Полученные результаты и их обсуждение
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
|
| ||||
|
| ||||
| ИНСТИТУТ | Новых материалов и нанотехнологий | |||
| КАФЕДРА | Металловедения и физики прочности | |||
| НАПРАВЛЕНИЕ | 22.03.01 - Материаловедение и технологии материалов | |||
|
|
| |||
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине
| Методы вычислительной физики |
На тему:
Синтез сингл-треков и подбор режимов селективного лазерного сплавления системы AlSiMgCu/Квазикристалл
Студент_____________________________________________________ __Жураев У.Р.
Группа _________________________________________________________ БМТМ-17-1
Преподаватель _____________________________________________Мильниченко А.С.
Допуск к защите ___________________________________________________________
Москва 2021
Оглавление
1 Введение и постановка задачи исследования. 3
2 Материалы и методики исследования. 5
3 Полученные результаты и их обсуждение. 7
4 Выводы.. 13
5 Список использованных источников. 14
Введение и постановка задачи исследования
Квазикристалл представляет собой интерметаллидное соединение дальнего порядка, но без трансляционной периодичности. Подобные соединения впервые были обнаружены Шехтманом и др. в 1984 г. и на сегодняшний день разработано более сотни видов квазикристаллов с различным промышленным применением. Квазикристаллы известны своей высокой прочностью и твердостью, низким коэффициентом трения, высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью [1,2]. Однако из-за их высокой хрупкости при комнатной температуре применение квазикристаллов ограничено их низкой обрабатываемостью при использовании традиционных методов производства. Поэтому изготовление деталей любой необходимой сложной и формы из материалов содержащих квазикристаллы является важной проблемой и актуальной задачей [3].
|
|
|
Одним из возможных способов расширения возможностей применения квазикристаллов и получения выгоды от их свойств является их использование в качестве упрочняющей добавки в композитных материалах с металлической матрицей (MMC). При этом возможно получение комбинированных свойств: высокая твердость и прочность квазикристаллов и высокая пластичность и обрабатываемость материала матрицы.
Селективное лазерное сплавление (SLM) как метод производства MMC имеет очевидные преимущества. Среди них: производство 3D-компонентов с индивидуальной геометрией, дисперсная микроструктура получаемых деталей из-за высокой скорости охлаждения процесса SLM, что приводит к более высоким механическим свойствам. Более того, упрочняющие фазы и частицы также могут быть сформированы in situ, т.е. в процессе изготовления ММС [1,4]. Таким образом, разработка композиционных материалов на основе алюминия, упрочненных квазикристаллами посредством метода SLM, может быть интересна для производства легких металлических компонентов с низкой плотностью и высокой износостойкостью, которые могут быть использованы, например, в автомобильной и авиационной промышленности [5].
|
|
|
В данном исследовании, для упрочнения частицами квазикристаллов, была выбрана матрица на основе алюминиевого сплава из-за ее низкой плотности и потенциальной возможности in situ реакций между матрицей и квазикристаллами. Алюминиевый сплав выступал в качестве материала матрицы для получения высокой прочности границ раздела между упрочняющими частицами и матрицей [2,6]. Текущие исследования направлены на изучение оптимальных параметров SLM для экспериментального состава нового порошка AlSi10MgCu с различным содержанием добавки квазикристаллов. Целью данной работы является выбор оптимального режима печати с учетом ограниченного количества доступного материала на основе исследования формирования единичных треков (сингл-треков) с исследованием их микроструктуры и микротвердости. Этот метод является отличным способом быстрого исследования поведения новых составов для SLM и изучения влияния параметров на геометрические характеристики ванны расплава.
|
|
|
Материалы и методики исследования
Исходными порошками для изготовления образцов были:
- сплав AlSi10MgCu (химический состав: 87% Al, 10,7% Si, 0,5% Mg, 0,7% Cu, 0,5% Mn, 0,2% Ti, 0,3% Fe и не более 0,1% примесей). Средний размер частиц D50 = 40 мкм. Порошок был получен методом раснапыления расплавленного металла в газовой струе.
- порошок квазикристалла Al45Cu33Fe22 со средним размером частиц D50 = 35 мкм.
Перед проведением селективного лазерного сплавления два типа порошка смешивали с концентрацией квазикристаллов в матрице 1%, 4% и 8%. Смешение происходило в барабанном смесителе в течение 120 минут с последующей сушкой при 80 °C в течение 4 часов.
Для проведения селективного лазерного сплавления использовался 3D-принтер SLM Solutions 280 HL. В качестве материала подложки использовался алюминиево-магниевый сплав марки АМг5 (химический состав: 94% Al, 5% Mg, 0,5% Mn, 0,2% Si и не более 0,1% других примесей). Размер лазерного пятна (ЛП) при печати составлял 80 мкм. Все образцы были синтезированы в атмосфере азота, остаточное содержание кислорода в рабочей зоне было менее 0,2 % для всех типов образцов. Слой порошка толщиной 100 мкм и один проход лазерным лучом использовали для формирования одиночных треков сканирования длиной 100 мм.
|
|
|
Сканирующую электронную микроскопию (SEM) и определение характеристик порошков проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA 3 с рентгеновским энергодисперсионным спектрометром (EDX) NORAN и приставкой для картирования элементов. Оптическую микроскопию (ОМ) сканирующих одиночных треков проводили на микроскопе ZEISS Axio Observer Z1. Микротвердость образцов измеряли на микротвердомере Tukon 1102. Микротвердость измеряли при нагрузке 0,025 Н и времени вдавливания 10 секунд.
Полученные результаты и их обсуждение
Таблица 1 - сингл-треки, синтезированные с использованием алюминиевого сплава AlSi10MgCu с добавкой различных концентраций квазикристаллов Al45Cu33Fe22
| Концентрация квазикристалла в порошке, % | Режим № | Мощность лазера (P), Вт | Скорость сканирования (V), мм/с | Микро- твердость HV | Ширина сингл-трека, мкм | Глубина сингл-трека, мкм |
| 1 | 1 | 370 | 1650 | 207,6 | 150 | 28 |
| 1 | 2 | 370 | 1450 | 217,8 | 155 | 54 |
| 1 | 3 | 370 | 1250 | 201,2 | 187 | 62 |
| 1 | 4 | 370 | 1050 | 155,3 | 108 | 63 |
| 1 | 5 | 370 | 850 | 143,0 | 203 | 117 |
| 1 | 6 | 300 | 1650 | 173,6 | 68 | 17 |
| 1 | 7 | 300 | 1450 | 186,7 | 167 | 53 |
| 1 | 8 | 300 | 1250 | 184,9 | 161 | 50 |
| 1 | 9 | 300 | 1050 | 178,0 | 168 | 53 |
| 1 | 10 | 300 | 850 | 123,6 | 204 | 86 |
| 1 | 11 | 250 | 1650 | 158,9 | 102 | 24 |
| 1 | 12 | 250 | 1450 | 150,0 | 91 | 28 |
| 1 | 13 | 250 | 1250 | 165,8 | 139 | 35 |
| 1 | 14 | 250 | 1050 | 166,3 | 55 | 10 |
| 1 | 15 | 250 | 850 | 179,7 | 139 | 42 |
| 4 | 1 | 370 | 1650 | 216,7 | 81 | 22 |
| 4 | 2 | 370 | 1450 | 181,2 | 97 | 22 |
| 4 | 3 | 370 | 1250 | 194,2 | 168 | 69 |
| 4 | 4 | 370 | 1050 | 177,2 | 247 | 80 |
| 4 | 5 | 370 | 850 | 154,2 | 260 | 121 |
| 4 | 6 | 300 | 1650 | 188,3 | 77 | 16 |
| 4 | 7 | 300 | 1450 | 199,7 | 121 | 26 |
| 4 | 8 | 300 | 1250 | 200,9 | 194 | 50 |
| 4 | 9 | 300 | 1050 | 189,1 | 193 | 50 |
| 4 | 10 | 300 | 850 | 176,5 | 187 | 100 |
| 4 | 11 | 250 | 1650 | 188,5 | 144 | 51 |
| 4 | 12 | 250 | 1450 | 197,5 | 129 | 41 |
| 4 | 13 | 250 | 1250 | 187,3 | 187 | 43 |
| 4 | 14 | 250 | 1050 | 186,1 | 106 | 19 |
| 4 | 15 | 250 | 850 | 186,6 | 111 | 28 |
| 8 | 1 | 370 | 1650 | 235,45 | 171 | 45 |
| 8 | 2 | 370 | 1450 | 179,2 | 201 | 81 |
| 8 | 3 | 370 | 1250 | 191,35 | 172 | 49 |
| 8 | 4 | 370 | 1050 | 139,95 | 163 | 45 |
| 8 | 5 | 370 | 850 | 174,8 | 263 | 100 |
| 8 | 6 | 300 | 1650 | 200,3 | 120 | 22 |
| 8 | 7 | 300 | 1450 | 208,65 | 158 | 49 |
| 8 | 8 | 300 | 1250 | 196,5 | 194 | 59 |
| 8 | 9 | 300 | 1050 | 202,65 | 114 | 39 |
| 8 | 10 | 300 | 850 | 162,05 | 166 | 60 |
| 8 | 11 | 250 | 1650 | 191,6 | 144 | 31 |
| 8 | 12 | 250 | 1450 | 193 | 91 | 63 |
| 8 | 13 | 250 | 1250 | 194,25 | 149 | 42 |
| 8 | 14 | 250 | 1050 | 195,4 | 151 | 29 |
| 8 | 15 | 250 | 850 | 195,2 | 160 | 51 |
3D–принтер: SLM Solutions 280 HL
Лазерное пятно (LS): 80 мкм
Толщина слоя: 100 мкм
Результаты сканирующей электронной микроскопии для композита, полученного механическим смешиванием порошка с частицами квазикристаллов, показаны на рисунке 1. Можно заметить, что все частицы алюминиевого порошка имеют квазисферическую форму. Таким образом метод, использованный для получения композиционного порошка, не повреждает исходные частицы алюминиевого порошка. Анализ картирования EDX показал, что армирующие частицы квазикристалла имели нормальное распределение в структуре композита. Можно отметить, что введение частиц несферической формы в расплавленный распыляемый порошок приводит к снижению его текучести [7], что является одним из ключевых свойств процессов SLM. Однако в настоящей работе рассматривалась только печать сингл-треков, а влияние добавки квазикристаллов на текучесть не исследовалось. На основании полученных результатов по размеру и геометрии частиц, исходный порошок пригоден для селективного лазерного сплавления.
Параметры печати SLM для одиночных треков выбирались и варьировались в следующих диапазонах: мощность лазера P = 250–370 Вт и скорость сканирования V = 850–1650 мм/с. Влияние параметров печати было изучено с использованием линейной плотности энергии (LED, Дж/мм), рассчитанной по уравнению (1):
| (1) |
где P - мощность лазера (Вт), а V - скорость сканирования (мм/с).
Таблица 2 – Расчет линейной плотности энергии (LED)
| Мощность лазера (P), Вт | Скорость сканирования (V), мм/с | LED, Дж/мм |
| 370 | 1650 | 0,22 |
| 370 | 1450 | 0,26 |
| 370 | 1250 | 0,3 |
| 370 | 1050 | 0,35 |
| 370 | 850 | 0,44 |
| 300 | 1650 | 0,18 |
| 300 | 1450 | 0,21 |
| 300 | 1250 | 0,24 |
| 300 | 1050 | 0,29 |
| 300 | 850 | 0,35 |
| 250 | 1650 | 0,15 |
| 250 | 1450 | 0,17 |
| 250 | 1250 | 0,2 |
| 250 | 1050 | 0,24 |
| 250 | 850 | 0,29 |
| 370 | 1650 | 0,22 |
| 370 | 1450 | 0,26 |
| 370 | 1250 | 0,3 |
| 370 | 1050 | 0,35 |
| 370 | 850 | 0,44 |
| 300 | 1650 | 0,18 |
| 300 | 1450 | 0,21 |
| 300 | 1250 | 0,24 |
| 300 | 1050 | 0,29 |
| 300 | 850 | 0,35 |
| 250 | 1650 | 0,15 |
| 250 | 1450 | 0,17 |
| 250 | 1250 | 0,2 |
| 250 | 1050 | 0,24 |
| 250 | 850 | 0,29 |
| 370 | 1650 | 0,22 |
| 370 | 1450 | 0,26 |
| 370 | 1250 | 0,3 |
| 370 | 1050 | 0,35 |
| 370 | 850 | 0,44 |
| 300 | 1650 | 0,18 |
| 300 | 1450 | 0,21 |
| 300 | 1250 | 0,24 |
| 300 | 1050 | 0,29 |
| 300 | 850 | 0,35 |
| 250 | 1650 | 0,15 |
| 250 | 1450 | 0,17 |
| 250 | 1250 | 0,2 |
| 250 | 1050 | 0,24 |
| 250 | 850 | 0,29 |
Микроструктура поперечного сечения наиболее репрезентативных сингл-треков в различных диапазонах LED представлен на рисунке 2. В соответствии с геометрией получившихся сингл-треков были выбраны три основных диапазона процесса: LED = 0,15-0,2 Дж / мм, LED = 0,21-0,3 Дж. / мм и LED> 0,35 Дж / мм. Оказалось, что для разных порошков с различной концентрацией квазикристаллов, геометрические характеристики имеют схожий характер, и общая ширина трека увеличивается с увеличением LED, достигая стабильного значения в диапазоне 0,21-0,3 Дж / мм, а затем снова увеличивается (рисунок 3 (а)). Морфология отдельных треков зависит от параметров применяемого лазера за счет изменения термодинамических и кинетических характеристик ванны расплава.
Рисунок 1 - SEM и EDX картирование исходного порошкового композита после механического перемешивания
Сингл-треки в диапазоне LED 0,15-0,2 Дж/мм не были проплавлены полностью и характеризуются малой глубиной проникновения в подложку из-за низкой смачиваемости и высокой вязкости расплава. С другой стороны, при LED более 0,35 Дж/мм наблюдались слишком глубокие бассейны расплава с присутствием дефектов и пор в структуре из-за слишком высокой температуры ванны расплава. Исследование снимков поперечного сечения показало, что наиболее подходящие параметры SLM для печати порошка AlSi10MgCu, армированного квазикристаллами, находятся в диапазоне LED 0,21-0,3 Дж/мм. При подобных параметрах наблюдаются оптимальные характеристики ванны расплава и смачивания материала.
Рисунок 2 - Оптическая микроскопия поперечного сечения полученных отдельных треков в зависимости от параметра LED
Описанный выше механизм подтверждается результатами измерения микротвердости на поперечных сечениях, которые представлены на рисунке 3 (б). Микротвердость композитов с разным содержанием квазикристаллов непрерывно увеличивалась от 159 HV до 235 HV с увеличением LED от 0,15 до 0,23 Дж / мм. При последующем увеличении LED до 0,31 Дж / мм наблюдались лишь незначительные изменения микротвердости. Оптимальные параметры процесса приводят к более однородному распределению упрочняющих частиц квазикристаллов по всей матрице и лучшему взаимодействию материалов на границе раздела матрица/квазикристалл, что увеличивает микротвердость материала и приводит к уменьшению образовавшихся дефектов. Дальнейшее увеличение LED до уровня более чем 0,35 Дж / мм приводит к снижению микротвердости до уровня 123 HV, что указывает на процесс образования микротрещин и дефектов, ведущих к снижению показателей твердости. Однако если сравнивать значения твердости с исходным порошком AlSi10MgCu без добавления квазикристаллов (125 HV), полученный композит демонстрирует более высокие значения.
Рисунок 3 - Влияние параметра LED на ширину (а) и микротвердость (б) полученных сингл-треков.
Выводы
Был изучен процесс формирования единичных треков порошкового композита AlSi10MgCu, армированного различными концентрациями квазикристаллов. Исследовано влияние параметров селективного лазерного плавления на геометрию и микротвердость полученных сингл-треков. По результатам анализа геометрии сингл-треков, оптимальные параметры процесса находились в диапазоне линейной плотности энергии (LED) 0,21-0,3 Дж/мм. Полученные композиты показали повышенные значения микротвердости по сравнению с исходным алюминиевым сплавом. Наибольшие значения микротвердости 235 HV были получены для материала с добавлением 8% квазикристаллов и напечатанным по следующим параметрам SLM: P = 370 W и v = 1650 мм/с. Такие параметры процесса приводят к более однородному распределению упрочняющих частиц квазикристаллов и наименьшему количеству дефектов структуры материала.
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 51; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!