Красноярские ученые предложили линейку сплавов для аддитивного производства

Алюминиевые сплавы часто легируются скандием — дорогим редкоземельным металлом, делающим сплавы на порядок прочнее и выносливее в сложных эксплуатационных условиях. Исследователи из Института цветных металлов и Политехнического института Сибирского федерального университета предложили более дешевые альтернативы — церий и эрбий.

Совершенствование технологий обработки алюминиевых сплавов на сегодня — стратегическая задача для России, особенно в контексте развития Ангаро-Енисейского кластера глубокой переработки цветных и редких металлов. Традиционные методы — литье, ковка, механическая обработка — имеют низкий коэффициент использования материалов, часто менее тридцати процентов, длительные производственные циклы и ограничения при изготовлении деталей со сложной геометрией.

Технология 3D-печати методом электродугового наплавления металлической проволоки (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) позволяет снижать расход материала за счет выборочного нанесения металла, сократить производственные циклы в два-четыре раза и получать более равномерную структуру деталей благодаря ускоренному охлаждению, что улучшает механические свойства.

«Мы создаем линейку сплавов с применением скандия и других редкоземельных металлов, чтобы затем получать проволоку для аддитивного производства методом WAAM. Опытная партия проволоки из алюминиевого сплава, который содержит скандий в количестве 0,2%, уже проходит испытания. В Политехническом институте СФУ одновременно разработана гибридная технология наплавления и создается соответствующая установка — 3D-принтер для печати металлической проволокой», — рассказал младший научный сотрудник лаборатории физикохимии металлургических процессов и материалов Никита Степаненко.

Добавление в малых количествах редкоземельных металлов в сплавы делает алюминиевые детали прочнее, устойчивее к нагреву и в некоторых случаях менее склонными к образованию трещин при выращивании. Для аддитивного производства это принципиально: металл не просто плавится и застывает один раз, а многократно проходит через нагрев и охлаждение при формировании каждого нового слоя. 

Скандий наиболее изучен и считается лучшим для упрочнения алюминия, однако высокая стоимость существенно повышает цену проволоки и итоговых изделий. Заменить скандий могут альтернативные добавки, например церий и эрбий, с которыми сейчас экспериментируют ученые.  

«Церий хорош в жаропрочных сплавах, он позволяет сохранять полезные свойства сплавов при повышенных температурах. Еще он намного дешевле скандия. Эрбий в сочетании с цирконием и скандием в определенных пропорциях тоже позволяет добиваться упрочнения сплавов и сохранять прочностные показатели при нагреве. Он также экономически выгоднее скандия», — рассказал Никита Степаненко. 

По словам соавтора исследования, профессора кафедры электротехники Михаила Первухина, главная ценность новых алюминиевых сплавов даже не в прочности. Главное — появляются материалы, которые лучше всего приспособлены именно к послойной 3D-печати крупных металлических деталей нестандартной формы методом WAAM, и сохраняются желанные свойства в жестких эксплуатационных условиях. 

«Зарекомендовавший себя в традиционном производстве сплав не обязательно столь же эффективен при аддитивном. При WAAM металл плавится и затвердевает в каждом новом слое, а уже сформированные участки многократно нагреваются повторно. Поэтому состав, дающий высокую прочность прокатанному или термообработанному изделию, может потребовать существенной доработки. С одной стороны, в СФУ разрабатывается материал с заданными свойствами. С другой, создается оборудование, которое позволит управлять процессами формирования и потенциально изменять состав металлов буквально во время выращивания деталей. Для нас это возможность объединить компетенции в материаловедении, металлургии, сварочных технологиях и автоматизации в единую систему разработки», — рассказал Михаил Первухин.

Применять новые сплавы можно, например, в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике — в отраслях, где необходимо изготавливать крупные металлические детали сложной формы, снижать массу и рационально расходовать дорогие материалы.

«В авиации критичны масса, прочность и усталостная долговечность, для космических аппаратов — масса, надежность и устойчивость к условиям эксплуатации, для промышленного оборудования — стоимость изготовления и способность выдерживать рабочие нагрузки. Наша миссия — не просто сделать еще одну новую проволоку, а создать материал для более легких, надежных и высокотехнологичных конструкций для критических отраслей», — пояснили разработчики.

Источник: Сибирский федеральный университет