Физико-технологические основы изготовления материалов на основе аморфных металлических фаз аддитивным методом селективного лазерного плавления

К настоящему времени достигнуты серьёзные успехи в получении аморфных металлических сплавов. Показано, что аморфная структура способствует значительному улучшению ряда характеристик, например механический прочности. Тем не менее, аморфные сплавы до сих пор не нашли широкого применения в качестве конструкционных материалов. Дело в том, что сейчас основным методом получения заготовок из аморфных сплавов остаётся литьё, накладывающее серьёзные ограничения на их размер. Кроме того, полностью аморфные сплавы проявляют, как правило, недостаточную пластичность. Для преодоления этого недостатка ряд исследователей предлагает формировать гетерогенную аморфно-кристаллическую структуру, что также наталкивается на ограничения метода литья, в котором скорость охлаждения, а значит и образующаяся структура, жёстко связана с формой и размером отливки. Таким образом, серьёзной научно-технологической проблемой является разработка новых, свободных от указанных размерных ограничений методов получения материалов на основе аморфных металлических фаз, в которых структура материала может формироваться независимо от формы и размера детали. Данный проект направлен на изучение формирования структуры материалов на основе аморфных металлических фаз, получаемых методом селективного лазерного плавления (СЛП). Аддитивная технология СЛП состоит в послойном построении детали по её цифровой модели путём локального сплавления исходного порошка лазерным пучком. Полученная деталь состоит фактически из отдельных валиков переплавленного порошка диаметром порядка 100 мкм. Металлургическая связь между валиками обеспечивает сплошность материала. Процесс СЛП предоставляет широкие возможности по управлению тепловым циклом, а значит и структурой материала, путём изменения стратегии сканирования и таких технологических параметров, как мощность пучка и скорость сканирования. Тепловым циклом при образовании каждого валика можно управлять независимо, что обеспечивает независимость полученной структуры от формы и размера детали. Таким образом, технология СЛП представляется перспективной для решения обозначенной научной проблемы. Отдельные работы, демонстрирующие возможность получения аморфных и гетерогенных аморфно-кристаллических структур методом СЛП, стали появляться с 2012 г. В последние несколько лет наблюдается резкий рост научных публикаций по этой тематике, косвенно свидетельствующий о её перспективности. Большинство этих работ посвящены исследованию структуры и свойств отдельных аморфных сплавов, полученных методом СЛП, их зависимости от технологических параметров и оптимизации технологических режимов. Намечается задача целенаправленного формирования структуры гетерогенных материалов на основе аморфных металлических фаз, которая, однако, не решена полностью. Например, остаётся проблема неравномерности распределения кристаллических включений в аморфной матрице. Цель данного проекта - разработка методов управления формированием структуры гетерогенных материалов на основе аморфных металлических фаз при их получении в процессе СЛП. Для достижения цели будут решаться задачи управления тепловым циклом материала при СЛП и изучения влияния теплового цикла на структуру. Исследование физико-механических характеристик полученных образцов обеспечит выбор оптимальных структур, необходимых для изготовления деталей с повышенными механическими свойствами. Научный коллектив данного проекта имеет опыт получения аморфных материалов методом СЛП и оптимизации технологических режимов СЛП. Научным коллективом разработан ряд уникальных методов исследования физических процессов в зоне лазерного воздействия при СЛП и их математических моделей, которые будут применяться и развиваться в данном проекте. Наряду с промышленными машинами СЛП, в распоряжении коллектива имеются разработанные им лабораторные стенды СЛП, позволяющие проводить процесс в нестандартных условиях, например при повышенных температурах рабочей зоны, и облегчающие доступ диагностического оборудования в рабочую зону. Имеется также необходимое оборудование для диагностики быстропротекающих процессов, исследования структуры материалов и их механических свойств. Опыт коллектива, имеющийся задел по тематике данного проекта и доступ к необходимому оборудованию обеспечат успешное выполнение проекта и достижение запланированных результатов. В процессе СЛП материал подвергается многократному термоциклированию с экстремально высокими скоростями нагрева и охлаждения. В данном проекте предполагается сопоставлять нестационарные тепловые поля и тепловые циклы при СЛП со структурой и механическими свойствами полученных материалов на основе аморфных металлических фаз. Запланировано получение данных о влиянии параметров теплового цикла на структуру и их теоретический анализ с помощью разработанных новых математических моделей. Это позволит получить новые научные результаты о кинетике фазовых превращений и структурных изменений в условиях уникальных тепловых циклов СЛП.