Ученые МИСИС создали алюминиевый композит для 3D-печати в атомной и аэрокосмической отрасли

Специалисты НИТУ МИСИС разработали алюминиевый композит для 3D-печати, который одновременно обладает прочностью, пластичностью и радиационной стойкостью. Новый материал открывает широкие возможности для создания сложных деталей для авиации и космоса.

Алюминиевые сплавы, благодаря оптимальному балансу легкости и прочности, находят широкое применение в современной промышленности. Однако в чистом виде они не способны выдерживать ни экстремальные механические нагрузки, ни радиационное облучение, поэтому не могут применяться для производства деталей самолетов, спутников или ядерных реакторов. Чтобы улучшить характеристики алюминиевых сплавов, ученые добавляют в их матрицу частицы тугоплавких соединений. Так, карбид вольфрама используют для повышения твердости, термоустойчивости и поглощения радиации.

Тем не менее практическое применение подобных композитов в аддитивном производстве сопряжено с рядом технологических трудностей. Нерешенной проблемой остается неравномерность распределения наночастиц в металлической матрице. В процессе 3D-печати под воздействием высоких температур они формируют нежелательные фазы и ухудшают эксплуатационные свойства изделий. Также нанодобавки меняют структуру порошков, из-за чего последние теряют сыпучесть и перестают нормально подаваться в 3D-принтер.

Ученые НИТУ МИСИС разработали двухэтапную технологию, позволяющую преодолеть эти ограничения. Используя метод низкоэнергетического планетарного шарового измельчения, исследователи изготовили порошок алюминиевого композита (силумина) с добавлением наночастиц карбида вольфрама, сохранив сыпучесть и оптимальную плотность материала.

«Материаловедческие решения Университета науки и технологий МИСИС на протяжении многих лет успешно применяются в различных высокотехнологичных отраслях. Коллектив исследователей под руководством молодого ученого Дмитрия Московских разработал инновационный композит на основе алюминия, сочетающий высокую прочность и пластичность. Новый материал открывает возможности для аддитивного производства деталей сложной геометрии, используемых в аэрокосмической и атомной промышленности», — отметила ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

Исследователи установили, что оптимальное количество карбида вольфрама в композите — 1 % от общей массы. В таком виде прочность материала при растяжении составила около 400 мегапаскалей при удлинении на 4 %, что сопоставимо с лучшими аналогами на основе силумина.

«Также на текущем этапе исследования образец проходит испытания облучением высокоэнергетическими частицами — ионами криптона с энергией 147 мегаэлектронвольт при плотности потока 5,6×1015 ион/см2, что соответствует экстремальным условиям длительного облучения. Теоретически добавка карбида вольфрама должна повышать радиационную стойкость композита, что делает его перспективным для применения в атомной отрасли и космическом машиностроении», — рассказал директор НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС, кандидат технических наук Дмитрий Московских.

На втором технологическом этапе исследователи изучили фазовую эволюцию материала при 3D-печати и влияние полученной структуры на эксплуатационные характеристики образцов.

«Мы выявили, что в материале образуются новые фазы — метастабильный β-вольфрам и интерметаллид алюминия и вольфрама, которые усиливают сплав своими свойствами, — объяснил старший научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС, кандидат технических наук Андрей Непапушев.

В итоге исследователям удалось объединить в одном материале несколько важных функциональных параметров: малый вес, повышенную прочность и устойчивость к ионизирующему излучению. Такое сочетание в композите, пригодном для аддитивного производства, по мнению авторов, обеспечит возможность его применения в космической и атомной отраслях.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации