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 проекта 22-23-20013

НазваниеРазработка сырья на основе порошков Al для 3D-печати деталей методом селективного лазерного cплавления (СЛС)

Руководитель Еселевич Данил Александрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-201 - Синтез, строение и реакционная способность неорганических соединений

Ключевые слова Порошки алюминия, селективное лазерное cплавление, сплав Al-V, оптические свойства, микротвердость, плотность, сыпучесть, коррозионная стойкость, пористость, реакционная активность.

Код ГРНТИ31.15.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Несмотря на очевидные преимущества и перспективность методов СЛС/СЛП их применение в машиностроении все еще специфично. Одна из причин этого - низкая скорость производства, которая постепенно устраняется постоянной технической модернизацией принтеров. В свою очередь, другой вопрос - улучшение качества производимых металлических изделий является заботой не только инженеров-конструкторов, подбирающих оптимальные условия работы принтеров, но и химиков-технологов, разрабатывающих сырье - металлические порошки. В СЛС/СЛП обработке порошков алюминия и его сплавов существует ряд трудностей. Во-первых, их легкость и плохая сыпучесть, особенно в присутствии влаги, отрицательно влияет на равномерное распределение тонких порошковых слоев. Во-вторых, высокая отражательная способность алюминия требует повышенной мощности лазера для плавления. Особенно этот эффект проявляется при плотном прохождении лазером обрабатываемого слоя, когда уже сформированный трек или капля расплава отражает часть энергии лазера, тем самым ухудшая разогрев расположенных рядом частиц. Кроме этого, высокая теплопроводность алюминия приводит к слишком быстрому рассеиванию тепла по сравнению с другими материалами (например, нержавеющей сталью и титаном). Однако основным препятствием для эффективного спекания и уплотнения алюминия и его сплавов является оксидная пленка, ее быстрое образование на поверхности расплавленного металла даже при очень низких парциальных давлениях кислорода. Она оказывает влияние на угол смачивания, образование шариков металла, сцепку соседних треков и слоев и способствует образованию полостей в объёме изделия (особенно в местах соприкосновения двух оксидных пленок). Некоторые примеси, например кремний в литейных силуминах, уменьшают вязкость и поверхностное натяжение расплава, уменьшают температуру плавления. Силумины обладают низкими коэффициентами термического расширения, на их поверхности образуются оксидные фазы типа муллита (AlxSiyOz), обладающие меньшей температурой плавления, чем Al2O3, и которые более склонны к растрескиванию. Эти и другие факторы обуславливают большую размельченность оксидной фазы в объёме силумина, вследствие чего при СЛП таких сплавов достигается 100% плотность полученных деталей. В свою очередь, на порошках чистого алюминия, без дополнительных затрат времени, мощности лазеров, каких-то оригинальных подходов подобных показателей достигнуть очень сложно. Данная работа будет посвящена исследованию влияния модификации объема микронных алюминиевых порошков на свойства их оксидных пленок, реакционные, эксплуатационные характеристики и механизм уплотнения производимой СЛП детали, в сравнении с исходными алюминиевым порошками. В качестве модификатора будет являться легирующая добавка ванадия (до 3 масс. % V) в алюминии. Известно положительное влияние небольших добавок ванадия (<1 масс. %) на увеличение пластичности алюминия и стандартных алюминиевых сплавов типа АМГ (5083), серии 6xxx [1, 2]. В случае сплавов, отмечалось ускорение образования мелких фаз типа Al3Mg2 (для АМГ), кремний и медь содержащих фаз (для деформируемых сплавов 6xxx), а также росту частиц типа AlFeSi и AlMgV. Как и большинство добавок переходных металлов, ванадий способствует измельчению кристаллитов алюминия, увеличению температуры рекристаллизации, электросопротивления и значительному изменению его механических свойств. В ряде работ отмечалось увеличение предела прочности алюминиевых деформируемых сплавов [3]. Ранее нами было установлено, что оксидная пленка на поверхности порошков сплавов Al-V, при температуре плавления алюминия значительно теряет защитные свойства по сравнению с исходными Al порошками. В оксидном слое за счет образования двойных оксидов ванадия происходят структурно-фазовые перестройки, способствующие нарушению сплошности и разрушению оксидной оболочки в целом. Подробный рентгенофазовый анализ с использованием синхротронного излучения (СИ) показал, что при нагреве выше 600 оС на поверхности таких порошков кроме оксидов могут образовываться интерметаллиды Al3V, Al8V5 в результате экзотермической химической реакции. Эти факторы могут играть положительную роль для уплотнения расплавленных порошковых слоев в методе СЛП. Как было уже отмечено ранее, значительная часть проекта будет посвящена исследованию эксплуатационных характеристик полученных порошков в сравнении с исходными алюминиевым порошками. Это оптические свойства (диффузное отражение с расчетом отражательной и поглощательной способностей в видимом и инфракрасном спектральном диапазоне), реологические (текучесть, которая будет проведена по методу Холла, насыпная плотность), реакционные свойства и коррозионная устойчивость (ИК-спектроскопиия и ТГ/ДСК анализ), химический, фазовый и гранулометрический составы. Термогравиметрическое исследование модифицированных порошков, проведенный на термонализаторе NETZSH 409 PC/PE, позволит проследить кинетику окисления при нагреве до 1200 оС как в среде чистого аргона, так и в кислородсодержащей смеси, оценить интенсивность и количество тепловыделения. На базе отдела аддитивных технологий ФГАОУ ВО «УрФУ им. первого президента России Б.Н. Ельцина» планируется проведение непосредственных испытаний модифицированных порошков с оптимизацией технологических параметров. Будут проведены металлографические исследования срезов полученных образцов, измерены средние значения микротвердости образцов по Виккерсу, пикнометрическая плотность. Также предполагается исследование прочностных характеристик цилиндрических образцов сплавов Al-V, полученных методом селективного лазерного плавления, в ЦК ИМАШ УрО РАН. С помощью метода эллипсометрии будет исследована термическая устойчивость образцов, полученных из сплава Al-V, к поверхностному окислению на воздухе со стандартной влажностью при температурах от 25 до 400 оС, в сравнении со стандартными алюминиевыми сплавами, полученным СЛП. Список литературы 1. Wang X J, Cong F G, Zhu Q F, et al. Effect of trace element vanadium on superplasticity of 5083 aluminium alloy sheets. Sci China Tech Sci, 2012 (55) 510-514 doi: 10.1007/s11431-011-4714-4 2. S. Boczkal,M. Lech-Grega,J. Morgiel,K. Piela. Effect of Vanadium Additions on the Structure of Aluminium (Al99.5) and 6xxx Aluminium Alloys. Light metals 2014. 261-264 doi: 10.1002/9781118888438.ch45 3. Grandfield J., Taylor J.A.: Mater. Sci. Forum vol.630 (2010) 129-136

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---