Передовая технология изготовления сложных металлических порошков теперь может применяться даже для очень хрупких материалов. Ранее для этого возможности не было. Новый способ, предложенный учеными Московского государственного технологического университета «СТАНКИН», станет востребован в космическом и авиационном строительстве.
Технология селективного лазерного плавления (SLM) относится к аддитивным технологиям, когда сложные трехмерные детали производятся путем послойного добавления материала. Сегодня SLM-технология признана одним из самых инновационных и эффективных способов изготовления сложных по форме и структуре изделий, ее суть заключается в последовательном послойном расплавлении порошкового материала посредством лазерного излучения. Ученые «СТАНКИН»усовершенствовали процесс плавления за счет снижения разницы температур между обрабатываемым материалом и окружающей средой. Такой способ позволяет избежать трещин при лазерной обработке и потому подходит для хрупких материалов. Метод протестирован на лабораторной установке и доказал свою эффективность.
«Наш технологический принцип заключается в уменьшении разницы температур окружающей среды и обрабатываемого материала. Мы определили необходимые показатели, рассчитали скорость процессов и собрали камеру из тугоплавкой керамики, которая и выступает в роли нагреваемой «окружающей среды» для детали. Эксперименты с боросиликатным стеклом доказали, что предварительный нагрев камеры, в которую помещается материал, позволяет получать плавленые структуры без трещин», — рассказал заведующий лабораторией исследования свойств материалов, кандидат технических наук Роман Хмыров.
В перспективе технология обработки хрупких материалов для специализированных изделий будет востребована в космическом и авиационном строительстве, а также в оборонно-промышленном комплексе. На крупных предприятиях такая технология значительно упростит и повысит эффективность производства.
«Один из первых обработанных материалов — алюминид титана, широко используется в авиационном строительстве. Изготовление из него сложных конструкций, способных выдерживать высокую температуру — трудоемкий процесс. Технология селективного лазерного плавления могла бы решить эту проблему, необходимые изделия можно было бы изготавливать посредством всего лишь двух-трех операций»,— отмечает Роман Хмыров.
Помимо этого, технология селективного плавления пригодится в обработке стекла для производства специальной оптики. Технология снизит расход материала и сократит механическую обработку. Предварительный прогрев камеры, в свою очередь, сведет к минимуму риск растрескивания материала.
Технология разработана в рамках стратегического проекта МГТУ «СТАНКИН» по программе Минобрнауки России «Приоритет 2030» (нацпроекта «Наука и университеты»). Практическую ценность проекта подтвердили статьи, выпущенные в журналах, рецензируемых WoS.
Одним из примеров материала может служить жаропрочные легкие сплавы на основе интерметаллида TiAl (алюминид титана), перспективны для изготовления лопаток турбин низкого давления (по данному материалу авторами патента опубликована статья «Optimization of Laser Processing for Additive Manufacturing a TiAI-Based Alloy» в 2021).
Ссылка из википедии:
Алюминид титана, TiAl, обычно гамма-титан, представляет собой интерметаллическое химическое соединение. Он легкий и устойчив к окислению и нагреву, но обладает низкой пластичностью. Он находит применение в нескольких областях применения, включая самолеты, реактивные двигатели, спортивное оборудование и автомобили.
Как часто возникают трещины при лазерной отработке? Почему? Почему они опасны?
Если материал не держит тепловой удар, то трещины образуются постоянно при обработке (примером может служить стеклянная банка, в которую резко залили кипяток).
Растрескивание материала объясняется термоударом из-за локализованного нагрева лазером.
Как считают Роман Хмыров и его коллеги, при применении селективного лазерного плавления (технология аддитивного производства) к хрупким материалам деталь часто растрескивается уже в процессе изготовления. Это общий недостаток лазерных технологий. Например, та же проблема возникала при лазерной сварке керамики и стеклокерамики. Суть в том, что лазерный нагрев является локальным, поэтому неизбежны значительные температурные градиенты при лазерной обработке изделия. Неоднородные тепловые поля и неоднородные тепловые расширения генерируют термомеханические напряжения. Напряжения могут превышать механическую прочность материала. Другими словами, обрабатываемый лазером материал должен быть устойчив к тепловым ударам.
Трещины и микротрещины существенно снижают механическую прочность. Технология, разработанная в СТАНКИНе, открывает новые перспективы для создания инновационных материалов.
Мир станкостроения и технологий
