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

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс Конкурс 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).

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

Ключевые словаалюмоматричные композиты, тугоплавкие добавки, высокодисперсные порошки, гетероструктурные и гетерофазные материалы, аддитивные технологии, селективное лазерное сплавление/спекание, физико-химические и физико-механические свойства

Код ГРНТИ55.09.33

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

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Настоящий проект направлен на развитие и углубление научных знаний в области селективного лазерного плавления применительно к металломатричным композиционным материалам на основе алюминиевых сплавов. Реализация проекта в 2023 году, в соответствии с планом исследований, была направлена на работы по 5 основным направлениям: 1) Разработка, синтез и исследование свойств алюмоматричных композитов (АМК) с различными функциональными керамическими добавками с целью модификации свойств конечных изделий, таких как тепло- и электропроводность, а также радиационная стойкость. 2) Разработка, синтез и исследование структуры и свойств АМК с реакционными добавками, обеспечивающими in situ образование упрочняющих фаз в процессе 3D-печати методом СЛП. 3) Разработка новых перспективных сплавов системы Al-Ca для метода СЛП. 4) Разработка конечно-элементной модели для расчета алюмоматричных композитов с валидацией теоретических расчетов экспериментальными данными. 5) Исследования лимитирующих значений параметров процесса СЛП с целью увеличения скорости 3D-печати и ее производительности. Основные результаты, полученных в ходе реализации проекта, представлены ниже. - Синтезированы порошковые смеси алюмоматричных композитов с функциональными добавками различного состава: AlSi10Mg-WC AlSi10Mg-W2B5 AlSi10Mg-B4С Был разработан и оптимизирован режим синтеза, который позволяет получать порошковые смеси с сохранением морфологии порошка матрицы и его высокой текучести при равномерном распределении частиц добавок по поверхности частиц матрицы. - Разработана двухстадийная методика синтеза реакционных порошков на основе матрицы AlSi10Mg с добавлением Al-Ni и Ti-Ni. Показано, что разработанный режим позволяет одновременно с небольшим изменением формы частиц алюминиевой матрицы внедрить в них композиционные порошки. В результате были получены порошки, обладающие композиционной структурой, необходимой текучестью и пригодные для последующей 3D-печати методом СЛП для синтеза алюмоматричных композитов с in-situ образованием упрочняющих фаз. - Полученные порошки были использованы для печати алюмоматричных композитов на установке СЛП. Вариация параметров синтеза методом СЛП (мощность лазера, скорость сканирования, толщина порошкового слоя и ширина перекрытия) с последующим контролем дефектности напечатанных объемных образцов позволили определить окно оптимальных параметров печати. Проведены подробные исследования химического и фазового состава полученных образцов, обнаружено частичное взаимодействие фаз WC и B4C с матрицей, в то время как фаза W2B5 полностью сохранялась в структуре. Были проведены исследования механических свойств напечатанных АМК, можно обобщить, что для всех исследованных систем характерно увеличение прочности и твердости с увеличением количества вводимой керамической добавки. - Для всех исследованных составов были получены зависимости теплопроводности и электросопротивления от количества вводимой функциональной добавки. Как и ожидалось, для всех систем характерно снижение значений теплопроводности с увеличением количества керамических частиц. При этом были получены экспериментальные зависимости измеренных параметров от содержания керамической добавки. - Проведены экспериментальные и расчетно-теоретические работы по разработке новой перспективной системы алюминиевых сплавов на основе Al-Ca-Zn-Cu-Mg, имеющей оптимальные теплофизические свойства для синтеза методом селективного лазерного плавления. Определен ряд перспективных сплавов, потенциально обладающих подходящими теплофизическими свойствами, а также высокими механическими свойствами за счет in situ образования дисперсных интерметаллических фаз в процессе синтеза. - Были проведены расчеты и адаптация модели единичных дорожек (треков), исследована сходимость решения для равномерного и интенсивного плавления. Определены оптимальные параметры шагов пространства и времени, обеспечивающих приемлемую точность расчетов и высокую скорость счета. - Проведены как теоретические расчеты (на основе разработанной модели), так и экспериментальные исследования для определения возможности увеличения скорости 3D-печати и увеличения производительности за счет, прежде всего, увеличения толщины порошкового слоя. На первом этапе исследования проводились на единичных треках с возможностью последующего масштабирования на объемные образцы. - На основе полученных научных результатов был создан секрет производства «Метод получения сферических порошков алюмоматричных композитов с помощью низкоэнергетической механической обработки», разработана лабораторная методика «Получение сферических порошков алюмоматричных композитов с помощью низкоэнергетической механической обработки». Результаты также были представлены в семи выступлениях членов коллектива на 4 научных конференциях и мероприятиях, а также в 8 опубликованных научных статьях. Еще 4 (8 с учетом квартилей) научных статей направлены в издательства высокорейтинговых научных журналов Q1, ожидается скорая их публикация. - Организована и проведена ежегодная Школа РНФ для молодых ученых, которая в этом году имела название «АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: композиты и биоматериалы 2023». На школе спикерами выступило 11 ведущих ученых в области аддитивных технологий, участвовало 136 зарегистрированных слушателей. Количество просмотров записи трансляции мероприятия превысило 480. Ссылка на запись трансляции на ютюб канале НИТУ МИСИС: https://www.youtube.com/watch?v=IYM1vpIuIys

Публикации

1. А.Б. Шпирингс, Д.Ю. Ожерелков, Ф. Кнеубюлер, С.А. Еремин, И.А. Пелевин, А.Ю. Наливайко, Е.А. Петров, А.А. Громов, К. Вегенер Laser powder bed fusion of AlSi10Mg-based composites with graphene and nanodiamond additions Journal of Alloys and Compounds, 947(4): 169421 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169421

2. Егоров В.Ю., Федоренко Л.В., Зотов Б.О. СЕЛЕКТИВНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ ДЛЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Advances in Science and Technology. Сборник статей LVI международной научно-практической конференции Москва: «Научно-издательский центр «Актуальность.РФ», 2023. – 308 с., с. 74 (год публикации - 2023)

3. Л.В. Федоренко, Б.О. Зотов, В.Ю. Егоров, И.А. Пелевин, Д.Ю. Ожерелков, А.А. Громов ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА AlSi10Mg-ZrN ПОСЛЕ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ И МАШИНОСТРОЕНИИ (ИТММ–2023). Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием г. Пермь, 23–27 октября 2023 г., с. 300 (год публикации - 2023)

4. Мария Богданова, Станислав Чернышихин, Андрей Закиров, Борис Зотов: Леонид Федоренко, Сергей Белоусов, Анастасия Перепелкина, Борис Корнеев, Мария Лянге, Иван Пелевин, Инна Искандарова, Элла Дзидзигури, Борис Потапкин, Александр Громов Mesoscale Simulation of the Laser Powder Bed Fusion with an Increased Layer Thickness for AlSi10Mg Alloy Journal of Manufacturing and Materials Processing, - (год публикации - 2023)

5. Мохаммад Абеди, Дмитрий Московских, Андрей Непапушев, Вероника Суворова, Хаитао Ванг, Валентин Романовский Advancements in Laser Powder Bed Fusion of Carbon Nanotubes-Reinforced AlSi10Mg Alloy: A Comprehensive Analysis of Microstructure Evolution, Properties, and Future Prospects Metals, Metals 2023, 13, 1619 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/met13091619

6. Непапушев Андрей Александрович, Суворова Вероника Сергеевна, Московских Дмитрий Олегович Метод получения сферических порошков алюмоматричных композитов с помощью низкоэнергетической механической обработки -, 29-439-2023 (год публикации - )