Износостойкость популярного авиационного сплава увеличена в 4 раза
- 19.01.2023
Различные отрасли промышленности, в первую очередь, авиационная, требуют новых усовершенствованных материалов – с повышенной прочностью, высокой теплопроводностью, стойких к коррозии. Заданными свойствами могут обладать металлокерамические композиты. Благодаря пластичности металлической матрицы и твердости керамических частиц специалисты могут получить желаемое увеличение износостойкости. А одна из эффективных технологий, позволяющая создавать такие материалы – аддитивная, или технология 3D выращивания объектов. Специалисты Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича (ИТПМ СО РАН) совместно с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) освоили технологию печати изделий из порошковой металлокерамики на собственной установке прямого лазерного сплавления. Полученные материалы при помощи синхротронного излучения (СИ) они исследуют в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения (ЦКП СЦСТИ) Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Исследования показали, что добавление керамического соединения диборида титана в популярный титановый сплав повышает его износостойкость в 4 раза. Важно и то, что специалисты на фундаментальном уровне объяснили причины изменения свойств материала. Оказалось, что импульсное лазерное воздействие приводит к образованию в материале нано и микроволокон, функцию которых можно сравнить с функцией арматуры в железобетоне. Результаты опубликованы в журнале Physical Mesomechanics и готовятся к публикации в журнале «Физическая мезомеханика».
Технология 3D выращивания позволяет создавать изделия не только с заданным дизайном, но и заданными свойствами – например, получать объекты с привычным весом, но более прочные. В Сибирском отделении РАН активно развивается направление 3D печати материалов на основе металлокерамики с улучшенными характеристиками, которые могут найти свое применение в авиации и нефтегазовой промышленности.
«Раньше отрасль взаимодействия лазерного излучения с веществом называлась лазерной наплавкой, а теперь 3D выращиванием, но суть та же. Когда мы начали формировать такое направление у себя, то поняли, что нужно найти свою нишу, чтобы не заниматься тем, что кто-то уже делает, – рассказал заведующий лабораторией лазерных технологий ИТПМ СО РАН доктор технических наук Александр Маликов. – Крупные научно-технические задачи необходимо решать на хорошем фундаментальном уровне и в большой кооперации, поэтому мы объединились с коллегами из ИХТТМ СО РАН и ИЯФ СО РАН и развиваем уникальное направление – улучшаем физико-механические и теплофизические свойства привычных материалов при помощи добавления в их состав керамики на собственной установке прямого лазерного выращивания и изучаем причины происходящего при помощи синхротронного излучения в ЦКП СЦСТИ. Мы видим, что происходит со структурно-фазовым состоянием вещества на уровне 10 нанометров».
Специалисты провели работу по улучшению титанового сплава ВТ6. Этот материал активно используется в авиации при создании различных деталей летательных аппаратов, но все же имеет ряд недостатков, которые ученые пробуют исправить. Так, добавив керамическое соединение диборида титана в сплав ВТ6, исследователи резко снизили коэффициент трения, то есть повысили износостойкость материала в 2 – 4 раза (в зависимости от концентрации керамики в сплаве). Исследование in situ полученного материала при помощи синхротронного излучения в ЦКП СЦСТИ на станции «Дифрактометрия в “жёстком” рентгеновском диапазоне» помогло интерпретировать полученные результаты с фундаментальной точки зрения. Оказалось, что изменение износостойкости происходит благодаря формированию в сплаве нано и микровискеров – нитевидных наноразмерных структур/
«Вискеры – это иглы или волокна, или стержни, и изучение подробной динамики их формирования – это очень большая научная задача, далеко выходящая за рамки обсуждаемого исследования. Однако их влияние ясно – они играют ту же роль, какую играет арматура в железобетоне или различные армирующие волокна в композитных полимерах, – объяснил научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, руководитель станции «Дифрактометрия в “жёстком” рентгеновском диапазоне» ЦКП СЦСТИ Алексей Завьялов. – Кроме собственной повышенной в сравнении с материалом матрицы твёрдости, которая препятствует распространению микротрещин, имея микро и нано размеры, они также на соответствующем масштабе перераспределяют нагрузку, возникающую при различных механических воздействиях, на больший объём материала, чем было бы при их отсутствии. Именно формирование однородного на макромасштабе слоя, насыщенного новыми твёрдыми фазами и вискерами, привело к великолепным показателям износостойкости нового покрытия».
Получить упорядоченную дифракционную картину на пользовательской станции СИ ЦКП СЦСТИ и распознать все фазы (в данном случае «увидеть» фазу вискеров TiB2) удаётся благодаря монохроматичности и когерентности излучения. Монохроматичность предполагает, что в первоначальном пучке излучение имеет только одну длину волны, а когерентность – что колебания электромагнитной волны в первоначальном пучке «не сбиваются», а идут в одной фазе. И только использование синхротрона позволяет получать при этом излучение высокой интенсивности, что даёт возможность проводить недоступные на лабораторном оборудовании исследования не только качественно лучше, но и быстрее.
Не менее важна собственно причина формирования этих армирующих волокон. Лазерная наплавка наносимого керамического слоя на сплав происходит в импульсном режиме. По словам Алексея Завьялова, именно импульсность лазерного воздействия сформировала однородный на макромасштабе слой, насыщенный новыми твёрдыми фазами и вискерами, что и привело к повышению показателей износостойкости нового покрытия.
«Часто человека поражает то, от чего он далёк в своей повседневности. Так меня удивляет особенное влияние именно импульсности лазерного плавления наносимого слоя в сравнении с непрерывным лазерным воздействием при аналогичных параметрах. Импульсное лазерное воздействие в рассматриваемой работе позволило получить макроскопически однородный слой (на масштабе ~1 мм). Конечно, на микроскопическом уровне проявляются различные неоднородности – присутствующие в слое фазы не являются наноразмерными. Однако при непрерывном лазерном воздействии неоднородность была макроскопическая – при должной сноровке её можно было бы увидеть не особо вооружённым глазом. Это и удивительно. Казалось бы, энергетические параметры нагрева чрезвычайно похожи, химическое взаимодействие компонент при нагреве аналогичное, но импульсность воздействия всё же формирует более однородный слой. Причина тому – тонкая динамика массопереноса (течения, диффузии и прочего) при плавлении под различным типом теплового воздействия», – пояснил Алексей Завьялов/
Металлокерамические композиты интересны не только для авиационной промышленности, но и нефтегазовой. Коллаборация научно-исследовательских институтов СО РАН уже начала работы со сплавом на никелевой основе. По словам Александра Маликова, благодаря лазерным технологиям можно получать коррозийные износостойкие покрытия для нефтегазовой отрасли. «Прикладное применение у наших работ есть, но я хочу сказать, что у любой прикладной задачи должна быть крепкая фундаментальная база – благодаря созданной с ИХТТМ СО РАН и ИЯФ СО РАН коллаборации она у нас есть. Важно не только знать, как добиться тех или иных свойств материала, но и понимать, почему они изменяются», – пояснил специалист.
Фото 1: 3D выращивание композита на установке прямого-лазерного выращивания ИТПМ СО РАН. Предоставлено А. Маликовым.
Фото 2: Микроструктура сплава ВТ6 с добавлением диборида титана, на которой видно образование вискерсов борида титана. Предоставлено А. Маликовым.