КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-79-10240

НазваниеИсследование формирования градиентных структур в системе Al-Al2O3-AlN-ZrN в условиях аддитивного синтеза и получение на их основе новых металлокерамических мультиматериалов

РуководительСуворова Вероника Сергеевна, Кандидат технических наук

Прежний руководитель Наливайко Антон Юрьевич, дата замены: 17.01.2023

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаселективное лазерное плавление; холодное газодинамическое напыление; мультиматериалы; градиентные материалы; гибридное аддитивное производство; алюминий; керамика; армирующие частицы

Код ГРНТИ61.61.33

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект разработан в соответствии базовыми концепциями "Индустрии 4.0" и направлен на фундаментальное изучение процессов селективного лазерного плавления (СЛП, selective laser melting, SLM) и холодного газодинамического напыления (ХГН, cold spray method, CSM), а также на исследование их взаимодействия в части получения мультиматериалов с принципиально новыми свойствами. Задачами настоящего проекта являются разработка фундаментальных и технологических основ процессов формирования градиентных мультиматериалов с использованием технологий 3D печати и создание концепции системы аддитивной печати, совмещающей в себе СЛП и ХГН процессы формирования объемных 3D объектов. Научная проблема проекта находится на стыке четырех областей фундаментальных и прикладных наук, к которым относятся: материаловедение; металлургия; физическая химия; технологии машиностроения. Область фундаментальных исследований проекта находится в плоскости изучения достигнутых характеристик 3D изделий в зависимости от параметров обработки исходных порошков и их первоначальных свойств. С инженерной точки зрения, проект направлен на создание технологических принципов получения градиентных по объему материала изделий, не требующих для последующего использования дополнительной механической обработки. Настоящая идея объединяет в себе сильные стороны двух прорывных технологий аддитивного производства: СЛП позволяет сформировать изделие сложной формы, а ХГН позволяет сформировать на изделии равномерное покрытие, а также устранить поверхностную пористость и обеспечить поверхности заданные свойства. Объектом исследования будет являться система "алюминий – керамические материалы", в том числе Al2O3, AlN и ZrN и их комбинации с алюминием. Указанные композиции являются потенциально перспективным сырьем для создания конструкционных материалов для аэрокосмической, автомобильной и биомедицинской промышленности, что обусловлено достигаемой комбинацией функциональных и механических свойств. СЛП и ХГН процессы обладают уникальными преимуществами и недостатками. СЛП позволяет синтезировать объекты высокой конструкторской сложности, но при этом процесс синтеза достаточно продолжительный. В свою очередь ХГН позволяет быстро синтезировать твердые объекты, но с низкой точностью изготовления. Совмещение данных способов в единую концепцию гибридной аддитивной системы позволит снизить общую продолжительность синтеза, формировать новые типы градиентных мультиматериалов с широким спектром применения и разработать технические решения по «модификации поверхности» и «быстрой печати» объёмных изделий. Реализация настоящего проекта обеспечит фундамент для дальнейшего развития отечественных перспективных высокотехнологичных и наукоемких проектов в сферах аддитивного производства и окажет положительное влияние на развитие направления «аддитивного производства мультиматериалов» (multi-materials additive manufacturing, MM–AM) в Российской Федерации. В рамках проекта планируется опубликовать не менее 9 статей в ведущих международных изданиях. Лучшие практики, методики и подходы, сформированные в рамках реализации проекта, будут включены в структуры образовательных программ, разрабатываемых научным коллективом проекта.

Ожидаемые результаты
Глобальными задачами проекта являются: (1) изучение бинарных и многокомпонентных систем на основе алюминия с использованием в качестве армирующих добавок и (или) покрытий следующих керамических материалов: Al2O3, AlN, ZrN; (2) исследование условий подготовки исходных материалов для СЛП-синтеза, обеспечивающих равномерное распределение микро- и наноразмерных армирующих частиц в матрице, и поиск оптимальных составов композиций для нанесения плотных металлокерамических покрытий методом ХГН (3) поиск режимов и условий СЛП– и ХГН–синтеза объемных объектов из указанных систем; (4) создание концепции гибридной аддитивной системы для 3D-печати мультиматериалов. В соответствии с этим, результатами проекта будут являться: 1. Результаты изучения процессов формирования объемных изделий методом СЛП из выбранной композиции материалов, в том числе: результаты исследования влияния плотности энергии лазерного луча (параметр, обобщающий мощность лазера, скорость сканирования и перекрытие треков) на механические свойства и микроструктуру изделий; результаты изучения характера расплавленного пула при лазерном сплавлении объектов исследования; результаты исследований седиментации и пространственного расположения керамических частиц в теле изделия; результаты оптимизации режимов СЛП по свойствам изделий (поверхностная пористость, удельная плотность, механические характеристики). 2. Результаты изучения процессов формирования керамических и алюмокерамических покрытий методом ХГН на изделиях, синтезированных методом СЛП, в том числе: результаты изучения влияния технологических параметров ХГН (скорость напыления частиц, расход частиц, диаметр сопла и пр.) на свойства получаемых покрытий (равномерность, адгезия, шероховатость, механические свойства и др.); технические решения по модификации поверхности изделий, синтезированных методом СЛП , в частности: – исследование возможности устранения поверхностной пористости объектов; – изучение свойств изделий из мультиматериалов, синтезированных в условиях «быстрой печати» методом СЛП (высокая скорость сканирования лазера, широкое перекрытие треков) и «модифицированных» методом ХГН. 3. Концепция гибридной аддитивной системы для 3D-печати мультиматериалов, позволяющей формировать изделия из алюминия и керамики одновременно, в том числе: описание требований к исходным материалам на основании результатов экспериментальных исследований; разработка технических решений по подаче исходного материала в рабочую камеру и разработка эскиза конструкции рабочей камеры, совмещающей методы СЛП и ХГН; граничные условия синтеза изделий на основании результатов математического моделирования и обработки массива экспериментальных данных по СЛП и ХГН. Поставленные задачи в полной мере соответствуют мировым исследованиям в области аддитивного производства мультиматериалов, а полученные результаты окажут существенное влияние на развитие данного направления в России. Практическую значимость проекта будут отражать новые решения для производителей 3D принтеров в вопросах конструкционных особенностей и функционального предназначения изготавливаемых машин, а также новые решения для производителей порошковых материалов для аддитивного производства в части улучшения составов композиций и оптимизации условий для их использования. Междисциплинарность проекта определяется комплексностью задач проекта. Программа проекта включает в себя исследование СЛП и ХГН процессов (ГРНТИ 29.33 «Лазерная физика» и ГРНТИ 29.19 «Физика твердых тел») для получения объемных металлокерамических мультиматериалов (ГРНТИ 53.49.15 «Структура и свойства цветных металлов и сплавов и композиционных материалов на их основе») и создания концепции гибридной аддитивной системы (ГРНТИ 50.47 «Автоматизированные системы управления технологическими процессами»). Успешное решение задач проекта сформирует фундамент для перехода к интеллектуальной аддитивной технологии синтеза мультиматериалов на основе металлов и керамики, что соответствует целям Приоритета 20а) Стратегии НТР РФ.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках 1 этапа выполнения проекта были рассмотрены технические решения по синтезу мультиматерилов с использованием методов аддитивного производства. На основании анализа публикаций показана целесообразность использования последовательного применения селективного лазерного плавления и холодного газодинамического напыления для получения соединений несвариваемых материалов, а также для создания деталей с переменными градиентными свойствами на основе одного материала. Были исследованы механические характеристики алюминиевых сплавов, синтезированных по оптимальным режимам селективного лазерного плавления. Детально рассмотрена методика поиска оптимальных режимов селективного лазерного плавления в зависимости от исходных свойств порошковых материалов. Исследована технология производства композиционного материала, содержащего алюминиевую матрицу и оксид алюминия, с помощью метода вихревого слоя. Для приготовленных композитов были найдены оптимальные параметры селективного лазерного плавления, а также исследованы микроструктурные и механические характеристики для синтезированных образцов. Синтезирован ряд образцов мультиматериалов, состоящих из силуминовых подложек, изготовленных методами литья и селективного лазерного плавления, на которые были нанесены керамические покрытия различного состава. Для достижения прочной связи между керамическими частицами с подложкой и между собой в исходный порошок был добавлен порошок чистого алюминия. Эксперименты по холодному газодинамическому напылению на различных составах исходных порошковых смесей показали, что двукратное соотношение оксида алюминия к алюминию является оптимальным с точки зрения формирования слоя, обладающего высокой плотностью и низким количеством пространственных дефектов. Изучение нанесения покрытий такого состава показало возможность формирования слоев произвольной толщины с прочной связью с подложкой, при этом обладающих высокой плотностью и твердостью. Предложена концепция камеры гибридной аддитивной системы, совмещающей в себе процессы селективного лазерного плавления и холодного газодинамического напыления. Предполагается, что камера гибридной аддитивной системы должна быть разделена на несколько зон и иметь поворотную платформу построения. Пресс–релизы, освещающие исследования и разработки, проводимые в рамках проекта: 1. Научные проекты молодых ученых НИТУ «МИСиС» поддержаны грантами РНФ (https://misis.ru/university/news/science/2021-07/7415/) 2. Ученые представили 3D-печать почти всеми востребованными металлами (https://misis.ru/university/news/science/2021-12/7694/) 3. Ученые при помощи металлической 3D-печати снизили стоимость деталей для автопрома (https://misis.ru/university/news/science/2022-04/7891/) Публикации, подготовленные в рамках выполнения 1 этапа проекта: 1. Nalivaiko A.Yu., Doroshenko V.V., Kuang N., Ozherelkov D.Yu., Pelevin I.A., Gromov A.A. Synthesis of Al–Al2O3–CNF Composite by Cold Spray Method: Powder Preparation and Synthesized Objects Characterization, Nanomaterials (Q1) 2. Ozherelkov D.Yu., Pelevin I.A., Nalivaiko A.Yu., Chernyshikhin S.V., Komissarov A.A., Bazhenov V.E., Gromov A.A. Mechanical properties and microstructure behavior of additively manufactured AlSi10MgCu/Al2O3 composites fabricated using electromagnetic vortex layer system, Materials Today Communications (Q2)

 

Публикации

1. Наливайко А.Ю., Дорошенко В.В., Куанг Н., Ожерелков Д.Ю., Пелевин И.А., Громов А.А. Synthesis of Al–Al2O3–CNF Composite by Cold Spray Method: Powder Preparation and Synthesized Objects Characterization Nanomaterials, 12, 1559 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12091559

2. Ожерелков Д.Ю., Пелевин И.А., Наливайко А.Ю., Чернышихин С.В., Комиссаров А.А., Баженов В.Е., Громов А.А. Mechanical properties and microstructure behavior of additively manufactured AlSi10MgCu/Al2O3 composites fabricated using electromagnetic vortex layer system Materials Today Communications, 2022, 103672 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103672

3. - Ученые представили 3D-печать почти всеми востребованными металлами Пресс-релиз НИТУ "МИСиС", Проект РНФ 21-79-10240 (год публикации - )

4. - Научные проекты молодых ученых НИТУ «МИСиС» поддержаны грантами РНФ Пресс-релиз НИТУ "МИСиС", Проект РНФ 21-79-10240 (год публикации - )

5. - Ученые при помощи металлической 3D-печати снизили стоимость деталей для автопрома Пресс-релиз НИТУ "МИСиС", Проект РНФ 21-79-10240 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения второго этапа проекта с целью расширения спектра создаваемых/исследуемых объектов мультиматериалами разработана двухстадийная методика пропитки металлическим расплавом СЛП-синтезированных каркасных структур, в качестве модельной системы для отработки методики была выбрана W-Cu. Первая стадия включала в себя создание каркасных структур посредством селективного лазерного сплавления. На второй стадии осуществляли пропитку вольфрамового каркаса медью. Определение оптимальных условий (температура, среда) пропитывания осуществляли на оригинальной установке, разработанной членами научного коллектива. Показано, что при температурах выше 1250 °С контактный гол смачивания снижается, способствуя активному проникновению расплава внутрь вольфрамового каркаса, при более низких температурах смачивание не наблюдалось. Каркасные структуры с упорядоченной пористостью имели более низкие механические характеристики по сравнению с чистым вольфрамом, однако наблюдалось изменение характера разрушения с хрупкого (образцы из чистого W) на вязкий (пластический) в мультиматериалах W-Cu. Также было обнаружено, что уменьшение параметра ячейки гироидных структур способствовало повышению прочности. В качестве объекта исследования на втором этапе выбрана система Al-AlN, изучено влияние плотности энергии лазерного синтеза на структуру и пористость изделий, также для лучшего понимания формирования границы раздела металл/керамика проведено исследование по смачиванию систем Al-Al2O3, Al-AlN, Al-ZrN. В качестве матричного материала для СЛП-изделий использовали порошок AlSi10Mg. С целью определения оптимального режима СЛП варьировали мощность лазера от 200 до 350 Вт и скорость сканирования от 600 до 1400 м/с, параметр перекрытия при этом был неизменным и составлял 80 мкм, толщина слоя – 40 мкм. Введение AlN способствовало смещению технологического окна в сторону более низких плотностей энергии за счёт увеличения эффективного коэффициента абсорбции порошка. Наиболее высокую относительную плотность (99,8 %) продемонстрировали образцы AlSi10Mg-AlN, полученные при мощности лазера 350 Вт и скорости сканирования 1200 мм/с. Для оценки смачивания Al2O3 и AlN использовали метод пластинки Вильгельми. По результатам экспериментов был сделан вывод о том, что расплавы чистого алюминия и AlSi10Mg не смачивают Al2O3 и AlN. Взаимодействие расплавов чистого алюминия и AlSi10Mg с твердым ZrN изучали методом лежащей капли. Установлено, что по мере увеличения времени эксперимента контактный угол уменьшается, расплав растекается, далее происходит активное химическое взаимодействие расплавов чистого алюминия и AlSi10Mg с образованием интерметаллида ZrAl3, растворением Zr в Al, формированием AlN. Разработаны технические решения по модификации поверхности алюмоматричных СЛП-изделий посредством холодного газодинамического напыления. На алюмоматричное СЛП-изделие AlSi10Mg + 5 вес. % ZrN посредством холодного газодинамического напыления наносили покрытие, имеющее состав AlSi10Mg + 40 вес. % ZrN. С целью установления оптимального режима ХГН была изучена зависимость структуры покрытия и твердости от температуры газа-носителя (400, 500 и 600 °С). Показано, что в исследуемом температурном интервале распыляемые керамические частицы закреплялись на подложке за счет интенсивной пластической деформации матрицы AlSi10Mg. По мере повышения температуры газа увеличиваются плотность и твёрдость покрытия. Бездефектное покрытие (относительная плотность 98 %) с наибольшим значением твёрдости (196 ± 22 HV0,025) удаётся получить при 600 °С. Необходимо отметить, что ХГН-модифицирование способствовало повышению твёрдости поверхности изделия с 153 ± 2 HV0,025 (для AlSi10Mg + 5 вес. % ZrN) до 196 ± 22 HV0,025. Предложена структурная схема движения материалов для гибридной системы аддитивного производства на основе методов СЛП и ХГН, включающая в себя (1) использование единой подложки для СЛП-синтеза и последующей ХГН-модификации, (2) добавление в камеру СЛП возможности очистки изделия от порошка без изъятия изделия, (3) вывод подложки с изделием после СЛП через нижнюю часть колодца в замкнутой системе из камеры СЛП в камеру ХГН-модификации с поворотным столом, (4) модификация изделия посредством сопла ХГН, расположенного на манипуляторе.

 

Публикации

1. Пелевин И.А., Ожерелков Д.Ю., Наливайко А.Ю., Бодякова А.И., Чернышихин С.В., Зотов Б.О., Коршунов А.В., Громов А.А. AlSi10Mg/AlN Interface Grain Structure after Laser Powder Bed Fusion Metals, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/met12122152

2. - Российские алюминиевые сплавы показали увеличение прочности на 20% НИТУ МИСИС меняет мир, - (год публикации - )