Учёные Университета МИСИС доказали, что особо прочные, но при этом лёгкие алюмоматричные композиты для высокотехнологичных отраслей промышленности можно получить с помощью селективного лазерного плавления и добавления микронных частиц нитрида циркония в сплав. В перспективе новый подход позволит предприятиям отказаться от комплексных и ресурсозатратных методов при создании изделий со сложной геометрией, где требуется высокая прочность при малом весе. Метод может быть полезен при производстве оборудования для атомной энергетики, а также высоконагруженных узлов и конструкций, которые должны выдерживать экстремальные условия эксплуатации — деталей турбин, корпусов летательных аппаратов и судов.
«Одна из ключевых задач Университета МИСИС как признанного лидера в области материаловедения в России и мире — обеспечить материалами и сквозными технологиями промышленного производства ключевые отрасли экономики, необходимые для достижения технологического суверенитета страны. Новая методика получения алюмоматричных композитов в перспективе может использоваться в атомной энергетике, теплоэнергетике и машиностроении: для создания прочных деталей, работающих в условиях высоких температур и агрессивных сред», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.
Изготовление алюмоматричных композитов с помощью традиционных методов литья и порошковой металлургии обычно обходится дороже, чем создание обычных алюминиевых сплавов. К тому же обработка деталей с керамическими частицами — трудоёмкий процесс, замедляющий масштабирование производства. 3D-печать с применением металлического порошка позволяет экономить сырьё, а также создавать сложные детали без громоздких станков и пресс-форм.
«В статье впервые рассмотрен вопрос о влиянии смачиваемости на свойства алюмоматричного композита после лазерного синтеза. Подобные исследования позволяют выработать научные и технологические основы проектирования новых материалов для высокотехнологичных отраслей методом 3D-печати», — сказал PhD Станислав Чернышихин, заведующий лабораторией аддитивного производства НИТУ МИСИС.
С подробными результатами исследования можно ознакомиться в научном журнале International Journal of Lightweight Materials and Manufacture (Q1).
«Мы выяснили, что не все керамические добавки одинаково полезны. Например, частицы нитрида алюминия плохо соединяются с расплавленным металлом, возникают пустоты, снижающие прочность материала. Нитрид циркония, наоборот, вступает в реакцию с алюминием. Она имеет двойной эффект: она не только прочно связывает компоненты между собой, но и приводит к образованию новых твёрдых частиц внутри сплава. Благодаря этому алюминиевые детали становятся твёрже и прочнее, что особенно важно для авиации и энергетики», — сказала к.т.н. Вероника Суворова, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Большинство исследований направлено на изучение влияния размера и содержания армирующих частиц на механические свойства напечатанных изделий. Ведущий инженер научного проекта лаборатории аддитивного производства НИТУ МИСИС Леонид Федоренко поделился, что есть ещё один важный аспект — смачиваемость. Это то, насколько хорошо расплавленный металл обволакивает керамические частицы.
Д.ф.-м.н. Сергей Жевненко, профессор кафедры физической химии НИТУ МИСИС добавил: «Мы установили, что кристаллизация между расплавленным алюминием и нитридом циркония обеспечивает высокую прочность материала».
Исследование проведено при поддержке Российского научного фонда (грант № 19-79-30025).
