Ученые СПбПУ разработали технологию получения функционально-градиентных материалов с помощью аддитивных технологий


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.
- 3 февраля 2023 II Отраслевая конференция «Редкоземельные металлы 2023»
- 3 февраля 2023 Игорь Демидов: «В России можно и нужно создать полную цепочку производства лития»
- 2 февраля 2023 Академия АвтоМотоспорта Ф7 на международном форуме профессионалов рынка Автонет
- 25 января 2023 Глава Минобрнауки посетил лаборатории Университета МИСиС в День российского студенчества
- 24 января 2023 Председатель Ассоциации РМ и РЗМ Руслан Димухамедов возглавил "Соликамский магниевый завод"
- 12 января 2023 Бериллий России
- 21 декабря 2022 Радий Илькаев награжден орденом «За заслуги перед Отечеством» I степени
- 17 декабря 2022 Редкие и редкоземельные металлы в черной металлургии
- 1 декабря 2022 Компания «Рэнера» о развивитии отрасли накопителей энергии
- 24 ноября 2022 От рудника до электромобиля
- 7 ноября 2022 В столице обсудят будущее российского автопрома и технологический суверенитет
- 26 октября 2022 Место России в мировом производстве и потреблений батарейных металлов
- 12 октября 2022 Предпринимательские риски добычи лития в РФ
- 9 октября 2022 Жемчуг литиевой промышленности
- 13 июля 2022 В тени блеска золота