КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 21-79-30006

НазваниеРазработка научно-технических основ аддитивного формования сложнопрофильных структур из металлических, металлокерамических и высокоэнергетических материалов экструзией термопластичных многофазных композиций

РуководительЛернер Марат Израильевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» 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 словааддитивные технологии, наночастицы, микрочастицы, сложнопрофильные структуры, экструзия, термопластичные композиции, микрокапсуляция, псевдосплавы, высокоэнергетические материалы

Код ГРНТИ29.19.04


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В аддитивном производстве (АП) практически не используются такие многофазные функциональные материалы, как псевдосплавы, керметы, интерметаллиды и высокоэнергетические материалы (ВЭМ). Изготовление существующими аддитивными технологиями деталей сложной формы из порошков многофазных и, как правило, полидисперсных материалов затруднено или невозможно. Кроме того, на мировом рынке отсутствует доступное и недорогое оборудование для АП металлических деталей сложной геометрической формы. В связи с этим, актуальной является разработка научно-технических основ создания материалов и технологии, позволяющих обеспечить АП сложнопрофильных структур из многофазных и полидисперсных порошков псевдосплавов, керметов, интерметаллидов и ВЭМ на доступном, большинству предприятий, оборудовании. Изделия из таких материалов имеют многочисленные области применения в силовой и микроэлектронике, авиакосмической отрасли, обрабатывающей промышленности, при изготовлении геометрически сложных функционально-градиентных топливных элементов и т.д. Соединение ВЭМ и аддитивных технологий имеет большой потенциал в производстве устройств преобразования и накопления энергии, которые ранее были недоступны из-за ограничений традиционных производственных методов. Универсальность аддитивного формования обеспечит большую гибкость при разработке топливных и пиротехнических составов. Научной проблемой, решаемой в проекте с помощью теоретических и экспериментальных исследований, является разработка научно-технических основ аддитивного формования сложнопрофильных структур из многофазных (металлических, металлокерамических, высокоэнергетических и др.) материалов экструзией металлопорошковых композиций. Для экструзионной 3D-печати необходимо разработать термопластичные композиции на основе полимеров и гомогенных смесей нано- и микроразмерных компонентов заданного фазового и дисперсного состава. Реологические свойства композиций позволят формировать сложнопрофильные структуры с помощью недорогого оборудования (3D-принтеров), применяемых для аддитивного формования деталей из полимеров. Сложнопрофильные структуры из ВЭМ могут использоваться непосредственно после изготовления. Для получения металлических/металлокерамических изделий, полимер из заготовки удаляется стандартными для PIM-технологий методами химико-термической обработки и спекания материала в высокотемпературной печи. В результате формируется металлическая/металлокерамическая объемная деталь требуемого состава и с необходимыми физико-механическими свойствами. В ходе исследований будут разработаны термопластичные композиций на основе полимеров и порошков модельных функциональных (металлокерамика WC-Co, интерметаллид Ni-Al, псевдосплав W-Cu) и ВЭМ на основе алюминия (Al-CuO, Al-Fe2O3 и Al-MoO3). Выявлены условия аддитивного формования сложнопрофильных структур экструзией наполненных термопластичных композиций. Получены данные по свойствам термопластичных композиций, содержащих порошки модельных функциональных и высокоэнергетических материалов и объемных сложнопрофильных структур, полученных экструзией указанных материалов. Установлены параметры химико-термической обработки и спекания материалов для получения объемных металлических/металлокерамических деталей. Определены связи между свойствами деталей, характеристиками композиций и параметрами их спекания. Для комплексного изучения свойств новых материалов будут применяться современные экспериментальные методы исследований и оборудование. Будут полностью изучены механизмы деформации и разрушения полученных в проекте материалов. Будет проведена детальная интерпретация особенностей микроструктуры с учетом возможной анизотропии. Будут разработаны физические и математические модели новых материалов. Будут обобщены полученные в результате исследований знания и разработаны научно-технические основы аддитивного формования сложнопрофильных структур экструзией термопластичных композиций на основе полимеров и порошков функциональных и высокоэнергетических материалов. Решение поставленных в проекте задач эволюции напряженно-деформированного состояния и разрушения в материалах, полученных с применением аддитивных технологий, будет иметь большое значение для многих смежных областей механики. Научная новизна проекта заключается в том, что полимерные композиции, наполненные нано- и микрочастицами различных материалов (металлов, сплавов и керамик), позволяют наряду с топологической оптимизацией конструкции осуществить разработку материала под требования проектируемого изделия. Фактически появится возможность дизайна материала для придания ему требуемых механических, магнитных, электрических, энергетических и др. свойств, которые трудно или невозможно достичь с помощью однофазных металлов или керамик. Различные комбинации исходных нано- и микроразмерных компонентов позволяют варьировать свойства композиций для создания новых конструкционных и функциональных материалов и деталей из них. Для аддитивного формования структур сложной формы экструзионным методом необходимо, чтобы экструдируемые материалы обладали достаточной текучестью при температуре плавления полимера. Для получения необходимых свойств конечного изделия наполнение полимера дисперсными компонентами должно составлять от 40 до 60 об. %. Однако при указанной концентрации дисперсной фазы в полимере резко снижается текучесть материала, что создает значительные проблемы для экструзионного формования. Повышение текучести за счет роста температуры материала имеет существенные ограничения. Например, нагрев ВЭМ может привести к реакции между компонентами и неконтролируемому выделению энергии. В настоящее время однозначное научно-техническое решение этой проблемы отсутствует. В основу проекта легла разработанная нами электровзрывная технология получения гомогенных смесей нано- и микрочастиц различных материалов. В наших предварительных исследованиях установлено, что использование гомогенных смесей различных материалов из нано- и микрочастиц в соотношении (25…30):(75…70) об. % обеспечивает показатели текучести композиции с содержанием дисперсных компонентов более 60 об. % на уровне полимерных материалов (не менее 12 г / 10 мин) и плотность спеченных деталей не менее 90 %. С помощью таких композиций экструзионным методом получены сложнопрофильные детали из микрокапсулированных нано- и микрочастиц жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов ХН70Ю, ХН60ВТ, 316L. Композиции из нано- и микрочастиц могут также обеспечить более низкую температуру спекания тугоплавких компонентов с легкоплавкими, высокую плотность и низкую шероховатость конечных деталей из металлов и металлокерамик.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта будут получены гомогенные смеси нано- и микрочастиц функциональных материалов (W-Cu, WC-Co, Ti-Al) с заданным дисперсным и фракционным составом. Установлены их физико-химические характеристики. Разработан способ микрокапсуляции нано- и микрочастиц Al органическими слоями. Установлены физико-химические характеристики микрокапсулированных частиц, в т.ч. температура начала реакции окисления, скорость выделения энергии. Определен способ получения гомогенных смесей из нано- и микрочастиц Al-CuO, Al-Fe2O3, Al-MoO3 с заданным дисперсным и фракционным составом. Будут разработаны составы полимерных связующих для получения термопластичных композиций, получены термопластичные композиции из полимеров и смесей нано- и микрочастиц функциональных и высокоэнергетических материалов. Установлены физико-химические характеристики и оптимальные составы термопластичных композиций для аддитивного формования сложнопрофильных структур экструзией материалов. Проведен анализ полученных результатов, выбраны составы для проведения дальнейших исследований. Получены данные по режимам аддитивного формования «зеленых» образцов сложнопрофильных структур (деталей) экструзией термопластичных композиций полимеров и порошков функциональных (W-Cu, WC-Co и Ti-Al) и высокоэнергетических (Al-CuO, Al-Fe2O3, Al-MoO3) материалов. Разработаны процедуры и установлены параметры дебиндинга и спекания сложнопрофильных «зеленых» деталей. Получены данные по физико-механическим свойствам спеченных сложнопрофильных структур в зависимости от условий экструзионного формования, дебиндинга и спекания. Получены данные по физико-механическим свойствам сложнопрофильных структур на основе полимеров и порошков ВЭМ в зависимости от условий экструзионного формования. Исследования структурно-фазовых параметров будет проводиться на современном поверенном оборудовании Томского материаловедческого центра коллективного пользования. Будут применены методы сканируещей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа. Важным и сложным этапом работы станет изучение тонкой кристаллической структуры с применением атомно-силовой и просвечивающей микроскопии. Данная задача является нетривиальной и потребует кропотливой работы по подготовке модельных образцов для исследований методами АСМ, РЭМ. Процесс формирования в материалах очагов разрушения разных масштабов будет описан с позиций новой научной парадигмы неупругого деформирования и разрушения твердых тел, объединяющей методы механики деформируемого твердого тела (МДТТ) и идеи и подходы теории нелинейных динамических систем. Нагружаемые твердые тела рассматриваются как типичные многомасштабные нелинейные динамические системы. Такой подход позволяет изучать эволюцию напряженно-деформированного состояния (НДС) в нагружаемых твердых телах, особенности формирования очагов разрушения, включая критические стадии разрушения, развивающиеся в режимах с обострением как катастрофы. Полученные с этих позиций результаты будут иметь большое значение для развития современных методов МДТТ. В ходе выполнения проекта будут построены структурные модели материалов, полученных с применением аддитивных технологий, и разработаны физические модели, описывающие особенности механического поведения структурных элементов этих композитов. Будут выполнены тестовые расчеты эволюции НДС и макромасштабного разрушения. Будет численно изучена эволюция НДС, особенности накопления повреждений и развития трещин разных масштабов, в том числе на интерфейсах, а также особенности макроскопического разрушения материалов разного состава и различной структурной организации. Полученные экспериментальные данные лягут в основу комплексных математических моделей, описывающих механику разрушения материалов, полученных с применением аддитивных технологий, для последующего прогнозирования поведения материалов в сложнонагруженных условиях эксплуатации. На основании результатов исследований будут разработаны научно-технические основы аддитивного формования сложнопрофильных структур из композиций на основе порошков W-Cu, WC-Co, Ti-Al и порошков Al-CuO, Al-Fe2O3, Al-MoO3 экструзией материалов. Решаемые в проекте задачи имеют высокую мировую новизну и практическую значимость, т.к. планируемые исследования направлены на преодоление таких технических недостатков современных АТ, как ограниченный перечень исходных материалов, применяемых при 3D-печати, высокая стоимость оборудования и низкий уровень развития технологии аддитивного формования изделий из высокоэнергетических материалов. Общественная значимость решаемых задач определяется многочисленными областями потенциальных применений разрабатываемых продуктов. Термопластичные композиции могут использоваться как в качестве материала для аддитивного изготовления мелкосерийных партий кастомизированных изделий сложной формы, так и для изготовления больших партий аналогичных деталей PIM-технологиями. Предлагаемый в проекте подход позволяет увеличить номенклатуру материалов для аддитивного производства. Появится возможность экструзионного формования деталей сложной формы из таких функциональных материалов, как W-Cu, WC-Co, Ti-Al, и высокоэнергетических материалов, таких как Al-CuO, Al-Fe2O3, Al-MoO3. В результате выполнения проекта будет создана новая технология изготовления высокотекучих фидстоков на основе комбинаций нано- и микрочастиц, которая позволит формовать детали сложной формы из различных многофазных материалов, недоступных для современных аддитивных методов. Фидстоки будут являться универсальным сырьем как для PIM-технологий, так и для 3D-печати с помощью экструзии материалов. Появляется возможность изготовления сложнопрофильных структур из функциональных и высокоэнергетических материалов с новыми свойствами. Экономическая значимость результатов проекта выражена в расширении номенклатуры материалов для новых производственных технологий (аддитивных технологий), в которых в целом заинтересованы предприятия Росатома, ОДК, ОСК, РОСТЕХ и, в частности, предприятия АО «Авиадвигатель», АО «НПЦ «Полюс», АО «ОДК-Климов», ГНЦ ФГУП «ЦИАМ» и др. Внедрение в производственные процессы материалов с новым уровнем свойств позволят инженерам и конструкторам создавать технические решения нового поколения. Выполнение настоящего проекта в представленной концепции соответствует глобальным изменениям в организации научно-технической и инновационной деятельности, связанным со сжатием инновационного цикла (сокращением времени между получением новых знаний и созданием и внедрением новых технологий). Социальная значимость результатов проекта заключается в закреплении за российской наукой приоритета в создании полного цикла аддитивного производства новых видов металломатричных композиционных материалов. Эта задача является новой для мирового уровня исследований в целом и полного ее решения на сегодняшний день не существует. В ходе реализации проекта в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях будет опубликовано не менее 40 публикаций, содержащих результаты исследований по проекту в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus). Полученные фундаментальные результаты будут представлены на международных и всероссийских конференциях (не менее 4 мероприятий). Защищены 5 бакалаврских, 5 магистерских, 3 кандидатских и 3 докторских диссертации студентами и аспирантами, сотрудниками Томского государственного университета. По тематике проекта на территории Российской Федерации будет ежегодно проводится школа молодых ученых с участием в каждой в качестве лекторов не менее чем десяти ведущих ученых, а также в качестве слушателей не менее двадцати молодых ученых в возрасте до 35 лет включительно. В течение первых 12 месяцев реализации проекта на основе открытого конкурса в состав лаборатории для выполнения работ по проекту будет привлечено не менее трех имеющих ученую степень молодых ученых (постдоков) в возрасте до 35 лет включительно из других организаций.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ