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

Исследователи НИТУ МИСИС разработали композитный материал нового поколения для 3D-печати, который одновременно обладает прочностью, пластичностью и радиационной стойкостью. 

Алюминиевые сплавы — один из главных материалов в современной промышленности благодаря балансу лёгкости и прочности. Однако в чистом виде они не способны выдержать ни экстремальные механические нагрузки, ни радиационное облучение, поэтому не могут применяться для производства деталей самолётов, спутников, ядерных реакторов. Чтобы улучшить характеристики алюминиевых сплавов, учёные добавляют в их матрицу частицы тугоплавких соединений. Например, карбид вольфрама (WC) используют для повышения твёрдости, термоустойчивости и поглощения радиации. Тем не менее практическое применение подобных композитов в аддитивном производстве сопряжено с рядом технологических трудностей. Нерешённой проблемой остаётся равномерное распределение наночастиц в металлической матрице, из-за чего 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.

Учёные НИТУ МИСИС разработали двухэтапную технологию, позволяющую преодолеть эти ограничения. Используя метод низкоэнергетического планетарного шарового измельчения, исследователи изготовили порошок алюминиевого композита (силумина) с добавлением наночастиц WC, 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 талантливого учёного 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.

«Мы 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, — рассказал к.т.н. Дмитрий Московских, директор НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС. — 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», — добавил учёный.

На втором технологическом этапе исследователи изучили фазовую эволюцию материала при 3D-печати и влияние полученной структуры на эксплуатационные характеристики образцов. С подробными результатами можно ознакомиться в журнале The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (Q1).

«Мы выявили, что в материале образуются новые фазы — метастабильный β-вольфрам и интерметаллид алюминия и вольфрама, которые усиливают сплав своими свойствами, — объяснил к.т.н. Андрей Непапушев, старший научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС. — В итоге у нас получилось объединить несколько важных функциональных параметров: малый вес, повышенную прочность и устойчивость к ионизирующему излучению. Такое сочетание в композите, пригодном для аддитивного производства, — это серьёзный шаг вперёд для новых применений в космической и атомной отрасли», — добавил он.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 19-79-30025).