с 01.01.2014 по настоящее время
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (МНС)
с 01.01.2014 по настоящее время
ИАПУ ДВО РАН (Центр Лазерных Технологий, МНС)
с 01.01.2014 по настоящее время
Владивосток, Россия
УДК 620.16 Испытания для определения способности материала выдерживать нагрузки при эксплуатации
Материалы и материалы, обладающие магнитными свойствами, являются одной из фундаментальных основ того мира, что построило человечество. Магниты являются ключевыми элементами большинства устройств, применяемых в промышленности, науке и технике. Развитие технологии изготовления постоянных магнитов с целью достижения максимальной эффективности генерируемого магнитного поля при минимальном размере магнита можно разделить на два ключевых направления: изменение состава магнита и изменение формы магнитного поля. Исследование в данной работе направлено на разработку технологии изготовления магнитов сложной формы для контроля формы магнитного поля. Современные технологии производства активно используют различные программные продукты для моделирования внешнего вида, состава, физических и химических свойств конечного продукта. Для более точного изготовления и минимизации постобработки применяют автоматизированные комплексы, работающие по 3D модели, позволяющие изготавливать готовый продукт производства. Ручной труд постепенно заменяется машинным, а роль человека на производстве постепенно изменяется. Крупное производство начинает использовать роботизированные системы и конвейеры, позволяющие значительно увеличить производительность, снизить затраты и влияние человеческого фактора на качество готового продукта. Рынок аддитивных технологий за последние годы растёт с повышающимися темпами. В работе рассмотрено применение аддитивных технологий с целью получения материалов сложной формы, обладающих магнитными свойствами. Предложены обоснование и варианты решения основных препятствий на пути создания новой технологии изготовления магнитных материалов сложной формы. Предложены технологическое решения, и оборудование позволяющие получить магнитные материалы используя аддитивных технологий.
аддитивные технологии, сплавы SmCo, SmFe волоконный лазер, магниты, роботизированные комплексы
Введение
Одним из перспективных направлений развития технологий являются лазерные аддитивные технологии (ЛАТ)[1]. В отличии от традиционных методов производства ЛАТ в большей степени ориентированы на универсальность и снижение затрат материала и времени при производстве. У аддитивного принципа изготовления деталей есть свои ограничения из-за малой исследованности, но, учитывая относительно небольшую историю развития [2] и постоянное увеличение скорости развития производственных технологий в целом, можно предположить, что за 10 лет аддитивные технологии «созреют», а ещё через 5,0…10 лет постепенно вольются в существующее производство или станут его аналогом.
В настоящее время сложно представить современное производство без предварительного компьютерного моделирования готовых изделий. Компьютерная модели позволяет оценить вид будущего изделия и устранить недочёты на этапе проектирования. В случае успешного моделирования, по электронной геометрической модели может быть изготовлен образец или макет для проверки его работоспособности и пригодности. То, что казалось фантастикой 30 лет назад, стало реальностью.
Значительное развитие получили технологии, использующие металлические порошки и энергию лазерного излучения для изготовления конечного продукта. На рис. 1 показано, что основное развитие получили технологии 3D печати металлическими порошками в закрытой ёмкости [3].
По данным таких аналитических и консалтинговых компаний, как GlobalData [4], утверждается, что в 2020 г. объём рынка 3D печати достиг показателя в 13,9 млрд долл. Также прогнозируется постепенный рост рынка аддитивных технологий до 33 млрд долл. к 2025 г. и 60 млрд долл. к 2030 г. (рис.2).
Таким образом можно сказать, что проведение исследований в области аддитивных технологий является перспективным направлением развития науки на протяжении ближайших десяти лет.
Учитывая основные преимущества применения аддитивных технологий (экономия ресурсов) следует выбирать те направления исследований, в которых применяются дорогостоящие и дефицитные материалы. Наиболее подходящими под определение «дефицитные» подходят материалы из группы редкоземельных. При исследовании области применения редкоземельных металлов можно выделить производство магнитов и магнитных материалов.
Материалы и методики
Исследование в области применения аддитивного производства с целью изготовления постоянных магнитов и магнитных материалов позволит повысить автоматизацию производства и расширить область применения аддитивных технологий (АТ). Применения магнитного поля для задания ориентации магнитных доменов в изготавливаемом магните накладывает ограничение на список технологи, пригодных к использованию. Если рассматривать аддитивные процессы, получившие широкое распространение [5, 6] и учитывать влияние магнитного поля, то количество пригодных к использованию АТ сокращается. По мнению автора работы, наиболее перспективной к применению является адаптированная технология селективного сплавления порошка. Вопрос исследования магнитных свойств материалов [7, 8], полученных по технологии аддитивного производства в настоящий момент исследуется в различных коллективах [9, 10]. Однако исследование способов и свойств магнитов, созданных по аддитивной технологии, не является широко изученным.
Из-за влияния магнитного поля применение процесса аддитивного производства, при котором энергия от внешнего источника используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения значительно осложняется, особенно при использовании смеси металлических порошков с разными магнитными свойствами.
Таким образом, для получения материала заданной формы, обладающего магнитными свойствами, необходимо решить две задачи:
- нанесение на поверхность равномерного слоя порошкового материала, способного удержаться на поверхности под воздействием магнитного поля;
- сплавление порошка в магнитном поле по заданной траектории.
Вопрос движения инструмента по сложной траектории давно представлял интерес для промышленности. На данный момент есть различные решения, представленные роботизированными системами и станками с ЧПУ, работающими с соответствующим программным обеспечением. Разработанная электронная геометрическая модель физического объекта должна иметь высокую точность (порядка единиц микрометров), что сокращает дальнейшую механическую обработку.
В рамках проведённой работы использован роботизированный комплекс на базе робота KUKA KR–30HA и волоконного лазера производства компании IPG ЛС–1–К (рис. 3).
Для создания постоянного магнитного поля использованы неодимовые магниты, в количестве шести штук, размером 100×100×10 мм. Постоянные магниты собраны в два «блока» по три штуки, разделённые параллелепипедом из немагнитного материала толщиной 80 мм. Данная конструкция позволяет поддерживать магнитное поле между магнитами напряжённостью 520 ± 20 мТл. Сплавление металлических порошков выполнено между магнитами в магнитном поле на немагнитной подложке, как показано на рис. 4.
Для фокусировки лазерного излучения на поверхности 2, находящейся в магнитном поле между магнитами 3 использована оптическая лазерная головка 1 с фокусирующей линзой.
Учитывая техническое разнообразие доступных методов, выбор производился из следующего списка:
- использование лент или пластин из материала, который будет наплавляться на поверхность в магнитном поле;
- осаждение материала на поверхность с последующим сплавлением в магнитном поле;
- напыление разогретого порошка на сверхзвуковой скорости (аналог системы «ООО Димет») с последующим сплавлением в магнитном поле;
- нанесение порошков со связующим, которое будет удерживать порошок на поверхности с последующим сплавлением в магнитном поле.
У вышеописанных способов есть свои преимущества и недостатки. При использовании лент или пластин сильно ограничивается применяемость на поверхностях сложной формы. Данный вариант можно использовать для относительно плоских, крупногабаритных деталей.
Осаждение магнитного материала на поверхности позволит получить равномерный слой, однако получаемые слои будут тонкими. Данный вариант хорошо подойдёт для получения тонких магнитных плёнок или чувствительных слоёв.
Применение системы холодного газодинамического напыления позволит получать равномерные слои материала, однако необходимо использовать большой объём защитного газа, что значительно увеличит стоимость процесса.
Применение порошкового материала и фиксирующего состава сопряжено со сложностью получения равномерных слоёв, но требует минимального количества дополнительного оборудования. Применение порошков и фиксирующего состава позволяет использовать различные комбинации на основе используемых металлов, что значительно ускорит определение свойств новых наиболее эффективных сплавов.
Исследование проведено на примере порошков Sm, Co, Fe и их смесей, наносимых на немагнитную подложку из стали нержавеющей аустенитного класса 12Х18Н10Т.
Для фиксации порошков в магнитном поле использован раствор канифоли в растворителе, который, при высыхании, фиксировал порошки на поверхности пластины. Сплавление порошков лазерным излучением производилось в двух направлениях, вдоль и поперёк линий магнитной индукции, как показано на рис. 5, остатки порошка счищались металлической щёткой.
Результаты исследований
В результате проведённой работы были получены образцы наплавки порошков Sm, Co, Fe в магнитном поле в различных комбинациях. Для исследования свойств магнитных структур, получаемых при сплавлении порошков в магнитном поле, было подготовлено три образца из порошков SmCo (в соотношении: 37 Sm, 63 Co). Спрессованный порошок в форме цилиндра диаметром 8,0 мм и толщиной 2,0 мм сплавлялся лазерным излучением с плотностью мощности 393 Вт/мм2 на немагнитной подложке в магнитном поле.
Первый образец получен из порошка SmCo в соотношении 37 % масс. Sm к 63 % масс. Co сплавленного в магнитном поле лазерным излучением мощностью 393 Вт/мм2. Второй образец получен посредством сплавления двух слоёв при мощности 393 Вт/мм2, для получения образца большей толщины. Третий образец получен посредством сплавления двух слоёв на мощность 393 Вт/мм2 на первом цилиндре и 314 Вт/мм2 на втором (рис. 6).
Магнитные свойства полученного материала (отдельно от подложки) исследованы на СКВИД магнитометре MPMSXL (Quantum Design) путём измерения петель магнитного гистерезиса при температуре 300 К в магнитном поле от –20000 Э до +20000 Э. Исследуемые образцы получены сплавлением порошков SmCo в соотношении 37 Sm к 63 Co (по массе).
Видно, что все три кривые имеют близкий характер намагничивания с близкими значениями намагниченности насыщения (32…34 emu/g), малой остаточной намагниченностью и малой коэрцитивной силой. Образцы различаются значениями напряжённости магнитного поля, при котором наступает насыщение намагниченности. Насыщение намагниченности наблюдается при следующих напряжённостях магнитных полей: ±4000 Э для первого образца, при ±8000 Э для второго образца и при ±12000 Э для третьего образца. В состав всех образцов входят два оксида Fe3O4 и FeSmO3, которые обладают ферромагнитными свойствами. Увеличение насыщения намагниченности образцов также совпадает с увеличением концентрации SmCo8.5 (Sm2Co17) в наплавленном материале, что подтверждается исследованиями спектров дифракции образцов (рис. 7) на рентгеновском дифрактометре D8 ADVANCE (Sm2Co17)
Обсуждение результатов
В результате проведённых исследований были получены образцы, подтверждающие возможность применения аддитивных технологий для получения магнитных материалов. Экспериментально доказано, что при сплавлении порошков и их смеси в магнитном поле образуются ферромагнитные соединения (Sm2Co17). Sm2Co17 – высококоэрцитивный материал с высокой намагниченностью насыщения, высокой точкой Кюри и коэрцитивной силой. Это один из наиболее перспективных магнитных материалов, используемых на данный момент. Возможность получения данного соединения методами аддитивных технологий однозначно указывает на перспективность дальнейших исследований.
1. Армашова-Тельник Г.С., Соколова П.Н., Дегтерев Д.В. Аддитивные технологии: новационный эффект в промышленности // Вестник ВГУИТ. 2020. №4 (86). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/additivnye-tehnologii-novatsionnyy-effekt-v-promyshlennosti (Дата последнего обращения: 11.05.2023).
2. Смуров И.Ю., Конов С.Г., Котобан Д.В. О внедрении аддитивных технологий и производства в отечественную промышленность // Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. № 2 (14). С. 11-22. EDN TONSTV .
3. Metal 3D printers in 2022: a comprehensive guide // [Электронный ресурс]. URL: https://www.aniwaa.com/buyers-guide/3d-printers/best-metal-3d-printer/ (Дата последнего обращения 11.05.2023)
4. Рынок технологий 3D-печати в России и мире: перспективы внедрения аддитивных технологий в производство // [Электронный ресурс] URL: https://delprof.ru/press-center/open-analytics/rynok-tekhnologiy-3d-pechati-v-rossii-i-mire-perspektivy-vnedreniya-additivnykh tekhnologiy-v-proizv/ (дата обращения 11.05.2023 г.).
5. Колесников Л.А., Манжула Г.П., Шелег В.К., Якимович А.М. Состояние и перспективы развития технологий быстрого прототипирования в промышленности (часть первая) // Наука и техника. 2013. № 5. С. 3-9. EDN TGGWOH.
6. Журнал «Аддитивные технологии» №2 2021г // ООО «ПРОМЕДИА» URL: https://additiv-tech.ru/archive/2021 (дата обращения 11.05.2023 г.)
7. J. Coey. Permanent magnets: Plugging the gap // Scripta Materialia, vol. 67, pp. 524-529, 2012.
8. Magnetic properties of Sm2(Fe, Ti)17 compounds and their nitrides with Th2Zn17 and Th2Ni17 structures / Ye. V. Shcherbakova1, G. V. Ivanova1, N. V. Mushnikov1, I. V. Gervasieva1 // Journal of Alloys and Compounds. 2000. V. 308. P. 15-20.
9. Kazantseva1 N.V., Koemets Yu.N, Shishkin D.A., Ezhov I.V., Davydov D.I., Rigmant M.B., Kochnev A.V. A magnetic study of deformed medical austenitic steel manufactured by 3d laser printing // Physics of Metals and Metallography. 2022. V. 123. P. 1139-1146.
10. Сафин А.Р., Behera Ranjan Kumar. Аддитивное производство и оптимизация топологии магнитных материалов для электрических машин // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2021. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/additivnoe-proizvodstvo-i-optimizatsiya-topologii-magnitnyh-materialov-dlya-elektricheskih-mashin (дата обращения: 02.06.2023).
