RU2801975C1 - Method for producing a ceramic-metal composite material by selective laser melting - Google Patents
Method for producing a ceramic-metal composite material by selective laser melting Download PDFInfo
- Publication number
- RU2801975C1 RU2801975C1 RU2022133913A RU2022133913A RU2801975C1 RU 2801975 C1 RU2801975 C1 RU 2801975C1 RU 2022133913 A RU2022133913 A RU 2022133913A RU 2022133913 A RU2022133913 A RU 2022133913A RU 2801975 C1 RU2801975 C1 RU 2801975C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- selective laser
- layer
- carried out
- ceramic
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000002844 melting Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000008018 melting Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 40
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 32
- 239000012535 impurity Substances 0.000 abstract description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 229910003407 AlSi10Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018566 Al—Si—Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001111 Fine metal Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000001687 destabilization Effects 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения металлокерамического композиционного материала методом селективного лазерного сплавления (СЛС) мелкодисперсного металлического композиционного порошка заданного гранулометрического состава на основе алюминиевого сплава, армированного частицами карбида кремния. Изобретение может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГТД) и деталей летательных аппаратов методом аддитивного производства.The invention relates to powder metallurgy, and in particular to methods for producing a ceramic-metal composite material by selective laser alloying (SLS) of a fine metal composite powder of a given particle size distribution based on an aluminum alloy reinforced with silicon carbide particles. The invention can be used for manufacturing gas turbine engine parts (GTE) and aircraft parts by additive manufacturing.
Создание нового поколения ГТД и перспективной авиационной техники требует разработки и внедрения нового класса материалов, обладающих повышенными показателями удельной прочности и низким удельным весом. Металлические композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов, армированные керамическими частицами, например, карбидом кремния, обладают вышеуказанными показателями, что делает данную группу материалов перспективной для применения в деталях ГТД и авиационной техники.The creation of a new generation of gas turbine engines and advanced aviation technology requires the development and implementation of a new class of materials with increased specific strength and low specific gravity. Metal composite materials based on aluminum and its alloys, reinforced with ceramic particles, for example, silicon carbide, have the above characteristics, which makes this group of materials promising for use in gas turbine engines and aviation equipment.
Одними из самых перспективных направлений в изготовлении деталей ГТД и авиационной техники являются аддитивные технологии, в частности, технология селективного лазерного сплавления. Применение данной технологии применительно к изготовлению деталей ГТД и авиационной техники позволяет:One of the most promising areas in the manufacture of GTE and aircraft parts is additive technologies, in particular, the technology of selective laser melting. The application of this technology in relation to the manufacture of parts of gas turbine engines and aviation equipment allows:
- сократить сроки разработки и изготовления нового изделия;- reduce the time of development and manufacture of a new product;
- изготовить детали и сборочные единицы недостижимой для традиционных технологий геометрии;- to produce parts and assembly units of geometry unattainable for traditional technologies;
- снизить весовые характеристики деталей и сборочных единиц за счет применения топологической оптимизации и материалов нового класса;- reduce the weight characteristics of parts and assembly units through the use of topological optimization and new class materials;
- изготовить детали и сборочные единиц в виде единой конструкции, исключая сварные и паяные соединения (сокращение количества деталей в ДСЕ).- to manufacture parts and assembly units in the form of a single structure, excluding welded and soldered joints (reducing the number of parts in the DSE).
Известен способ получения дисперсно-упрочненного алюминиевого сплава, включающий получение порошка композиции алюминиевого сплава с дисперсно-упрочненной микроструктурой, направление на него лазерного луча с низкой плотностью энергии, и охлаждение порошкообразной композиции сплава со скоростью, превышающей или равной 106 °С/сек, с получением дисперсно-упрочненного алюминиевого сплава. Получение порошка включает получение композиции следующей формулы: AlbalFeaSibXc, где X представляет собой по меньшей мере один элемент из группы, содержащей Mn, V, Cr, Mo, W, Nb, Та, «а» находится в интервале от 2,0 до 7,5 ат. %; «b» находится в интервале от 0,5 до 3,0 ат. %, «с» находится в интервале от 0,05 до 3,5 ат. %, остальное (bal) - алюминий и случайные примеси, при этом [Fe+X]:Si находится в диапазоне от 2:1 до 5:1 (ЕР 2796229 В1, 01.07.2015 г.).A method is known for producing a dispersion-strengthened aluminum alloy, including obtaining a powder composition of an aluminum alloy with a dispersion-hardened microstructure, directing a laser beam with a low energy density at it, and cooling the powdered composition of the alloy at a rate greater than or equal to 10 6 ° C / s, with obtaining dispersion-strengthened aluminum alloy. The preparation of the powder includes the preparation of a composition of the following formula: Al bal Fe a Si b X c , where X is at least one element from the group containing Mn, V, Cr, Mo, W, Nb, Ta, "a" is in the range from 2.0 to 7.5 at. %; "b" is in the range from 0.5 to 3.0 at. %, "s" is in the range from 0.05 to 3.5 at. %, the rest (bal) is aluminum and random impurities, while [Fe+X]:Si is in the range from 2:1 to 5:1 (EP 2796229 B1, 07/01/2015).
К недостаткам данного способа относится применение низкоэнергетического режима селективного лазерного сплавления, а также отсутствие дополнительной операции горячего изостатического прессования (ГИП), что приводит к получению синтезированного дисперсно-упрочненного алюминиевого сплава с повышенной пористостью и, соответственно, сниженными механическими свойствами. Также к недостатку данного способа относится получение синтезированного материала с высоким содержанием газовых примесей из-за отсутствия предварительной сушки порошка дисперсно-упрочненного алюминиевого сплава.The disadvantages of this method include the use of a low-energy mode of selective laser melting, as well as the absence of an additional operation of hot isostatic pressing (HIP), which leads to the production of a synthesized dispersion-strengthened aluminum alloy with increased porosity and, accordingly, reduced mechanical properties. Also, the disadvantage of this method is the production of a synthesized material with a high content of gas impurities due to the lack of pre-drying of the dispersion-strengthened aluminum alloy powder.
Известен способ изготовления детали путем плавления или спекания частиц порошка посредством высокоэнергетического пучка. В способе используют единый порошок, частицы которого имеют сферичность в диапазоне от 0,8 до 1,0 и фактор формы в диапазоне от 1 до √2, при этом каждая частица порошка имеет по существу идентичный средний состав, при этом распределение по размеру частиц указанного порошка ограничено вокруг значения среднего диаметра d50% с обеспечением соблюдения следующих выражений:A known method of manufacturing parts by melting or sintering powder particles by means of a high-energy beam. The method uses a single powder whose particles have a sphericity in the range of 0.8 to 1.0 and a shape factor in the range of 1 to √2, with each powder particle having a substantially identical average composition, with the particle size distribution of the specified powder is limited around the value of the average diameter d50%, ensuring that the following expressions are observed:
(d90% - d50%)/d50%≤0,66(d90% - d50%)/d50%≤0.66
и (d50% - d10%)/d50%≤0,33,and (d50% - d10%)/d50%≤0.33,
при (d90% - d10%)/d50%≤1,00,at (d90% - d10%)/d50%≤1.00,
причем состав используемого порошка включает по меньшей мере один дополнительный химический элемент с ненулевым содержанием, которое составляет менее 0,5 масс. %, обеспечивающий модификацию микроструктуры указанного материала детали, которую получают из указанного материала, по сравнению с микроструктурой, получаемой в случае, в котором указанный дополнительный химический элемент отсутствует в составе порошка, при этом указанные частицы порошка обеспечивают армирующие элементы, а указанный дополнительный химический элемент обеспечивает облегчение смачивания армирующих элементов жидкостью, образованной при плавлении части частиц порошка высокоэнергетическим пучком (RU 2682188 С2, 15.03.2019).moreover, the composition of the powder used includes at least one additional chemical element with a non-zero content, which is less than 0.5 wt. %, providing modification of the microstructure of the specified material of the part, which is obtained from the specified material, in comparison with the microstructure obtained in the case in which the specified additional chemical element is absent in the composition of the powder, while these powder particles provide reinforcing elements, and the specified additional chemical element provides facilitating the wetting of reinforcing elements with a liquid formed during the melting of part of the powder particles by a high-energy beam (RU 2682188 C2, 03/15/2019).
К недостаткам данного способа относится отсутствие указания конкретных режимов селективного лазерного сплавления, а также отсутствие дополнительной операции ГИП, что приводит к получению синтезированного металлокерамического материала повышенной пористостью и, соответственно, сниженными механическими свойствами. Также к недостатку данного способа относится получение синтезированного материала с высоким содержанием газовых примесей из-за отсутствия предварительной сушки металлокерамического порошкового материала.The disadvantages of this method include the lack of indication of specific modes of selective laser melting, as well as the absence of an additional HIP operation, which leads to the production of a synthesized cermet material with increased porosity and, accordingly, reduced mechanical properties. Also, the disadvantage of this method is the production of a synthesized material with a high content of gas impurities due to the lack of pre-drying of the cermet powder material.
Наиболее близким аналогом является способ изготовления композиционного материала на основе алюминия методом селективного лазерного сплавления, включающий выбор порошка SiC чистотой более 99,9% и зернистостью 40-60 мкм и порошка AlSi10Mg чистотой более 99,9% и зернистостью 15-30 мкм, смешивание порошков, причем содержание порошка SiC в смеси должно составлять 3-10 масс. %, загрузку порошка в планетарную шаровую мельницу высокой мощности для измельчения и послойное селективное лазерное сплавление порошка до получения трехмерного блочного материала (CN 103045914 A, 17.04.2013 г.).The closest analogue is a method for manufacturing an aluminum-based composite material by selective laser melting, including the choice of SiC powder with a purity of more than 99.9% and a grain size of 40-60 μm and AlSi10Mg powder with a purity of more than 99.9% and a grain size of 15-30 μm, mixing powders , and the content of SiC powder in the mixture should be 3-10 wt. %, loading the powder into a high-power planetary ball mill for grinding and layer-by-layer selective laser fusion of the powder to obtain a three-dimensional block material (CN 103045914 A, 04/17/2013).
К недостаткам данного способа относится применение металлокерамического порошкового материала осколочной (несферичной) формы, что может привести к неравномерному нанесению материала на подложке в процессе СЛС, и отсутствие дополнительной операции ГИП, что в совокупности может привести к получению синтезированного материала с повышенной пористостью и, соответственно, сниженным механическим свойствам. Также к недостатку данного способа относится получение синтезированного материала с высоким содержанием газовых примесей из-за отсутствия предварительной сушки металлокерамического порошкового материала.The disadvantages of this method include the use of a cermet powder material of a fragmented (non-spherical) shape, which can lead to uneven deposition of the material on the substrate during SLS, and the absence of an additional HIP operation, which together can lead to the production of a synthesized material with increased porosity and, accordingly, reduced mechanical properties. Also, the disadvantage of this method is the production of a synthesized material with a high content of gas impurities due to the lack of pre-drying of the cermet powder material.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа получения металлокерамического композиционного материала методом селективного лазерного сплавления (СЛС), предназначенного для получения деталей ГТД и деталей летательных аппаратов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.The technical objective of the present invention is to develop a method for producing a ceramic-metal composite material by selective laser melting (SLS), designed to obtain GTE parts and aircraft parts with improved performance.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение пористости и повышение механических свойств синтезированного материала.The technical result of the present invention is to reduce porosity and improve the mechanical properties of the synthesized material.
Для достижения поставленного технического результата предложен способ получения металлокерамического композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного частицами карбида кремния, методом селективного лазерного сплавления, включающий нанесение слоя порошка на платформу построения и послойное селективное лазерное сплавление порошка с получением заготовки материала, причем используют порошок алюминиевого сплава, армированный частицами карбида кремния, при этом порошок предварительно подвергают вакуумной сушке при температуре 180-220°С, селективное лазерное сплавление проводят при мощности лазерного луча 200-500 Вт, скорости сканирования от 500 до 3500 м/с и диаметре пятна лазерного луча 80-150 мкм, после селективного лазерного сплавления порошка проводят горячее изостатическое прессование заготовки материала в течение 160-200 мин. при давлении 140-150 МПа и температуре 460-500°С.To achieve the stated technical result, a method is proposed for obtaining a ceramic-metal composite material based on an aluminum alloy reinforced with silicon carbide particles by the method of selective laser melting, including applying a layer of powder to the construction platform and layer-by-layer selective laser melting of the powder to obtain a material blank, moreover, aluminum alloy powder is used, reinforced with silicon carbide particles, while the powder is preliminarily subjected to vacuum drying at a temperature of 180-220 ° C, selective laser fusion is carried out at a laser beam power of 200-500 W, a scanning speed of 500 to 3500 m/s and a laser beam spot diameter of 80-150 µm, after selective laser melting of the powder, hot isostatic pressing of the material blank is carried out for 160–200 min. at a pressure of 140-150 MPa and a temperature of 460-500°C.
Предпочтительно использовать порошок с коэффициентом сферичности менее 1,2, фракцией 10-180 мкм, равномерно армированный 1-20 масс. % частицами карбида кремния.It is preferable to use a powder with a sphericity coefficient of less than 1.2, a fraction of 10-180 microns, uniformly reinforced with 1-20 wt. % silicon carbide particles.
Применение фракций, лежащих в диапазоне от 10-180 мкм, обуславливает максимально возможную плотность засыпки порошка в камере построения при изготовлении материала методом СЛС, что позволяет получать синтезированный материал с низким уровнем пористости. Применение частиц размеров менее 10 мкм нежелательно, так как они обладают повышенной гигроскопичностью, повышают уровень кислорода в синтезированном материале и резко снижают технологические свойства порошка композиционного материала. При использовании порошка с размером частиц более 180 мкм наблюдается неполное сплавление материала в процессе СЛС, обусловленное недостаточным энерговложением для сплавления частиц такого крупного размера.The use of fractions ranging from 10-180 µm determines the maximum possible density of powder filling in the construction chamber during the manufacture of the material by the SLS method, which makes it possible to obtain a synthesized material with a low level of porosity. The use of particles smaller than 10 μm is undesirable, since they have increased hygroscopicity, increase the oxygen level in the synthesized material, and sharply reduce the technological properties of the composite material powder. When using a powder with a particle size of more than 180 μm, incomplete fusion of the material in the SLS process is observed, due to insufficient energy input for fusion of particles of such a large size.
Используемый для СЛС порошок должен иметь коэффициент сферичности менее 1,2. Коэффициент сферичности более 1,2 свидетельствует об отклонении формы от сферической в соответствии с ГОСТ 25849-83. В методе СЛС применяются только порошки сферической формы из-за их высоких технологических свойств.The powder used for SLS must have a sphericity coefficient of less than 1.2. A sphericity coefficient of more than 1.2 indicates a deviation of the shape from spherical in accordance with GOST 25849-83. In the SLS method, only spherical powders are used due to their high technological properties.
Применение перед процессом селективного лазерного сплавления вакуумной сушки сфериодизированного порошка при температуре 180-220°С позволяет наиболее эффективно, так как в данном интервале температур происходит наиболее интенсивное испарение частиц влаги с поверхности частиц порошков. Избыточная влага на поверхности частиц порошка ведет к снижению его технологических свойств и, как следствие, к неравномерному его нанесению на платформу построения, что негативно сказывается на пористости синтезированного материала. При температуре ниже 180°С понижается эффективность удаления влаги с поверхности частиц, при температуре выше 220°С могут происходить структурные изменения в материале алюминиевого сплава, аналогичные его старению.The use of vacuum drying of a spheriodized powder at a temperature of 180–220°C before the process of selective laser melting makes it most efficient, since in this temperature range the most intensive evaporation of moisture particles from the surface of powder particles occurs. Excessive moisture on the surface of the powder particles leads to a decrease in its technological properties and, as a result, to its uneven application to the build platform, which negatively affects the porosity of the synthesized material. At temperatures below 180°C, the efficiency of removing moisture from the particle surface decreases; at temperatures above 220°C, structural changes can occur in the aluminum alloy material, similar to its aging.
Сочетание параметров СЛС в заданных интервалах: мощность лазерного луча 200-500 Вт, скорость сканирования от 500 до 3500 м/с, диаметр пятна лазера 80-150 мкм, позволяет эффективно сплавлять порошок композиционного материала с обеспечением минимального уровня пористости.The combination of SLS parameters in the given intervals: laser beam power 200–500 W, scanning speed from 500 to 3500 m/s, laser spot diameter 80–150 μm, allows efficient alloying of composite material powder with a minimum level of porosity.
Использование более низких мощностей лазерного луча, чем 200 Вт, приводит к недостаточному проплавлению порошкового слоя, что ведет к формированию структуры с высокой пористостью, а использование более высоких мощностей лазерного луча, чем 500 Вт, приводит к избыточному переплаву слоя, который ведет к захвату газа из атмосферы в процессе селективного лазерного сплавления и формированию газовых пор в структуре материала.Using lower laser beam powers than 200 W results in insufficient penetration of the powder layer, leading to a highly porous structure, and using higher laser beam powers than 500 W leads to excessive layer remelting, which leads to gas entrapment. from the atmosphere in the process of selective laser melting and the formation of gas pores in the structure of the material.
Скорости сканирования менее 500 мм/с приводят к избыточному переплаву слоя, что приводит к аналогичным проблемам, как при высоких мощностях лазерного луча, скорости выше 3500 мм/с приводят к дестабилизации процесса кристаллизации, нарушению формы ванны расплава в процессе селективного лазерного сплавления и, как следствие, повышенную пористость.Scanning speeds of less than 500 mm/s lead to excessive remelting of the layer, which leads to similar problems, as at high laser beam powers, speeds above 3500 mm/s lead to destabilization of the crystallization process, disruption of the shape of the melt pool in the process of selective laser fusion and, as consequently, increased porosity.
Применение пятна лазера менее 80 мкм приводит к избыточному переплаву слоя, который ведет к захвату газа из атмосферы в процессе селективного лазерного сплавления и формированию газовых пор структуре материала (аналогично использованию высоких мощностей). Применение пятна лазера более 180 мкм приводит к недостаточному проплавлению порошкового слоя, что ведет к формированию структуры с высокой пористостью (аналогично использованию низких мощностей).The use of a laser spot smaller than 80 μm leads to excessive remelting of the layer, which leads to the capture of gas from the atmosphere in the process of selective laser melting and the formation of gas pores in the material structure (similar to the use of high powers). The use of a laser spot larger than 180 μm leads to insufficient penetration of the powder layer, which leads to the formation of a structure with high porosity (similar to the use of low powers).
Дополнительная операция ГИП необходима для рекристаллизации структуры после СЛС и для залечивания дефектов в виде пор синтезированного материала, что приводит к повышению его механических характеристик. Температура менее 460°С не обеспечивает достаточную способность материала к пластической деформации, выше 500°С приводит к вторичной пористости вследствие выделения водорода и растворения частиц кремния. Давление менее 140 МПа недостаточно для интенсификации диффузионных процессов при залечивании пор, а давлении более 150 МПа может приводить к необратимым деформациям синтезированного материала и изменению его геометрических размеров. Время выдержки менее 160 мин недостаточно для полного прохождения диффузионных процессов в синтезированном материале, время выдержки более 200 мин приводит к неравномерному распределению уровня свойств в синтезированном материале.An additional HIP operation is necessary for the recrystallization of the structure after SLS and for the healing of defects in the form of pores in the synthesized material, which leads to an increase in its mechanical characteristics. Temperatures below 460°C do not provide a sufficient ability of the material to plastic deformation, above 500°C leads to secondary porosity due to hydrogen evolution and dissolution of silicon particles. A pressure of less than 140 MPa is insufficient to intensify diffusion processes during pore healing, and a pressure of more than 150 MPa can lead to irreversible deformations of the synthesized material and a change in its geometric dimensions. An exposure time of less than 160 min is not enough for the complete passage of diffusion processes in the synthesized material; an exposure time of more than 200 min leads to an uneven distribution of the level of properties in the synthesized material.
Примеры осуществления изобретенияEXAMPLES OF CARRYING OUT THE INVENTION
В качестве композиционного порошкового материала выбрали алюминиевый сплав системы Al-Si-Mg, легированный частицами SiC в количестве 7,5 масс. %. Коэффициент сферичности порошка после сфероидизации в планетарной шаровой мельнице составил 1,1±0,05. Применяли четыре фракции порошка: 10-63 мкм (пример 1), 63-100 мкм (пример 2), 80-180 мкм (пример 3) и 200-300 мкм для способа-прототипа (для сравнения). Перед процессом СЛС порошок был подвергнут вакуумной сушке при Т=180°С, Т=200°С и Т=220°С.An aluminum alloy of the Al-Si-Mg system alloyed with SiC particles in an amount of 7.5 wt. %. The sphericity coefficient of the powder after spheroidization in a planetary ball mill was 1.1±0.05. Four powder fractions were used: 10-63 µm (example 1), 63-100 µm (example 2), 80-180 µm (example 3) and 200-300 µm for the prototype method (for comparison). Before the SLS process, the powder was subjected to vacuum drying at T=180°C, T=200°C and T=220°C.
Процесс СЛС проходил в защитной среде азота. Для каждой фракции использовали индивидуальное сочетание параметров СЛС. После получения синтезированного материала были изготовлены шлифы для определения объемной доли пор методом металлографического анализа.The SLS process took place in a protective atmosphere of nitrogen. For each fraction, an individual combination of SLS parameters was used. After obtaining the synthesized material, sections were made to determine the volume fraction of pores by metallographic analysis.
Затем для образцов, изготовленных из первых трех фракций порошка, проводили операцию ГИП, после которой также были изготовлены шлифы для металлографического анализа.Then, for the samples made from the first three fractions of the powder, the HIP operation was performed, after which sections were also made for metallographic analysis.
Для определения кратковременных механических свойств при температуре 20°С были изготовлены образцы после СЛС (для прототипа) и после операции ГИП (для предлагаемого способа).To determine short-term mechanical properties at a temperature of 20°C, samples were made after SLS (for the prototype) and after the HIP operation (for the proposed method).
Фракционный состав исходного порошка, температуры вакуумной сушки, параметры СЛС, режимы ГИП, результаты металлографического анализа на предмет наличия пор и испытаний на растяжение при Т=20°С (предел длительной прочности, относительное удлинение) материала, изготовленного предлагаемым способом и способом-прототипом, приведены в таблице.Fractional composition of the initial powder, vacuum drying temperature, SLS parameters, HIP modes, results of metallographic analysis for the presence of pores and tensile tests at T=20°C (ultimate strength, relative elongation) of the material manufactured by the proposed method and the prototype method, are given in the table.
Из данных таблицы видно, что предложенный способ позволяет получать синтезированный металлокерамический материал на основе алюминиевого сплава, армированный частицами карбида кремния, с уровнем объемной доли пор после СЛС в 1,7-2,1 раз ниже, чем у материала, полученного способом-прототипом, и в 17,7-26,7 раз ниже после проведения ГИП.It can be seen from the table data that the proposed method allows to obtain a synthesized cermet material based on an aluminum alloy, reinforced with silicon carbide particles, with a level of pore volume fraction after SLS 1.7-2.1 times lower than that of the material obtained by the prototype method, and 17.7-26.7 times lower after the HIP.
Механические свойства синтезированного металлокерамического материала сплава на основе алюминия, изготовленного предложенным способом, выше, чем у материала, полученного способом-прототипом, на 21-24% по значениям предела длительной прочности и на 25-75% по значениям относительного удлинения.The mechanical properties of the synthesized ceramic-metal alloy material based on aluminum, manufactured by the proposed method, are higher than that of the material obtained by the prototype method by 21-24% in terms of ultimate strength and by 25-75% in terms of relative elongation.
Claims (3)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2801975C1 true RU2801975C1 (en) | 2023-08-21 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2844313C1 (en) * | 2024-12-27 | 2025-07-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ) | Method of producing cermet composite material by selective laser fusion |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2246379C1 (en) * | 2004-02-25 | 2005-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method for producing composition material |
| WO2017015241A1 (en) * | 2015-07-18 | 2017-01-26 | Vulcanforms Inc. | Additive manufacturing by spatially controlled material fusion |
| RU2682188C2 (en) * | 2013-07-04 | 2019-03-15 | Сафран Эркрафт Энджинз | Process for additive manufacturing of parts by melting or sintering particles of powder using high-energy beam with powders adapted to targeted process/material pair |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2246379C1 (en) * | 2004-02-25 | 2005-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Method for producing composition material |
| RU2682188C2 (en) * | 2013-07-04 | 2019-03-15 | Сафран Эркрафт Энджинз | Process for additive manufacturing of parts by melting or sintering particles of powder using high-energy beam with powders adapted to targeted process/material pair |
| WO2017015241A1 (en) * | 2015-07-18 | 2017-01-26 | Vulcanforms Inc. | Additive manufacturing by spatially controlled material fusion |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2844313C1 (en) * | 2024-12-27 | 2025-07-28 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ВИАМ) | Method of producing cermet composite material by selective laser fusion |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102722473B1 (en) | Aluminum alloy parts manufacturing process | |
| US20240123502A1 (en) | Titanium alloy powder for selective laser melting 3d printing, selective laser melted titanium alloy and preparation thereof | |
| US12037661B2 (en) | Process for manufacturing an aluminum alloy part | |
| US20190309402A1 (en) | Aluminum alloy products having fine eutectic-type structures, and methods for making the same | |
| Gao et al. | Electron beam melted TiC/high Nb–TiAl nanocomposite: Microstructure and mechanical property | |
| US11692240B2 (en) | Process for manufacturing an aluminum alloy part | |
| CN110832093B (en) | Aluminium alloys for additive technology | |
| US20170312857A1 (en) | Methods of additive manufacturing | |
| WO2019161137A1 (en) | Aluminum alloy products and methods for producing the same | |
| Sun et al. | Characterization of Al–Fe–V–Si heat-resistant aluminum alloy components fabricated by selective laser melting | |
| KR20170127010A (en) | Aluminum alloy product, and method of manufacturing the same | |
| EP2333123A2 (en) | Hot and cold rolling high strength L12 aluminium alloys | |
| Gong et al. | Laser energy density dependence of performance in additive/subtractive hybrid manufacturing of 316L stainless steel | |
| US20230191489A1 (en) | Method for producing an aluminium alloy part | |
| CN113020585B (en) | A low melting point multicomponent alloy additive for laser additive manufacturing of aluminum alloys | |
| US20210260661A1 (en) | Process for manufacturing an aluminium alloy part | |
| CN114450426A (en) | Alloy, alloy powder, alloy member, and composite member | |
| RU2801975C1 (en) | Method for producing a ceramic-metal composite material by selective laser melting | |
| CN119634748B (en) | AlSi10Mg alloy and laser powder bed melting preparation method thereof | |
| CN108044122B (en) | Preparation method of Nb-Si-based alloy hollow turbine blade | |
| CN116174709B (en) | A lightweight metal-based composite material and a preparation method thereof | |
| RU2844313C1 (en) | Method of producing cermet composite material by selective laser fusion | |
| CN117900465A (en) | Nano modified tungsten-based composite material for laser additive manufacturing and preparation method thereof | |
| CN116604038A (en) | Alloy material component based on laser additive manufacturing and preparation method thereof | |
| RU2782192C1 (en) | METHOD FOR OBTAINING ALUMINUM ALLOY PARTS OF THE Al-Mg-Sc SYSTEM BY SELECTIVE LASER FUSION TECHNOLOGY |