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 19-79-30025

НазваниеРазработка научных и технологических основ проектирования алюмоматричных композитов и их производства аддитивными лазерными методами для промышленного применения

РуководительГромов Александр Александрович, Доктор технических наук

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

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда 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 (33)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Обеспечение конкурентного преимущества России на мировой арене и выход на VI технологический уклад немыслимы без внедрения аддитивных технологий в передовые отрасли отечественной промышленности. Применение 3D-печати, в частности селективного лазерного плавления, позволяет изготавливать сложнопрофильные узлы и конструкции с минимальным весом для перспективной техники, сокращая при этом время производственного цикла и количество отходов. Учитывая интерес к аддитивному производству, а также сравнительно небольшую номенклатуру сплавов для 3D-печати, актуальной является задача по развитию технологий и разработке новых сплавов или же адаптация уже известных (применяемых в традиционных металлургических методах) специально для процессов аддитивного производства, учитывая особенности аддитивных методов. Одним из подходов, который был применен коллективом во время выполнения Проекта 2019 и который позволяет разрабатывать новые сплавы для аддитивного производства, является синтез новых алюмоматричных композиционных материалов (АМК). Хорошо известно, что, несмотря на получаемые высокие значения характеристик при растяжении, повышенную удельную прочность, высокую износостойкость, АМК, упроченные различными тугоплавкими частицами, зачастую имеют низкие значения пластичности. Поэтому проблема повышения пластичности для АМК по-прежнему является актуальной. Возможным решением может служить in situ легирование как метод управления структурой для повышения прочности и сохранения пластичности материалов. Кроме того, учитывая высокую конкуренцию в ракетно-космической промышленности, возникает необходимость в разработке лёгких радиационно стойких материалов с высокими прочностными характеристиками, которые обеспечат эффективную защиту функциональных узлов, несущих конструкций и бортовых систем космических аппаратов, в том числе формата CubeSat (формат малых (сверхмалых) искусственных спутников Земли для исследования космоса), от воздействия ионизирующего излучения на околоземных орбитах, повысят их надёжность, помехозащищённость и срок службы. Поэтому в Проекте 2023 с прикладной точки зрения будет продолжено изучение влияния различных легирующих добавок, позволяющих повысить не только механические характеристики материала, но и получить новые функциональные свойства АМК для специальных применений (радиационностойкость, высокая тепло- и электропроводность, коррозионная стойкость). Таким образом, научной новизной Проекта 2023 является разработка новых 3D-АМК изделий из порошковых материалов методами аддитивных технологий. Коллективом проекта ставится глобальная цель развития отечественного аддитивного научно-производственного сектора до уровня VI технологического уклада экономики Российской Федерации, создания новых аддитивных технологий и разработка материалов для них. Будут исследованы новые фундаментальные закономерности в области 3D-печати и разработки новых составов АМК с улучшенными свойствами, обеспечение их внедрения в промышленность. Глобальное преимущество данного проекта заключается в наличии растущей потребности в создании новых порошковых материалов для аддитивных производств на отечественном рынке. Результаты проекта будут опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных журналах, доложены на профильных конференциях и семинарах. Промышленное внедрение результатов будет способствовать увеличению темпов роста передового отечественного машино- и авиастроения, космических технологий. Так как данная заявка на Проект 2023 является продолжением Проекта 2019, следует отметить, что по Проекту 2019 достигнуто выполнение всех формальных показателей проекта: опубликовано 48 статей (с учетом квартилей) вместо запланированных 42, полностью выполнен объем софинансирования от промышленного партнера (20 млн. руб., АО Тензор), который также является и партнером по заявке на Проект 2023, привлечено к работе в НИТУ МИСИС 4 постдока из регионов РФ, успешно проведены все 4 школы РНФ для молодых ученых (2019-2022 гг).

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены 3D изделия из алюмоматричных композитов с новыми функциональными свойствами для космических применений. Такие 3D-изделия позволят защищать от ионизирующих излучений (ИИ) электронные компоненты в бортовых средствах оперативного управления и контроля различных космических аппаратов. Выбранные на основе проведенных ранее исследований добавки - B4C, WC, W2B5, Cu, CuNi и CuNiCoFe, введенные в алюминиевую матрицу, позволят не только повысить её радиационную стойкость, но и оптимизировать тепло- и электропроводность новых АМК, улучшая тем самым съем тепла при различных способах охлаждения и обеспечивая более высокую помехозащищенность оборудования. Применение 3D-печати позволит получать гетероструктурные объекты, имеющие как высокие прочностные, так и функциональные свойства, при этом за счет возможности формирования сложных структур будут получены облегченные изделия, что является важным для космической промышленности: алюминий имеет в 2 раза меньшую плотность, чем используемый в настоящее время в большинстве случаев титан. Также в рамках реализации проекта будет использован подход in situ легирования алюминиевой матрицы, т.е. модификации структуры сплава непосредственно в процессе печати. В композиционных частицах Al/Ti, Al/Ni, Ti/Ni/Al, а также Ti/Al/C и Ti/Si/C, введённых в алюминиевую матрицу, под действием лазера будет происходить in situ взаимодействие между жидким металлом (Al) и реагирующим веществом (Al-Ti, Al-Ni и т.д) с формированием армирующих частиц. Этот подход может обеспечить более стабильное армирование, более прочную связь между частицами и матрицей, а также лучшее распределение мелких армирующих элементов внутри матрицы. В рамках проекта будет оптимизирован состав нового сплава системы Al-Ca с повышенными функциональными характеристиками (теплопроводностью и коррозионной стойкостью) для аддитивного производства. При этом сплав будет сочетать в себе технологичность, необходимую для 3D печати и сопоставимый комплекс механических характеристик с широко применяемым в аддитивном производстве сплавом AlSi10Mg. Подобный комплекс свойств будет получен за счет формирования мелкодисперсной эвтектики (Al)+Al4Ca, обеспечивающей высокую технологичность сплава, а снижение концентрации легирующих элементов за счет низкой растворимости кальция в алюминии позволит повысить значения теплопроводности и коррозионной стойкости. Разработанный сплав будет востребован в качестве материала радиаторов и теплообменников сложной формы, применяемых в электромобильной и электронной технике. Результатом реализации проекта также будет являться выработка универсальной методики повышения производительности технологии селективного лазерного плавления - переход к концепции быстрой 3D-печати. За счет исследования процесса печати изделий с увеличенным порошковым слоем и повышенной скоростью сканирования планируется установить оптимальные составы алюмоматричных композитов, пригодных для высокоскоростного синтеза. Будут найдены лимитирующие значения технологических параметров, при которых возможно быстрое и бездефектное сплавление. Значимым результатом моделирования механизмов распределения армирующих добавок в матрице во время сплавления порошкового слоя лазером будет разработка системы in situ мониторинга процесса селективного лазерного плавления. Совокупные экспериментальные данные и разработанные модели позволят прогнозировать оптимальные параметры процесса 3D печати для бездефектного сплавления алюмоматричных композитов, а также контролировать и выявлять возможные дефекты в ходе процесса. Полученные результаты позволят повысить производительность и скорость процесса селективного лазерного плавления, тем самым способствуя его более широкому внедрению в производство. В результате выполнения проекта будут получены следующие количественные научные, практические, экономические и социально значимые результаты: 1. Будет опубликовано 40 научных работ в ведущих изданиях, что позволит укрепить приоритет авторского коллектива в исследуемой области. 2. Будут созданы новые объекты интеллектуальной собственности на составы алюмоматричных композитов с новыми свойствами, что подтвердит техническую новизну предлагаемых решений. 3. Будут защищены 2 кандидатские диссертации аспирантами НИТУ МИСИС. 4. Результаты проекта будут внедрены в производственных условиях на предприятиях отечественной промышленности (имеются договоренности с компаниями РУСАЛ и Росатом). Данные, полученные в проекте, будут служить основой для разработки двух новых отечественных импортозамещающих технологий (технология получения новых порошков для 3D-печати и технология быстрой SLM печати) в сотрудничестве с организациями, занимающимися исследованиями в области аддитивных технологий, а также в профильных ВУЗах и институтах РАН (см. также п.1.5 - состав научного коллектива и п.1.18 - информация о планируемом использовании партнерами результатов проекта). 5. Ожидаемые результаты проекта являются уникальными, не имеющими мировых аналогов, и будут широко опубликованы в высокорейтинговых журналах, а также будут обсуждены и апробированы на Международных и Всероссийских конференциях, симпозиумах, конгрессах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ