Металломатричные композиты. От порошков к 3D-изделиям

Актуальность
Растущие потребности высокотехнологичных отраслей промышленности в части повышения эффективности процессов производства и мощности энергетических установок за счёт увеличения верхнего предела рабочих температур стимулировали поиск новых материалов и усовершенствование существующих сплавов, а также разработку подходов для реализации инженерных решений при проектировании сложнопрофильных изделий за производственный цикл. На сегодняшний день внедрение технологий 3D-печати в серийное производство ограничено, в том числе отсутствием разнообразия металлопорошковых композиций на российском рынке. К примеру, жаропрочные никелевые сплавы системы Ni-Cr-Fe благодаря отличной свариваемости, высокой пластичности и прочности, а также устойчивости к окислению и износу при высоких температурах нашли широкое применение в аэрокосмической и атомной промышленностях, однако их температуры эксплуатации ограничены 700 – 1000 С. Для повышения свойств Инконелей могут быть использованы керамические частицы, которые сдерживают рост зёрен, за счет чего может быть увеличена длительная прочность и сохранено сопротивление ползучести. Однако применение композиционных порошков в аддитивных технологиях затруднено, поскольку в процессе смешивания нарушается сферическая морфология исходного порошка, ухудшается текучесть. Еще одной проблемой является неоднородное распределение керамических частиц, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик 3D-изделий.
Проблема
Проект направлен на решение сразу нескольких научных проблем, играющих ключевую роль в развитии аддитивных технологий (АТ), а также обеспечении технологического суверенитета и ускорении импортозамещения, а именно: ограниченность спектра применяемого в АТ порошкового сырья, потребность высокотехнологичных отраслей в новых материалах и усовершенствовании существующих жаропрочных сплавов для повышения эффективности энергетических установок за счёт увеличения их срока службы.
Цель
Целью проекта является формирование у студентов системных знаний о современных технологиях создания металломатричных композиционных материалов (МКМ) конструкционного назначения, включая методы получения металлических порошков, подходы к изучению их химических, физических и технологических свойств, особенности применения порошков МКМ в аддитивных технологиях для создания сложнопрофильных изделий, а также изучение взаимосвязи структуры, состава и свойств МКМ для их применения в ответственных конструкциях.
Задачи
В ходе выполнения проекта будут решены следующие задачи: (1) изучение основ создания сферических порошков жаропрочных никелевых сплавов, модифицированных, в том числе, тугоплавкими соединениями для аддитивных технологий; (2) установление закономерностей влияния способов получения на морфологию и структуру получаемых металлических композиционных порошков; (3) установление взаимосвязи между условиями печати и структурой изделий с целью достижения максимального эффекта упрочнения; (4) исследование механических и функциональных свойств напечатанных изделий.
Результат
В результате выполнения проекта ожидается получение как фундаментальных, так и практических данных в области 3D-печати изделий из композиционных металлических порошков. С точки зрения фундаментальных результатов будет изучено влияние керамических частиц на структуру и свойства напечатанных изделий. Полученные данные позволят решить практическую задачу по расширению спектра отечественного порошкового сырья для аддитивных технологий, а также облегчат дальнейший поиск новых композиций для повышения свойств жаропрочных материалов. Кроме того, посредством 3D-печати будут получены и охарактеризованы новые жаропрочные композиционные материалы (лабораторные образцы), что соответствует УГТ 4, которые в дальнейшем могут быть использованы при изготовлении деталей (опор, колец, элементов газосборников) силовых установок и позволят повысить их мощностные показатели.
Партнёры проекта
—
***