Разработка и исследование процесса прямого лазерного изготовления детали из композиционного материала на основе стали и карбида титана
Диссертация
Благодаря смешиванию различных порошков метод прямого лазерного нанесения перспективен для изготовления композиционных материалов с металлической матрицей. Композиционный материал — неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, гарантирующую… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. Литературный обзор
- 1. 1. Технология прямого лазерного нанесения материала
- 1. 2. Быстрое прототипирование деталей методом прямого лазерного нанесения
- 1. 3. Композиционные материалы
- 1. 3. 1. Общие сведения о композиционных материалах
- 1. 3. 2. Композиционные материалы с металлической матрицей
- 1. 4. Выбор металлической матрицы для композиционного материала
- 1. 4. 1. Машиностроительная сталь 14ХНЗМА
- 1. 4. 2. Термическая обработка стали 14ХНЗМА
- 1. 4. 3. Механические свойства стали 14ХНЗМА
- 1. 5. Выбор упрочняющей фазы
- 1. 5. 1. Общая характеристика упрочняющих фаз
- 1. 5. 2. Характеристика карбидных фаз
- 1. 5. 3. Свойства и методы получения карбида титана
- 1. 6. Композиционные материалы на основе стали и карбида титана
- 1. 7. Методы получения композиционного материалы на основе стали и карбида титана
- ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
- ГЛАВА 2. Оборудование и материалы
- 2. 1. Порошковые материалы
- 2. 2. Экспериментальная установка
- 2. 3. Анализ структуры и свойств композиционного материала
- 2. 4. Система оптической диагностики
- -3Стр
- 2. 4. 1. Многоволновой пирометр
- 2. 4. 2. Инфракрасная камера
- 2. 4. 3. Принцип калибрования пирометра и инфракрасной камеры
- 2. 4. 3. Высокоскоростная ССБ камера
- РЕЗУЛЬТАТЫ И
- ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
- ГЛАВА 3. Анализ и моделирование газовой динамики и подачи порошкового материала
- 3. 1. Описание течения газа
- 3. 1. 1. Основные предположения и допущения
- 3. 1. 2. Основные уравнения газовой динамики
- 3. 1. 3. Начальные и граничные условия для расчета газовой динамики
- 3. 1. 4. Метод численного решения
- 3. 2. Описание движения частиц порошка в потоке газа
- 3. 2. 1. Уравнение расчета траектории и скорости частиц
- 3. 2. 2. Коэффициент сопротивления для частиц
- 3. 2. 3. Начальные и граничные условия для частиц
- 3. 2. 4. Условия отражения частиц от твердых стенок сопла
- 3. 2. 5. Распределение размеров частиц порошка
- 3. 3. Исследование динамики течения газа
- 3. 4. Анализ формы потока порошка
- 3. 5. Расчет скорости частиц порошка 76 РЕЗУЛЬТАТЫ И
- ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
- ГЛАВА 4. Разработка и исследование технологической карты процесса прямого лазерного нанесения композиционного материала
- 4. 1. Регрессионный анализ степени влияния параметров процесса на геометрические характеристики
- 4. 1. 1. Алгоритм проведения эксперимента
- 4. 1. 2. Уравнения регрессии
- 4. 1. 3. Технологическая карта процесса
- 4. 2. Корреляционный анализ для установления связи между геометрическими и технологическими характеристиками и параметрами процесса
- 4. 3. Оценка толщины слоя для изготовления деталей 94 РЕЗУЛЬТАТЫ И
- ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
- ГЛАВА 5. Исследование структуры и свойств композиционного материала из стали и карбида титана
- 5. 1. Структура композиционного материала
- 5. 2. Механизм образования фаз
- 5. 2. 1. Система Fe-TiC
- 5. 2. 2. Заэвтектический сплав
- 5. 2. 3. Доэвтектический сплав (дальняя от точки эвтектики зона)
- 5. 2. 4. Доэвтектический сплав (ближняя к точке эвтектики зона)
- 5. 3. Химический и фазовый состав композиционного материала
- 5. 4. Распределение твердости
- 5. 5. Перераспределение и массоперенос карбидной фазы
- 5. 6. Формирование кольцевых структур и сложных карбидов
- 5. 7. Процессы окисления
- 5. 8. Механические свойства
- 5. 9. Химико-термическая обработка: цементация 128 РЕЗУЛЬТАТЫ И
- ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
- -5Стр
- ГЛАВА 6. Оптическая диагностика и контроль процесса прямого лазерного нанесения материала
- 6. 1. Влияние параметров процесса на яркостную температуру поверхности ванны расплава
- 6. 2. Влияние содержания карбида титана в смеси порошка на яркостную температуру
- 6. 3. Влияние параметра слоя на яркостную температуру
- 6. 4. Визуализация формы потока порошка и измерение скорости частиц
- РЕЗУЛЬТАТЫ И
- ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
Список литературы
- Григорьянц А.Г., ШигановИ.Н, МисюровА.И. Технологические процессы лазерной обработки: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 664 с.
- Toyserkani Е., Khajepour A., Corbin S. Laser cladding. Boca Raton: CRS Press, 2005. 280 p.
- Сварка. Введение в специальность: Учеб. пособие для вузов /В.А. Фролов и др. М.: ИнтерметИнжиниринг, 2008. 382 с.
- Ионная химико-термическая обработка сплавов / Б. Н. Арзамасов и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. 398 с.
- Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 357 с.
- Газотермическое напыление: Учеб. пособие для вузов / Л. Х. Балдаев и др. М.: Маркет ДС, 2007. 342 с.
- Ion J.C. Laser processing of engineering materials: Principles, procedure and industrial application. Burlington: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005. 576 p.
- Microstructural and mechanical characteristics of laser coatings / A. Hidouci et al. // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 123, № 1. P. 17−23.
- Przybylowicz J., KusinskiJ. Structure of laser cladded tungsten carbide composite coatings //Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 109, № 1−2. P. 154−160.
- AxenN., ZumGahrK.—H. Abrasive wear of TiC—steel composite clad layers on tool steel // Wear. 1992. Vol. 157. P. 189−201.
- HeX., MazumderJ. Transport phenomena during direct metal deposition // Journal of Applied Physics. 2007. Vol. 101, № 5. P. 1−9.
- Van Acker K., Vanhoyweghen D., Persoons R. Influence of tungsten carbide particle size and distribution on the wear resistance of laser clad WC-Ni coatings // Wear. 2005. Vol. 258. P. 194−202.
- Steen W.M. Laser material processing. London: Springer, 2003. 558 p.
- Wohler T. Rapid prototyping, tooling and manufacturing state of the industry: Annual worldwide progress report. Fort Collins: Wohlers Associates, 2009. 250 p.
- Closed loop direct metal deposition: Art to part / J. Mazumder et al. // Optics and Lasers in Engineering. 2000. Vol. 34. P. 397−414.
- The direct metal deposition of H13 tool steel for 3-D components / J. Mazumder et al. // Journal of the Minerals, Metals and Materials Society. 1997. Vol. 49, № 5. P. 55−60.
- Laser-assisted direct manufacturing of functionally graded 3D objects / A. Yakovlev et al. // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 190, № 1. P. 15−24.
- Mazumder J., SchifFerer A., Choi J. Direct materials deposition: Designed macro and microstructure // Materials Research Innovations. 1999. Vol. 3, № 3. P. 118−131.
- Potential of direct metal deposition technology for manufacturing thick functionally graded coatings and parts for reactors components / L. Thivillon et al. //Journal of Nuclear Materials. 2009. Vol. 385, № 2. P. 236−241.
- Kahlen F.J., Kar A. Tensile strengths for laser-fabricated parts and similarity parameters for rapid manufacturing // ASME Journal: Manufacturing Science and Engineering. 2001. Vol. 123. P. 38−44.
- Kahlen F.-J., Von Klitzing A., Kar A. Hardness, chemical, and microstructural studies for laser-fabricated metal parts of graded materials //Journal of Laser Applications. 2000. Vol. 12, № 5. P. 205−209.
- Справочник по композиционным материалам / Под ред. Дж. Любина. М.: Машиностроение, 1988. Т. 1. 448 с.
- Gay D., Hoa S.V. Composite materials: Design and applications. Paris: CRC Press, 2007. 648 p.
- Михеев C.B., Строганов Г. Б., Ромашин А. Г. Керамические и композиционные материалы в авиационной технике. М.: Альтекс, 2002. 276 с.
- Chung D.D.L. Composite materials. London: Springer, 2010. 349 p.
- ЛибенсонГ.А. Производство порошковых изделий. М.: Металлургия, 1990. 240 с.
- Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В. В. Васильева, Ю. М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
- ЛахтинЮ.М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
- Справочник по конструкционным материалам / Под ред. Б. Н. Арзамасова, Т. В. Соловьевой. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 640 с.
- Масленников С.Б. Жаропрочные стали и сплавы: Справочник. М: Металлургия, 1983. 192 с.
- CRC materials science and engineering handbook / Edited by J. Shackelford, W. Alexander. Boca Raton: CRC Press, 2001. 1980 p.
- Кипарисов C.C., Левинский Ю. В., Петров А. П. Карбид титана: Получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987. 216 с.
- Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МИСИС, 2001. 428 с.
- ГуревичЮ.Г., Нарва В. К., Фраге Н. Р. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 144 с.
- Ермолов И.Н., Останин Ю. Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества. М: Высшая школа, 1988. 368 с.
- Meriaudeau F., TruchetetF. Control and optimization of the laser cladding process using matrix cameras and image processing // Journal of Laser Application. 1996. Vol. 8, № 6. P. 317−324.
- Hildebrandt D., NaujoksD., Sunder D. Surface temperature measurements of carbon materials in fusion devices // Journal of Nuclear Materials. 2005. Уо1. 337 339. P. 1064−1068
- Doubenskaia M., BertrandPh., SmurovL Optical monitoring of Nd: YAG laser cladding // Thin Solid Films. 2004. Vol. 453154. P. 477−485.
- Doubenskaia M., Bertrand Ph., Smurov I. Pyrometry in laser surface treatment // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201, № 5. P. 1955−1961.
- Pyrometry applications in thermal plasma processing / Ph. Bertrand et al. // Vacuum. 2000. Vol. 56. P. 71−76.
- CassadyL.D., ChoueiriE.Y. High accuracy multi-color pyrometry for high temperature surfaces // Proceedings of the 28th International Electric Propulsion Conference. Toulouse. 2003. P. 64−69.
- SvetD. The method of two-color pyrometry of true temperature with unknown emissivity // AIP Conference Proceedings. Tours. 2003. P. 681−686.
- СветД.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982. 296 с.
- СветД.Я. Бихроматический метод пирометрии истинных температур // Измерительная техника. 2005. № 7. С. 40−43.
- Influence of the velocity of plasma sprayed particles on the splat formation / S. Fantassi et al. // Proceedings of the 1993 National Thermal Spray Conference. Anaheim. 1993. P. 1−6.
- An integrated infrared sensor system for on-line monitoring of thermally sprayed particles / J. Blain et al. // Surface Engineering. 1997. № 5. P. 420−424.
- YamakawaM., Oki S., Gohda S. Measurement of spraying particle behaviors by three-intensified-sensors color speed video camera system // Proceedings of the 15th International Thermal Spray Conference. Nice. 1998. P. 849−853.
- In-flight particle concentration and velocity measurements in thermal spraying using a CCD camera / J. Vattulainen et al. // Proceedings of the 15th International Thermal Spray Conference. Nice. 1998. P. 767−772.
- Lepski D., Bruckner F. The theory of laser materials processing: Heat and mass transfer in modern technology / Edited by J.M. Dowden. London: Springer, 2009. 458 p.
- Smurovl. Laser cladding and laser assisted direct manufacturing // Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202, № 18. P. 4496−4502.
- Liu C—Y., Lin J. Thermal processes of a powder particle in coaxial laser cladding // Optics and Laser Technology. 2003. № 35. P. 81−86.
- HanL., LiouF.W., PhatakK.M. Modeling of laser cladding with powder injection//Metallurgical and Materials Transactions B. Process. 2004. Vol. 35, № 6. P. 1139−1150.
- Choi J., Han L., Hua Y. Modeling and experiments of laser cladding with droplet injection//ASME Journal. Heat Transfer. 2005. Vol. 127. P. 978−986.
- PanH., LiouF. Numerical simulation of metallic powder flow in a coaxial nozzle for the laser aided deposition process // Journal of Materials Processing Technology. 2005 Vol. 168, № 2. P. 230−244.
- Qia H., Mazumder J., Ki H. Numerical simulation of heat transfer and fluid flow in coaxial laser cladding process for direct metal deposition // Journal of Applied Physics. 2006. Vol. 100, № 2. P. 3−14.
- Analytical and numerical modeling of the direct metal deposition laser process / P. Peyre et al. // Journal of Physics D. Applied Physics. 2008. Vol. 41, № 2. P. 313.
- Прикладная газовая динамика: Учеб. руководство для вузов / Под ред. Н. Абрамович. М.: Наука, 1991. 597 с.
- Kravtsov M.V. Resistance to the free steady-state motion of a sphere in a viscous medium//Journal of Engineering Physics. 1968. Vol. 15, № 3. P. 464—470.
- Li H.-P., Chen X. Three-dimensional modeling of the turbulent plasma jet impinging upon a flat plate and with transverse particle and carrier-gas injection // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 2002. Vol. 22, № 1. P. 27−58.
- Haider A., Levenspiel O. Drag coefficient and terminal velocity of spherical and nonspherical particles // Powder Technology. 1989. Vol. 58, № 1. P. 63−70.
- Sommerfeld M., HuberN. Experimental analysis and modeling of particle-wall collisions // International Journal of Multiphase Flow. 1999. Vol.25, № 6−7. P. 1457−1489.
- Vittal B.V.R., TabakoffW.J. Two-phase flow around a two-dimensional cylinder //AIAA Journal. 1987. Vol. 25, № 5. P. 648−654.
- Steel R.G.D., Torrie J.H. Principles and procedures of statistics. New York: McGraw Hill, 1960.481 p.
- FreedmanD.A. Statistical models: Theory and practice. New York: Cambridge University Press, 2005. 424 p.
- Крапошин B.C. Зависимость глубины закалки сталей и чугунов от режима лазерного упрочнения // Физика и химия обработки материалов. 1988. № 6. С.88−96.
- Крапошин B.C., Крапошина И. Ф. Влияние параметров лазерного упрочнения на размеры упрочненных зон для стали 45 // Физика и химия обработки материалов. 1989. № 6. С.19−24.
- De Oliveira U., Ocelik V., De Hosson J.Th.M. Analysis of coaxial laser cladding processing conditions // Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 197, № 2−3. P. 127−136.
- Thick Co-based coating on cast iron by side laser cladding: Analysis of processing conditions and coating properties / V. Ocelik et al. // Surface and Coatings Technology. 2007. Vol. 201, № 12. P. 5875−5883.
- Optical monitoring in direct metal deposition / M. Doubenskaia et al. //Proceedings of LIM-2009: The 5th International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing. Munich. 2009. P. 591−596.