Помощь студентам в учебе
Структура и свойства титанового сплава, формируемого электронно-лучевом сплавлением проволоки, при изменении термических режимов процесса
|
ВВЕДЕНИЕ 15
Глава 1. Обзор литературы 17
1.1 Особенности процесса электронно-лучевой наплавки 17
1.2 Микроструктура и свойства деталей полученных электронно-лучевой
плавкой 20
1.2.1 Методы исследования 22
1.3 Влияние зон перегрева в аддитивном производстве методом электронно -
лучевого осаждения металлической проволоки 25
1.4 Сварка титана со сталью 25
1.5 Влияние различных присадочных металлов на электронно-лучевую
сварку титанового сплава с нержавеющей сталью 29
1.5.1 Микроструктуры поперечных сечений 31
1.5.2 Микроструктуры интерфейсов между TA15 и сварными швами 32
Глава 2. Практическая часть 34
2.1 Подготовка образцов к исследованию 34
2.2 Методики измерения микротвердости 37
2.3 Изготовление наплавленных образцов 40
2.4 Описание процесса печати образца 41
2.5 Анализ структуры 44
2.6 Анализ измерения микротвердости 44
2.6.1 Образец с подложкой из 12Х18Н10Т 44
2.6.2 Образец ВТ1-0 46
2.7 Результаты статических испытаний на одноосное растяжение 50
Глава 3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 54
3.1 Предпроектный анализ 54
3.2 SWOT-анализ 58
3.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации 60
3.4 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 62
3.5 Цели и результаты проекта 62
3.6 Организационная структура проекта 63
3.7 Ограничения и допущения проекта 64
3.8 Планирование управления научно-техническим проектом 64
3.9 План проекта 64
3.10 Бюджет научного исследования 67
3.11 Расчет затрат на материалы 67
3.12 Основная заработная плата 68
3.13 Расчет затрат на социальный налог 70
3.14 Расчет затрат на электроэнергию 71
3.15 Расчет амортизационных расходов 72
3.16 Расчет прочих расходов 73
3.17 Расчет общей себестоимости разработки 73
3.18 Расчет прибыли 74
3.19 Расчет НДС 74
3.20 Цена разработки НИР 74
3.21 Оценка экономической эффективности проекта 74
Глава 4. Социальная ответственность 76
4.1 Введение 76
4.1.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 77
4.1.2 Мероприятия при организации рабочей зоны 78
4.2 Производственная безопасность 79
4.2.1 Анализ вредных и опасных факторов 79
4.2.2 Обоснование мероприятий по снижению вредного воздействия 79
4.2.3 Шумовой фактор 81
4.2.4 Микроклимат 82
4.2.5 Освещенность рабочей зоны 84
4.3 Электробезопасность 88
4.4 Пожар, взрывоопасность 90
4.5 Экологическая безопасность 91
4.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 93
4.6.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований 93
4.6.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при проведении исследований 93
4.6.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка действия в случае возникновения ЧС 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
Список публикаций студента 98
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 99
Приложение A 104
Приложение Б 118
Глава 1. Обзор литературы 17
1.1 Особенности процесса электронно-лучевой наплавки 17
1.2 Микроструктура и свойства деталей полученных электронно-лучевой
плавкой 20
1.2.1 Методы исследования 22
1.3 Влияние зон перегрева в аддитивном производстве методом электронно -
лучевого осаждения металлической проволоки 25
1.4 Сварка титана со сталью 25
1.5 Влияние различных присадочных металлов на электронно-лучевую
сварку титанового сплава с нержавеющей сталью 29
1.5.1 Микроструктуры поперечных сечений 31
1.5.2 Микроструктуры интерфейсов между TA15 и сварными швами 32
Глава 2. Практическая часть 34
2.1 Подготовка образцов к исследованию 34
2.2 Методики измерения микротвердости 37
2.3 Изготовление наплавленных образцов 40
2.4 Описание процесса печати образца 41
2.5 Анализ структуры 44
2.6 Анализ измерения микротвердости 44
2.6.1 Образец с подложкой из 12Х18Н10Т 44
2.6.2 Образец ВТ1-0 46
2.7 Результаты статических испытаний на одноосное растяжение 50
Глава 3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 54
3.1 Предпроектный анализ 54
3.2 SWOT-анализ 58
3.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации 60
3.4 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 62
3.5 Цели и результаты проекта 62
3.6 Организационная структура проекта 63
3.7 Ограничения и допущения проекта 64
3.8 Планирование управления научно-техническим проектом 64
3.9 План проекта 64
3.10 Бюджет научного исследования 67
3.11 Расчет затрат на материалы 67
3.12 Основная заработная плата 68
3.13 Расчет затрат на социальный налог 70
3.14 Расчет затрат на электроэнергию 71
3.15 Расчет амортизационных расходов 72
3.16 Расчет прочих расходов 73
3.17 Расчет общей себестоимости разработки 73
3.18 Расчет прибыли 74
3.19 Расчет НДС 74
3.20 Цена разработки НИР 74
3.21 Оценка экономической эффективности проекта 74
Глава 4. Социальная ответственность 76
4.1 Введение 76
4.1.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 77
4.1.2 Мероприятия при организации рабочей зоны 78
4.2 Производственная безопасность 79
4.2.1 Анализ вредных и опасных факторов 79
4.2.2 Обоснование мероприятий по снижению вредного воздействия 79
4.2.3 Шумовой фактор 81
4.2.4 Микроклимат 82
4.2.5 Освещенность рабочей зоны 84
4.3 Электробезопасность 88
4.4 Пожар, взрывоопасность 90
4.5 Экологическая безопасность 91
4.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 93
4.6.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований 93
4.6.2 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при проведении исследований 93
4.6.3 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка порядка действия в случае возникновения ЧС 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
Список публикаций студента 98
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 99
Приложение A 104
Приложение Б 118
Объектом исследования являются аддитивные технологии 3-Д печати, применяемые в машиностроении для получения материалов с изменённой структурой и свойствами.
Целью диссертационной работы является рассмотрение влияния температурных условий при оплавлении проволоки из титанового сплава и выработка рекомендаций по совершенствованию процесса, на основе полученных данных.
Аддитивное производство (АП) - это многообещающая технология, которая позволяет изготавливать большие металлические предметы сложной геометрии и полностью плотные металлические предметы послойно. АП предлагает значительное преимущество перед традиционным производством и обладает потенциалом преобразования в различных промышленных приложениях современного производства [1]. Обычная технология производства часто требует значительного количества механической обработки и не может удовлетворить постоянно растущие требования по повышению эффективности современных машиностроительных производств. Мотивацией к использованию АП является необходимость автоматизации движения машин, минимизации количества отходов, снижения энергопотребления и повышения эффективности использования материалов [2, 3]. Помимо этого, способность АП создавать трёхмерные детали и компоненты произвольной формы на послойной основе является основной движущей силой для достижений [4]. АП металлических конструкций делятся на порошковые и проволочные технологии.
АП принципиально отличается от традиционного технологий формообразования или субтрактивного производства тем, что оно ближе всего к производству, когда конструкции можно придать заданную форму нанося «слой за слоем», а не штамповкой, ковкой или литьём. Или с помощью такой технологии, как механическая обработка поверхности путём срезания слоя стружки. АП показало себя универсальным, гибким, легко перенастраивающимся. И поэтому может использоваться в большинстве секторов машиностроительного производства. Материалами для изготовления этих деталей или заготовок может быть самое разное сырьё. Сюда относятся металлические, керамические и полимерные материалы, а также комбинации в виде композитов, гибридных или функционально дифференцированных материалов.
Особое внимание уделяется такому перспективному методу, аддитивного изготовления трёхмерных металлических компонентов, как электронно-лучевая наплавка - (EBM).
Среди всех систем АП, электронно-лучевая наплавка одна из немногих технологий, которые позволяют изготавливать металлические детали напрямую, без механической обработки, без термической обработки для снятия напряжений. Возможность печати металлических деталей сложной геометрии и высокой точности - одно из главных достоинств EBM.
Целью диссертационной работы является рассмотрение влияния температурных условий при оплавлении проволоки из титанового сплава и выработка рекомендаций по совершенствованию процесса, на основе полученных данных.
Аддитивное производство (АП) - это многообещающая технология, которая позволяет изготавливать большие металлические предметы сложной геометрии и полностью плотные металлические предметы послойно. АП предлагает значительное преимущество перед традиционным производством и обладает потенциалом преобразования в различных промышленных приложениях современного производства [1]. Обычная технология производства часто требует значительного количества механической обработки и не может удовлетворить постоянно растущие требования по повышению эффективности современных машиностроительных производств. Мотивацией к использованию АП является необходимость автоматизации движения машин, минимизации количества отходов, снижения энергопотребления и повышения эффективности использования материалов [2, 3]. Помимо этого, способность АП создавать трёхмерные детали и компоненты произвольной формы на послойной основе является основной движущей силой для достижений [4]. АП металлических конструкций делятся на порошковые и проволочные технологии.
АП принципиально отличается от традиционного технологий формообразования или субтрактивного производства тем, что оно ближе всего к производству, когда конструкции можно придать заданную форму нанося «слой за слоем», а не штамповкой, ковкой или литьём. Или с помощью такой технологии, как механическая обработка поверхности путём срезания слоя стружки. АП показало себя универсальным, гибким, легко перенастраивающимся. И поэтому может использоваться в большинстве секторов машиностроительного производства. Материалами для изготовления этих деталей или заготовок может быть самое разное сырьё. Сюда относятся металлические, керамические и полимерные материалы, а также комбинации в виде композитов, гибридных или функционально дифференцированных материалов.
Особое внимание уделяется такому перспективному методу, аддитивного изготовления трёхмерных металлических компонентов, как электронно-лучевая наплавка - (EBM).
Среди всех систем АП, электронно-лучевая наплавка одна из немногих технологий, которые позволяют изготавливать металлические детали напрямую, без механической обработки, без термической обработки для снятия напряжений. Возможность печати металлических деталей сложной геометрии и высокой точности - одно из главных достоинств EBM.
В ходе выполнения работы были наплавлены 2 образца из разных подложках, одной проволокой, с использованием разных стратегий печати (дорожки и послойное наплавление), для исследования формирования структуры и дальнейшего изучения на микротвердость и механические испытания.
В ходе исследования структуры был сделан вывод, что малая мощность электронного луча приводит к образованию не больших сварочных ванн с не достаточным перемешиванием сплавляемых компонентов и образованием множества дефектов: не сплавления, газовая пористость, трещины.
С прибавкой тока луча однородность структуры заметно выравнивается микротвердость возрастает, механические свойства в пределах госта соответствует отожжённому металлу.
Предложены следующие рекомендации по совершенствованию процесса наплавки:
- механические свойства могут быть улучшены с помощью присадочных металлов Cu-Si, медь не образует хрупких интерметаллидов с железом, хромом, никелем или углеродом. Кроме того, это мягкий металл, который может деформироваться и ослаблять напряжение, вызванное несоответствием линейного расширения.
- По результатам измерения микротвердости можно предполагать, что
различные включения в структуре представляют сложные интерметаллические соединения титана с железом, хромом и никелем. Чтобы избежать условий способствующих образованию интерметаллидов и получить сварные швы с высокой пластичностью в соединениях титана и стали, есть возможность решить эту проблему подбором режимов наплавки.
- Максимальную пластичность можно получить на сварных соединениях формирующихся при сварке титана с цирконием, ниобием танталом и бронзой.
В результате выполнения раздела финансового менеджмента можно сформулировать следующие выводы:
1. Результатом анализа конкурентных технических решений при сравнивании различных вариантов аддитивных технологий является выбор одного из вариантов реализации НИР как наиболее подходящего и оптимального по сравнению с другими.
2. В ходе планирования для руководителя работ и инженера был разработан график реализации этапа работ, который позволяет оценивать и планировать рабочее время исполнителей. В результаты было определено общее количество календарных дней для выполнения работ составляет 273 день; общее количество рабочих дней, в течение которых работал инженер, составляет 166 дней; общее количество дней, в течение которых работал руководитель, составляет 171 дней;
3. Для оценки затрат на реализацию проекта разработан проектный бюджет, который составляет 335 808 рублей;
В разделе 4 были рассмотрены требования по производственной безопасности. Рассмотрели вопрос о влиянии образцов напечатанных с помощью 3D - технологии на экологическую среду. Также затронуты мероприятия при возникновении чрезвычайных ситуаций. Приведены правовые и организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны. Также проведён анализ вредных и опасных факторов при проведении исследований. Далее выявили влияние на организм человека материала, из которого были напечатаны образцы. Выяснили, что проволока сплава ВТ6 безвредна для человека. Данный материал хорошо подвергается химической переработке, также существует множество компаний, которые занимаются переработкой изделий из титана и его сплавов. Разработаны мероприятия при возникновении ЧС и мер по ликвидации их последствий.
В ходе исследования структуры был сделан вывод, что малая мощность электронного луча приводит к образованию не больших сварочных ванн с не достаточным перемешиванием сплавляемых компонентов и образованием множества дефектов: не сплавления, газовая пористость, трещины.
С прибавкой тока луча однородность структуры заметно выравнивается микротвердость возрастает, механические свойства в пределах госта соответствует отожжённому металлу.
Предложены следующие рекомендации по совершенствованию процесса наплавки:
- механические свойства могут быть улучшены с помощью присадочных металлов Cu-Si, медь не образует хрупких интерметаллидов с железом, хромом, никелем или углеродом. Кроме того, это мягкий металл, который может деформироваться и ослаблять напряжение, вызванное несоответствием линейного расширения.
- По результатам измерения микротвердости можно предполагать, что
различные включения в структуре представляют сложные интерметаллические соединения титана с железом, хромом и никелем. Чтобы избежать условий способствующих образованию интерметаллидов и получить сварные швы с высокой пластичностью в соединениях титана и стали, есть возможность решить эту проблему подбором режимов наплавки.
- Максимальную пластичность можно получить на сварных соединениях формирующихся при сварке титана с цирконием, ниобием танталом и бронзой.
В результате выполнения раздела финансового менеджмента можно сформулировать следующие выводы:
1. Результатом анализа конкурентных технических решений при сравнивании различных вариантов аддитивных технологий является выбор одного из вариантов реализации НИР как наиболее подходящего и оптимального по сравнению с другими.
2. В ходе планирования для руководителя работ и инженера был разработан график реализации этапа работ, который позволяет оценивать и планировать рабочее время исполнителей. В результаты было определено общее количество календарных дней для выполнения работ составляет 273 день; общее количество рабочих дней, в течение которых работал инженер, составляет 166 дней; общее количество дней, в течение которых работал руководитель, составляет 171 дней;
3. Для оценки затрат на реализацию проекта разработан проектный бюджет, который составляет 335 808 рублей;
В разделе 4 были рассмотрены требования по производственной безопасности. Рассмотрели вопрос о влиянии образцов напечатанных с помощью 3D - технологии на экологическую среду. Также затронуты мероприятия при возникновении чрезвычайных ситуаций. Приведены правовые и организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны. Также проведён анализ вредных и опасных факторов при проведении исследований. Далее выявили влияние на организм человека материала, из которого были напечатаны образцы. Выяснили, что проволока сплава ВТ6 безвредна для человека. Данный материал хорошо подвергается химической переработке, также существует множество компаний, которые занимаются переработкой изделий из титана и его сплавов. Разработаны мероприятия при возникновении ЧС и мер по ликвидации их последствий.