Применение синхротронного излучения для создания научных основ получения новых гетерогенных материалов с уникальными физико-механическими свойствами с помощью лазерного воздействия

Цель этапа 2022 г. состояла в разработке научных и методических основ управления структурными, фазовыми, теплофизическими, механическими параметрами гетерогенного материала с уникальными заданными свойствами, при воздействии высококонцентрированного лазерного излучения на вещество, на основе управления фазовым составом материала и его комплексной диагностики с помощью синхротронного излучения. Метод или методология проведения работы: методология основана на комплексном подходе, включающем оптимизацию высокоэнергетического воздействия лазерного излучения на вещество, целенаправленное изменение структурного фазового состояния за счет легирования керамическими частицами при лазерной наплавке и пост термической обработке при лазерной сварке, что позволяет получать гетерогенные материалы с уникальными свойствами. Оригинальностью методологии заключается в развиваемом в ИТПМ СО РАН научном направлении - лазерной микро-металлургии. Успешность выполнения проекта обеспечило использование уникальных установок, созданных в ИТПМ СО РАН на базе СО2-лазеров, а также впервые использовать синхротронного излучения (СИ) на установке класса «мегасайенс» позволяющего определять структуру материала в 3D объеме, что позволило получить целый ряд новых приоритетных результатов. Краткое изложение важнейших результатов по этапу 2022 г. и их новизна: проведены пионерские исследования по выращиванию модульных биметаллических («сталь – никелевый сплав – сталь) и металлокерамических (ВТ-6 - WC, B4C, В) структур прямым лазерным выращиванием. Созданы объемные модульные композитные материалы с минимальными дефектами. При создании биметаллических структур, кроме исходных элементов (α,β-Ti WC, B4C) формируются вторичные фазовые соединения типа TiB и (Ti,W)C. При исследовании процесса лазерной сварки разнородных термически упрочняемых алюминиево-литиевых сплавов впервые в мире было изучено пространственное распределение формируемого фазового состава в результате взаимной диффузии. Механические характеристики разнородного сварного шва на основе сплава 1424 и В1461 близки к значениям сплава 1424. Новизна результатов. Впервые созданы объемные модульные композитные биметаллические и металлокерамические материалы. Показано влияние керамик В4С и WС при разном массовом содержании ее в исходной смеси на эволюцию структурно-фазового состава и механические характеристики. Управляя концентрацией керамики, возможно целенаправленно влиять на получение заданных свойств изделия, а именно фазовый состав, микроструктуру, твердость, износостойкость, в результате лазерного воздействия и за счет формированием вторичных фаз. Впервые представлена эволюция структурно-фазовых превращений и ее связь с механическими свойствами разнородного лазерного сварного шва на основе термически упрочняемых алюминиево-литиевых сплавов третьего поколения. Определяющем является процесс лазерной микрометаллургии, зависящим от системы легирования сплавов, теплофизических свойств сплава, режимов затвердевания, конвективного переноса расплава, быстропротекающего локального неравновесного нагрева плавления и последующей кристаллизации материала, скоростью охлаждения, оптимальной постобработки. Все полученные важнейшие результаты получены впервые в мире и не имеют мировых аналогов.