СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОПОРИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ Российский патент 2024 года по МПК B22F10/28 B22F10/38 B22F3/105 B33Y10/00 

Изобретение относится к области получения пористых металлов, в частности к способу изготовления микропористого металла с помощью технологии селективного лазерного плавления (SLM).

Из уровня техники известен способ изготовления пористых отливок, описанный в полезной модели «Устройство для изготовления пористых отливок вакуумной пропиткой» (патент RU 128136 U1), включающий заполнение литейной формы наполнителем, его уплотнение, вакуумирование, нагревание, заполнение литейной формы жидким металлом под давлением и последующая термодеструкция и экстракция наполнителя, образующая пористое строение формируемой отливки.

Также известен способ получения пористых отливок (патент SU 1814247 A1), включающий заполнение литейной формы наполнителем, его уплотнение, нагрев, заполнение литейной формы жидким металлом под давлением и последующее экстрагирование наполнителя, при этом, с целью получения структуры отливки с разноплотностью менее 2%, литейную форму перед заполнением металлом вакуумируют, а давление поддерживают на уровне, определяемом по формуле 2-3⋅10^-7 σ_ж⋅cosθ_p/r, МПа, где σ_ж - поверхностное натяжение жидкого металла, мН/м; θ_p - равновесный угол смачивания металлом поверхности наполнителя, град; r - минимальный размер пор в наполнителе, м.

Недостатком известных способов является сравнительно большой размер микропор (400 мкм), простая геометрическая форма (стержень, плита, цилиндр и т.п.) изготовленных отливок, поскольку отливка со сложной геометрией может не пропитаться полностью.

Наиболее близким к заявленному способу является способ формирования пористости для селективного лазерного аддитивного производства (патент CN 111036902 A), в котором порошок металлического сплава расплавляется в двумерном сечении после нарезки трехмерной модели с помощью высокоэнергетического лазерного луча из SLM 3D принтера, при одновременном линейном снижении мощности лазера и скорости сканирования SLM 3D принтера до 10% - 30% от обоих заданных значений, при сохранении постоянного шага сканирования. 3D целевой продукт в виде блока пористой металлической ткани получается путем печати слой за слоем снизу вверх. Известное изобретение использует SLM 3D печать для получения металлических пористых материалов, превращая обработку целевого продукта в процесс аддитивного производства, чтобы достичь нулевой потери сырья, избегая блокировки микропористости, обеспечивая производительность обработанного продукта;

Данный способ получения пористых отливок взят за прототип.

В описании способа указано, что пористые материалы имеют большое количество направленных или случайно распределенных пор диаметром от 2 мм до 3 мм, а также высокую объемную пористость от 40% до 60%. Этот метод спекания невозможно использовать для получения микропористых металлических деталей сложной геометрической формы с радиусом пор от 1 мкм до 50 мкм. Временные затраты в прототипе сопоставимы с изготовлением цельнометаллической детали, поскольку мощность и скорость лазера уменьшены до 10% - 30% от исходных значений.

Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ изготовления микропористого металла сложной геометрической формы с помощью технологии селективного лазерного плавления (SLM), включающий расплавление порошка металлического сплава с помощью высокоэнергетического лазерного луча согласно трехмерной поверхностной модели отливки в виде объемной замкнутой сетки, полученной при помощи SLM 3D печати.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение способа изготовление микропористых металлических деталей сложной геометрической формы.

Способ изготовления микропористых металлических деталей сложной геометрической формы с помощью технологии селективного лазерного плавления производится следующими этапами:

1. С помощью системы автоматизированного проектирования (например, Solidworks, CATIA) создается (конструируется) виртуальная 3D модель детали (фиг. 1). Конструкция 3D модели должна быть внутри пустотелой с сетчатой поверхностью. При этом ячейки сетки, в общем случае, должны иметь размер меньше диаметра частиц металлического порошка используемого в 3D принтере (диаметр частиц порошка составляет 50÷100 мкм). При построении сетки необходимо учитывать, что в процессе изготовления детали по технологии SLM вблизи зоны плавления имеется зона частичного расплавления, которая зависит от теплопроводности металла и времени воздействия лазерного луча. Металлический порошок представляет собой один из порошков алюминиевого сплава, порошка сплава на основе титана или порошка медного сплава.

2. Виртуальная 3D модель детали загружается в 3D принтер. Процесс изготовления идет послойно, сначала валик разравнивает тонким слоем порошок, при этом толщина слоя определяется настройками принтера, затем с помощью высокоэнергетического лазерного луча выборочно, согласно виртуальной 3D модели детали, расплавляется металлический порошок, образуя объемную сетчатую деталь 1 (фиг. 2)..

3. Деталь достают из 3D принтера и очищают от остатков металлического порошка, при этом внутри детали остается заневоленный металлический порошок 2.

4. Деталь отжигают в среде защитного газа или вакуума для устранения термических напряжений, при этом происходит диффузионная сварка порошка внутри детали. Радиус микропор составит от 1 мкм до 50 мкм.

Высокие характеристики в передаче жидкости обеспечиваются диффузионно сваренным порошком, а прочность конструкции обеспечивается объемной металлической сеткой. Данный способ позволяет достичь высокой скорости изготовления микропористых металлических деталей, нулевой потери сырья, избегать блокировки микропористости.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению микропористого металла путем селективного лазерного плавления. Проводят послойное выборочное сплавление металлического порошка с помощью высокоэнергетического лазерного луча с формированием детали с сетчатой поверхностью. Деталь формируют в виде объемной металлической сетки, заполненной порошком, причем размер ячейки сетчатой поверхности меньше диаметра частиц порошка. Полученную деталь отжигают в среде защитного газа или вакуума с обеспечением диффузионной сварки частиц порошка. Обеспечивается высокая скорость изготовления микропористых металлических деталей, нулевая потеря сырья, исключение блокировки микропористости. 2 ил.

Способ изготовления микропористых металлических деталей сложной геометрической формы путем селективного лазерного плавления, включающий послойное выборочное сплавление металлического порошка с помощью высокоэнергетического лазерного луча с формированием детали с сетчатой поверхностью, отличающийся тем, что формируют деталь в виде объемной металлической сетки, заполненной порошком, причем размер ячейки сетчатой поверхности меньше диаметра частиц порошка, и отжигают полученную деталь в среде защитного газа или вакуума с обеспечением диффузионной сварки частиц порошка.