Новые цифровые технологии моделирования и создания функционально-градиентных материалов и конструкций для аддитивного производства деталей и узлов с переменными структурой, химическим составом и плотностью

Требования к повышению прочностных характеристик материалов, временной и термической стабильности свойств, снижению себестоимости их изготовления и повышения энергоэффективности в производстве привели к появлению новых методов изготовления и компактирования порошков, а также соответствующего оборудования, уже сейчас способных заменить традиционные технологии изготовления ответственных деталей. Новые методы позволяют снизить материалоемкость и трудоемкость производства. Данный аспект особенно актуален в наукоемких отраслях (авиация, космонавтика, медицина и др.), где традиционные технологии изготовления особенно трудоемки: при изготовлении компонентов удаляется до 90% металла заготовки. Новые методы позволяют снизить материалоемкость и трудоемкость производства. Одними из перспективных направлений являются аддитивные технологии. Наиболее распространенные технологии из них на текущий момент – селективное лазерное плавление и прямое лазерное выращивание из порошковых материалов.В настоящее время происходит настоящий бум развития аддитивных технологий, поскольку их использование предоставляет возможность быстро воспроизвести пространственный объект сколь угодно сложной формы (теоретически из любого материала) с высокой точностью. Вместе с тем, на данный момент вопросы, связанные с формированием микроструктуры, отличной от традиционных литой и деформированной, возможностью управлением структурообразованием в процессе послойного синтеза и последующей термической и/или химико-термической обработки, а также корреляции образовавшегося структурно-фазового состояния с эксплуатационными характеристиками, являются недостаточно изученными.Проведение исследований с целью определения фундаментальных и прикладных аспектов возможностей использования технологий аддитивного изготовления (последовательного добавления материала) для синтеза функционально-градиентных материалов и конструкций с использованием теоретических и экспериментальных подходов позволят сформировать научно-технологические-основы оптимизации, моделирования и проектирования изделий с градиентными свойствами и улучшенными характеристиками, управления структурно-фазовым составом, создания градиентных зон с переменными свойствами при изготовлении методами аддитивного производства. Для реализации проекта будут разработаны методики экспериментального исследования эволюции структурно-фазового состояния градиентных материалов и конструкций, оценки значимости процессов быстрой, сверхбыстрой кристаллизации и воздействии зон термического влияния на формирование микроструктуры и фазового состава, определения возможностей использования различных газовых сред на конструкционные и функциональные свойства материалов (прочности, термической устойчивости и долговечности).Сдерживающим фактором применения аддитивных технологий является высокая стоимость расходных материалов (порошок сферической формы), которая связана с дополнительным дорогостоящим металлургическим переделом для получения мелкодисперсных частиц сферической формы (газовая или плазменная атомизация). Разработка технологий с использованием дешевого расходного материала (стружка, проволока), а также применения других, альтернативных источников энергии (электрическая дуга вместо дорогостоящего мощного лазера) позволит существенно снизить себестоимость оборудования, расходных материалов и конечных изделий. Одним из достоинств аддитивных технологий является возможность изготовления сложных изделий с применением ячеистых структур и бионического дизайна, которые невозможно получить традиционными методами (литье, штамповка, мех.обработка). Принятие во внимание данных возможностей аддитивных технологий на этапе проектирования изделий приводит к снижению массы изделий или улучшение необходимых эксплуатационных характеристик, однако на текущий момент отсутствие методик проектирования и последующего анализа таких изделий не позволяет в полной мере реализовывать их применение на практике. В совокупности с применением функционально-градиентных материалов это позволит существенно увеличить полезную нагрузку в авиакосмической области.Разработка современных роботизированных систем обеспечит технологическую независимость и импортозамещение с возможностью их широкого внедрения в стратегических отраслях. Производство компонентов оборудования для реализации аддитивных технологий на территории Российской Федерации позволит существенно расширить функциональные возможности и производительность технологического оборудования.