СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ Российский патент 2008 года по МПК B22F3/105 B22F3/23 

Изобретение относится к технологии лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ) методом селективного лазерного спекания (СЛС), в том числе к способам непрерывного и скоростного изготовления микроэлектромеханических (МЭМ) сенсоров, пускателей, датчиков, имплантатов, фильтров, мембран, пъезодетекторов, пъезонасосов и т.д., функциональных устройств со сложной формой поверхности и внутренними пустотами.

Технология селективного лазерного спекания позволяет создавать трехмерные объекты, послойно формируя функциональный градиент свойств будущего изделия (RU 2212982 С2, 27.09.2003). Средства автоматического проектирования и инженерного дизайна, которые естественным образом интегрированы в процесс СЛС, позволяют выстраивать функционально-градиентные структуры не только поатомно (микроуровень или нанотехнологии), но и отдельными структурными блоками (частицами, зернами, доменами), что соответствует идеологии проектирования на мезоуровне. Моделируя укладку или степень связности структуры порошковой композиции, а также ее концентрационный состав, можно создать микроустройства - MEMS (Shishkovsky I.V. Synthesis of functional gradient parts via RP methods. // Rapid Prototyping Journal, 2001, Vol.7, N4, pp.207-211).

Известен способ получения сложных оксидов металлов, в частности оксокупратов щелочных металлов общей формулы MeCuO₂, где Me - щелочной металл (RU 2064912 С1, 10.08.1996). Способ включает высокотемпературное реагирование порошков надпероксида соответствующего щелочного металла и медьсодержащего компонента, в качестве которого берут порошок меди или смесь порошков меди и оксида меди, при этом надпероксид щелочного металла предварительно перемешивают с порошком оксида меди и затем добавляют порошок меди, а высокотемпературное реагирование осуществляют в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Конечный продукт представляет собой плотноупакованную массу темного цвета.

Недостатком известного способа является невозможность синтезировать изделия контролируемой формы непосредственно в процессе СВС.

Известен способ изготовления объемных изделий из порошковых композиций, который включает последовательное, послойное размещение порошковой композиции в станке лазерной технологической установки КВАНТ-60 в режиме внутренней модуляции, обработку каждого слоя лазерным излучением по заданному контуру и извлечение полученного изделия из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, при этом в качестве порошковой композиции используют просеянные смеси металлических порошков, например, на основе никеля, хрома, алюминия, железа, титана, латуни, с полимерными порошками поликарбоната или полиамида, с характерными размерами частиц металла и полимера от 20 до 160 мкм при соотношении от 4 до 12 вес.ч. металлсодержащего порошка на 1 вес.ч. полимерного порошка (RU 2145269 С1, 10.02.2000).

По известному способу возможно изготовление изделий из металл-полимерных порошковых композиций путем реализации процесса жидкофазного спекания.

Основным недостатком способа является низкий выход целевых изделий и их загрязнение продуктами частичного разложения полимерного связующего в процессе синтеза.

Известен способ изготовления медицинских имплантатов заданных индивидуальных форм из биосовместимых материалов методом СЛС порошковых композиций, включающий последовательное послойное размещение порошковой смеси и обработку каждого слоя сканирующим лазерным излучением, при этом в качестве исходной порошковой композиции используют смеси металлических порошков на основе никеля и титана при их весовом соотношении 1:1 с реализацией контролируемой лазерным излучением (ЛИ) реакции СВС пористой интерметаллидной фазы - никелида титана (NiTi) в защитной газовой среде (RU 2218242 С2, 10.12.2003).

Основным недостатком известного способа является недостаточно высокая однородность фазового состава целевого продукта за счет присутствия примесных интерметаллидных фаз - NiTi₂, Ni₃Ti.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления объемных изделий из порошковых композиций, который включает размещение порошковой композиции в станке для лазерного синтеза объемных изделий и лазерную обработку послойно формируемого объемного изделия, извлечение его из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия, при этом в качестве порошковых композиций для СВС используют просеянные порошковые смеси на основе никеля-алюминия, никеля-титана, алюминия и титана, взятые в соответствии со стехиометрическим составом и синтезируемые непосредственно под лазерным излучением эвтектоидных систем в диффузионном режиме горения (RU 2217265 С2, 27.11.2003).

Известное изобретение позволяет расширить функциональные характеристики создаваемых моделей, повысить прочностные свойства спекаемого изделия и обеспечить получение эвтектоидных систем в химической реакции горения, однако способ характеризуется низким выходом (не более 40%) целевых изделий.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение прочностных и улучшение функциональных свойств спекаемого изделия из порошковых композиций за счет расширения спектра используемых порошковых материалов и синергетического совмещения процесса СЛС с процессом СВС в условиях воздействия внешних физических полей. Это обеспечивает не только создание эвтектоидных систем в химической реакции горения, но и работу изделия как единого целого с повышением выхода годных изделий на 20-40%.

Технический результат достигается тем, что в способ изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающем размещение в станке для лазерного синтеза порошковой смеси исходных компонентов, взятых в соответствии со стехиометрическим составом материалов, синтезируемых под лазерным излучением, послойное формирование объемного изделия путем лазерной обработки, при которой самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) протекает в диффузионном режиме, и извлечение изделия из станка, согласно изобретению лазерную обработку проводят в магнитном поле с индукцией до 0.1 Тл, электрическом поле напряженностью до 220 кВ/м или в ультразвуковом поле с частотой 18-22 кГц при дозе лазерного излучения, соответствующей минимально необходимому уровню энергии для осуществления локального процесса СВС в пятне лазерного излучения и спекания частиц реагирующей смеси в слое и монослоев изделия между собой.

За счет использования внешних электрических, магнитных или ультразвуквых воздействий в совокупности с СЛС+СВС образуется анизотропная структура материала как при получении отдельных монослоев и структурных блоков, так и при формировании объемного изделия в целом. Под действием внешних магнитных полей улучшаются также магнитные характеристики продуктов синтеза.

В качестве исходных порошковых композиций могут быть использованы экзотермические смеси: металл-металл, оксиды (пероксиды) + металл, в общем, смеси, содержащие окислитель и восстановитель, при этом энерговыделение смесей не должно превышать величины, при которой после локального инициирования СВС в пятне лазерного излучения процесс может протекать в неконтролируемом режиме.

Для обеспечения эффекта самоорганизации при синтезе МЭМ совместный послойный процесс СЛС+СВС проводят в магнитном поле (до 0.1 Тл), электрическом поле (до 220 кВ/м) или под воздействием ультразвука, что облегчает самоорганизацию когерентных структур, с заранее спрогнозированным комплексом физических, химических и/или биологических свойств. Процесс СВС-СЛС проводят по заранее численно рассчитанному на компьютере сценарию под воздействием внешних физических факторов, в результате чего формируется функциональное МЭМ изделие.

Лазерное излучение является электромагнитной волной со своей амплитудой, частотой. В отличие от обычных источников света оно обладает и рядом уникальных, присущих только ему физических свойств. Это монохроматичность, когерентность (существует пространственная и временная), узкая направленность ЛИ и строгая поляризация. Если узкая направленность (она определяет высокую локальность ЛВ) и поляризация (она определяет степень поглощения) ЛИ в лазерных технологиях, в том числе и в технологии СЛС «эксплуатируются» напрямую, то волновые свойства практически не упоминаются. Однако в ультрадисперсных (наноразмерных) порошковых средах и аэрозолях, то есть когда размеры частиц сравнимы или меньше длины волны света, волновая природа ЛИ (его амплитуда, частота, фаза) начинает играть существенную роль. Из этого следует, что можно управлять такими структурами посредством варьирования параметров ЛВ, которые под воздействием внешних физических сил усиливают технический результат изобретения.

Пример 1

Получение целевого материала гексаферрита бария (ферромагнетик) состава BaFe_12-xCr_xO₁₉ и шпинельного феррита лития Li_0.5Fe_2.5-xCr_xO₄.

В экспериментах для синтеза указанных соединений использовались исходные порошки оксидов и порошок железа, которые соответствуют классу чистоты (х. ч), наплавочный порошок ПЖ РНЛ-А содержит до ˜95% Fe. Карбонат бария был предварительно получен реакцией замещения - Na₂CO₃+Ва(NO₃)₂=ВаСО₃+2NaNO₃. Порошки исходных компонентов шихты предварительно просеивают с использованием системы сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Размеры частиц указанных компонентов составляют <40 мкм.

Смешивание исходных компонентов проводят до их равномерного распределения для синтеза гексаферрита бария (1-3) и шпинельного феррита лития (4) в следующем мольном соотношении:

1. BaO₂+Fe₂O₃+Cr₂O₃+Fe=1:2.5:1:5

2. ВаСО₃+Fe₂О₃+Cr₂О₃+Fe=1:2.5:1:5

3. BaO₂+Fe(ПЖ РНЛ-А)+Cr₂O₃=1:3.3:1.8

4. Li₂O₂+Fe₂O₃+Cr₂O₃+Fe=1:1:2:4

Подготовленные порошковые композиции, которые представляют собой экзотермические составы, размещают в станке для лазерного синтеза объемных изделий и далее проводят лазерную обработку послойно формируемого изделия при совмещении СЛС и СВС процессов в операционном поле лазерной установки КВАНТ-60 при параметрах: энергетическая мощность лазерного излучения Р=10.8-14.7 Вт, скорость сканирования лазерного луча по поверхности порошковой композиции v=2-3 см/с, диаметр пятна ЛИ d=50 мкм. Лазерное излучение в процессе синтеза дозировано и соответствует минимально необходимому уровню энергии Р=10.8-14.7 Вт, которую необходимо ввести в систему для осуществления локального процесса синтеза СВС непосредственно в пятно лазерного излучения при его диаметре 50 мкм, что способствует спеканию частиц реагирующей смеси и соседних частиц монослоев изделия между собой. Поскольку послойное СЛС проводят на воздухе, предполагалось, что в реакционных смесях (1-3) присутствует кислород, который должен активно диффундировать при высоких температурах в конечный продукт. В результате одновременного воздействия СЛС+СВС в электрическом (для системы 1 и 2 до 220 кВ/м) или магнитном (для системы 3 до 0.1 Тл) полях на указанные смеси за счет синергетического эффекта получали МЭМ в ввиде пористых объемных прочных изделий: (ферромагнетик) типа BaFe_12-xCr_xO₁₉ или Li_0.5Fe_2.5-xCr_xO₄ с выходом годных до 70% (в условиях прототипа не более 40%).

Пример 2

Синтез интерметаллидов: NiAl, NiAl₃, Ni₃Al, NiTi, AlTi, AlTi₃, Al₃Ti, AlZr.

Для синтеза указанных интерметаллидов были использованы порошки металлов: Ni - ПГСР-4, ГОСТ-9722 с содержанием никеля до 74% или ПНК-1 с содержанием никеля до 99% вес.; Ti - ПТОМ (с содержанием титана 98-99% вес.); Al - АСД-1 или АСД-4. Дисперсность использованных порошков металлов во всех случаях не превышала 60 мкм. Порошки металлов предварительно перемешивают между собой в планетарной мельнице до полной гомогенизации смеси, состав которых был подобран в соответствии со следующими атомными соотношениями:

1. Ni+Al=1:1 или (1:3) или (3:1)

2. Ni+Ti=1:1

3. Al+Ti=1:1 или (1:3) или (3:1)

4. Al+Zr=1:1

Далее как в примере 1, но процесс синтеза интерметаллидов проводят в атмосфере аргона. Полученные пористые объемные изделия по составу соответствовали NiAl, NiAl₃, Ni₃Al, NiTi, AlTi, AlTi₃, Al₃Ti, AlZr, т.е. взятому согласно уравнениям 1-4, имели высокую прочность и выход не менее 80%. Первые две системы были проведены при совмещении СЛС+СВС + магнитное поле. Третья система - при совмещении СЛС+СВС + ультразвуковое поле с частотой 18 и 22 кГц, четвертая - при совмещении СЛС+СВС + электрическое поле.

Пример 3

Синтез цирконий-титан-свинцовых керамических изделий.

Предварительно методом конечных элементов (програмный пакет ANSYS) моделировалась макро- и микрострутура, а также расчитывались предполагаемые сегнетоэлектрические характеристики будущего изделия - мембраны или фильтра. Порошок керамического соединения предварительно получали методом СВС, которые затем просеивали с использованием системы сит 005-05 (ГОСТ 3584-73) и смешивали с диэлектрическим наполнителем (SiO₂) в разных пропорциях. В результате последующего послойного СЛС в магнитном поле по рассчитанному сценарию (пример 1) получали МЭМ изделие (пъезоэлектрик) состава с выходом годных не менее 60%:

1. TiO₂+ZrO₂+PbO=1:1:2

2. Al(Al₂O₃)+Zr(ZrO₂)=1:1

Таким образом, совмещение в одном процессе ЛСЛ+СВС + физическое воздействие повышает выход годных объемных изделий, расширяет спектр используемых исходных смесей порошков, а следовательно позволяет получать различные объемные изделия от интеметаллидов до сложной керамики с повышением выхода годных изделий на 20-40%.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности в технологии лазерного синтеза методом селективного лазерного спекания. Может применяться для изготовления микро-электромеханических сенсоров, пускателей, датчиков, имплантатов, фильтров, мембран, пъезодетекторов, пъезонасосов. В станке для лазерного синтеза размещают порошковую смесь исходных компонентов для СВС, взятых в соответствии со стехиометрическим составом целевых материалов, синтезируемых непосредственно под лазерным излучением. Затем проводят лазерную обработку, при которой СВС протекает в диффузионном режиме, послойно формируемого объемного изделия и извлекают его из станка. Процесс получения изделий проводят в магнитном, электрическом или ультразвуковом полях. Лазерное излучение в процессе синтеза дозируют в соответствии с минимально необходимым уровнем энергии для осуществления локального процесса СВС в пятне лазерного излучения. Способ позволяет получить изделия с высокими прочностными и улучшенными функциональными свойствами, повысить выход годного. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления объемных изделий из порошковых композиций, включающий размещение в станке для лазерного синтеза порошковой смеси исходных компонентов, взятых в соответствии со стехиометрическим составом материалов, синтезируемых под лазерным излучением, послойное формирование объемного изделия путем лазерной обработки, при которой самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) протекает в диффузионном режиме, и извлечение изделия из станка, отличающийся тем, что лазерную обработку проводят в магнитном, электрическом или ультразвуковом полях при дозе лазерного излучения, соответствующей минимально необходимому уровню энергии для осуществления локального процесса СВС в пятне лазерного излучения и спекания частиц реагирующей смеси в слое и монослоев изделия между собой.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят в магнитном поле с индукцией до 0,1 Тл.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят в электрическом поле напряженностью до 220 кВ/м.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят в ультразвуковом поле с частотой 18-22 кГц.