкости......................................................56

2.10 Методика измерения и контроля линейных размеров..............................58

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2..........................................................................................61

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ................................................................................62

3.1 Математическая модель зоны лазерной обработки композиционного материала...............................................................................................................62

3.2 Расчет оптических и теплофизических свойств композиционного материала...............................................................................................................66

3.3 Расчеты параметров технологических режимов селективного лазерного плавления композиционного материала для обеспечения проведения экспериментальных исследований......................................................................69

3.4 Проверка модели на примере разработки рациональных режимов СЛП

сплава ВК20...........................................................................................................75

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3..........................................................................................85

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКОВЫХ

МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СЛП...................................................................................86

4.1. Результаты исследования исходных порошков..........................................86

4.1.1 Микронный порошок кобальта.............................................................86

4.1.2 Микронный порошок карбида вольфрама..........................................91

4.1.3 Нанопорошок кобальта..........................................................................93

4.1.4 Нанопорошок карбида вольфрама.......................................................94

4.2 Приготовление порошковых смесей из исходных компонентов...............97

4.3 Исследование влияния параметров обработки планетарной мельницы на

качество порошковой смеси...............................................................................107

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4........................................................................................109

ГЛАВА 5. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЛП.................................................................................................110

5.1 Исследование влияния параметров процесса селективного лазерного плавления на геометрические характеристики одиночного валика..............111

5.2 Исследование влияния параметров процесса селективного лазерного плавления на шероховатость единичного слоя................................................118

5.3 Исследование влияния параметров процесса селективного лазерного плавления на пористость объемных образцов.................................................123

5.4 Влияние режимов селективного лазерного плавления, процентного состава и размера фракций ^^С на структуру и фазовый состав исследуемого материала.............................................................................................................131

5.5 Исследование влияния процентного состава и размера фракций WC на образование трещин в изделиях, изготовленных методом селективного лазерного плавления...........................................................................................143

5.6. Влияние режимов селективного лазерного плавления на твердость, трещиностойкость и износостойкость образцов..............................................146

5.7. Влияние режимов селективного лазерного плавления на жаростойкость исследуемого материала.....................................................................................150

5.8 Определение точности линейных размеров образцов...............................154

5.9 Влияние термической постобработки на структуру и свойства образцов полученных методом СЛП.................................................................................159

5.10 Рекомендации для изготовления изделий из порошкового материала системы WC-Co методом селективного лазерного плавления.......................162

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5........................................................................................166

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................................................................169

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................172

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка процессов изготовления износостойких композиционных материалов системы WC-Co методом селективного лазерного плавления»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. К настоящему времени разработано множество металлокерамических композиционных материалов, отличающихся повышенной механической прочностью, износо-, термо- и коррозионной стойкостью, широкое применение которых сдерживается трудностью получения из них деталей заданной геометрической формы традиционными методами спекания и механической обработки. В настоящее время перспективными методами формообразования становятся аддитивные технологии, принцип которых состоит в том, что изделия синтезируются послойно по данным цифровой трехмерной модели. Данная технология призвана стать альтернативой традиционному производству, основанному на удалении первичного материала заготовки (например, фрезерование или точение). Применение аддитивных технологий могло бы решить проблему формования деталей из различных материалов с повышенными механическими свойствами, которые трудно обрабатываются традиционными методами.

Степень разработанности. На данный момент наиболее активно развиваются два направления аддитивных технологий для изготовления изделий из металлокерамических композиционных материалов: лазерная наплавка и селективное лазерное плавление (СЛП). В обоих случаях удавалось получать композиционные материалы с металлической матрицей, с высокими показателями механической прочности и жаростойкости. Размерная погрешность деталей, полученных лазерной наплавкой составляет около 1 мм, поэтому такие детали почти всегда требуют дополнительной механической обработки. Это приводит к значительным трудностям в случае твёрдых композиционных материалов. Поэтому в работе изучается технология СЛП, размерная погрешность которой на порядок меньше.

СЛП принципиально не ограничено сложностью геометрической формы и тугоплавкостью материала. Более того, высокие скорости охлаждения порядка 106 К/с, характерные для этого процесса, часто обеспечивают получение наноструктурированного материала с повышенными прочностью и износостойкостью. Технология СЛП уже разработана для ряда металлических материалов, на примере которых подтверждаются вышеуказанные преимущества. Накопленный опыт показывает, что СЛП очень чувствительно к выбору материала и к параметрам процесса.

Технологически процесс СЛП определяется большим числом технологических параметров, такими как мощность лазера, скорость сканирования, интервал сканирования (шаг перемещения лазерного луча), стратегия сканирования (направление и последовательность перемещений лазерного луча), толщина слоя порошка, а также физико-химическими характеристиками материала, гранулометрическими и морфологическими параметрами порошка. Взаимодействие этого множества параметров очень сложное, поэтому важно понимание того, как изменение каждого из них влияет на процесс СЛП в целом. Распространение этого метода на новые материалы ставит ряд научных и технологических задач, требующих проведения научных исследований, на решение которых и направлена данная работа.

Целью работы является разработка процессов получения износостойких композиционных материалов системы WC-Co методом селективного лазерного плавления с целью замены традиционных методов изготовления изделий из труднообрабатываемых материалов.

Поставленная цель может быть достигнута решением следующих задач:

- анализ и выбор исходных порошковых материалов для селективного лазерного плавления;

- получение новых порошковых композиций системы WC-Co для технологии СЛП

- расчет температурных полей в зоне обработки при лазерном воздействии;

- теоретическое и экспериментальное исследование влияния параметров обработки на структуру, химический и фазовый состав композиционного материала системы

- исследования влияния параметров селективного лазерного плавления на физико-механические свойства исследуемого материала;

- выбор рациональных технологических режимов селективного лазерного плавления обрабатываемых материалов;

Поставленные задачи решались методами теоретических, численных и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам с использованием контрольно-измерительной аппаратуры и аттестованных приборов.

Научная новизна:

- разработаны износостойкие металлокерамические композиции системы WC-Co с соотношением компонентов: 1) 25% (по массе) наноразмерного порошка карбида вольфрама и 75% (по массе) микронной фракции кобальта; 2) 94% (по массе) микронного порошка карбида вольфрама и 6% (по массе) наноразмерной фракции кобальта для изготовления изделий методом селективного лазерного плавления;

- на основе математической модели, учитывающей оптические, теплофизические свойства и испарение композиционного материала системы WC-Co, показано, что высокие скорости сканирования при селективном лазерном плавлении минимизируют потери кобальта при испарении;

- определены связи между параметрами селективного лазерного плавления, структурой и фазовым составом композиционного материала системы WC-Co, установлены закономерности структурообразования, заключающиеся в возможности получения износостойких композиционных

материалов субмикронной структуры, состоящих из карбидов вольфрама и твердого раствора на основе кобальта;

- установлено влияние структуры и фазового состава композиционного материала системы WC-Co на комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств;

- определены рациональные режимы селективного лазерного плавления металлокерамической композиции системы WC-Co для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного абразивного износа.

Практическая ценность работы заключается в:

- разработке устройств селективного лазерного плавления при работе с порошковыми композициями (патенты на полезную модель №152914, №154761, №163795, 164759 и 173526);

- разработке и реализации технологического процесса изготовления изделий из металлокерамических композиций с использованием рациональных режимов селективного лазерного плавления (мощности лазерного излучения, толщины порошкового слоя, скорости сканирования, шага сканирования, стратегии сканирования);

- использование результатов работ в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» профиля «Конструкторско-технологическое обеспечение высокоэффективных технологий обработки материалов» в курсе дисциплины «Аддитивное производство».

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений (отдельный том). В первой главе представлен аналитический обзор современного состояния исследований по разработке технологий аддитивного производства. Во второй главе приведено описание оборудования, материалов и методик исследований, используемых в работе. В третьей главе представлены математическая модель зоны лазерной обработки и результаты расчетов технологических процессов. В четвертой

главе представлены результаты разработки составов и грануломорфологических исследований исходных порошковых смесей. В пятой главе описаны результаты экспериментальных исследований, направленных на разработку процессов селективного лазерного плавления порошкового материала системы WC-Co. В приложениях приведены: расчеты технологической стоимости изготовления детали «Ротор», чертеж и аксонометрическая модель детали «Ротор».

Достоверность результатов обеспечена математическими расчетами и использованием общих положений фундаментальных наук (уравнение теплопроводности и т.п.), материаловедения и научных основ технологии машиностроения. Результаты экспериментальных работ получены на сертифицированном оборудовании. Основные положения работы отражены в 20 научных трудах, которые включают 5 патентов на полезную модель 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации трудов соискателей ученых степеней из них 9 в зарубежных журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus , 3 из которых входят в 1-2 квартиль. Основные результаты работы были представлены на следующих международных и всероссийских симпозиумах, конференциях: международная научная конференция "Science of the future» (17-20 сентября 2014, г. Санкт-Петербург, Россия); Лазеры и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и применения ILLA (29 сентября-3 октября 2014, Шатура, Россия); Конференция «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (13-15 мая 2014, Москва, Россия); симпозиум международного союза по теоретической и прикладной механике синтеза твердых тел - IUTAM Symposium on Growing solids (23-27 июня 2015, Москва, Россия); II Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» (16 марта 2016, Москва, Россия); конференция применения лазера в инженерии LIM Laser in Manufacturing (22-24 июля 2015, Мюнхен, Германия); 8-ая Международная

конференция фотонных технологий LANE 2014 (8-11 сентября 2014, Фюрт, Германия); 9-ая Международная конференция фотонных технологий LANE 2016 (19-22 сентября 2016, Фюрт, Германия).

Автор искренне благодарит д.ф.-м.н. Андрея Владимировича Гусарова за ценные наставления и помощь в работе.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1 Классификация методов аддитивного производства

Аддитивное производство (АП) представляет собой класс перспективных технологий, активно разрабатываемых во всех высокоразвитых странах. Данная технология призвана стать альтернативой традиционному производству. Принцип аддитивного производства состоит в том, что изделия на основе трехмерных компьютерных моделей создаются с помощью послойного синтеза материала. Такой метод позволяет создавать изделия за один технологический цикл при минимальном количестве оборудования, рабочих и меньшей производственной площади, чем при традиционных методах. Аддитивные технологии используют преимущество в изготовлении трудоемких деталей сложной геометрии, например, теплообменников с внутренними каналами охлаждения, литейных форм для литья изделий сложной формы, фильтрующих тонкостенных элементов, индивидуальных медицинских протезов и др. Аддитивное производство является безотходным, что весьма актуально в авиастроении и двигателестроении при изготовлении изделий из дорогостоящих материалов.

Разработкой и издательством различных технических нормативов и стандартов для большого диапазона материалов, изделий, услуг и систем аддитивного производства занимается американская международная добровольная организация ASTM International (American Society for Testing and Materials). Стандарт ASTM F2792 дает определение аддитивных технологий так: «Процесс объединения материала с целью создания объекта

на основе данных CAD-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от "вычитающих" производственных технологий» [1].

На сегодняшний день существует множество классификаций по различным критериям. Авторы классифицируют аддитивные технологии: по применяемым материалам (жидкие, порошковые, полимерные), по способу консолидации материала (с помощью лазера, ультрафиолета, электронного луча, химического связующего) и по методу формирования слоя. Метод формирования слоя разделяют на два принципа формирования слоя: bed deposition - синтез изделия в предварительно сформированном слое материала и direct deposition - одновременная подача энергии и материала в зону синтеза.

В случае bed deposition перед началом синтеза на рабочей платформе создается слой материала, далее материал разравнивается устройством в виде ножа или валика, создавая, ровный слой определенной толщины; затем избирательно, согласно электронной модели, материал обрабатывается в сформированном слое лазером или иным способом, связывая его. Положение плоскости построения остается неизменной. Часть исходного материала (в данном случае - порошка), которая не попала в контур сечения модели, остается нетронутой. Для данной технологии используется термин «селективное лазерное спекание» или «селективное лазерное плавление» (SLS/SLM - Selective Laser Sintering/Melting), если источником концентрированной энергии является лазер.

Принцип прямого осаждения (direct deposition), относится к методу, в котором используемый материал подается непосредственно в область подвода энергии, где происходит в данный момент построение фрагмента детали. Наиболее распространенным видом такой технологии является лазерная наплавка (laser cladding). К данному принципу также относится и технология FDM (Fused deposition modeling) — послойное построение изделия из расплавленной пластиковой нити. Это самый распространенный

способ SD-печати в мире, на основе которого работают миллионы 3D-принтеров — от самых дешевых до промышленных систем трехмерной печати. FDM-принтеры работают с различными типами пластика, самым популярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластика отличаются высокой прочностью, упругостью, прекрасно подходят для тестирования продукции, прототипирования, а также для изготовления готовых к эксплуатации объектов [2].

Последняя классификация, предложенная ASTM International разделяет технологические процессы аддитивного производства по принципу построения изделия на 7 групп:

- Material Extrusion - выдавливание материала;

- Material Jetting - распыление материала;

- Binder Jetting - распыление связующего;

- Sheet Lamination - синтез листовых материалов;

- Vat Photopolymerization - фотополимеризация;

- Powder Bed Fusion - сплавление материала в сформированном слое;

- Direct energy deposition - прямой подвод энергии в место построения.

В настоящее время коммерчески успешны и наиболее применяемы в

промышленности следующие методы аддитивного производства: трехмерная печать методом FDM, стереолитография, послойная заливка экструдируемым расплавом, 3-х мерная лазерная наплавка и селективное лазерное плавление. СЛП является наиболее перспективным методом, поскольку обладает рядом преимуществ: безотходностью, возможностью изготовления сложнопрофильных деталей, не уступающих, а иногда и превышающих по своим физико-механическим свойствам детали, полученные традиционным формообразованием.

1.2 Селективное лазерное плавление (СЛП)

Разрабатываемое примерно с начала 2000-х годов селективное лазерное плавление показало себя как эффективный метод изготовления функциональных деталей сложной формы путём послойного синтеза [3-5]. Изготовление сложнопрофильных деталей при единичном и мелкосерийном производстве при использовании метода СЛП способно сократить себестоимость изделия за счет уменьшения рабочего времени при меньшем количестве технологических операций. Также метод СЛП не подразумевает создания специального инструмента и технологической оснастки.

Большинство машин селективного лазерного плавления производятся в США, Германии и Великобритании. Производство отечественных машин находится на этапе опытного производства. Несмотря на это, в России аддитивные технологии находят наиболее широкое применение на авиационных и машиностроительных предприятиях. На сегодняшний день коммерчески доступные установки работают с порошками, производимыми фирмами производителями установок, при использовании конкретного порошкового материала необходима покупка режимов обработки. Процесс СЛП чувствителен к ряду параметров, таких как толщина порошкового слоя, шаг сканирования, мощность, диаметр лазерного пятна и скорость сканирования. Несмотря на широкие пределы возможного изменения каждого параметра, рациональные сочетания значений технологических параметров обычно находятся в достаточно узком интервале. Вне этой области процесс СЛП может быть неустойчивым и формировать материал с дефектами.

В данной ситуации имеется острая потребность в отечественных порошках и разработке режимов СЛП.

1.3 Материалы, используемые в аддитивном производстве

Активное расширение использования технологий порошковой металлургии и активное взаимодействие производителей и потребителей порошков привело к значительному расширению ассортимента порошковых материалов, произведённых различными методами. Производство порошков - широкая тематика. Вопрос производства порошков затрагивает множество аспектов качества получаемого материала: размер частиц и распределение по размерам, форма частиц, внутренняя структура частиц, плотность частиц, удельная поверхность частиц, структура и химический состав поверхности частиц, химический и фазовый состав частиц и распределение (неравномерность) по составу. К основным методам производства относят:

1) Физико-химические методы производства:

- химическое восстановление (из твердого, жидкого или газообразного состояния) соединений металлов (как правило, оксиды или галогениды);

- термическое разложение и гидридов и карбонилов металлов;

- электролитический метод - позволяет получать химически очень чистые металлические порошки (как правило, бериллия, меди, железа, никеля и т.д.).

2) Механические методы производства:

- измельчение сплавов дроблением, размолом, истиранием (обработка резанием, измельчение в шаровых, планетарных, вибрационных мельницах, аттриторах, измельчение ультразвуком) позволяет получить порошки различного распределения по размерам и химическому составу, однако неправильной формы;

- диспергирование материалов (атомизация) (газом, водой, центробежное распыление, распыление жидкими газами, вакуумная

атомизация) позволяет получить порошок любого сплава, однородный по размерам, форме и составу, и является способом с высоким уровнем управления качеством продукта.

В методе селективного лазерного плавления возможно использование широкого спектра порошковых материалов. Эта технология, применённая к пластичным материалам, таким как аустенитные стали, позволяет сразу добиться высокой прочности за счёт формирования однородной мелкозернистой структуры и не исключает, конечно, модификации микроструктуры и механических свойств последующей термообработкой. При применении СЛП к хрупким материалам деталь часто растрескивается уже в процессе изготовления. Это общий недостаток лазерных технологий. Например, та же проблема возникала при лазерной сварке керамики [6]. Суть в том, что лазерный нагрев является локальным [7], поэтому неизбежны значительные температурные градиенты при лазерной обработке изделия. Неоднородные тепловые поля и неоднородные тепловые расширения генерируют термомеханические напряжения. Напряжения могут превышать механическую прочность материала. Другими словами, обрабатываемый лазером материал должен быть устойчив к тепловым ударам. В литературе нет данных успешного применения метода СЛП для изготовления деталей из керамических материалов, сопоставимых по механическим свойствам с деталями, полученными по классической технологии. Тем не менее, интерес к СЛП керамики не угасает[5, 8, 9].

Одними из перспективных материалов являются композиционные материалы на основе металлов с добавлением керамических включений (так называемые композиционные материалы с металлической матрицей). Такие материалы достаточно часто используют в качестве коррозионностойких материалов, работающих, в том числе при высоких температурах, а также в качестве износостойких, работающих в агрессивных средах. Сложнопрофильные детали, изготовленные методом СЛП из порошковых

композиций на основе металла и керамики, могут найти широкое применение в горной, нефтяной, машиностроительной и других отраслях машиностроения. Поэтому технология изготовления изделий из металлокерамических композиций методом селективного лазерного плавления является актуальной научно-технической задачей.

1.3.1 Применение керамического порошка в аддитивном производстве

Большинство существующих на сегодняшний день методов изготовления деталей из керамики с помощью аддитивных технологий направлены на соединение частиц керамического порошка с помощью дополнительно вводимого связующего [10, 11]. В роли связующей матрицы может выступать как полимерный, так и металлический материал. При последующей обязательной термической постобработке происходит сильная усадка, что негативно сказывается на точности изготовления, кроме того, при термоусадке не удается полностью ликвидировать поры. Например авторами работы [12], на машине Феникс получена плотность 65% и прочность 15МПа керамики А1203.

В работе [13] проводилось спекание смеси порошков оксидов циркония и иттрия (с молекулярной долей Y20з 3-4%) с размером частиц 1-40 мкм. Установлено, что подогрев рабочей камеры снижает риск образования трещин и позволяет повысить скорость сканирования. Эксперименты по спеканию проводилось без дополнительных связующих. Авторы получали образцы с низкой плотностью (около 56%), которая не увеличивалась при пост-обработке при температуре до 1200°С в печи. Для повышения плотности в работе рекомендуется увеличить насыпную плотность порошка.

В работе [14] с идентичной смесью подогрев осуществлялся расфокусированным лазерным излучением до 2500 0С. Лазерное плавление производилось в зоне подогрева. Авторы получили беспористые плотные образцы, но им не удалось исключить образование трещин. Повышение температуры подогрева также снижает количество трещин.

В работе [15] изучали плавление тугоплавкой композиции из керамики Al2O3 - ZrO2 и получающуюся в результате кристаллизации микроструктуру. Состав исследуемых порошков изменяли в пределах 20-70% массовой доли ZrO2. Порошки предварительно спрессовывались в кубики размером 6 мм, а затем расплавлялись СО2 лазером на подложке из оксида алюминия в течение 10 секунд. После плавления керамическую композицию охлаждали на открытом воздухе. Во всех исследуемых в приведенной работе образцах не зафиксировано наличия трещин в переплавленном объеме, но всегда наблюдались усадочные раковины на расстоянии нескольких миллиметров от свободной (верхней) поверхности за счет больших усадочных деформаций в процессе кристаллизации. Отмечено, что в зоне плавления высока чувствительность подложки к тепловому удару, что является причиной образования трещин по границе сплавления с подложкой. Для уменьшения влияния теплового удара предложено осуществлять подогрев или проводить последующую термообработку при температуре 1200-1400 °С [6].

В работе [16] изучались процессы селективного лазерного плавления (СЛП) керамики диоксида циркония 7Ю2, с незначительными добавками других оксидов, без использования связующих (стекла или смол). Также применяли порошки А1^3 и MgAl2O4. Постобработку не проводили. В полученных изделиях практически не было пор, но присутствовали микротрещины, протяженность которых была соизмерима с диаметром пятна лазера.

Наличие микротрещин снижает механическую прочность при изгибе до 9,79 МПа, что несравненно меньше ее значений порядка 1000 МПа,

получаемых для данных материалов при традиционных способах изготовления.

В работе [17-22] исследовались процессы консолидации керамического порошка диоксида кремния при СЛП. Благодаря низкому коэффициенту теплового расширения материал способен обрабатываться без связующего. Полученные образцы из БЮ2 не содержали трещин и пор.

Таким образом, на сегодняшний день показана принципиальная возможность изготовления деталей из керамики методом СЛП без использования дополнительно вводимого связующего.

1.3.2 Применение металлокерамических композиций в аддитивном производстве

Примеры применения композиционных материалов с металлической матрицей в литературе описаны чаще для лазерной наплавки, чем для СЛП [23-25]. В работе [26] такие покрытия были получены лазерной наплавкой смеси порошков карбидов вольфрама и никелевого сплава. Объёмная концентрация карбидов вольфрама составляла около 40%. Металлическая матрица состояла из пластичных дендритов твёрдого раствора на основе никеля и твёрдой и хрупкой эвтектики. Соотношение пластичной и твёрдой фаз в матрице сильно различалось в зависимости от содержания хрома в никелевом сплаве. Оказалось, что при высоком содержании хрома (12-14% по массе), когда в структуре матрицы преобладает хрупкая эвтектика, покрытие растрескивается в процессе наплавления. Трещины проходят по всему покрытию от края до края и перпендикулярны направлению лазерного сканирования. Они не пересекаются, практически параллельны друг другу и расположены с шагом чуть больше ширины наплавляемого валика. При

низком содержании хрома (6-8% по массе), когда в структуре матрицы преобладает пластичная никелевая фаза, трещин не наблюдалось [26]. Таким образом, при изготовлении композиционных материалов методом лазерной наплавки важно получить пластичную матрицу, чтобы материал не растрескался.

В качестве упрочняющей фазы при лазерной наплавке широко применяется также карбид титана. Его плотность примерно в 4 раза меньше, чем у карбида вольфрама, что существенно для применения в аэрокосмической отрасли. Авторы работы [27] упрочняли карбидом титана низкоуглеродистую сталь и получили композиционные материалы с содержанием до 10% по объёму карбида титана. В структуре материала были выявлены первичные карбиды, не растворившиеся в расплаве частицы порошка, вторичные карбиды, выпавшие при охлаждении расплава стали и эвтектика ТЮ-Ре. Кандел с соавторами [28] получили композицию ТЮ-Т с содержанием карбида 30% и 60%. В структуре также наблюдались и первичные и вторичные карбиды. Леунда с соавторами [29] добились хороших результатов, упрочняя сталь, карбидом ванадия, вводя его до 10% по массе лазерной наплавкой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хмыров Роман Сергеевич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ASTM A. F2792-2012 Standard terminology for additive manufacturing technologies. - ASTM International, 2012.

2. Официальный сайт организации «3DPrint» [электронный ресурс]: офиц. сайт // организация «3DPrint». - Режим доступа: https://3dprint.com (дата обращения 5.05.2017).

3. Gladush, G.G. Physics of laser materials processing: theory and experiment / G.G. Gladush, I. Smurov - Springer Science & Business Media, - 2011. - 534 p.

4. Yadroitsev, I. Selective laser melting: Direct manufacturing of 3D-objects by selective laser melting of metal powders. / I.Yadroitsev - Lap Lambert Academic Publishing. - Germany: Saarbuken, 2009. - 266 p.

5. Шишковский, И.В. Лазерный синтез функциональных мезоструктур и объемных изделий. / И.В. Шишковский - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 424 c.

6. Maruo, H. CO_2 Laser Welding of Ceramics / H. Maruo, I. Miyamoto, Y. Inoue, Y.Arata. // Transactions of the Japan Welding Society. - 1983. - V. 14, № 1. - P. 59-60.

7. Tarasova T. V., Korach M., Artinger J. Local alloying of tool steels / T. V. Tarasova, M.Korach, J.Artinger // Proceedings of the 2nd International Conference on Surface Engineering with High Energy Beams. -1989. - P. 209-221.

8. Tian, X. Rapid prototyping of porcelain products by layer-wise slurry deposition (LSD) and direct laser sintering / X. Tian, D. Li, J.G.Heinrich // Rapid Prototyping Journal. - 2012. - V. 18, № 5. - P. 362-373.

9. Yves-Christian, H. Net shaped high performance oxide ceramic parts by selective laser melting/ H. Yves-Christian, W. Jan, M. Wilhelm, W. Konrad, P. Reinhart. // Physics Procedia. - 2010. - V. 5. - P. 587-594.

10. Cima, M.J. Slurry-Based 3DP and Fine Ceramic Components / M.J. Cima , M. Oliveira , H.R. Wang , E. Sachs , R.Holman. // Proceedings of Solid Freeform Fabrication Symposium. - 2001. - P. 216-223.

11. Bertsch, A. Microfabrication of ceramic components by microstereolithography / A. Bertsch , S. Jiguet , P.Renaud. // Journal of micromechanics and microengineering. - 2003. - V. 14, № 2. - P. 197-203.

12. Coulon, N. Results on laser sintering system for direct manufacturing of metallic or ceramic components / N. Coulon, P.Aubry. // Proceedings of 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics. - San Francisco.- 2004.

13. Bertrand, P. Ceramic components manufacturing by selective laser sintering / P.Bertrand , F.Bayle, C.Combe, P.Greuriot, I.Smurov. // Applied Surface Science. - 2007. - V. 254, № 4. - P. 989-992.

14. Liu, Q. Effect of high-temperature preheating on the selective laser melting of yttria-stabilized zirconia ceramic / Q. Liu, Y. Danlos, B. Song, B. Zhang, S. Yin, H. Liao // Journal of Materials Processing Technology. - 2015. - V. 222. - P. 61 -74.

15. Glasser, F.P. Laser melting of refractory Al2O3-ZrO2 ceramics / F.P. Glasser, J.Xiping. // British ceramic. - 1992. - V. 91, № 6. - P. 195-198.

16. Wilkes, J. W. K. Rapid manufacturing of ceramic components by selective laser melting / J. W. K. Wilkes // Lasers in Manufacturing. - 2007. - P. 207-211.

17. Khmyrov, R. S. On the Possibility of Selective Laser Melting of Quartz Glass / R. S. Khmyrov, S. N. Grigoriev, A. A. Okunkova, A. V. Gusarov // Physics Procedia -2014. - V. 56. - P. 345-356.

18. Khmyrov, R. S. Crack-free selective laser melting of silica glass: single beads and monolayers on the substrate of the same material / R. S. Khmyrov, C. E. Protasov, S. N. Grigoriev, A. V. Gusarov // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2015. - P. 1-9.

19. Protasov, C. E. Selective laser melting of fused silica: Interdependent heat transfer and powder consolidation / C. E. Protasov, R. S. Khmyrov, S. N. Grigoriev, A. V. Gusarov // International Journal of Heat and Mass Transfer. -2017. - V. 104. - P. 665-674.

20. Gusarov, A. V. Manufacturing individual beads of quartz glass via the selective laser melting of its powder / A. V. Gusarov, K. E. Protasov, R. S. Khmyrov // Bulletin of the Russian Academy of Sciences Physics. - 2016. - V. 80, № (8). - P. 999-1002.

21. Zhirnov, I. Time-resolved Visualization of Laser Beam Melting of Silica Glass Powder / I. Zhirnov, R. S. Khmyrov, C. E. Protasov, A. V. Gusarov // Physics Procedia. - 2016. - V. 83. - P. 1013-1020.

22. Григорьев, С. Н. О целесообразности профилирования пучка в технологиях селективного лазерного спекания и плавления / С.Н. Григорьев, А.В. Гусаров, А.А. Окунькова, К.Э. Протасов, Р.С. Хмыров. // Физика и химия обработки материалов. - 2015. - T. 3. - С. 80-87.

23. Grigoriev S.N. Solidification behaviour during laser microcladding of Al-Si alloys / S.N. Grigoriev, T.V. Tarasova, G.O. Gvozdeva // Surface and Coatings Technology. - 2014. - V. 268. - P. 303-309

24. Тарасова, Т. В. Формирование покрытий методом лазерной наплавки порошков титана и карбида кремния на поверхность малоуглеродистой стали / Т. В. Тарасова, Е. В.Попова // Трение и износ. - 2013. - Т. 35., № 11. - C. 1487-1500

25. Tarasova, T. V. Microcladding of hypereutectic Al-Si alloys: technological aspects and structure features / T. V. Tarasova, G. O. Gvozdeva, S. Nowotny, S. N. Grigoriev // International Journal of Cast Metals Research. - 2014. - T. V. 27. , № № 6. - P. 357-361.

26. Amado, J.M. Crack free tungsten carbide reinforced Ni(Cr) layers obtained by laser cladding / J.M. Amado, M.J. Tobar, A. Yáñez, V. Amigó, J.J.Candel. // Phys. Procedia. - 2011. - V. 12. - P. 338-344.

27. Novichenko, D. Metal matrix composite material by direct metal deposition / D. Novichenko, A. Marants, L. Thivillon, Ph. Bertrand, I. Smurov. // Phys. Procedia -2011. - V. 12. - P. 296-302.

28. Candel, J.J. Sliding wear resistance of TiCp reinforced titanium composite coating produced by laser cladding / J.J. Candel, V. Amigó, J.A. Ramos, D. Busquets. // Surf. Coating Technology. - 2010. - V. 204. - P. 3161-3166.

29. Leunda, J. Laser cladding of canadium-carbide tool steels for die repair / J. Leunda, C. Soriano, C. Sanz, Navas V. G. // Phys. Procedia. - 2011. - V. 12. - P. 345-352.

30. Bi, G. Micro-structure and mechanical properties of nano-TiC reinforced Inconel 625 deposited using LAAM / G. Bi, C.N. Sun, M.L. Nai, J.Wei. // Phys. Procedia. - 2013. - V. 41. - P. 828-834.

31. Laoui, T. Effect of Mechanical Alloying on Selective Laser Sintering of WC-9Co powder / T. Laoui, L. Froyen, J.-P.Kruth. // Powder Metallurgy. - 1999. - V. 42, № 3. - P. 203-205.

32. Xiao, C. L. Mechanical and Thermal Expansion Behavior of Laser Deposited Metal Matrix Composites of Invar and TiC / C. L. Xiao, J. Stampfl, F.B.Prinz // Materials Sci. Engineering. - 2000. - V. 282, № 1. - P. 86-90.

33. Shishkovsky, I. Alumina-zirconium ceramics synthesis by selective laser sintering/melting / I. Shishkovsky, I. Yadroitsev, Ph. Bertrand, I. Smurov. // Applied Surface Science. - 2007. - V. 254, № 4. - P. 966-970.

34. Shishkovsky, I. Titanium and aluminum nitride synthesis via layer by layer LA-CVD / I. Shishkovsky, Y. M. Morozov, I. Yadroitsev, I. Smurov, // Applied Surface Science. - 2009. - V. 255, № 24. - P. 9847-9850.

35. Krakhmalev, P. Microstructure and properties of intermetallic composite coatings fabricated by selective laser melting of Ti-SiC powder mixtures / Krakhmalev P., I.Yadroitsev. // Intermetallics -2014. - V. 46. - P. 147-155.

36. Meiners, W. Microstructure characteristics and formation mechanisms of in situ WC cemented carbide based hardmetals prepared by Selective Laser Melting / Meiners W., Gu D. // Materials Science and Engineering. - 2010 -V. 527. - P. 7585-7592.

37. Gu, D. Nanocristalline TiC reinforced Ti matrix bulk-form nanocomposites by Selective Laser Melting (SLM): Debsification, growth mechanism and wear behavior / D. Gu, Y.-C. Hagedron, W. Meiners, K. Wissenbach, R.Poprawe. // Composites Science and Technology. - 2011. - V. 71, № 13. - P. 1612-1620.

38. Attar, H. Selective laser melting of in situ titanium-titanium boride composites: Processing, microstructure and mechanical properties / H. Attar, M. Bonisch, M. Calin, L.-C. Zhang, S. Scudino, J.Eckert. // Acta Materialia. - 2014. - V. 76. - P. 13-22.

39. Тарасова Т. В. Распределение элементов в ванне расплава при лазерном легировании / Т. В.Тарасова // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2002. - №3. - С. 24-27.

40. Gu, D. Structural evolution and formation mechanisms of TiC/Ti nanocomposites prepared by high-energy mechanical alloying / D. Gu, W. Meiners, Y.-C. Hagedorn, K. Wissenbach, R.Poprawe. // Journal of physics D: Applied physics. - 2010. - V. 43, № 13. - P. 135402-135413.

41. Gu, D. Bulk-form TiCx/Ti nanocomposites with controlled nanostructure prepared by a new method: selective laser melting / D. Gu W. M., Y.-C. Hagedorn, K. Wissenbach, R.Poprawe. // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2010. - V. 43, № 29. - P. 295402-295409.

42. Gu, D. Selective laser melting of in-situ TiC/Ti5Si3 composites with novel reinforcement architecture and elevated performance / D. Gu, Y.-C. Hagedron, W. Meiners, K. Wissenbach, R.Poprawe. // Surface and Coatings Technology. - 2011. - V. 205, № 10. - P. 3285-3292.

43. Gu, D. Selective laser melting additive manufacturing of TiC/AlSi10Mg bulk-form nanocomposites with tailored microstructures and properties / D. Gu, H. Wang, F. Chang, D. Dai, P. Yuan, Y.-C. Hagedorn, W. Meiners. // Physics Procedia. - 2014. - V. 56. - P. 108-116.

44. Lisovsky, F. A. Formation of nonequilibrium dihedral angles in composite materials / F. A. Lisovsky. // Int. J. Powder Metall. - 1990. - V. 26, № 1. - P. 4549.

45. Панов, В.С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. / В.С. Панов, А.М.Чувилин. - М.: - МИСИС, 2001. - 10 c.

46. ГОСТ 3882-74. Сплавы твёрдые спечённые. Марки. - Москва, 1998. - 428 c.

47. Пантелеев, И.Б. Окалиностойкость и высокотемпературная прочность твердых сплавов WC-Cо-Ni-Re(Mn) / И.Б. Пантелеев, Т.В. Лукашова, С.С. Орданьян. // Порошковая металлургия. - 2006. - T. 28. - C. 55-60.

48. Al-Aqeeli, N. The synthesis of nanostructured wc-based hardmetals using mechanical alloying and their direct consolidation / N. Al-Aqeeli, N. Saheb, T. Laoui, K.Mohammad. // Journal of Nanomaterials. - 2014. - V. 2014. - P. 1-16.

49. Enayati, M. H. Production of nanostructured WC-Co powder by ball milling / M. H. Enayati, G. R. Aryanpour, A.Ebnonnasir. // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. - 2009. - V. 27, № 1. - P. 159-163.

50. Liu, W. A novel rapid route for synthesizing WC-Co bulk by in situ reactions in spark plasma sintering / W. Liu, X. Song, K. Wang, J. Zhang, G. Zhang, X.Liu. // Materials Science and Engineering. - 2009. - V. 499, № 1. - P. 476-481.

51. Deorsola, F.A. Densification of ultrafine WC-12Co cermets by pressure assisted fast electric sintering / F.A. Deorsola, D. Vallauri, G.A. Ortigoza Villalba, B.D.Benedetti. // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. -2010. - V. 28, № 2. - P. 254-259.

52. Shon, I.J. Sintering behavior and mechanical properties of WC-10Co, WC-10Ni and WC-10Fe hard materials produced by high-frequency induction heated sintering / I.J. Shon, I.K. Jeong, I.Y. Ko, J.M. Doh, K.D.Woo. // Ceramics International. - 2009. - V. 35, № 1. - P. 339-344.

53. Wei, C.B. Microstructure and properties of ultrafine cemented carbides— differences in spark plasma sintering and sinter-HIP / C.B. Wei, X.Y. Song, J.Fuetal. // Materials Science and Engineering. - 2012. - V. 552. - P. 427-433.

54. Song, J.W. Consolidation of WC-Co alloys by magnetic pulsed compaction and evaluation of their mechanical properties / J.W. Song, R.M. Raihanuzzaman, S.J.Hong. // Powder technology. - 2013. - V. 235. - P. 723-727.

55. Shishkovsky, I. V. Producing thin-walled BrA9 bronze components by selective laser melting / I. V. Shishkovsky, V. A. Safronov, Protasov K. E.// Russian Engineering Research. - 2016. - V. 36, № 4. - P. 335-338

56. Wang, Q. Lightweight Mechanical Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion / Q. Wang, J.A. Jackson, Jonathan Q. G., B. Hopkins, C. M. Spadaccini, Fang N. X.// Physical Review Letters. - 2016. - V. 117. P. 1-6.

57. Protasov, C. E. Experimental Study of Residual Stresses in Metal Parts Obtained by Selective Laser Melting / C. E. Protasov, V. A. Safronov, D. V. Kotoban, A. V. Gusarov // Physics Procedia. - 2016. - V. 83. - P. 825-832.

58. Веденов, А.А. Физические процессы при лазерной обработке материалов. / А.А. Веденов, Г.Г. Гладуш. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 208 c.

59. Лахтин, Ю. М. Поверхностное упрочнение коррозионностойких сталей излучением лазера / Ю. М.Лахтин, Т. В.Тарасова // Известия вузов - М: Машиностроение. - 1984. - T. № 2. - C.142-151.

60. Лахтин, Ю.М.Исследование процессов лазерного легирования коррозионностойких сталей / Лахтин Ю.М., Коган Я.Д., Тарасова Т.В. // Электронная обработка материалов. - 1985. - T. 3. - C.28-31.

61. Хмыров, Р.С. Разработка принципов технологической подготовки производства изделий, получаемых методом селективного лазерного плавления / Хмыров, Р.С., Т.В. Тарасова. // Материалы и технологии XXI века. - 2013. - C. 101-107.

62. Archard, J.F. Contact and rubbing of flat surfaces / J.F. Archard. // Journal of applied physics. - 1953. - V.24, № 8. - P. 981 -988.

63. Miranzo, P. Elastic/Plastic Indentation in Ceramics:a Fracture Toughness Determination Method / P.Miranzo, J.S.Moya. // Ceramics international. - 1984. -V. 10, № 4. - P. 147-152.

64. Хасанов, О.Л. Методы измерения микротвердости и трещиностойкость наноструктурных керамик. / О.Л. Хасанов, В.К. Струц, В.М. Соколов, В.В. Полисадова, Э.С. Двилис, З.Г. Бибикаева. - Т.: Томского политехнического университета, 2011. - 208 c.

65. ГОСТ 6130-71. Металлы. Методы определения жаростойкости - Москва, 1971. - 14 c.

66. Тарасова, Т.В. Влияние тепловых полей на структуру коррозионностойких сталей при различных схемах лазерной обработки / Т.В. Тарасова, А.В. Гусаров, К.Э. Протасов, Филатова. А. А. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2017. - T.7. - С. 37-44

67. Зельдович, Я.Б. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. / Зельдович Я.Б., Райзер Ю. П., М.: Наука, 1966. - 688 с.

68. Gusarov, A. V. Thermal model of nanosecond pulsed laser ablation: Analysis of energy and mass transfer / A. V. Gusarov, I. Smurov. // J. Appl. Phys. - 2005. -V. 97. - P. 014307.

69. Gusarov, A. V. Gas-dynamic boundary conditions of evaporation and condensation: Numerical analysis of the Knudsen layer / A. V. Gusarov, I. Smurov. // Phys. Fluids -2002. - V. 14,. - P. 4242.

70. Григорьев, И. С. Физические величины / И. С.Григорьев, Е. З Мейлихов // Справочник. - М.:Энергоатомиздат - 1991. - 1232 с.

71. Gray, D. E. American Institute of Physics Handbook. / D. E. Gray - New York.: McGraw-Hill. 1972. - 1232 p.

72. Palik, E. D. Handbook of optical constants of solids. / E. D. Palik - New York.: Acad. Press. 1985. - 999 p.

73. Howell, J.R. Thermal radiation heat transfer. / J.R. Howell, R. Siegel, M.P. Mengu? - Boca Raton: CRC Press, 2011. - 957 p.

74. Осокин, Е. Н. Процессы порошковой металлургии. / Е. Н. Осокин, О. А. Артемьева - Красноярск : ИПК СФУ, 2008. - 421 с.

75. Khmyrov, R. S. Obtaining Crack-free WC-Co Alloys by Selective Laser Melting / R. S. Khmyrov, V. A. Safronov, A. V. Gusarov. // Physics Procedia. -2016. - V. 83. - P. 874-881.

76. Khmyrov, R. S. Synthesis of Nanostructured WC-Co Hardmetal by Selective Laser Melting / R. S. Khmyrov, V. A. Safronov, A. V. Gusarov. // Materials Science Forum. - 2015. - V. 834. - P. 77-83.

77. Гусаров, А.В. Разработка технологии селективного лазерного плавления композиционных материалов с содержанием твердых упрочняющих фаз / А.В. Гусаров, Т.В. Тарасова, Р.С. Хмыров. // Аддитивные технологии: Настоящее и будущее. - 2016. - C. 29.

78. Гусаров, А.В. Селективноке лазерное плавление композиционных материалов системы WC-CO / А.В. Гусаров, Т.В. Тарасова, Р.С. Хмыров, Е. Ю. Должикова // Машиностроение: традиции и инновации». - 2016. - C. 3-7.

79. Гусев А.И.Нанокристаллические материалы. / А.И. Гусев, А. А. Ремпель -М.: Физматлит. 2001. - 224 с.

80. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И. П.Суздалев - М.: КомКнига. 2006. - 592 с.

81. Анищик, В.М. Наноматериалы и Нанотехнологии / В.М. Анищик, В.Е. Борисенко, С.А. Жданок, Н.К. Толочко, В.М. Федосюк - Мн.: БГУ, 2008. -375 с.

82. Goldstein, A. Melting in semiconductor nanocrystals / A. Goldstein, C. Echer, A. Alivisatas // Science. - 1992. № 256. - P. 1425-1427.

83. Buffat, P. Size Effect on Melting Temperature of Gold Particles / P. Buffat, J.-P. Borel // Physical Review A. - 1976. - . V. 13, № 6. - P. 2287-2298.

84. Song, X. Correlation of thermodynamics and grain growth kinetics in nanocrystalline metals / X. Song, J. Zhang, L. Li, K. Yang, G. Liu // Acta Materialia. - 2006. - V. 54. - P. 5541-5550.

85. Чернышев А. П. Термоактивируемые физические процессы с размерными эффектами в твердом теле: диссертация ... док.физ.-мат.наук: 01.04.07 / Чернышев Альфред Петрович. - Новосибирск, 2014. - 304 c.

86. Тарасова, Т.В. Влияние режимов селективного лазерного плавления на структуру и физико-механические свойства жаропрочных кобальтовых сплавов / Т.В. Тарасова, А.П. Назаров, М.В. Прокофьев // Физика металлов и металловедение. - 2015. - T. 6. - C. 636.

87. Лякишев, Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем/ Н. П. Лякишев // Справочник. - М.: Машиностроение. - 1997. - 992 с.

88. Фарафонов, Д. П. Сплавы для упрочнения бандажных полок рабочих лопаток ГТД / Д. П. Фарафонов, О. А. Базылева, А. М. Рогалев // Труды ВИАМ. - 2016. - T. 9. - 7 с.

89. Inoue, A. H. Nonequilibrium Phase in Melt-Quenched Co-W-C Alloys and their Powder-Forming Tendency by Comminution / A. H. Inoue, Y. Harakawa, T. Masumoto // Sci. Rep. Res. Inst. Tohoku Univ. - 1985. - V. 32, № (2). - P. 297 -308.

90. Kurlov, A.S. Effect of Sintering Temperature on the Phase Composition and Microhardness of WC-8 wt % Co Cemented Carbide / A.S. Kurlov, A.A. Rempel // Inorganic Materials. - 2007. - V. 43. - P. 602-607.

91. Верещака, А.С. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями /

A.С.Верещака И. П. Треттяков - М.:Машиностроение, 1986. - 192 с.

92. Солодков, В. А. Влияние свойств износостойкого покрытия на работоспособность твердосплавного инструмента при прерывистом резании /

B. А. Солодков // Известия Волгоградского Государственного Технического Университета. - 2012. - T. 8, № 13. - C. 61-64.

93. Осколкова, Т.Н. Упрочнение поверхности карбидовольфрамового твердого сплава электровзрывной обработкой / Т.Н. Осколкова, Е. А. Будовских // Металлургия. - 2011. - T. 1, № 23. - C. 88-92.

94. Гончаров В. Л. Физико-химические основы низкотемпературного осаждения карбидов вольфрама и их композиций из летучих фторидов при пониженных давлениях: диссертация ... канд. хим. наук: 02.00.04 / Гончаров Виктор Леонидович. - Москва, 2010. - 147 с.

95. Официальный сайт фирмы «BTMPE » [электронный ресурс]: офиц. сайт // фирма "BTMPE". Режим доступа: http://www.btmpe. com (дата обращения 3.04.2017).

96. Официальный сайт фирмы «Castolin» [электронный ресурс]: офиц. сайт // фирма. Режим доступа: https://www.castolin.com (дата обращения 3.04.2017).

97. Гогоци, Г. А. Сопротивление керамики разрушению: базовая диаграмма и R- линия / Г.А. Гогоци // Проблемы прочности. - 2006. - T. 3. - C. 60-74.

98. Верхотуров, Д. А. Температурное окисление вольфрамокобальтовых твёрдых сплавов / Д. А. Верхотуров, П.С. Гордиенко, Л.А. Коневцов, Е.С. Панин, Н.М. Потапова // Перспективные материалы. - 2008. - T. 2. - С. 68-75.

99. Safronov, V. A. Distortions and residual stresses at layer-by-layer additive manufacturing by fusion / V. A. Safronov, R. S. Khmyrov, D. V. Kotoban, A. V. Gusarov // Journal of Manufacturing Science and Engineering. - 2016. - V. 3. №3 - P. 1-6.

100. Григорьев, С. Н. Влияние термообработки на структурно-фазовый состав и свойства жаропрочных кобальтовых сплавов, полученных методом селективного лазерного плавления / С. Н. Григорьев, Т. В. Тарасова, А. П. Назаров // Перспективные материалы. - 2014. - T. 7. -C. 73-80.

101. Мартюшев, Н.Д. Установка объемно-роторного насоса для эксплуатации малодебитного фонда нефтяных скважин / Мартюшев, Н.Д., Паначев М. В., Толстогузов О.А., Кропоткин А. А., Малявко Евгений Александрович // Инженерная практика. - 2015. - T. 1092, № 12. - C. 18-21.

102. Роторная объемная машина : пат. 2376478 Рос. Федерация : МПК51 Б01С / А. В. Дидин, Я. И. Яновский ; заявитель и патентообладатель А. В. Дидин, Я. И. Яновский. - №2006119356/06 ; заявл. 02.06.2006, опубл. 20.12.2009.

103. Мнацаканян, В. У. Применение высокопроизводительных токарно-шлифовальных комплексов для обработки деталей роторно-вихревых насосов / В. У. Мнацаканян, С.Е. Ушанова, Э.Р. Амирханова // Современные технологии в горном машиностроении. - 2015. - С. 1-7.

104. Игнатова, Л. А. Разработка и принятие управленческих решений при изготовлении машиностроительных деталей с использованием ресурсосберегающих технологий / Л. А. Игнатова // Методическое указание -М: ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2010. - 32 с.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

Хмыров Роман Сергеевич

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ WC-Co МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ Специальность

Специальность 05.16.09 - «Материаловедение (машиностроение)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Тарасова Татьяна Васильевна

Москва - 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ...........................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ А....................................................................... 186

ПРИЛОЖЕНИЕ Б....................................................................... 187

ПРИЛОЖЕНИЕ В....................................................................... 196

I

§

§

§ I

ад

1

А (2:1) вместо

7Й7 3,2 ( )

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Аксонометрический Вид

У///, У/У/

1 2100 ..2200НУ.

2 . *Размер для спраВок.

3 . Предельные отклонения для линейных размеров ±0,05мм.

4 . Предельные отклонения для диаметральных размеров ±0,1мм.

5 . Предельные отклонения радиусоВ мм.

6 . На поверхности детали не допускается рыхлости, пустоты и другие дефекты.

7. К чертежу прилагается трехмерная модель детали В формате

раг.

Ротор Лил. Масса Масшта)

Им Лист № докщ Подл Дата 15:1

РазраВ. ХмыраВ

Проб.

Т. контр Лист | ЛистоВ

Вед. конспр ЭкспЁрименталшый МГТУ ПАНКИН *

Н. копир.

Утб. Тарасова

Копировал

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

госшЖоша ФВДРРАЩШШ

ЙЙЙЙЙ ё

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 152914

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАДИЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПОРОШКОВЫХ СИСТЕМ

11атентообладатель( ли): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИ/1" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") (Ш)

Автор(ы): см. на обороте

Заявка №2014146205

Приоритет полезной модели 18 ноября 2014 г.

Зарегистрировано и Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 29 мая 2015 г.

Срок действия патента истекает 18 ноября 2024 г.

Врио руководителя Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Л Л. Кирий

С

Автор(ы): Тарасова Татьяна Васильевна (Я1Г), Назаров Алексей Петрович (IШ), Окунькова Анна Андреевна (Я11), Конов Станислав Геннадьевич (Я11), Подрабинник Павел Анатольевич (Я1)), Хмыров Роман Сергеевич (Я11), Жирное Иван Владимирович (Я11)

«-

Э т

г— N.

ь

к

Q н

т ш ш ш ш ш ш ш ш ш ж

Ш &

ш

ш $

ш

ж $

ж й й

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 154761

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ из ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ш й й й й й й й й ш

ш $

т $

й й т й й

Патентообладатель(ли): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИП" (ФГБОУ В ПО МГТУ "СТАНКИН") (RV)

Автор(ы): см. на обороте

Заявка №2014146167

Приоритет полезной модели 18 ноября 2014 Г.

Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 18 августа 2015 г.

Срок действия патента истекает 18 ноября 2024 г.

Заместитель руководителя Федеральной службы по интеллектуальной собственности

c/f

ЛЛ. Кирий

й т й й й й й ш й й й й й й й й й й й й й й й

ЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙ1

Автор(ы): Гусаров Андрей Владимирович (Ш/), Окунъкова Анна Андреевна (III/), Хмыров Роман Сергеевич (Ни), Котобан Дмитрий Валерьевич (1117), Сафронов Виктор Александрович

(НЮ

ЮП1

еЖАШ ФВДШРМРШ

I®

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 163795

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Патснтообладатель(ли): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") (ВЦ)

Автор(ы): см. на обороте

Заявка №2015154250

Приоритет полезной модели 17 декабря 2015 Г.

Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 19 июля 2016 г. Срок действия патента истекает 17 декабря 2025 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности

Г. П. Ивлиев

Автор(ы): Козочкин Михаил Павлович (Я11), Окунъкова Анна Андреевна (Я11), Подрабинник Павел Анатольевич (Я1)), Перетягин Павел Юрьевич (Я11), Сафронов Виктор Александрович (Я1/), Хмыров Роман Сергеевич (яЬ)

Э

О

Ж Ж

ж ж

Ж

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ^ж

ж ж ж ж г

НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

№ 164759

РАБОЧАЯ КАМЕРА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПОСЛОЙНЫМ ЛАЗЕРНЫМ СПЕКАНИЕМ

ж ж ж ж ж !ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

11атент(хи)ладатель(ли): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") (КЦ)

Автор(ы): см. на обороте

ЗаявкаХе 2015154247

Приоритет полезной модели 17 декабря 2015 Г.

Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 26 августа 2016 г.

Срок действия патента истекает 17 декабря 2025 г.

Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственнос ти

ГЛ. Ивлиев

Ж Ж

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

Автор(ы): Григорьев Сергей Николаевич (Яи), Гусаров Андрей Владимирович (Яи), Тарасова Татьяна Васильевна (Я11), Хмыров Роман Сергеевич (Я11), Протасов Кирилл Эдуардович (Яи), Котобан Дмитрий Валерьевич (Я11)

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ Б

ТОСЮШКСШШ ФЭДИРАЩШЯ

й а а а

25

а й й а й а

м й а

Е й а й й

а а а а

а а а а а

р а а а а а а

НА ПОЛЕ ЖУЮ МОДЕЛЬ

№ 173526

Ус1 ронство для изготовления деталей послойным лазерным

синтезом

Патс1пооб.пшг1сль: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образован им "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН'' (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") (ЯО)

Аеторы: Гусаров Андрей Владимирович (ЯС/), Тарасова Татьяна Васильевна (ВС/), Хмыров Рачан Сергеевич (ЯП), Котобан Дмитрий Валерьевич (Яи), Подрабинник Павел Анатольевич (ЯС/), Жирное Иван Владимирович (ЯV)

'Заявка .V; 2016148667

Приоритет по. 1счмон модели 12 декабря 2016 г. Дата государственной регистрации в Государственном рссстрс полезных моделей Российской Федерации 30 августа 2017 г. Срок действия исключительного правд на полезную модель истекает 12 декабря 2026 г.

РукотмУитель Фс<Н/ниыи>й службы по интегккппапмой собственности

Г.11. Пе шее

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

а

•а

ааааааааааааааааааааааааааааааа

Методика определения технологической стоимости изготовления

изделия

Технологическая стоимость изготовления детали определяется по формуле:

с — з + з + з + з + К

Стл Змл ' Зтл ' 3об.1 ' Зин.1 Кудл'

СтЛ - технологическая стоимость изготовления детали при /-том варианте компоновки, руб.;

3мЛ - затраты по расходу материальных ресурсов на деталь при /-том варианте компоновки, руб.;

3тЛ - затраты по расходу трудовых ресурсов на деталь при /-том варианте компоновки, руб.;

3обл - затраты на содержание и эксплуатацию технологического оборудования на деталь при /-том варианте компоновки, руб.;

ЗинЛ - затраты по расходу инструмента на деталь при /-том варианте компоновки, руб.;

Кудл - удельные капитальные вложения в технологическое оборудование, приходящиеся на деталь при /- варианте компоновки, руб.

Определение затрат.

Затраты на материал. 3 — т • Ц,

м м'

где т - масса порошка, необходимая для изготовления детали, кг;

Цм - цена 1 кг материала (порошка), руб.

Трудовые ресурсы.

Трудовые ресурсы выражаются затратами на заработную плату основную и дополнительную с социальными взносами на деталь:

зп—с • г • К • К • К,

т шт 1 2 5~

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ В где Ст - часовая тарифная ставка разряда технологической операции,

руб;

¿шт - норма штучного времени по операциям технологического процесса, нормо-час;

К - коэффициент, учитывающий доплаты и премии рабочим;

К2 - коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату рабочим;

К3 - коэффициент, учитывающий социальные взносы.

Затраты на содержание и эксплуатацию технологического оборудования.

З. = С - ,

об маш-час шт'

где Смаш.час - себестоимость машино-часа, руб. С = З + З + З + З ,

маш-час а т.р.,т.о. эл. s'

где За - затраты на амортизацию, руб;

Зт.р,т.о. - затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание, руб/час;

Зэл - затраты на силовую электроэнергию, руб/час; З3 - затраты на амортизацию производственной площади, руб/час. - Н

З„

^б.о_а_

Fg -100%

где Кб.о - балансовая (первоначальная) стоимость оборудования, руб; На - норма амортизации, %; ^ - действительный годовой фонд времени (зависит от режима работы, а именно: односменный, двухсменный или трехсменный), ч. Затраты по расходу инструмента.

З.„. = н„. - *

ин маш -

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ В где Нин - стоимость одного часа машинного времени эксплуатации инструмента, руб/час;

Iмаш - норма машинного времени по операциям технологического процесса, нормо-час

Удельные капитальные вложения.

V (Кб.о + Купр ) • Ен ,

К л =--1 ,

уд р! шт?

ё

где Купр - капитальные затраты на систему управления, руб.; Ен - коэффициент эффективности капиталовложений из расчета нормативной окупаемости.

Расчет технологической стоимости изготовления детали «Ротор» из материала ЧХ28Д2 на 5-ти осевом фрезерном обрабатывающем центре

Исходные данные:

Масса заготовки: тЗ = 1,8 кг.

Машинное время: 1ч., 6ч.

Определение затрат

Затраты на материал:

ЗМ = т3 • ЦМ = 1,8 • 2800 = 5040 (Цм - цена 1 кг литого чугуна ЧХ28Д2 равна 2.800 руб) Штучное время:

Механическая операция - ^ = tмаш -100% = 1-100 = 125Ч

шт 80% 80

Термообработка

{ = 6:100 = 15ч шт 80% 80 , '

Затраты на заработную плату основную и дополнительную с социальными взносами на деталь:

ЗПмех = Ст • ^ • К1 • К2 • Кз = 600 -1,25 -1,5 1,14 -1,26 = 1615,95 руб ЗПтерм = Ст • Ш • К1 • К2 • Кз = 250 • 7,5 -1,5 -1,14 -1,26 = 4039,87 руб ЗП = ЗПмех + ЗПтерм = 1615,95 + 4039,87 = 5655,82 руб

Затраты на содержание и эксплуатацию технологического оборудования

Затраты на амортизацию:

Кбо • На 40000000 • 8 ^

Зп л =—б°-=-= 572,45руб/час

а обр ¥ -100% 5590 -100

Кбо ■ На 3000000 ■ 8 ^ ^

Затет, = —б°-^ =-= 42,9 руб / час

а■терм Fg -100% 5590 -100 ^

Затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание:

ч = г ■ Я + Г ■ Н = 35 ■ 5,47 +15 -1,48 = 213,65руб / час

т■ р,т.о мех мех эл. эл. ">->-> ir,/

Затраты на силовую электроэнергию:

К 0 75

З = М ■ Ц = 25■0--3,95 = 92,58руб/час

эл у К Л 0,8

п.д. >

Затраты на амортизацию производственной площади:

0 S ■ Ц8 ■ Has 50 -15000 ■ 5 ..

3S = —IIs-^ =-= 6.7 руб / час

S Fg -100% 5590 -100

Себестоимость машино-часа:

Смаш-час обр = За + Зт.рто. + Зэл + 3s = 572,45 + 213,65 + 92,58 + 6,7 = 885,38руб / час

Смаш час = За + Зт п т о + Зэл + 3S = 42,9 + 213,65 + 92,58 + 6,7

маш-час . терм а т. р. ,т. о. эл S ? ? ? ?

= 355,83руб / час