×
24.05.2023
223.018.6fb6

Способ создания объемного изделия на основе гетерогенного материала с заданными физико-механическими характеристиками посредством управляемого лазерного воздействия

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии лазерного синтеза объемных изделий из порошковых композиций. Может использоваться в различных областях машиностроения. На поверхность подложки наносят слои порошковой композиции, содержащей металлический порошок и армирующие керамические частицы, и проводят лазерную обработку до формирования объемного изделия. Лазерную обработку слоев проводят по заранее разработанному цифровому двойнику, обеспечивающему регулирование мощности излучения, скорости сканирования, диаметра пучка, положения фокуса, шага и траектории сканирования при температуре ниже температуры плавления керамических армирующих частиц до прохождения фазово-структурного превращения с образованием в гетерогенном материале вторичных армирующих керамических частиц нанометрового диапазона. Технический результат - получение объемного изделия с заданным уровнем физико-механических свойств. 2 ил., 2 пр.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к технологии лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ) из порошковых композиций со специальными физико-химическими свойствами и может найти применение в различных областях машиностроения.

Известно изобретение (CN 111992715, опубл. 2020.11.27), в котором раскрывается способ производства добавки к титановому сплаву, в основе которого лежит механическое и металлургическое изменение материала на поверхности вследствие протекания химической реакции, что осуществляется под действием лазерного излучения, в результате чего получается деталь из титанового сплава высокой плотности.

Недостатком данного способа является отсутствие алгоритма по созданию объемного материала с неоднородными физико-химическими свойствами и отсутствие алгоритма по управлению физико-химическими свойствами в процессе получения конечной детали.

Известен метод селективного лазерного спекания (СЛС) порошковых композиций (US 4938816, опубл. 03.07.1990) для выборочного спекания слоя порошка для изготовления детали, содержащей множество спеченных слоев. Устройство включает компьютер, управляющий лазером, который направляет лазерную энергию на порошок для получения спеченной массы. Компьютер либо определяет, либо программирует границы желаемых областей поперечного сечения детали. Наносится порошок, и последовательные слои спекаются до тех пор, пока не будет сформирована законченная деталь.

Недостатком данного способа является отсутствие учета структурно-фазовых преобразований в процессе получения итоговой конечной детали и отсутствие алгоритма по управлению физико-химическими свойствами получаемой детали.

Наиболее близким по технической сущности является способ лазерного синтеза объемных изделий, описанный в патенте (RU 2212982, опубл. 27.09.2003), способ включает подачу порошковой композиции и лазерную обработку слоев формируемого объемного изделия, причем пространственно-переменные, заранее заданные свойства материала в объеме изделий получают в первом варианте путем управляемой подачи порошковых композиций переменного состава в зону лазерной обработки, а во втором - путем динамического изменения параметров лазерной обработки от слоя к слою, например, мощности лазерного излучения, скорости, способа сканирования.

Недостатком способа по прототипу является то, что при получении итоговой конструкции отсутствует алгоритм по управлению физико-химическими свойствами конечной неоднородной структуры с учетом происходящих в процессе ее получения структурно-фазовых преобразований.

Задачей заявляемого изобретения является создание объемного изделия на основе гетерогенного материала с заданными физико-механическими характеристиками на основе структурно-фазовых преобразований.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение объемного изделия с заданными улучшенными физико-механическими свойствами посредством управляемого лазерного воздействия.

Для решения данной задачи используется цифровой двойник - это цифровая модель получаемого изделия, моделирующая физико-механические свойства оригинала и его поведение в условиях нагружения.

Технический результат достигается тем, что реализуется способ создания объемного изделия на основе гетерогенного материала с заданными физико-механическими свойствами из порошковых композиций с помощью управляемой лазерной обработки, включающий нанесение слоев порошковых композиций с заданными свойствами на поверхность подложки и их лазерную обработку до формирования слоев объемного изделия. Согласно этому способу, лазерную обработку слоев проводят по заранее разработанному цифровому двойнику, предсказывающему структурно-фазовый состав и новые физико-механические свойства полученного материала объемного изделия с учетом заданной порошковой композиции, посредством цифрового двойника осуществляют регулирование оптимальных режимов лазерного воздействия: мощности излучения, скорости перемещения размера фокального пятна, положения фокуса, шага, траектории сканирования, при этом обеспечивают температуру воздействия на порошковую композицию ниже температуры плавления ее армирующих частиц, и лазерная обработка ведется до формирования структурно-фазового превращения с образованием новых вторичных армирующих частиц в нанометровом диапазоне в гетерогенном материале во всем объеме полученного изделия.

Для заявляемого изобретения характерны следующие отличительные признаки: объемное изделие формируется с учетом заранее разработанного цифрового двойника, предсказывающему структурно-фазовый состав и новые физико-механические свойства полученного материала объемного изделия с учетом заданной исходной порошковой композиции, включающей в своем составе керамические частицы (армирующие частицы). Посредством цифрового двойника осуществляется регулирование оптимальных режимов лазерного воздействия: мощности излучения, скорости перемещения размера фокального пятна, положения фокуса, шага, типа сканирования и др., лазерная обработка ведется до формирования структурно-фазового преобразования с образованием новых вторичных армирующих частиц во всем объеме итогового изделия, при этом получаемые физико-механические свойства изделия определяются не исходными компонентами порошковой композиции, а синтезированными в результате химических реакций вторичными армирующими частицами, физико-механические свойства которых отличаются от исходных фаз и определяются размерами композиций в конечной структуре. Армирующие частицы в конечной структуре представляют собой конфигурацию частичек в микро- и нано-метровом диапазоне, вследствие наномасштабных микроструктурных особенностей получаемый материал обладает повышенными физико-механическими параметрами.

Технически эти условия выполняются посредством:

- подбора компонент порошковой наплавляемой смеси, которые в результате химических реакций при лазерном воздействии по диаграммам состояния образуют вторичные армирующие частицы с отличными от исходных порошков физико-механическими свойствами;

- реализации режимов лазерного воздействия (мощности излучения, скорости перемещения размера фокального пятна, положения фокуса, шага, типа сканирования и др.) эффективного протекания химических реакций для синтеза вторичных армирующих частиц, которые определяют пространственно-переменные заранее заданные свойства материала в объеме формируемого изделия, согласно поставленной задачи.

- предсказания структурно-фазового состава и физико-механических характеристик гетерогенного материала, осуществляемого с учетом разработанной математической модели, что совместно с компьютерным моделированием позволяет создать цифровой двойник материала с необходимыми свойствами.

Контроль режима лазерного воздействия и подбор исходных компонент порошковой наплавляемой смеси приводит к гетерогенному материалу, представляющему собой металлическую матрицу с керамическими композициями (с армирующими частицами) определенного типа, концентрацией и размерами, что является следствием синтеза новых, вторичных армирующих частиц в результате протекания химических реакций между исходными элементами порошковой смеси.

Образованные вторичные фазы отличаются от исходных фаз физико-механическими свойствами и определяются размерами в конечной структуре, что влияет на физико-механические свойства получившейся гетерогенной структуры.

Для прогнозирования состава и упругих свойств конечного получающегося гетерогенного материала разработана математическая модель, которая опирается на статью (Мишин А.В., Фомин В.М. Исследование упругих свойств материала, полученного методом холодного газодинамического напыления с лазерной обработкой // Прикладная механика и техническая физика. 2021. Т. 6).

Оценка упругих свойств для двухфазной среды приводит к эффективным коэффициентам упругости K**, описывающим гетерогенную среду

где с1 - объемная концентрация фазы керамики (с12=1), Ki, μi - объемный и сдвиговый модули фазы i. Учет эволюции объемной концентрации фазы керамики представляется соотношением

где параметр Г содержит члены, которыми характеризуется протекание химической реакции и процесс растворения. Параметр Г посредством зависимости от температуры определяет подаваемую на систему энергии. Управляя временем процесса Δt, объемная концентрация керамики уменьшится со значения с10 до значения c1(Δt).

Рассматривая частицы керамики в виде шаров, их радиус в результате процесса уменьшится от R0 до R(Δt), что можно связать с концентрацией

.

при неизменном числе частиц керамики М0. Показана возможность управления упругими свойствами гетерогенного материала, обладающего развитой микроструктурой, отличающейся от традиционных гетерогенных сред с механической смесью фаз, что является следствием протекания химических реакций и процесса растворения. Зависимость представленных эффективных коэффициентов упругости K*, μ* от времени следует рассматривать как смену стационарных состояний.

Фаза керамики и вторичные композиции в конечной структуре представляют собой конфигурацию частичек в микро- и нано-метровом диапазоне, что является следствием реализации комплексного физико-химического процесса вследствие подаваемой на систему энергии лазерного излучения.

Нанометровый диапазон частиц керамики имеет ключевую прикладную важность, т.к. материал в этих масштабах обладает лучшими упругими и прочностными качествами относительно микрометровых масштабов. Вследствие микроструктурных особенностей (вплоть до наномасштаба), получаемый материал обладает повышенными физико-механическими параметрами.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Порошки предварительно просеивались на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Для приготовления порошковых смесей использовался титановый наплавочный порошок ВТ6 на основе (Ti, Al, V) сплава с размером фракции<45 мкм, который механически смешивали с порошком карбида бора (В4С) с размером фракции<63 мкм до равномерного распределения. Составлялись металлокерамические порошковые смеси с концентрацией керамики 0, 2, 4, 6, 8, 10, 15, 20% масс.Формирование объемного изделия осуществлялось путем воздействия непрерывного расфокусированного излучения С02-лазера по поверхности наносимых слоев порошковой смеси на порошковую металло-керамическую смесь. На первом этапе проводилась оптимизация лазерного воздействия на порошковую смесь для нахождения режима эффективного переплавления единичного слоя на подложку с отсутствием дефектов. На следующих этапах наносились и переплавлялись последующие слои порошковой смеси системы ВТ6-В4С с использованием оптимальных режимов (диаметр пучка dЛ=2,5 мм, мощность ЛИ Р=1000 Вт, скорость сканирования v=16,7 мм/с) с формированием вторичных фазовых соединений типа TiB, TiB2, TiC в формируемом материале.

В результате лазерного воздействия керамические частицы окружены вторичными фазами (вискерами и субмикронными частицами), образованными в результате экзотермической реакции между карбидом бора и титаном (см. фиг. 1). При более детальном анализе структуры на наноуровне (см. фиг. 2) видно, что на субмикронном уровне структура становится неоднородной, она содержит богатый набор вторичных фаз различного размера и различного химического состава. Представленные иллюстрации структур показывают различие локальных структур наплавленного слоя. Видно наличие светлых и серых частиц в очень широком диапазоне размеров от субмикронных до десятка микрон, в которых преобладают тяжелые элементы, в нашем случае это могут быть фазы TiB, TiB2 и TiC. Кроме этого наблюдаются темные частицы также в широком диапазоне размеров, в которых должны преобладать легкие элементы. Появление вторичных фазовых соединений способствует улучшению физико-механических свойств (в данном случае упругих и прочностных свойств). В результате использования найденных оптимальных режимов лазерного воздействия на порошковую смесь ВТ6-В4С достигались изменения структурно-фазового состава и физико-механических свойств материала в плоскости, параллельной направлению послойного роста изделия.

Пример 2. Порошки предварительно просеивались на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Для приготовления порошковых смесей использовался никелевый наплавочный порошок на основе (Ni, Cr, Si, В) сплава с размером фракции <63 мкм, который механически смешивали с порошком карбида вольфрама (WC) с размером фракции <63 мкм до равномерного распределения. Составлялись металлокерамические порошковые смеси с концентрацией керамики 20, 40, 60% масс. Формирование объемного изделия осуществлялось путем воздействия непрерывного расфокусированного излучения С02-лазера по поверхности наносимых слоев порошковой смеси. На первом этапе проводилась оптимизация лазерного воздействия на порошковую смесь для нахождения режима эффективного переправления единичного слоя на подложку с отсутствием дефектов. На следующих этапах наносились и переплавлялись последующие слои порошковой смеси системы NiCrSiB - WC с использованием оптимальных режимов (диаметр пучка dл=2 мм, мощность ЛИ Р=1000 Вт, скорость сканирования v=13,3 мм/с) с формированием вторичных фазовых соединений типа W2C, Cr5 В3, Cr23C6 в формируемом материале. В результате использования найденных оптимальных режимов лазерного воздействия на порошковую смесь NiCrSiB - WC достигались изменения структурно-фазового состава (см. фиг. 1 и фиг. 2) и физико-механических свойств материала.

Способ получения объемного изделия из гетерогенного материала, содержащего металлическую матрицу и керамические армирующие частицы, путем управляемой лазерной обработки, включающий нанесение слоев порошковой композиции, содержащей металлический порошок и армирующие керамические частицы, на поверхность подложки и их лазерную обработку до формирования объемного изделия, отличающийся тем, что лазерную обработку слоев проводят по заранее разработанному цифровому двойнику, обеспечивающему регулирование таких режимов лазерного воздействия, как мощность излучения, скорость сканирования, диаметр пучка, положения фокуса, шаг и траектория сканирования, при этом лазерную обработку ведут при температуре ниже температуры плавления керамических армирующих частиц до прохождения фазово-структурного превращения с образованием в гетерогенном материале вторичных армирующих керамических частиц нанометрового диапазона, отличающихся от исходных керамических частиц физико-механическими свойствами, во всем объеме изделия.
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 39.
10.02.2013
№216.012.2509

Узел кольцевого ввода порошкового материала электродугового плазмотрона

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно обработки порошковых материалов (напыление и наплавка покрытий; сфероидизация, испарение и плазмохимическая обработка частиц порошковых материалов) и может найти применение в металлургии, плазмохимии и машиностроительной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474983
Дата охранного документа: 10.02.2013
10.08.2013
№216.012.5d5a

Способ напыления покрытия на изделие из натурального камня или из металлического материала и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам напыления покрытий на поверхности изделий холодным газодинамическим напылением, в том числе на поверхности художественных изделий и объемных форм из натурального камня или из металлического материала. Осуществляют формирование сверхзвукового...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489519
Дата охранного документа: 10.08.2013
10.09.2013
№216.012.692b

Многофункциональная магнитогидродинамическая (мгд) машина

Изобретение относится к области электротехники и энергомашиностроения, а именно к энергопреобразующим устройствам роторного типа. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, задачей которого является создание многофункциональной магнитогидродинамической (МГД)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492570
Дата охранного документа: 10.09.2013
10.11.2013
№216.012.7e01

Способ пиролиза углеводородного сырья

Изобретение относится к термическому пиролизу углеводородного сырья и может быть использовано в нефтехимической промышленности. Изобретение касается способа пиролиза углеводородного сырья, включающего генерацию высокотемпературного потока теплоносителя путем сжигания в камере сгорания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002497930
Дата охранного документа: 10.11.2013
10.11.2013
№216.012.7fb5

Устройство для визуализации фазовых неоднородностей

Изобретение относится к оптике для визуализации фазовых (прозрачных) объектов и может быть использовано при исследовании газовых потоков, контроля качества оптических элементов. Устройство содержит одномодовый лазер, объектив, самонаводящийся фильтр Цернике, установленный в задней фокальной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002498366
Дата охранного документа: 10.11.2013
27.01.2014
№216.012.9bec

Устройство газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий

Изобретение относится к устройству газодинамического нанесения покрытий на внешние цилиндрические поверхности изделий и может быть использовано в машиностроении и других областях хозяйства. Устройство содержит питатель-дозатор, систему подачи рабочего газа и порошка в форкамеру (1), узел...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002505622
Дата охранного документа: 27.01.2014
10.02.2014
№216.012.a038

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов. Технический результат - упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки. Электродуговой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506724
Дата охранного документа: 10.02.2014
27.06.2014
№216.012.d61d

Способ снижения уровня звукового удара летательного аппарата (ла)

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам снижения уровня звукового удара от сверхзвукового летательного аппарата (ЛА). Способ снижения звукового удара включает воздействие на набегающий газовый поток перед ЛА источником энергоподвода, например лазерным...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002520591
Дата охранного документа: 27.06.2014
27.12.2014
№216.013.13d4

Устройство адиабатического сжатия (варианты)

Изобретение относится к устройствам для реализации метода адиабатического сжатия газов и предназначено для проведения исследований условий и кинетики химических реакций в газовой фазе в широком диапазоне параметров. Устройство по одному из вариантов содержит цилиндрический реакторный модуль 1 с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002536500
Дата охранного документа: 27.12.2014
10.04.2015
№216.013.3e82

Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ синтеза наноразмерных частиц порошка диоксида титана включает газофазную реакцию галогенида титана и кислорода в канале плазменного реактора и последующее охлаждение продуктов реакции в закалочном узле. Пары тетрахлорида...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002547490
Дата охранного документа: 10.04.2015
Показаны записи 1-10 из 18.
10.02.2014
№216.012.9ebd

Способ получения медного покрытия на керамической поверхности газодинамическим напылением

Изобретение относится к способу получения адгезионно-прочных медных покрытий на керамической поверхности с использованием газодинамического напыления. Проводят предварительное напыление подслоя из оксида меди (1) с последующим напылением медного покрытия и термическую обработку покрытия....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506345
Дата охранного документа: 10.02.2014
27.02.2014
№216.012.a5c9

Способ разделения многокомпонентной парогазовой смеси

Способ разделения многокомпонентной парогазовой смеси относится к химической, нефтехимической, газовой промышленности и может быть использован при извлечении или концентрировании одного или нескольких целевых компонентов из многокомпонентной парогазовой смеси, например гелия из природного газа....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002508156
Дата охранного документа: 27.02.2014
10.08.2014
№216.012.e8a6

Способ обеспечения устойчивости башенных кранов и устройство для его реализации

Изобретение относится к области подъемно-транспортного машиностроения. Для обеспечения устойчивости башенного крана закладывают значения собственных частот колебаний башенного крана, полученные предварительно из модального анализа, в память контроллера (1). В процессе работы с помощью...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002525351
Дата охранного документа: 10.08.2014
10.10.2014
№216.012.fa19

Адаптивный регулятор сварочного тока

Изобретение относится к области электротехники, а именно к сварочному оборудованию, в частности к управлению сварочными инверторами. Технический результат заключается в снижении дисперсии силового тока и снижении обрыва дуги и технологических коротких замыканий. Для этого заявленное устройство...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529871
Дата охранного документа: 10.10.2014
27.02.2015
№216.013.2c76

Способ обеспечения устойчивости башенных кранов от опрокидывания

Изобретение относится к области подъемно-транспортного машиностроения. Для обеспечения устойчивости башенных кранов от опрокидывания создают базу данных максимальных скоростей ветра в районе установки крана. На их основе предварительно обучают алгоритм нейронной сети в стационарных условиях....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542850
Дата охранного документа: 27.02.2015
13.01.2017
№217.015.6b19

Способ лечения артериальной гипертензии путем ингаляционного введения аэрозоля гипотензивного препарата

Изобретение относится к медицине, в частности к способу лечения артериальной гипертензии у млекопитающих, включая людей, и может быть использовано для экстренного лечения острых гипертонических состояний, например гипертонического криза. Согласно предлагаемому способу осуществляют ингаляционное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002593016
Дата охранного документа: 27.07.2016
19.01.2018
№218.016.0901

Дисковый насос трения для перекачки жидкостей

Изобретение относится к дисковым насосам трения для перекачки жидкостей, в частности в кардиохирургии для создания вспомогательного насоса поддержки кровообращения для лечения терминальной сердечной недостаточности. Насос содержит корпус, внутри которого установлен с возможностью вращения пакет...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002631854
Дата охранного документа: 26.09.2017
20.01.2018
№218.016.1bcb

Способ выделения растворенных газов из перекачиваемой жидкости и устройство для его реализации (варианты)

Изобретение относится к насосостроению и предназначено для перекачки различных сред, например, для выделения воздуха, растворенного в воде. Выделение растворенных газов из перекачиваемой жидкости методом понижения давления в потоке газа с использованием явления кавитации выполняется благодаря...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002636732
Дата охранного документа: 27.11.2017
13.02.2018
№218.016.29ae

Микросферическая газопроницаемая мембрана и способ ее получения

Изобретение относится к области диффузионно-мембранных технологий, направлено на получение селективных мембран и может быть использовано в газоперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности для извлечения и концентрирования целевых компонентов, например гелия и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002443463
Дата охранного документа: 27.02.2012
23.02.2019
№219.016.c775

Способ изготовления функциональной поверхности

Изобретение относится к способу изготовления функциональной поверхности и может быть использовано в машиностроении, например, для формирования отражающих и других металлосодержащих покрытий. Осуществляют газодинамическое напыление порошковым материалом с размером частиц 0,01-50 мкм из выбранных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002353706
Дата охранного документа: 27.04.2009
+ добавить свой РИД