36134 Solidific:wboa ofmdals and AUoys. No.36, 1998

Transkrypt

1 36134 Solidific:wboa ofmdals and AUoys. No.36, 1998 JCa :fi ~ Mdali i Stopów, Nr 36, 1998 PAN-Odltdal Kaowic:c PL ISSN STEREOLITOGRAFIA LASEROWA Z WYKORZYSTANIEM PROSZKÓW METALI: MIKROSTRUKTURA BRĄZU 810 JENDRZEJEWSKI Rafał. ŚLIWIŃSKI Gerard Instytut Maszyn Przepływowych P AN ul.fiszera 14, Gdańsk SERBIŃSKI Waldemar Wydział Mecbanic.my, Politechnika Gdańska ul.narutowicza 11112, Gdańsk STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań metalograficznych próbek wielowarstwowych wykonanych z przetopionego proszku brązu BIO. Do przetapiania warstw proszku użyto lasera CO:l MLT Do badań napawania zastosowano głowicę roboczą lasera z dwustrumieniową dyszą zapewniającą dostarczanie proszku metalu współosiowo z kierunkiem propagacji wiązki lasera. Mikrostruktura warstw wykonanych dwiema metodami stereolitografii laserowej została porównana z mikrostrukturą brązu B I O odlanego w sposób konwencjonalny. WPROWADZENIE Techniki pokrywania powierzchni metalowych powłokami ochronnymi przy użyciu promieniowania laserowego, w celu poprawy własności materiału wyjściowego, są znane i stosowane od ok. 20 lat [1,2]. W ostatnich Iatacb podjęto próby nakładania większej ilości warstw i zastosowania tej techniki do szybkiego wytwarzania modeli poglądowych, prototypów (rapid prototyping) oraz części funkcjonalnych (rapid manufacturing) bez konieczności wcześniejszego przygotowania formy odlewniczej oraz bez używania standardowych metod obróbki materiału, takich jak frezowanie, toczenie czy cięcie [3,4,5]. W przeciwieństwie do modeli poglądowych z innych materiałów, od elementów metalowych uzyskanych techniką stereolitografii laserowej oczekuje się podobnych własności - zwłaszcza wytrzymałościowych, jak od elementów wykonanych tradycyjnymi technikami [6].Niezwykle ważną zaletą nowych technologii z ekonomicznego punktu widzenia jest możliwość skrócenia czasu upływającego od powstania projektu (rysunku) do wytworzenia gotowej części nawet o 700/o. Możliwe jest również zastosowanie tej technologii do naprawy zużytych podczas pracy części maszyn poprzez nałożenie odpowiedniej ilości warstw materiału w miejscu jego ubytku [7].

2 268 Laserowa stereolitografia (prototypowanie) z zastosowaniem proszków metalicznych polega na miejscowym przetapianiu kolejnych warstw proszku odpowiednio zogniskowanym promieniowaniem laserowym. Szkic przekroju otrzymanej w ten sposób struktwy przedsta\\iono na rysunku l. nałożone i przetopione warstwy... -~~~~~.e.... sterfy złączenia dwóch warstw strefa przetopu z podłożem Rys. J. Schemat struktury utworzonej z przetopionych laserem warstw proszku metalicznego. W pracy badano doświadczalnie efekt technologiczny polegający na przetopieniu kolejnych warstw proszku brązu B lo oraz ich trwałym połączeniu. Próbki wykonano dwiema technikami stereolitograficznymi oraz poddano badaniom metalograficznym. Mikrostrukturę próbek porównano z mikrostrukturą odlewu z brązu B l O. EKSPERYMENT Nakładanie warstw stereolitograficznych przeprowadzono dwiema różnymi technikami: metodą laserowego spiekania (rysunek 2a) [3,8] metodąlaserowego napawania (rysunek 2b) [1,2,3,8-11] Techniki te polegają na odpowiednio dwu- i jednostopniowym przetapianiu kolejnych warstw proszku metalicznego zogniskowanym promieniowaniem laserowym. W procesie dwustopniowym (spiekanie) proszek metaliczny jest w pierwszej fazie deponowany na powierzchni podłoża lub poprzedniej warstwie a następnie przetopiony w odpowiednich miejscach wiązką laserową. Natomiast w wypadku laserowego napawania proszek jest podawany bezpośrednio w miejsce pr.t.etopu za pomocą dyszy współosiowej z wiązką laserową lub dyszy nachylonej pod pewnym kątem w stosunku do osi wiązki laserowej. W niniejszej pracy badano doświadczalnie struktury utworzone z proszku brązu B l O (skład chemiczny: 9+11% Sn, zanieczyszczenia do 1% reszta Cu) o kulistym kształcie cząstek i ich średnicy mm (udział tej frakcji proszku wynosił 90%). W wypadku laserowego spiekania nakładanie kolejnych warstw proszku przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych z jednoczesnym pomiarem i kontrolą wysokości warstw. Nakładano i kolejno przetapiano l +4 warstw proszku. Wysokości warstw wybierano w zakresie mm. Jako mateńału podłoża użyto płytek ze stali St3 o bębnowanych powierzchniach. Przetapianie warstw przeprowadzono na stoisku

3 269 doświadczalnym wyposażonym w laser przepływowy C~ ML T 1200 o pracy ciągłej, długości fali promieniowania świetlnego A.=l0.6 ~i mocy nominalnej 1,2 kw. Doświadczenie wykonano z wiązką laserową o średnicy l mm w miejscu oddziaływania, co przy stosowanych mocach umożliwiało zmiany gęstości mocy promieniowania w zakresie: 7.6 x x 10 5 W/cm 2 Jako gazu ochrorutego UŻ)10 argonu o wydatku objętościowym Q=4.2 l/min. Schemat procesu pokazano na rysunku 2a. gaz ochronny ognisko wiązki - kierunek przesuwu podłoża a) -podłoże kicrunek p!2csuwu ppdlota b) Rys. 2 Dwie metody stereolitografii laserowej z wykorzystaniem proszków metali - laserowe spiekanie (a) oraz laserowe napawanie (b) Rys. 3. Strumień roboczy głowicy laserowej z dyszą stereolitograficzną (bez wiązki laserowej): proszek- brąz BJO wydatek masowy proszku - l 7 g/min gaz nośny - Ar - 5 jednostek pręd/rość gazu nośnego na wylocie z dyszy- 2,3 mis W części doświadczenia dotyczącej laserowego napawania proszek metaliczny był podawany w miejsce oddziaływania z wiązką laserową za pomocą dyszy zespolonej z głowicą lasera (Rys. 2b). Natomiast do dyszy proszek był doprowadzany pnez otwór o średnicy 2 mm przy pomocy układu zasysającego proszek metaliczny. Jako gazu nośnego do transportu c~eczek proszku llż)10 argonu (Rys. 3). Ten sam gaz służył ponadto ochronie soczewki

4 270 toru optycmego wi\zki laserowej oraz zapobiegał powstawaniu wtrąceń i tleoków metali podczas przetopu. Przetapianie warstw wykonano, podobnie jak w przypadku laserowego spiekania. wykorzystując stanowisko MLT Manipulator, poza sterowaniem wpłaszczyżnie XY, był wyposażony w układ kontroli posuwu w osi pionowej. Wartość posuwu w osi pionowej była dostosowana do wyznaczanej doświadczalnie odległości kolejnych warstw, zalemej od parametrów procesu. Dość naniesionych warstw n nie przekraczała lo. W charakterze podłoża użyto płytek o grubości 4 mm u stali St3 o oczyszczonych (bębnowanych) powierzchniach oraz płytek o grubości 6 mm u stali 21Hl2MNFA-2. Dążąc do uzyskania możliwie najlepszego wyniku technologicmego, zmieniano następujące parametry: moc wiązki laserowej, P : 600+ l 000 W, prędkość przesuwu wiązki laserowej względem próbki, V sc : mm/min, przepływ masowy proszku mp : 10+21,5 g/min odległość miejsca ogniskowania wiązki laserowej od powierzchni podłoża z : 2-6 mm, Celem doświadczenia był wybór następujących, optymalnych parametrów procesu: moc wiązki promieniowania laserowego, prędkość skanowania wiązką laserową przetapianej warstwy, grubość nałożonej warstwy proszku (w przypadku spiekania), masowe natężenie doprowadzanego dyszą proszku metalicmego (napawanie), prędkość gazu nośnego (napawanie) odpowiednio do wielkości termofizycmych brązu B l 0: ciepło właściwe- 350 J!kg deg, temperatura topnienia - l 020 C, ciepło topnienia- 178 J/g, współczynnik przewodzenia ciepła- 48 W/m deg, tak, aby osiągnąć poprawny efekt technologicmy polegający na skutecmym przetopie i złączeniu kolejnych warstw oraz ich regularnej strukturze. Ponadto zamiarem doświadczenia było porównanie mikrostruktur brązu B l O otrzymanych w wyniku stosowania laserowego spiekania i napawania materiału proszkowego oraz odniesienie ich do mikrostruktury brązu B l O odlanego w sposób konwencjonalny. DYSKUSJA WYNIKÓW Wybrane próbki z przetopionymi metodą laserowego spiekania warstwami proszków poddano badaniom metalografiemym za pomocą mikroskopu świetlnego Neophot 32. Przykładowe zdjęcie mikrostruktury wielowarstwowej napoiny z brązu B l O wykonanych techniką laserowego spiekania przedstawiono na rysunkach 4 i 6a. Na zdjęc iu 4 widoczne są kolejno nałożone warstwy z wyraźnie zaznaczonymi obszarami granicznymi. Obszary te odpowiadają strefom połączenia sąsiednich warstw. Stosunek wysokości tych stref do wysokości nałożonych warstw (por. rysunek l) powinien być rzędu pojedynczych procentów [7]. W poszczególnych warstwach napoiny widoczny jest układ dendrytyczny fazy a, natomiast nie widać wyraźnych wtrąceń eutektoidu ( a+o). Zarówno w warstwach jak też w strefach połączenia obserwuje się lokalnie ciemne, okrągłe obszary. Są to pęcherze

5 271 gazowe. Ich niewielka ilość, szczególnie w strefach połączenia dwóch sąsiednich warstw nie przesądza o tlwałości połączenia. Na zdjęciu widoczna jest też zmiana barwy zgładu kolejnych napoin od jasnej (warstwa najbliższa podłożu) do ciemnej (warstwa zewnętrzna). Towarzyszy temu zanik struktwy dendrytycmej. Prawdopodobnie zostało to spowodowane rómymi warunkami odprowadzania ciepła w poszczególnych warstwach w zależności od odległości od podłoża. Rys. 4. Mikrostrulctura przekroju poprzecznego czterowarstwowej napoiny z brązu BJO na powierzchni stali St3. Powiększen ie 100 x. Czynnik trawiący: F ech + HCI. Warunki doświadczenia: laser C0 2, P= 900 W. Vsc= l 000 mm/min. hc=0.2 mm, osłona Ar, Q=4.2 l/min. Z kolei próbki wykonane metodą laserowego napawania poddano badaniom metalografiemym za pomocą mikroskopu optycmego Epityp 32 (Rys. 6b). Wykonano również zdjęcia kamerą CCD (Rys. 5). Wykonane podczas badań laserowego napawania próbki stereolitograficme z brązu BlO charakteryzowały się lokalnie brakami połączenia poszczególnych warstw (Rys. 5), co wskazuje na słabe powiązanie między nimi, wynikające z silnego ekranowania energii wiązki laserowej przez cząsteczki proszku. Wynika stąd, że energia docierająca do poprzedniej warstwy była niewystarczająca do jej nadtopienia. Występujące na hocmych powierzchniach warstw grudki są rezultatem oddziaływania przetapianego materiału ze środowiskiem argonu osłaniającego wiązkę laserową. Zgrubienia te, jako efekty występujące jedynie na granicach, nie miały większego wpływu na poprawność efektu technologicmego. Obraz mikrostruktury napoidy z brązu BIO (Fot. 6b)- wykonanej przy innych parametrach procesu niż w wypadku napoidy przedstawionej na rysunku 5 - obserwowanej na mikroskopie świetlnym wykazuje dobre połączenie poszczególnych jej warstw z obecnością zwiększonej liczby porów (ciemnych, okrągłych obszarów) w pobliżu strefy połączenia napoiny ze stalowym podłożem. Ich niewielka ilość nie wpływa na jakość procesu technologicmego. W wykonanych napoinach nie wykryto pęknięć makro- i mikroskopowych. Jednakże, można wyróżnić wyraźną strefę przejściową między podłożem a pierwszą warstwą. Obserwowana na zdjęciu 6b drobnoziarnista struktura napoiny jest charakterystycma dla wielokrotnego nagrzewania oraz szybkiego chłodzenia.

6 272 li Rys.5 Głowica stereolitograficzna lasera MLT 1100 i wielowarstwowa struktura z brązu BJO (P=/000 W. Vsc =800 mm/min) wylwnana metodą laserowego napawania.,. ~o ~ '(;~:, ; 'V~'.?f:;.J(' t f]; a) b) c) Rys.6 MikrostruJetura brązu BJO, powiększenie 100x, trawienie FeC/3 + HCI: a) material po laserowym spiekaniu, (P= 900 W. V sc =l 000 mm/min) b) material po laserowym napawaniu,(p=760 W. V sc =800 mm/min) c) materiał odlewany. Porównanie mikrostruktur brązu 810 wykonanych techniką laserową (Rys. 6a, b) z mikrostrukturą tego brązu otrzymanej metodą konwencjonalną (Rys. 6c ), wskazuje na ich drobnoziarnistość oraz brak wyraźnych wydzieleń eutektoidu (a+o). Mikrostruktura elementów wykonanych z brązu B l O metodą konwencjonalnego odlewania wykazuje zazwyczaj wyraźną strukturę dendrytyczną roztworu stałego a z obecnym w jego przestrzeniach twardym i kruchym eutektoidem ( a+o). Przyczyny zwiększonej liczby porów w warstwach uzyskanych metodami stereolitograficznymi należy doszukiwać się w nie do końca precyzyjnym doborze parametrów laserowego przetapiania oraz obecności cienkiej warstwy tlenków na powierzchni użytego proszku, co przy jednoczesnej jego wilgotności w warunkach szybkiego stapiania i chłodzenia staje się źródłem pęcherzy gazowych

7 273 i porowatości. Korzystną cechą laserowej stereolitografii warstwowej jest wzajemne oddziaływanic ciepła nakładanych na siebie warstw, która prowadzi do wytworzenia napoin bez naprężeń oraz bez skłonności do pęknięć cieplnych i strukturalnych (Rys. 6a, b). WNIOSKI W przeprowadzonym doświadczeniu uzyskano wielowarstwowe struktury przetopionego proszku brązu B l O metodami laserowego spiekania oraz napawania pr.cy użyciu lasera C(h dużej mocy. Do ba:dań napawania zastosowano głowicę roboczą lasera z dwustrumieniową dyszą zapewniającą dostarczanie proszku metalu współosiowo z kierunkiem propagacji wiązki la'>cra. Dobrano parametry procesów i uzyskano poprawny efekt technologiczny. Stwierdzono, że jego podstawowym warunkiem jest stały wydatek masowy strumienia gazu nośnego z proszkiem metalicznym. Jest to warunek konieczny równomiemości nakładanych warstw oraz stałości warunków przetopu. Otrzymane próbki poddano badaniom metalograficznym. Drobnoziarnista struktura uzyskiwanych technikami laserowymi napo in z brązu B I O, brak w nich naprężeń oraz pęknięć, rekomendują te technologie zarówno do produkcji niektórych elementów konstrukcyjnych z omawianego materiału jak i ich regeneracji. Zwraca uwagę możliwość zastosowania warstw wykonanych z br-4zu B l O w elementach łożysk ślizgowych. LITERATURA l. A.Frenk, N.Henchoz, W.Kurz: Laser cladding of a cobalt ba'!ed alloy: processing parameters and microstructure; Z Meta/1/cunde 84, , I S. Wolf, R. Volz, U.Reichelt, K.Battling: Laserstrahlbeschichten nach der einstutigen ProzeBfilhrung arn Beispiel "Beschichten von GuBeisen"; Laser und Optoelektronik , I W.Konig, St.Noken: Rapid Prototyping - aktuehe Entwicklungen und Tendenzen; VDI Berichte 1151, , H.Haferkarnp, F.-W.Bach, J.Gerken: Rapid Prototyping - Direkte Herstelłung metallischer Komponenten durch Laserstrah!AuftragschweiBen; VDI-Berichte 1151, , M.Murphy, C.Lee, W.M.Steen: Studies in rapid prototyping by laser surface cladding; Proceedings o f t he SP JE 2306, I, H.Haferkarnp, J.Gerken, H.Schmidt: Rapid Prototyping l Manufacturing metallischer Bauteile; VDI-Z Inegrierte Produktżon 136, 63-65, H.Haferkarnp, Fr.-W.Bach, J.Gerken, H.Ebsen: LaserstrahlauftragschweiBen an Bauteilen fi1r den industriehen Einsatz; SchwiefJen und Schneiden 45, I 5. I H.Haferkarnp, F. von Alvensłeben, J.Gerken: Rapid Manuf.'lcturing durch Lasersintern und 3D-Laserstrahl-AuftragschweiBen; Laser und Optoelektronik 27, 64-69, I M.Gremaud, J.D.Wagniere, A.Zryd, W.Kurz: Laser metal forming; Surface Engineering 12, , C.F.Marsden, A.F.A.Haodley, J.D.Wagniere: Characterization of the laser cladding process; Proc. ECLA T 90, , I M.Haag, H.Hiigel, C.E.Albright, S.Rarnasamy: C02 laser łight absorption characteristics ofmetal powders; Journa/ of App/ied Physic 79, , 1996