Учёные СФУ создали сплавы для сложных деталей и аэрокосмической промышленности
Учёные Сибирского федерального университета предложили линейку инновационных сплавов, пригодных для получения проволоки, которая может использоваться в аддитивных технологиях.
Такие сплавы легируются скандием — редкоземельным металлом, стоимость которого на рынке превышает стоимость золота, делает алюминиевый сплав на порядок прочнее и «выносливее» в сложных условиях эксплуатации. Однако помимо скандия исследователи Института цветных металлов и Политехнического института СФУ предложили других перспективных «кандидатов» из числа РЗМ для создания особых сплавов — церий и эрбий.
Аддитивные технологии произвели настоящую революцию в мире производства, поскольку позволяют «выращивать» из металлических сплавов детали и конструкции самых сложных и нетиповых форм буквально слой за слоем, на основе цифровой 3D-модели. Это принципиально отличается от наиболее распространённого способа, где из цельной заготовки удаляют излишки материала в процессе фрезеровки и токарной обработки. Главный принцип аддитивных технологий — формирование объекта добавлением материала там, где это необходимо, подобно тому, как природа выращивает живые организмы.
Совершенствование технологий обработки алюминиевых сплавов на сегодня — стратегическая задача для России, особенно в контексте развития Ангаро-Енисейского кластера глубокой переработки цветных и редких металлов. Традиционные методы — литьё, ковка, механическая обработка — имеют низкий коэффициент использования материала (КИМ), часто менее 30%, длительный производственный цикл и ограничения при изготовлении деталей сложной геометрии.
Такая технология как WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing — дуговое аддитивное выращивание проволокой), позволяет, во-первых, снизить расход материала (особенно отходов после «вырезания» деталей) за счёт послойного нанесения металла только там, где это необходимо. Во-вторых, сократить время от цифровой модели до готового изделия в 2-4 раза. В-третьих, получать более мелкодисперсную — равномерную и потому предпочтительную — структуру деталей благодаря ускоренному охлаждению, что улучшает механические свойства.
«Мы создаём линейку сплавов с применением скандия и других РЗМ, чтобы затем получать проволоку для аддитивного производства методом послойной наплавки (WAAM, DED). Опытная партия проволоки из алюминиевого сплава, который содержит скандий в количестве 0.2% уже проходит испытания. В Политехническом институте СФУ одновременно разработана гибридная технология наплавки и создаётся соответствующая установка (3Д-принтер для печати металлической проволокой). Разработки ведутся в рамках стратегического технологического проекта "Средства производства и автоматизации" в рамках программы развития "Приоритет 2030"», — сообщил младший научный сотрудник лаборатории физикохимии металлургических процессов и материалов Никита Степаненко.
Добавление в малых количествах РЗМ в сплавы делает алюминиевые детали прочнее, устойчивее к нагреву и, в некоторых случаях, менее склонными к образованию трещин при «выращивании». Для аддитивного производства это принципиально: металл здесь не просто плавится и застывает один раз, а многократно проходит через нагрев и охлаждение при формировании каждого нового слоя.
Скандий наиболее изучен и считается лучшим для упрочнения алюминия. Однако высокая стоимость существенно повышает цену проволоки и деталей из такого сплава. Поэтому заменить скандий могут альтернативные «упрочнители» — например, церий и эрбий, с которыми сейчас экспериментируют учёные.
«Церий хорош в жаропрочных сплавах, он позволяет сохранять полезные свойства сплава при повышенной температуре. А еще он намного дешевле скандия. Эрбий в сочетании с цирконием и скандием в определенных пропорциях тоже позволяет добиваться упрочнения сплавов и сохранять прочностные показатели при нагреве. Он также экономически выгоднее скандия», — продолжил Никита Степаненко.
По словам соавтора исследования, доктора технических наук, профессора кафедры электротехники Михаила Первухина, главная ценность новых алюминиевых сплавов с РЗМ даже не в прочности. Главное — появляются материалы, которые лучше всего приспособлены именно к послойной «печати металлом» крупных деталей нестандартной формы методом WAAM, и сохраняют желанные свойства в жёстких условиях эксплуатации.
«Зарекомендовавший себя в традиционном производстве сплав не обязательно столь же эффективен при аддитивном. При WAAM металл плавится и затвердевает в каждом новом слое, а уже сформированные участки многократно нагреваются повторно. Поэтому состав, дающий высокую прочность прокатанного или термообработанного изделия, может потребовать существенной доработки. С одной стороны, в СФУ разрабатывается материал с заданными свойствами. С другой — создаётся оборудование, которое позволит управлять процессом его формирования и, потенциально, изменять состав металла буквально во время выращивания детали. Для нас это возможность объединить компетенции в материаловедении, металлургии, сварочных технологиях и автоматизации в единую систему разработки», — уточнил Михаил Первухин.
Применять новые сплавы можно в самых ответственных областях — авиации, спутникостроении и ракетно-космической технике — проволока из них незаменима там, где необходимо изготавливать крупные металлические детали сложной формы, снижать их массу и рационально расходовать дорогой материал.
«В авиации критичны масса, прочность и усталостная долговечность, для космических аппаратов — масса, надёжность и устойчивость к условиям эксплуатации; для промышленного оборудования — стоимость изготовления и способность выдерживать рабочие нагрузки. Наша миссия не просто сделать ещё одну новую проволоку, а создать материал для более лёгких, надёжных и высокотехнологичных конструкций для критических отраслей», — пояснили разработчики.
Источник: Сибирский федеральный университет