Лазерный мир

Д. В. Волосевич, С. А. Шальнова, А. М. Вильданов, И. С. Магидов, К. В. Михайловский, О. Г. Климова-Корсмик // Фотоника, 2021, №4

Представлены результаты экспериментальных исследований макро- и микроструктуры, химического и фазового состава металлокерамического сплава на основе титана. Материал предназначен для лазерных методов аддитивного производства с помощью прямого лазерного выращивания. Для анализа были получены образцы с содержанием керамического порошка 5 и 10 об. % SiC. Введение керамических частиц оказалось эффективным для измельчения зерна сплава. Размер зерна чистого титана составляет примерно 3,5 мм, в то время как размер зерна титана, армированного карбидом кремния при мощности излучения 1 400 Вт, составил 50 и 14 мкм для 5 и 10% SiC соответственно. В результате введения керамических частиц в титановую матрицу увеличивается микротвердость композиционного материала, растет упрочнение, но также увеличивается охрупчивание материала в связи с нарушением целостности материала и протеканием реакции на границе фаз.

Изделия, полученные с помощью лазерных методов аддитивного производства, таких как SLM (селективное лазерное плавление), SLS (селективное лазерное спекание), DMD (прямое лазерное выращивание), могут достичь высокой плотности, а это, в свою очередь, напрямую связано с механическими, термическими и коррозионными свой­ствами.

Решающими для качества конечного продукта являются характеристики исходных порошков: химический и фракционный составы, форма частиц порошка, а также его морфология (поры, сателлиты, конгломераты частиц). Также важно подобрать оптимальное содержание порошков наполнителя и матрицы. Кроме того, свой­ства изделия зависят от параметров лазерного аддитивного процесса, таких как мощность лазерного излучения, скорость сканирования, расход порошков и защитных газов [1, 2]. Таким образом, разнообразие химических соединений, которые могут использоваться как матрица или наполнитель, различные их комбинации, влияние содержания на свой­ства получаемых материалов, зависимость развития структуры от параметров аддитивного процесса открывают неограниченные возможности в изучении данного направления.

акро- и микроструктура, химический и фазовый составы
Для изучения структуры, химического и фазового анализа были получены образцы с содержанием керамического порошка 5 и 10 об.% SiC. Также для каждого содержания изменялось значение мощности лазерного излучения в пределах 1 400–2 200 Вт с шагом 200 Вт.

Таким образом, исследуемые образцы содержат следующие фазы: металлическую матрицу ВТ6, частицы SiC, TiC и Ti5Si3. Фазы титанового сплава, а также результаты рентгенофазового анализа представлены на рис. 6. Из рентгенограмм видно, что с увеличением содержания SiC и с повышением мощности лазерного излучения увеличивается содержание TiC и Ti5Si3, что связано с более активным растворением частиц SiC и повышением количества свободных атомов углерода и кремния.

Механические испытания, фрактографический анализ изломов
Для проверки влияния образования новых фаз на свой­ства сплава были проведены механические испытания, а также фрактографический анализ образцов с содержанием 1, 3, 5% SiC, полученных при мощности лазерного излучения 1 200 Вт.

В ходе работы были изучены зависимости микротвердости матрицы от мощности лазерного излучения и от содержания керамических частиц. Характерная для сплава ВТ6 микротвердость составляет ~350 HV [5]. С увеличением мощности лазерного излучения увеличивается значение микротвердости титановой матрицы. Максимальное значение микротвердости было достигнуто для образца с 10% SiC при мощности 2 200 Вт и составило 836,4 HV, что превышает значение микротвердости, характерное для сплава ВТ6 без керамических частиц, в 2,4 раза.

Заключение
МРСА и рентгенофазовый анализ подтвердили наличие новых фаз, причем увеличение содержания SiC и мощности лазерного излучения, ввиду более активного распада частиц SiC на атомы, приводит к увеличению интерметаллидных Ti5Si3 и TiC фаз. Карбид титана проявляется в структуре в различных конфигурациях: игольчатые структуры в образцах с 5% SiC и дендритные структуры для образцов с 10% SiC. Интерметаллидные фазы имеют пластинчатую структуру. Армирование титанового сплава керамическими частицами привело к измельчению зерна до 10 и 4 мкм для 5 и 10% SiC соответственно. Дело в том, что по границам зерна выделяется фаза карбида титана, препятствующая росту зерна.

Полное содержание на https://www.photonics.su/files/article_pdf/8/article_8885_83.pdf