Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В последние годы развитие аддитивных технологий – одна из приоритетных задач промышленности. Аддитивные технологии (АТ), прежде всего, позволяют эффективно реализовать конструкторские и инженерные идеи в наукоёмких отраслях производства, таких, как авиастроение, двигателе- и моторостроение, ракетостроение, современные электронные приборы и др. Расширение номенклатуры материалов для аддитивных технологий будет способствовать их внедрению в массовое производство. Между тем, разработка прорывных научно-технических решений в области АТ невозможна без новых порошковых материалов. В настоящее время существует очевидная фундаментальная проблема – отсутствие комплексных научных исследований, направленных на разработку новых порошковых материалов для аддитивных технологий, адаптацию этих материалов под требования современного оборудования для аддитивного производства и исследование свойств изделий, полученных по аддитивной технологии с различной вариацией технических параметров. Данный проект обеспечивает комплексное решение обозначенной проблемы, включающей этапы моделирования, разработки научно-технологических основ получения новых порошковых сплавов, разработки технологий синтеза изделий из данных сплавов методами селективного лазерного плавления и прямого лазерного выращивания, совершенствование оборудования и вспомогательных устройств, изготовление опытных образцов с управляемой микроструктурой и с заданным комплексом физико-механических свойств. В рамках проекта проводится создание новых технологий и материалов, обеспечивающих полный “жизненный” цикл – от получения исходного сырья до получения конечных продуктов. Также, предусматривается решение сложившихся системных проблем в части создания опережающего научно-технического задела в области разработки, внедрения в серийное производство энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий изготовления и переработки конструкционных и функциональных материалов. Данный проект охватывает несколько важных научных областей, определенных в Стратегии научно- технологического развития Российской Федерации и Восьмой рамочной программе Европейского Союза по развитию научных исследований и технологий Horizont 2020 (EU H2020), где основными задачами являются овладение дизайном, исследование и разработка новых интеллектуальных функциональных материалов. В соответствии с планом работ первого года исследований получены следующие наиболее значимые научные результаты: 4Д МАТЕРИАЛЫ Микроструктура сплавов Нитинола успешно адаптирована в данном проекте с использованием различных параметров обработки СЛП с малой мощностью лазера. Зерна квадратной формы были сформированы в образцах с объемной плотностью энергии 66,7 Дж/мм3. Также установлено, что уменьшение расстояния штриховки позволяет избежать неполного расплавления порошка. В образцах с высоким уровнем энергии (>80 Дж / мм3), испытывающих высокие градиентые температуры, трещины стали основными дефектами и распространяются в основном вдоль границ сканирующих дорожек. Основываясь на результатах картирования EDS можно заявить, что вдоль трещин нет примесей, что означает, что горячий разрыв является доминирующим механизмом образования трещин. С помощью метода СЛП были также получены пространственные вариации микроструктуры нитиноловых сплавов. Сосуществование мартенситной и аустенитной фаз было подтверждено с помощью СЭМ и рентгеноструктурного измерения. В нижнем зазоре двух смежных сварочных швов была сформирована ячеистая микроструктура. Кроме того, следует отметить, что мелкие выделения равномерно распределяются в мартенситной, а не ячеистой микроструктуре, что является результатом различных локальных термических историй. Также установлено, что при превышении объемной плотности энергии выше 55,6 Дж/мм3, относительные плотности и твердость по Виккерcу увеличиваются с уровнем энергии. Текстура сплавов нитинола, полученных СЛП также изменяется в зависимости от параметров обработки. Изменение текстуры проявляется в виде различных соотношений интенсивности пиков XRD, которые являются результатом различного предпочтительного направления роста кристаллов, вызванного тепловыми потоками затвердевания. Кроме того, уменьшение общей интенсивности пиков означает возникновение процесса детвиннинга. Таким образом, с точки зрения относительной плотности, дефектов и твердости, следующие параметры обработки SLM с малой мощностью лазера (P = 250 Вт) являются наиболее оптимальными: v = 1250 мм/с, h = 0,12 мм, t = 0,03 мм. Методом механического легирования и плазменной сфероидизации получены экспериментальные образцы порошка на основе интерметаллида NiTi. После плазменной сфероидизации порошки имеют двухфазную структуру, состоящую из интерметаллидов NiTi и Ti2Ni. Доля Ti2Ni составляет от 7.5 до 8.7% в зависимости от размера порошка. Параметр элементарной ячейки структуры NiTi в порошке после сфероидизации а = 3.002 Å, близок к табличному значению (а = 2.993 Å). Анализ распределения элементов по объему частиц показал, что среднее содержание элементов (на основе анализа 15 частиц) составляет 51,35 ат.%Ti – 48,65 ат.%Ni. ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ СПЛАВЫ И УЛЬТРАВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Методом механического легирования и плазменной сфероидизации получены экспериментальные образцы порошка ВЭС системы CoCrFeNiMn. Порошки, полученные МЛ, характеризуются однородной структурой с равномерно распределенными мелкодисперсными включениями вольфрама, размер включений уменьшается с увеличением времени МЛ. Фазовый состав порошка имеет двухфазную структуру: ГЦК-решетку на основе CoCrFeNiMn и ОЦК-решетку на основе W. С увеличением длительности процесса МЛ, наблюдается постепенное растворение W в ГЦК-решетке, что приводит к увеличению параметра ГЦК-решетки с 3,610 до 3,629 Å. Однако полного растворения не происходит даже после 20 ч. МЛ. Переплав порошков системы CoCrFeNiMnW в процессе плазменной сфероидизации позволил получить сферические порошки с однородным химическим и фазовым составом. Фазовый состав порошков после плазменной сфероидизации имеют однофазный твердый раствор с ГЦК-решеткой, параметр решетки конечного порошка – 3,605 А. Распределение элементов по сечению порошков – равномерное. Методом механического легирования и плазменной сфероидизации получены экспериментальные образцы порошка ВЭС системы NbMoWVCr. Синтезированный порошок имеет однородную, однофазную структуру с гомогенным распределением исходных компонентов по объему частиц. Для определения механических характеристик синтезированный порошок компактировали на установке искрового плазменной спекания. Проведенные механические испытания на сжатие при комнатной температуре показали, что спеченные образцы обладают прочностью на сжатие 2850-2980 МПа. При испытаниях при температуре 1400 ºC установлено, что прочность на сжатие составляет 1200-1240 МПа. Кроме того, на спеченных образцах проводили оценку износа по стандарту ASTM G65. Сравнительным фактором износа выбрана объемная потеря образца отнесенная к пути пройденному резиновым колесом испытательного стенда. Выполненные испытания показали, что объемная потеря спеченных образцов составляет - 0.001 см3, что превышает показатели твердых сплавов на основе WC-Co (для ВК8 - 0.003 см3). При детальном исследовании поперечного сечения образца установлено, что в процессе искрового плазменного спекания происходит науглероживание поверхностного слоя на глубину 20-60 мкм в зависимости от температуры спекания. После удаления науглероженного слоя, выполнены повторные испытания в ходе которых объемная потеря образца составила 0.003 см3, что сопоставимо с твердым сплавом на основе WC-Co. В ходе выполнения работ получены экспериментальные образцы порошка ультра-высокотемпературных керамических материалов (УВТК) на базе системы ZrB2-SiC. В процессе выполнения работ апробированы технологии получения порошков УВТК сферической формы (пригодных для использования в аддитивных технологиях): 1) Предварительное измельчение частиц (до 3 мкм) и получение гомогенной механической смеси → Спекание компонентов для получения УВТК-композита → Измельчение композита до требуемого размера порошка (20-70 мкм) → Плазменная сфероидизация порошков. 2) Предварительное измельчение частиц (до 3 мкм) и получение гомогенной механической смеси → Получение сферических агломератов в процессе распылительной сушки с использованием связующего вещества → Плазменная сфероидизация порошков. Синтезированные порошки имеют сферическую форму частиц размером до 80 мкм. МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ На основе результатов аналитического обзора произведена оценка эффективности возможных направлений исследований, разработаны подходы для синтеза образцов, методы их исследования, а также определены направления исследований по синтезу образцов с направленной или монокристаллической структурой с помощью селективного лазерного плавления. Проведены исследования влияния температуры подогрева рабочей зоны на плотность сплавов, а также количество трещин в них. Для проведения исследований были выбраны сплавы на никелевой основе, а именно сплав Inconel 718 и ЖС-32. Исследовали процесс селективного лазерного плавления для трёх температур: 600, 800, и 900 ºC. Увеличение температуры нагрева рабочей зоны приводит к снижению интенсивности теплоотвода, что приводит к тому, что ванна расплава, затвердевает медленнее и из-за меньшего переохлаждения рост кристаллов замедляется. В этом случае в сформированной структуре наблюдается больше удлиненных зерен, в отличие от случая без предварительного подогрева, что указывает на увеличение тенденции к удлинению ранее сформированных зерен и уменьшение образования новых. Получено, что при увеличении температуры подогрева рабочей зоны установки происходит снижение твёрдости материала. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО И ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ВЫРАЩИВАНИЯ В результате проделанной работы были подготовлены и исследованы составы металлопорошковых композиций для реализации «In-situ» синтеза на базе железа и никеля. Проведены работы по проектированию и разработке оснастки для исследования «In-situ» синтеза непосредственно в процессе газопорошкового прямого лазерного выращивания, а также для процесса азотирования и ультразвуковой и вибрационной обработки. Разработаны и исследованы составы для реализации «In-situ» синтеза методом газопорошкового прямого лазерного выращивания. Спроектирована и разработана оснастка для реализации «In-situ» синтеза, азотирования, вибрационной и ультразвуковой обработки непосредственно в процессе газопорошкового прямого лазерного выращивания. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ В результате выполнения работ было проведено моделирование процесса изготовления заготовок образцов методом СЛП на механические испытания из следующих материалов: титановый деформируемый сплав Вт6 и аустенитный никель-хромовый жаропрочный сплав Inconel 718. Были получены картины деформаций и внутренних напряжений. Также было проведено моделирование процесса СЛП изготовления турбинной лопатки из материала конструкционная аустенитная сталь 316L. В результате моделирования, помимо картин деформаций и внутренних напряжений, была получена картина максимальных температур за все время построения. В рамках выполнения работы были даны рекомендации по подготовке 3D моделей к последующей печати, а также были разработаны критерии технологичности для определения успешного изготовления детали. ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ СПЛАВЫ Проведены экспериментальные исследования процессов механохимического синтеза и плазменной сфероидизации порошков интерметаллидного TiAl-сплава для их последующего применения в аддитивных технологиях. Отработаны режимы для синтеза сферического порошка сплава Ti-48Al-2Cr-2Nb с равномерным распределением химических элементов в частицах и гранулометрическим составом, подходящим для процесса селективного лазерного плавления. На установке селективного лазерного плавления AconityMIDI отработаны режимы изготовления образцов с высокой относительной плотностью из порошков интерметаллидного титанового сплава, полученных механохимическим синтезом и плазменной сфероидизацией. Использование высокотемпературного подогрева платформы в процессе изготовления образцов при температуре до 900 ºC позволило получить образцы без трещин. Установлено влияния основных параметров процесса селективного лазерного плавления на количество дефектов, характеристики микроструктуры, фазового состава, что позволит путем подбора параметров селективного лазерного плавления осуществлять локальное управление микроструктурой изделий из интерметаллидных сплавов.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках проекта проводится создание новых технологий и материалов, обеспечивающих полный “жизненный” цикл – от получения исходного сырья до конечных продуктов. Также, предусматривается решение сложившихся системных проблем в части создания опережающего научно-технического задела в области разработки, внедрения в серийное производство энергоэффективных и ресурсосберегающих технологий изготовления и переработки конструкционных и функциональных материалов. Данный проект охватывает несколько важных научных областей, определенных в Стратегии научно- технологического развития Российской Федерации и Восьмой рамочной программе Европейского Союза по развитию научных исследований и технологий Horizont 2020 (EU H2020), где основными задачами являются овладение дизайном, исследование и разработка новых интеллектуальных функциональных материалов. В соответствии с планом исследований и работ на 2020 год получены следующие наиболее значимые научные результаты: 4D материалы: Методом механического легирования (MA) и плазменной сфероидизации получены экспериментальные образцы порошка NiTi. Установлено, что cферические порошки с регулируемым Ni\Ti соотношением могут быть успешно синтезированы. Чтобы гарантировать пригодность для печати порошков МА методом SLM, следует использовать свежие порошки МА. В результате проделанной работы был oптимизирован процесс изготовления бездефектных образецов NiTi с использованием высокой мощности лазера (950 Вт): El = 950/1200 Дж/мм, h = 180 мкм и t = 50 мкм. Высокая мощность лазера в сочетании с относительно низкой скоростью сканирования может способствовать предпочтительной кристаллографической ориентации в направлении печати. Установлено, что наличие дислокаций и нано-размерных выделений Ti2NiOx можно контролировать путем регулировки расстояния между проходами лазера. Размер зерен увеличивается с увеличением объемной плотности энергии. Предпочтительный рост зерна в направлении печати может быть усилен за счет увеличения подвода энергии. Химический состав Ni и Ti был изменен путем манипуляции процесса SLM. Большее количество подводимой энергии вызывает большее испарение Ni. NiTi высокой чистоты можно изготавливать, контролируя защитный газ и используя высококачественные исходные порошки. Установлено, что температуры фазового превращения и стабильность термоциклирования обычно повышаются с увеличением подводимой энергии из-за испарения Ni, увеличения размеров зерен и меньшей стабилизации, вызванной дислокациями. Установлено, что безвозвратная деформация в основном проявлялась при первом цикле сжатия и уменьшалась с последующими циклами. Гистерезис напряжений и необратимая деформация увеличивались при приложении большей силы сжатия. ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ СПЛАВЫ И УЛЬТРАВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Методом прямого лазерного выращивания (ПЛВ) из порошка ВЭС NbMoWVCr, синтезированного механическим легированием с последующей плазменной сфероидизацией, получены компактные образцы. Исходный порошок имел ОЦК-твердый раствор с параметром решетки а=3,131 Å с включениями фазы Лавеса в количестве до 2%. В процессе ПЛВ в образце образуются твердые растворы на основе FeCrMo (серая матрица), интерметаллид на основе W(Mo), оксиды ванадия VO, смешанные оксиды Nb6V2O19. С увеличением мощности лазера уменьшается количество дефектов в виде пор. Термообработка образцов при 1400 °C приводит к коагуляции включений, имеющих форму дендритов на основе твердых растворов тугоплавких металлов. Кроме того, компактирование МЛ порошка проводили с использованием технологии искрового плазменного спекания (SPS). В процессе спекания (SPS) МЛ порошков из ОЦК твердого раствора выделяются фазы Лавеса Cr2Nb и (Fe,Cr)Nb, а также смесь оксидов NbVO4 – VO. С увеличением температуры до 1400 ℃ происходит рост зерен, представленных фазой с ОЦК-решеткой, а содержание фаз Лавеса резко снижается и сопровождается их выделением в межзеренные границы. Вне зависимости от технологии получения, образцы NbMoWVCr имеют высокую твердость. Испытания на сжатие (при комнатной температуре образцов полученных SPS показали, что образцы имеют прочность на сжатие 2875 – 2860 МПа в зависимости от температуры спекания. Испытания на износ и коррозионную стойкость, показали, что образцы NbMoWVCr сопоставимы по износу с классическими износостойкими материалами на основе W-Co и SiC, и по коррозии с коррозионностойкими сплавами на основе никеля. Методом послойного нанесения связующего материала (BJ, Binder Jetting) выращены образцы УВТК ZrB2-SiC из порошков, полученных различными методами. Микроструктура образцов, полученных из механической смеси порошков, представлена матрицей из ZrB2 и равномерно распределенных включений SiC. Микроструктура образцов, полученных из сферического порошка представлена участками сферическими спеченными частицами и бесформенными спеченными участками, образованных спеканием мелкодисперсных частиц с крупными частицами. Фазовый состав образцов зависит от способа обработки порошков, так при плазменной сфероидизации температура в плазме достигает 10000 °C, в результате чего происходит частичное разложение и испарение материала. Для образцов подверженных плазменной обработке, характерно образование ZrB и уменьшение содержания SiC (в 2 раза). Образцы, полученные из механической смеси, имеют химический и фазовый состав близкий к исходному. Эрозионные испытания с воздействием потока высокотемпературной окислительной среды, проводились на образцах ZrB2-SiC, спеченных при 1800 °C. Максимальная температура в пятне нагрева составила 2230 °C, образец в процессе испытания не разрушился. Монокристаллические сплавы Для установления влияния параметров селективного лазерного плавления с высоким подогревом на характеристики структуры сплава были изготовлены компактные образцы из порошка сплава ЖС32 по различным режимам с варьированием мощности, скорости, расстояния между отдельными лазерными проходами и диаметром пятна. Получено, что повышение значения объемной плотности энергии при уменьшении диаметра пятна лазера положительно влияет на снижение количества дефектов компактных образцов. Проведены исследования по установлению закономерностей формирования ванны расплава в зависимости от технологических параметров процесса селективного лазерного плавления. В рамках исследования были изготовлены образцы по широкому диапазону параметров процесса селективного лазерного плавления, из которых было выбрано 7 режимов с минимальным количеством дефектов. Получено регрессионное уравнение зависимости глубины ванны расплава от параметров процесса СЛП. В рамках работы, из порошка жаропрочного никелевого сплава ЖС32, были изготовлены экспериментальные образцы с направленной структурой с малыми углами разориентировки кристаллитов методом селективного лазерного плавления. Изготовлены экспериментальные образцы на монокристаллической подложке. Получено, что такое изготовление позволяет сформировать преимущественное направление роста кристаллитов. ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ СПЛАВЫ Проведены экспериментальные исследования процесса СЛП интерметаллидного титанового сплава на базе алюминида титана TiAl с использованием порошкового материала, изготовленного с помощью газовой атомизации. Установлены режимы СЛП и температура подогрева платформы, обеспечивающие относительную плотность более 99,9% при отсутствии трещин. Проведено исследование микроструктуры и фазового состава интерметаллидного TiAl-сплава. Установлено, что микроструктура образцов состоит из мелкодисперсных колоний ламелей α2(Ti3Al)/γ(TiAl)-фаз и зерен γ-фазы, а также небольшого количества остаточной β-фазы. С помощью просвечивающей электронной микроскопии установлено, что колонии ламелей состоят из TiAl-фазы с прослойками Ti3Al-фазы с толщиной 1,5–4,5 нм. Экспериментально исследованы механические свойства изготовленного интерметаллидного титанового сплава с помощью испытаний на сжатие. Проведены экспериментальные исследования возможности локального управления микроструктурой (размер и морфология зерен, фазовый состав) интерметаллидного сплава с помощью параметров СЛП. Путем использования стратегий сканирования с многократной лазерной обработкой были изготовлены образцы с различной объемной долей равноосных зерен TiAl-фазы и колоний ламелей α2/γ-фаз. Путем варьирования параметров селективного лазерного плавления (размер лазерного пятна, мощность лазера, толщина слоя) были получены образцы с различным размером и морфологией зерен. Проведено исследование эволюции структуры и фазового состава интерметаллидного сплава в зависимости от режимов термической обработки. Установлено, что в результате термической обработки доля колоний ламелей α2/γ-фаз снизилась, а доля равноосных зерен γ-фазы увеличилась. Размер зерен TiAl-фазы увеличился с повышением температуры отжига, при этом твердость сплава снизилась. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО И ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ВЫРАЩИВАНИЯ Проведено исследование влияния дополнительной обработки (азотирование, вибрационное и ультразвуковое воздействие) на структуру и свойства материалов полученных газопорошковым прямым лазерным выращиванием. Исследована возможность получения "in-situ" сплавов из элементных порошков методом газопорошкового прямого лазерного выращивания. Разработана подпрограмма для электродугового выращивания по сложной траектории, учитывающая в том числе возможность выбора стратегии построения наплавляемого слоя, изменения геометрических характеристик отдельных слоев в зависимости от наплавляемого материала или заданного пользователем. Получены экспериментальные образцы интерметаллидных материалов на базе Fe-Al и Ti-Al. При исследовании процесса переноса обнаружено, что проволоки на основе Fe и Ti подаются в расплав в твердом состоянии и плавятся уже в расплавве. Проволоки на основе Al плавятся дискретно с образованием капель на конце, которые под действием силы притяжения и силы поверхностного натяжения переносятся в расплав. Фазовый состав полученных образцов на базе Ti-Al, отличается подавляющей фазой Ti3Al. Микроструктура образцов представляет собой вытянутые зерна. Анизотропия и механические свойства были определены путем измерения микротвердости. Анализ анизотропии показал, что близость подложки приводит к увеличниею микротвердости за счет влияния химимического состава материала подложки. Микротвердость основного массива выращенного металла варьируется в пределах 330-350HV. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ Было проведено компьютерное численное моделирование процесса селективного лазерного плавления монокристаллического сплава и интерметаллидного сплава. На данный момент результаты моделирования не полностью показывают поведение материала в процессе выращивания, что говорит о том, что необходимо использовать свойства конкретного материала, а не табличные или прогнозируемые значения.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
4D материалы: С помощью моделирования методом конечных элементов и экспериментальной проверки была установлена взаимосвязь между тепловыми историями, микроструктурой и эволюцией дислокаций, что позволило улучшить и контролировать функциональные свойства СЛП NiTi. Для дальнейшего проектирования микроструктурного градиента SLM NiTi и понимания его микроструктурных характеристик, был произведён систематический анализ и моделирование одиночных лазерных треков, созданных с помощью низкой (250 Вт) и высокой (950 Вт) мощностей лазера. Было продемонстрировано, что высокая мощность лазера, связанная с большим размером луча, способствовала направленному росту зерен, в то время как разнонаправленный рост зерен был продемонстрирован в NiTi после СЛП с малым размером луча и низкой мощностью лазера. Исследованы механические и функциональные свойства NiTi после СЛП при различных параметрах обработки. Образцы с плотностью 56 Дж/мм3 имеют самые высокие показатели текучести, напряжения раздвойникования и восстанавливаемой деформации, что обусловлено их мелким размером зерна и высокой плотностью дислокаций. Было продемонстрировано, что ранее существовавшие дислокации и мелкие выделения в сплаве NiTi после СЛП могут улучшить их циклическую стабильность с проявлением эффекта памяти формы. ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ СПЛАВЫ И УЛЬТРАВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Методом прямого лазерного выращивания и селективного лазерного плавления из порошков высокоэнтропийных сплавов CoCrFeNiMn, CoCrFeNiMnW0.125, CoCrFeNiMnW0.25, синтезированных методом механического легирования с последующей плазменной сфероидизацией, получены компактные образцы. Исходные порошки имеют сферическую форму частиц с однородной микроструктурой, химическим и фазовым составом. Фазовый состав порошков всех сплавов представлен твердым раствором с ГЦК-решеткой. Исследование процесса механического легирования в аттриторе сплавов CoCrFeNiMn, CoCrFeNiMnW0.125, CoCrFeNiMnW0.25, позволило выявить физико-химические закономерности фазообразования порошковых сплавов, а также особенности процесса механического легирования в зависимости от химического состава сплавов. Синтезированный порошок имеет трехфазную структуру, представленную твердыми растворами с ГЦК-решеткой и ОЦК-решеткой, обогащенными Co, Cr, Fe, Ni, Mn; ОЦК-решеткой, обогащенной вольфрамом. При механическом легировании сплава CoCrFeNiMn образуется твердый раствор с ГЦК-решеткой. Добавление вольфрама в сплавы благоприятно влияет на процесс механического легирования. За счет высокой твердости и хрупкости чистый вольфрам измельчается и распределяется по объему частиц, приводя к их охрупчиванию. Это предотвращает слипание пластичных частиц и приводит к увеличению интенсивности процесса механического легирования. Исследование процесса выращивания методом селективного лазерного плавления показало, что наибольшей плотностью и химической однородностью без изменения химического состава обладают образцы, полученные при скорости сканирования 550 мм/с и мощности лазера 200 Вт. Увеличение плотности энергии приводит к испарению марганца и изменению химического состава образцов по сравнению с исходным порошком. Уменьшение плотности энергии приводит к образованию пор и уменьшению плотности напечатанных образцов. Полученные компактные образцы имеют однофазную структуру, представленную твердым раствором с ГЦК-решеткой. Исследование распределения элементов и микроструктуры образцов показало, что элементы равномерно распределены по сечению образцов. Результаты испытаний на растяжение показали, что образцы после печати обладают высокой прочностью и пластичностью. Для сплава CoCrFeNiMnW0.125 предел прочности составил 731 Мпа, а относительное удлинение 7,4%, для сплава CoCrFeNiMnW0.25 предел прочности составил 792 Мпа, а относительное удлинение 7,8%. С использование технологии прямого лазерного выращивания и порошка CoCrFeNiMnW0.25 была восстановлена стальная труба с поверхностным дефектом. Коррозионные испытания восстановленной высокоэнтропийным сплавом CoCrFeNiMnW0.25 стальной трубы показали, что потеря веса на 22% меньше, чем материала трубы при плотности тока 0,1 А/см2. МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ Микроструктура образцов состоит из вытянутых вдоль направления выращивания ячеек гамма-твердого раствора с рассеянными по нему частицами гамма’-фазы сформированными на основе интерметаллидного соединения Ni3Al, которые в свою очередь состоят из кубовидных микрочастиц со средним размером ~100 - 200 nm. Ячейки гамма/гамма’-фазы представляют собой оси дендритов первого порядка, растущие эпитаксиально через несколько слоев. Также, наблюдается наличие вырожденных осей второго порядка. Получено, что ширина ячеек гамма/гамма’-фазы (d) имеет прямую зависимость от технологических параметров процесса СЛП. С повышением значения плотности энергии используемого технологического режима СЛП ширина ячеек гамма/гамма’-фазы увеличивается. Термическая обработка приводит к выделению карбидов TaC и WC. Образование карбидов, вероятно, связано с распадом пересыщенного твердого раствора углерода в решетке Ni. Проведено исследование механических свойств образцов с помощью испытаний на растяжение при 1000оС. Получено, что среднее значение предела прочности составило 662,5 МПа. ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ СПЛАВЫ Проведены экспериментальные исследования по влиянию термической обработки и многократного лазерного сканирования при селективном лазерном плавлении интерметаллидного титанового сплава на базе TiAl с высокотемпературным подогревом платформы на микроструктуру и свойства образцов. Проведены экспериментальные исследования механических свойств образцов интерметаллидного сплава с переменной структурой, изготовленных методом селективного лазерного плавления. Показано, что материал, полученный с использованием многократной лазерной обработки каждого слоя, характеризуется меньшими значениями микротвердости. При этом в случае пятикратного лазерного сканирования материал имеет более высокую микротвердость, чем в случае десикратного лазерного сканирования, что связано с более высокой долей фазы Ti3Al, которая характеризуется более высокой твердостью. В то же время исследования микроструктуры образцов показали, что при многократном лазерном сканировании в материале образуются приграничные колонии из пластинчатых выделений TiAl/Ti3Al фаз, которые преимущественно расположены вокруг равноосных зерен TiAl-фазы. При этом при единичном лазерном сканировании равноосные зерна TiAl фазы в материале не наблюдаются, а имеются только колонии TiAl/Ti3Al фаз с мелкодисперсной пластинчатой морфологией. Таким образом, показано, что использовании стратегии сканирования с многократной лазерной обработкой каждого слоя при селективном лазерном плавлении интерметаллидного титанового сплава на базе TiAl возможно изменение морфологии микроструктуры cплава и соотношения фаз с преимущественно пластинчатой TiAl/Ti3Al структуры к смеси равноосных зерен TiAl и приграничных колоний TiAl/Ti3Al фаз. Данные изменения в микроструктуре привели к изменению в механических характеристиках сплава как в исходном состоянии, так и после термической обработки. Установлено, что в исходном состоянии наибольшие значения прочности на сжатие (~1690 МПа) имел материал, полученный при однократной лазерной обработки каждого слоя, что преимущественно вызвано наиболее дисперсной микроструктурой сплава в данном состоянии. Показано, что в зависимости от количества лазерных проходов и температуры отжига микроструктура интерметаллидного сплава может иметь различную морфологию, которая изменяется от дуплексной, ламельной и состоящей из равноосных зерен гамма фазы. В результате исследования микроструктуры показано, что при отжиге при температуре 1250 ºC в сплаве образуется структура из преимущественно равноосных зерен TiAl фазы за исключением сплава, изготовленного при десятикратном лазерном сканировании, который после отжига имеет ламельную структуру. После отжига при 1350 ºC сплав имеет ламельную структуру для всех исходных типов структуры. Испытания сплава на сжатие после термической обработки показали, что предел прочности по сравнению с исходным состоянием повышается после отжига при 1250 ºC, что соответствует структуре из равноосных зерен гамма фазы. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО И ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ВЫРАЩИВАНИЯ Влияние ТО на образец из Inconel 625 полученным при различных режимах лазерной наплавки в азотной среде не обнаружено и соответствует свойствам образцов без азотной среды, что говорит о возможности применения этого сплава в ПЛВ с азотосодержащими газами. Это объясняется тем, что диффузия азота в сплав незначительна, так как в процессе наплавки не происходит его разложение на атомы. Отжиг (HT1) и закалка с отпуском (HT2) повлияли на макро - и микроструктуру стали H13, выращенную под действием ультразвуковой обработки (рисунок 2). Границы раздела между треками почти полностью исчезли и прошли процессы рекристаллизации, но даже после отжига макроструктура с лужами расплава и границей раздела треков сохранилась на всех образцах и направлениях. Фазовый состав остался неизменным, твердость даже после закалки (HT2) оказалась ниже исходного образца, что говорит о значительном влиянии напряженно-деформированного состояния исходного образца. Исследован процесс переноса материла проволок на основе Al и Ni, выявлен прерывистый перенос Al проволоки, кроме того обнаружена высокая чувствительность материала при переносе к защитной атмосфере, выражающаяся в появлении пор при кристаллизации расплава. Разработана нейросетевая математическая модель, позволяющая по технологическим параметрам выращивания определять фазовый состав выращенного материала. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ Сформирована рекомендация того, что термическую обработку необходимо проводить до процесса отделение деталей от подложки для минимизации последующих деформаций.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
4D материалы Установлено, что непосредственное старение может повысить эффективность тренировки двунаправленного эффекта памяти формы, но не способствует стабильности проявления эффекта памяти формы. Отжиг является эффективным способом уменьшения неоднородности мартенситных вариантов и внутреннего напряжения, что повышает стабильность проявления эффекта памяти формы в SLM NiTi. Установлено, что оптимизируя параметры обработки SLM, можно адаптировать текстуру NiTi. Успешно изготовлен функционально градиентный образец из NiTi, состоящий из двух частей с различающейся текстурой. Деталь со случайной текстурой демонстрирует стабильный эффект памяти формы, а деталь с направленной текстурой (001) демонстрирует сверхупругость в широком диапазоне температур (от 80 до 200 oC). Обнаружено, что эффективное напряжение трансформации структур NiTi BCC и октета зависит от относительной плотности и температуры. Материалы NiTi со структурой BCC и октета были изготовлены с использованием L-PBF из порошка с высоким содержанием никеля. Предложенные модели успешно проверены с использованием стабилизированного цикла в циклических испытаниях на сжатие. NiTi со структурой BCC и октет демонстрируют обратимую диссипацию энергии и демпфирование вследствие непрерывного мартенситного превращения. Разработанные материалы NiTi с заданной структурой демонстрируют восстанавливаемое поглощение энергии без внешнего теплового воздействия, что может использоваться для защиты от ударов и вибрации при циклических нагрузках. Эта адаптивность и функциональность материала NiTi с заданной структурой делают его пригодным для промышленного применения в аэрокосмической, морской и автомобильной промышленности. ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ СПЛАВЫ И УЛЬТРАВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Проведены комплексные исследования механических, коррозионных, трибологических свойств высокоэнтропийных сплавов системы CoCrFeNiMnWx, полученного с использованием аддитивных технологий. Установлено влияние химического состава на механические свойства ВЭС CoCrFeNiMnWx. Разработан способ получения однофазных многокомпонентных керамических материалов, с использованием предварительно механически легированных ВЭС CrNbMoWV. Установлены физико-химические закономерности образования многокомпонентных керамических материалов в процессе искрового плазменного спекания. Получены однофазные эквиатомные карбиды и бориды на основе ВЭС CrNbMoWV, стойкие к высокотемпературному окислению. Микротвердость высокоэнтропийного борида спеченного при температурах 1400 и 1600 °С показала, что твердость по сечению образцов равномерная со средним значением 1836 и 1889 HV, соответственно. Синтезированные образцы также испытали в высокотемпературном окислительном газовом потоке. Длительность испытания образца карбида составила 400 с, плотность теплового потока на первой ступени 3.1 МВт/м2, с увеличением на 0.4 МВт/м2 на последующих ступенях. Синтез высокоэнтропийной керамики с использованием механически легированного порошка подтвердил принципиальную возможность получения однофазных высокоэнтропийных твердых растворов карбидов. ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫЕ СПЛАВЫ Получены результаты экспериментальных исследований возможности изготовления образцов биметаллических материалов методом селективного лазерного плавления путем комбинирования интерметаллидного и традиционного титановых сплавов. Получены результаты исследований микроструктуры и механических характеристик биметаллического материала орто-сплав/ВТ6, изготовленного селективным лазерным плавлением. Установлено, что в исходном состоянии образец биметаллического материала типа A в зоне сплава ВТ6 имеет микроструктуру, состоящую из α’-Ti, образовавшуюся вследствие высоких скоростей охлаждения в процессе СЛП. Участок из интерметаллидного сплава в исходном состоянии состоит из интерметаллидной орто-фазы Ti2AlNb, характеризующейся повышенной твердостью и хрупкостью. Получены результаты исследований механических свойств биметаллических образцов на растяжение при комнатной и повышенной (650 ºC) температурах. Установлено, что предел текучести и предел прочности изготовленных биметаллических образцов лимитирован наименьшей прочностью единичного материала. В исходном состоянии предел прочности биметаллических образцов при комнатной температуре достиг 689 МПа. В результате ГИП предел прочности при комнатной температуре повысился до 1020 МПа при пределе текучести 920 МПа. При этом при температуре испытания 650 ºC предел прочности биметаллических образцов после ГИП составил 515 МПа. Таким образом, установлено, что высокотемпературная прочность биметаллических образцов выше, чем у образцов из сплава ВТ6 приблизительно на 35%, однако ниже, чем у образцов из интерметаллидного титанового сплава. МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ Проведено изготовление биметаллических образцов из никелевых сплавов Inconel 718 и интерметаллидов. Средний размер частиц порошков (d50 ) составлял 55,8 и 37,4 мкм соответственно. Изготовление проводилось с нагревом рабочей платформы до 800°C для уменьшения коробления и дефектов в сформированных образцах. Установлено, что толщина переходной зоны между материалами составляет около 200-300 мкм. Изменение толщины переходного слоя вызвано различной позицией лазерных проходов в слоях. В переходной зоне образца наблюдается неполное смешение компонентов, что обусловлено малым временем существования расплава. В процессе плавления порошкового слоя и части нижележащего слоя произошло взаимное перемешивание за счет действия конвекции Марангони, однако состав не был выровнен до полностью однородного. Значения твердости изменяются от материала с более низкой твердостью (Inconel 718) к материалу с более высокой твердостью (ЖС32). Изменение происходит в пределах примерно 600 мкм, что больше, чем переходная зона, видимая на СЭМ-исследовании. Однако этот эффект может быть вызван малым расстоянием между зонами. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО И ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ВЫРАЩИВАНИЯ В ходе проведения экспериментов установлено оптимальное соотношение мощности-скорости перемещения-скорости подачи проволоки диаметром 1,2 мм из сплава 316L и составляет 1800 Вт - 4,5 мм/сек – 8 мм/сек. Такой режим позволяет без нарушения хода процесса («залипание» проволоки, либо уход в сторону) изготовить заготовку размерами 170х70х26 мм. Для исследования свойств, с помощью эрозионной резки были получены плоские образцы в соответствии с ГОСТ 1497-84. Испытания проводились на линейное растяжение. Результаты исследований показали, что предел текучести 612±14 МПа, предел прочности 838±8 Мпа, и относительное удлинение 28,5±4%. Стоит отметить высокую воспроизводимость механических характеристик, что показывает перспективность использования проволоки в прямом лазерном выращивании. В результате исследований удалось произвести In-situ синтез без вольфрамового высокотвердого сплава ТН20 с максимальная микротвердость которого начинается со второго слоя и составляет более 1500 HV. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ Разработаны численные компьютерные модели для прогнозирования механических свойств изделий с направленной или монокристаллической структурой и изделий из интерметаллидных сплавов. Результаты моделирования образца с направленной или монокристаллической структурой показали высокую сходимость результатов, а именно по пределу прочности отклонения составили 1,72%. Результаты моделирования интерметаллидного образца показали высокую сходимость результатов, а именно по пределу прочности отклонения составили 0,63%.