Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и Делфтского технического университета (Нидерланды) разработали технологию получения новых структур металла методом селективного лазерного плавления, сообщает пресс-служба университета. Основные результаты исследования опубликованы в журнале «Materials & Design». 

Традиционно методом селективного лазерного плавления (Selective Laser Melting, SLM) получают мелкозернистую микроструктуру металла - такая структура обеспечивает высокие механические характеристики при комнатной температуре. Исследователи, используя этот метод, выяснили, что его использование позволяет получить образцы с градиентной микроструктурой материала.

Функционально-градиентные материалы - это композиционные или однофазные материалы, функциональные свойства которых равномерно или скачкообразно изменяются хотя бы по одному измерению частицы, пленки или объемного образца. Как правило, это сплавы, состоящие из твёрдых зёрен карбидов, нитридов и боридов переходных металлов (карбид вольфрама, карбид титана, карбонитрид титана, диборид титана), образующих прочный непрерывный каркас, и металлической связки (кобальт, никель, титан, алюминий), содержание которой непрерывно изменяется в объёме материала. Из-за особенностей структуры функционально-градиентные материалы обладают свойствами как твёрдого сплава, так и металла, то есть имеют высокую твёрдость и большую ударную вязкость. Обычно для получения таких материалов используют послойное нанесение покрытий изменяющегося состава или спекание (сплавление, сварку) нескольких пластин или таблеток различного состава.

Используя различные параметры процесса SLM, ученые добились получения образцов материалов с направленной и кристаллической структурой, в которых в зависимости от изменения параметров воздействия изменялся размер зерен, их форма, ориентация. В зависимости от изменения структуры изменялись и механические характеристики, то есть физические свойства. При исследование ученые использовали жаропрочный никелевый сплав Inconel 718, но как отмечают исследователи, подход и возможность управления структурообразованием может быть транслирована на другие материалы и изделия.

Результатом исследования стало получение образцов, в которых отдельные участки грубых удлиненных зерен, границы которых были расположены в продольном направлении, были равномерно вложены в мелкозернистую матрицу. Проведенные механические испытания на твердость и растяжение показали, что механические свойства в основном зависят от размера и текстуры зерна, и что материал отличается высокими эксплуатационными характеристиками – устойчивостью к воздействиям температуры и давления, прочностью, долговечностью. 

Высокие свойства прочности и термоустойчивости материалов чрезвычайно важны для создания авиакосмических деталей. Например, на выходе из камеры сгорания газотурбинного двигателя газы, имея наибольшую температуру и давление, агрессивно воздействуют на элементы горячей части турбины, прежде всего на рабочие и сопловые лопатки, отвечающие за вращение ротора. Наибольшая нагрузка приходится на лопатки первой и второй ступени, поэтому для их изготовления не просто используют специально разработанные жаропрочные сплавы, но и формируют в изделиях особую микроструктуру – монокристаллическую (когда изделие состоит из одного кристалла, одного зерна) или направленно кристаллизованную (когда у изделия отсутствуют границы зерен в поперечном направлении – все границы расположены только в продольном направлении). Ранее исследования, доказывающие , что разрушение никелевых жаропрочных материалов происходит по участкам границ зерен, которые расположены поперечно относительно прилагаемой нагрузке, и следовательно,  необходимо создавать детали с монокристаллической или направленной кристаллической структурой, проводили ученые ВИАМ -  С.Т Кишкин и Е.Н. Каблов.

Новая технология, которую предложили ученые СПбПУ и Делфтского технического университета, позволит создавать монокристаллические и равноосные структуры. Как полагают ученые, на сегодняшний день традиционные методики не позволяют так гибко управлять формированием микроструктуры материала, как разработанный подход с применением аддитивных технологий.





«Данная технология может использоваться при изготовлении изделий, работающих в наиболее сложных условиях, то есть при высоком давлении и температурном воздействии. Поэтому данную разработку можно использовать при изготовлении деталей газовых турбин авиационного, морского и энергетического назначения, которые эксплуатируются в экстремальных условиях», – полагает один из авторов разработки, ведущий научный сотрудник, доцент кафедры СПбПУ «Разработка, технологии и материалы в авиадвигателестроении» Вадим Суфияров.