Разработка научно-технологических основ синтеза металлических азотосодержащих жаропрочных порошковых сплавов для получения деталей авиационной техники сложной формы с использованием аддитивных технологий

Современные темпы развития промышленности требуют внедрения передовых способов производства металлических изделий. Одним из них являются аддитивные технологии, которые объединяют использование цифрового проектирования для создания компьютерной модели будущей детали и изготовление самого изделия путем послойного добавления материала на специальном оборудовании. В настоящий момент наибольшее распространение среди технологий аддитивного производства металлических изделий как в России, так и за рубежом получил метод селективного лазерного плавления. В качестве исходного сырья для изготовления металлических изделий с помощью аддитивных технологий используются порошковые материалы. Производители оборудования для аддитивного производства предъявляют ряд требований к исходным порошковым материалам, в частности порошковые частицы должны иметь сферическую форму, иметь минимальное количество внутренних и поверхностных дефектов, соответствовать определенному химическому и гранулометрическому составу. Порошки для аддитивных технологий, как правило, производят с помощью технологий газовой или плазменной атомизации расплава. В связи со сложностями при производстве порошков сложных сплавов для аддитивных технологий номенклатура коммерчески доступных порошков для аддитивного производства в настоящий момент существенно ограничена. Основными мировыми лидерами в области производства порошковых материалов для аддитивных технологий являются европейские компании Sandwik Osprey (Швеция), LPW Technology (Великобритания), TLS Technik GmbH & Co (Германия), AMETEK SMP (США) в основном использующие технологию газовой атомизации, а также канадская компания Raymor, применяющая плазменную атомизацию, для получения высококачественных порошковых материалов.На сегодня характеристики производимых порошков явно лимитируют область применения аддитивных технологий. Производится узкий спектр порошков по химическому составу. С формой частиц, гранулометрией (низкая доля пригодных фракций), качеством порошков (газовая пористость, сателлиты и т.д.) очень много проблем. В результате нельзя реализовать возможности по обеспечению свойств конструкционных и функциональных материалов, а также получить высокую точность изготовления и качество поверхности.На сегодня характеристики производимых порошков явно лимитируют область применения аддитивных технологий. В результате нельзя реализовать возможности по обеспечению свойств конструкционных и функциональных материалов, а также получить высокую точность изготовления и качество поверхности.Для решения проблемы есть два пути. Первый – исследование технологических режимов для созданной техники, ее совершенствование, разработка нового оборудования и создание принципиально новых устройств, расширяющих номенклатуру сырья, пригодного для применения в аддитивных технологиях. Работы в этом направлении привели к появлению нового класса систем – роботизированных комплексов, в которых реализованы возможности не только изготовления изделий методом прямого выращивания, но и восстановления и ремонта изношенных или поврежденных деталей. Второй – разработка технологий получения порошков с заданным составом и свойствами, которые позволят расширить номенклатуру используемых сплавов и составит конкуренцию уже имеющимся зарубежным производителям материалов.Распространенные в настоящее время методы получения порошков для аддитивных технологий не позволяют получать порошки жаропрочных сплавов со сверх равновесным содержанием азота. Одним из альтернативных путей получения таких порошков является механическое легирование (МЛ) с последующей сфероидизацией. Основой механического легирования является импульсная механическая обработка порошков или их смесей в мельницах. Использование механического легирования позволяет получать однородные по составу и структуре частицы порошка с одновременным формированием мелкозернистой структуры, в том числе нанокристаллической. Порошки, получаемые путем размола на данный момент, не применяют для аддитивных технологий, так как частицы порошка имеют осколочную, неправильную форму. Для придания сферической формы порошкам применяются различные методы сфероидизации – процесс преобразования исходного порошкового материала неравноосной формы с целью получения частиц с формой близкой к сферической. Существует несколько методов сфероидизации порошков, один из которых – сфероидизация с помощью термического воздействия потока плазмы. Высокая температура, достигающая 10000°C в струе плазмы, позволяет расплавлять и испарять даже самые тугоплавкие соединения. Контролируя такие параметры как: скорость подачи, траекторию движения порошка, расход плазмообразующего газа и мощность плазменного потока, можно добиться получения частиц соединений заданного состава с сферической формой.Упор в ходе реализации проекта будет сделан на: 1) установление физико-химических закономерностей синтеза металлических азотосодержащих жаропрочных порошковых сплавов систем Ni-Cr-W-Co-Ti-N и Fe-Cr-Ni-Mn-N методом механического легирования; 2) исследование влияния способа ввода азота при механическом легировании (из газовой фазы, через азотированные ферросплавы, нитриды) на содержание и распределение азота в сплаве; 3) исследование поведения азота при плазменной сфероидизации порошков, полученных механическим легированием; 4) установление закономерностей влияния физико-химических параметров процесса плазменной сфероидизации на содержание азота в сплаве; 5) установление закономерностей влияния физико-химических параметров процесса селективного лазерного плавления на содержание азота в компактных образцах и механические свойства.