В НИТУ МИСИС исследуют 3D-печать деталей для термоядерных реакторов

Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСИС» и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова показали, как изготовить биметаллический материал с помощью гибридного аддитивного производства. Композиты из вольфрама и меди с улучшенными свойствами применяются в производстве компонентов, обращенных к плазме (КОП) в установках термоядерного синтеза.

Исследования показали, что теплофизические и механические характеристики композита из вольфрама и меди не уступают аналогам, изготовленным классическими методами, однако гибридные аддитивные технологии позволяют реализовывать более эффективный теплоотвод и повышать термоциклический ресурс, сообщает пресс-служба НИТУ МИСИС.

«Университет МИСИС — признанный лидер в области материаловедения в России, входит в топ-100 лучших вузов мира по направлению Materials Science ведущего международного рейтинга QS. Наши ученые занимаются разработками, впоследствии находящими применение в различных отраслях промышленности, включая наукоемкие. Коллектив исследователей под руководством молодого ученого Станислава Чернышихина разработал новый композиционный материал для применения в термоядерных реакторах отечественного производства», — рассказала ректор НИТУ МИСИС Алевтина Черникова.

Ввиду высокой температуры плавления и пороговой энергии для физического распыления, а также низкого удержания изотопов водорода вольфрам считается одним из основных материалов для производства компонентов, обращенных к плазме, однако его сложно механически обрабатывать из-за высокой твердости и хрупкости. Чтобы изготовить изделия из вольфрама, обычно применяют методы порошковой металлургии, но классические технологии не позволяют создавать сложнопрофильные изделия, поэтому традиционно КОП представляют собой простые многослойные конструкции. Альтернативой классическим технологиям служит аддитивное производство, позволяющее послойно синтезировать изделия, в том числе пористые структуры. Свойства таких изделий могут быть адаптированы под конкретные задачи за счет изменения геометрии структур.

«Исследования и разработка новых методов изготовления деталей из вольфрама обладает высокой практической значимостью. Технология селективного лазерного cплавления (SLM) является одним из наиболее популярных и применяемых методов аддитивного производства металлических изделий из-за возможности синтеза деталей сложной формы с высокой разрешающей способностью. Стоит отметить, что производство изделий из вольфрама с помощью метода SLM является сложной задачей из-за высокой температуры плавления, образования дефектов несплавления, микротрещин и перегрева различных узлов в установках», — рассказал Станислав Чернышихин.

Изучив условия лазерного синтеза вольфрама, коллектив сумел достигнуть относительной плотности сплошных образцов в 96,7%. Сначала для создания биметаллического материала были изготовлены скелетные структуры гироида вольфрама, похожие на изогнутую сетку или волну. Затем вольфрамовую матрицу пропитали медью при температурах до 1350°C. Изучение смачивания и кинетики пропитки вольфрамовых матриц позволило установить оптимальные условия инфильтрации.

Механические испытания показали, что композит оказался гораздо пластичнее чистого вольфрама, выдерживая деформации до 35% без разрушения. Ученые также провели измерения теплопроводности в широком диапазоне температур, до 800°С). Установлено, что с уменьшением размеров элементарных ячеек структур наблюдается небольшое понижение теплопроводности, но при этом возрастают прочностные характеристики.

«В дальнейшем мы планируем перейти к производству макетов КОП и теплонагруженным циклическим испытаниям. При испытаниях будут моделироваться воздействия, приближенные к реальным эксплуатационным условиям в термоядерных установках», — добавил Станислав Чернышихин.

Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru