Разработка составов и технологии изготовления композиционных материалов с регулярной структурой на основе сплавов титана и алюминия методами 3D-печати

Цель проекта - обеспечение повышенного уровня физико-механических и эксплуатационных свойств композиционных материалов (в том числе в условиях агрессивного атмосферного воздействия и низких температур) за счет разработки новых составов и технологий изготовления методами 3D-печати. Задачи проекта - моделирование регулярных структур из пластиков (прототипов) и изучение процессов их разрушения под нагрузкой в качестве стартового метода при разработке составов и технологии изготовления КМ; экспериментальное изучение особенностей формирования микроструктуры и свойств композиционных материалов, синтезированных из порошков на основе сплава ВТ6 сочетанием методов селективного лазерного плавления и порошковой металлургии: определение влияния режимов синтеза на микроструктуру, фазовый состав и комплекс физико-механических свойств; разработка новых составов порошковых смесей и технологий изготовления композиционных материалов на основе титановых сплавов с повышенным уровнем эксплуатационных свойств селективным лазерным плавлением; определение перспективных областей применения новых композиционных материалов для изготовления деталей методами 3D-печати, в том числе эксплуатируемых в условиях Арктики и территорий крайнего Севера. Научная новизна – Модельные данные эффектов жидкофазного спекания порошковых смесей в процессе лазерного плавления, содержащих добавки более легкоплавких материалов по сравнению с основной фазой; процессов формирования структуры трехфазного композита из бимодальных порошковых смесей с учетом различий в кинетике плавления наночастиц алюминия в смеси с порошками меди и микронных матричных порошков ВТ6. Основное содержание работы - Моделирование регулярных структур из пластиков (прототипов) и изучение процессов их разрушения под нагрузкой в качестве стартового метода при разработке составов и технологии изготовления КМ; Экспериментальное изучение особенностей формирования микроструктуры и свойств композиционных материалов, синтезированных из порошков на основе сплава ВТ6 сочетанием методов селективного лазерного плавления и порошковой металлургии. Определение влияния режимов синтеза на микроструктуру, фазовый состав и комплекс физико-механических свойств; Разработка новых составов порошковых смесей и технологий изготовления композиционных материалов на основе титановых сплавов с повышенным уровнем эксплуатационных свойств прямым селективным лазерным плавлением; Изготовление опытных образцов изделий на основе разработанных составов и технологий для аэрокосмической и радиоэлектронной отраслей. Определение перспективных областей применения новых композиционных материалов для изготовления деталей методами 3D-печати, в том числе эксплуатируемых в условиях Арктики и территорий крайнего Севера. Основные ожидаемые результаты - Новые стереологические модели регулярных структур из пластиков и результаты изучения процессов разрушения прототипов, полученных методом FDM. На их основе могут быть разработаны новые составы и технологии изготовления металлокерамических композиционных материалов, которые используются для синтеза изделий методами селективного лазерного плавления. Закономерности формирования микроструктуры и свойств композиционных материалов, синтезированных из порошковых смесей на основе сплава ВТ6 сочетанием методов селективного лазерного плавления и порошковой металлургии. Эти экспериментальные результаты позволяют установить рациональные режимы синтеза композитов на основе сплава ВТ6. Новые составы п технологии изготовления композиционных материалов на основе бимодальных порошковых смесей сплава ВТ6, добавок порошков меди и наночастиц алюминия (прямым селективным лазерным плавлением). При этом обеспечивается однородность фазового распределения в структуре КМ и отсутствие остаточной пористости за счет эффектов жидкофазного спекания, реализуемых в новых бимодальных порошковых смесях. Практическая значимость применения этих результатов заключается в повышении уровня прочностных и эксплуатационных свойств изделий на их основе. Опытные образцы изделий на основе разработанных составов и технологий. Результаты экспериментальных лабораторных исследований опытных образцов позволяют определить перспективные области применения новых композиционных материалов для изготовления деталей для аэрокосмической и радиоэлектронной отраслей, методами 3D-печати, в том числе эксплуатируемых в условиях Арктики и территорий крайнего Севера. Результаты комплексных численных и экспериментальных исследований по проекту позволяют определить закономерности деформационных процессов и разрушения различных типов регулярных структур, созданных в соответствии с компьютерной моделью путем 3D-печати из пластиков. Возможные направления применения - Аддитивные технологии и, в частности методы 3D-печати имеют преимущества перед традиционными методами формообразования композиционных материалов и изделий на их основе (порошковой металлургии, тканевыми и плетеными препрегами, литьем, обработкой резанием и другими технологиями изготовления сложнопрофильных изделий). Появляется возможность получения сложных пространственных композитов с заданными беспрецедентными геометрическими характеристиками и высокой производительностью в соответствии с компьютерной моделью. С помощью методов 3D-печати можно формировать так называемые регулярные композиционные материалы, имеющие архитектуру с повторением правильных фрагментов структуры в пространстве. Применение таких структур обеспечивает полимерным, металлическим и керамическим композиционным материалам сочетание свойств, недостижимое традиционными методами: повышенные значения удельной прочности, коэффициента теплопередачи, твердости и износостойкости, трещиностойкости, модуля упругости, стойкости к воздействию агрессивных сред, низких температур и др. Как результат, расширенные перспективы применения указанных материалов для изготовления сложнопрофильных деталей на основе цифровых моделей для нужд машиностроения, аэрокосмической, радиоэлектронной промышленности, оборонного комплекса, нефтегазовой отраслей, в том числе в условиях Арктики и территорий Крайнего Севера.