книги / Управление качеством технологии селективного лазерного спекания

Окончание табл. 4

51

На рис. 13–16 представлены условные диаграммы растяжения сплава PH1 по средним значениям напряжений при температуре испытания 20 °С.

Рис. 13. Кривая деформирования сплава PH1 при температуре 20 °С с режимом термообработки № 1

Рис. 14. Кривая деформирования сплава PH1 при температуре 20 °С с режимом термообработки № 2

52

Рис. 15. Кривая деформирования сплава PH1 при температуре 20 °С с режимом термообработки № 3

Рис. 16. Кривая деформирования сплава PH1 при температуре 20 °С с режимом термообработки № 4

Значения средних напряжений сплава PH1 для заданных значений деформаций ε = 0,003; 0,004; 0,005; 0,006; 0,007; 0,008; 0,009; 0,010; 0,011; 0,012; 0,013; 0,014; 0,015; 0,020; 0,030; 0,040,

53

необходимые для построения условной диаграммы растяжения, определялись по формуле (3).

Из табл. 4 и рис. 13–16 видно, что:

– средние значения модуля упругости Ε, условного предела текучести σ0,2 , предела прочности при растяжении σB достигают

максимального значения при получении их в горизонтальном направлении выращивания образцов;

–величина относительного удлинения δ достигает максимального значения 17,704 %, при режиме № 3 с горизонтальной ориентацией и минимального значения, 8,88 %, при режиме № 1 с вертикальной ориентацией выращивания образцов;

–относительное сужение ψ достигает максимального значения 58,118 % при режиме № 4 с горизонтальной ориентацией и минимального значения 25,17 % при режиме № 1 с вертикальной ориентацией выращивания образцов.

Важным результатом исследования является эффект упрочнения.

Предел прочности σB сплава PH1 достигает 1524,422 МПа

при режиме № 3 с горизонтальной ориентацией выращивания образцов, что на 10–30 % выше, чем у других материалов. Важно отметить, что СЛС-материал практически полностью лишен «традиционных» недостатков порошковых материалов: сплав имеет рекордно высокую для порошковых аналогов прочность. Предел текучести σ0,2 составляет 1388,3 МПа при режиме № 4 с

горизонтальной ориентацией выращивания образцов.

Лазерная обработка приводит к выравниванию различных кристаллографическихнаправлений с направлением сборки всреднем и верхнемслоях, атакжекпостепенномуструктурномуукрупнению.

Также можно отметить, что лазерное спекание одновременно повышает и прочность и пластичность нержавеющей стали PH1. Это достигается путем активации и проектирования ее микроструктуры. Прочность на растяжение СЛС-образцов из нержавеющей стали PH1 может быть увеличена на 16–40 %.

54

3.2. Исследование влияния высокотемпературного отпуска и продолжительной выдержки на размер пор в образцах, полученных методом селективного лазерного спекания

из нержавеющей стали Stainless Steel PH1

Как было показано, селективное лазерное спекание (СЛС) является новым и перспективным способом быстрого изготовления деталей со сложными формами сразу из металлического порошка. Изделия широко используются в воздушно-космическом пространстве, биомедицине и многих других технических областях, предлагая ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами обработки: высокую сложность, экономию времени, универсальность

ит.д. Технология послойного синтеза позволяет воспроизводить изделия с высокой степенью точности, а также обеспечить однороднуюструктуруиулучшенныемеханическиехарактеристики.

Процесс СЛС сопровождается расплавлением и последующим быстрым затвердеванием частиц металлического порошка, при этом образуются внутренние напряжения, которые негативно влияют на его свойства. Чтобы их устранить, следует осуществить термическую обработку, заключающуюся в нагреве до определенной температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. Так сталь вновь возобновляет требуемые механические свойства.

Экспериментальные исследования проводились на установке для селективного лазерного спекания фирмы EOSINT M280. Процесс СЛС осуществлялся в атмосфере азота.

Вработе [66] исследовано влияние термообработки на ФМХ

иструктуру деталей, изготовленных методом СЛС.

Образцы изготовлялись из сплава PH1 (порошок фирмы EOS Stainless Steel PH1 нержавеющая сталь в форме мелкодисперсного порошка, химический состав представлен в табл. 1), прошедшие термообработку по режимам:

55

–выдержка при 1050 °С в течение 1,5 ч, охлаждение на воздухе, последующеестарениепри480 °С, 1 ч, охлаждениенавоздухе;

–выдержка при 1050 °С в течение 1,5 ч, охлаждение на воздухе, последующеестарениепри525 °С, 4 ч, охлаждениенавоздухе;

–старение при 480 °С, 1 ч, охлаждение на воздухе;

–старение 525 °С, 4 ч, охлаждение на воздухе.

Таблица 5

Результаты оценки плотности и микроструктуры материала образцов

56

Контроль микроструктуры производился на одном образце из каждой партии. Оценка микроструктуры произведена на микрошлифах, изготовленных в поперечном сечении образцов относительно ориентации выращивания. Объемная доля пор определялась с использованием программы ThixometPro в ячейке размером 1 мм площади шлифа при 100х. Результаты оценки плотности материала приведены в табл. 5.

Технологии СЛС открывают новые возможности для изучения особенностей воздействия лазерного луча на тепловые, кинетические, реологические, диффузионные и механические процессы, в неравновесных состояниях, и потому слабо изучены. Классические подходы (модели) порошковой металлургии перестают адекватно описывать наблюдаемые явления. Современные теории все более и более уходят от классической теории спекания. Исследование закономерностей отдельных процессов, таких как селективное лазерное спекание, позволяет проникнуть в основы прочности и пластичности материалов, полученных этим методом. Поэтому решение научно-практических задач, лежащих в основе технологии СЛС, весьма актуально.

3.3. Сравнение нержавеющих сталей

12Х18Н10Т и PH1

Для исследования были выбраны образцы нержавеющей стали марок 12Х18Н10Т и PH1. Механические свойства образцов стали 12Х18Н10Т, полученные селективным лазерным спеканием, сравнивались с механическими свойствами прутка по ГОСТ 5949-75 этой же стали, а также с механическими свойствами сплава PH1, полученными селективным лазерным спеканием.

Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т характеризуется долговечностью, экологичностью, безопасностью, повышенной пластичностью и ударной вязкостью.

Конструкционная криогенная сталь 12Х18Н10Т является аустенитной. Именно за счет уменьшения доли аустенита включа-

57

ется механизм повышения прочности, вязкости, сопротивления усталости. Химический состав аустенитной стали 12Х18Н10Т регламентирован ГОСТ 5632-72 нержавеющих сталей аустенитного класса и представлен в табл. 6.

Таблица 6 Химический состав аустенитной стали 12Х18Н10Т

Оптимальная термическая обработка – это закалка с 1050– 1080 °С в водной среде. После закалки сталь 12Х18Н10Т характеризуется превосходными механическими свойствами: повышенной вязкостью и пластичностью, относительно невысокой прочностью и твердостью.

Чтобы получить равномерную структуру, необходимо применить отжиг, где сталь нагревают до определенной температуры, далее выдерживают при определенной температуре, а затем медленно охлаждают в печи.

Таблица 7

Режимы термической обработки образцов из стали 12Х18Н10Т после СЛС (среда охлаждения – воздух)

Вработе [67] упоминается о наличии высоких прочностных

ипластических свойств стали 12Х18Н10Т при применении стабилизирующего отжига. Режимы термической обработки образцов из стали 12Х18Н10Т приведены в табл. 7.

58

Таблица 8

Механические свойства образцов из стали 12Х18Н10Т после ТО методом СЛС

Для наиболее полной картины рассмотрим механические свойства образцов из стали 12Х18Н10Т после ТО методом СЛС

(табл. 8).

Для сравнения были взяты данные механических свойств прутка из стали 12Х18Н10Т с режимом термообработки: закалка с 1020–1100 °С, охлаждение на воздухе (табл. 9) [68].

Механические свойства образцов из сплава PH1, полученных селективным лазерным спеканием после ТО, представлены в табл. 10.

Таблица 9

Механические свойства образцов из прутка стали 12Х18Н10Т после ТО

Заготовки прошли термообработку по следующим режимам: Режим 1: Отжиг при температуре 1050 °С в течение 1,5 ч, затем отпуск при температуре 480 °С в течение 1 ч; Режим 2: Отжиг при температуре 1050 °С в течение 1,5 часов, затем отпуск при температуре525 °С в течение 4 ч; Режим 3: Отпуск при температуре480 °С в течение1 ч; Режим4: Отпускпритемпературе525°Свтечение4 ч.

59

Таблица 10

Механические свойства образцов из сплава PH1 после ТО методом СЛС

Твердость образцов после термообработки составила больше 40 HRC. Испытания цилиндрических образцов из сплава PH1 [69] на кратковременную прочность были проведены при температуре 20 °С в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» [70].

Таблица 11

Средние значения прочностных и пластических свойств образцов стали 12Х18Н10Т и сплава PH1 после термообработки

60