В России нашли способ повысить твёрдость и износостойкость деталей из алюминиевых сплавов, которые применяются в автомобильной и аэрокосмической отраслях, а также в 3D-печати.
Как известно, алюминий имеет множество преимуществ, таких как низкая плотность, хорошая коррозионная стойкость, электрическая и теплопроводность, свариваемость, пластичность, простота обработки и формовки. При этом алюминий — мягкий металл.
Поэтому чаще всего в промышленности используются сплавы, которые получают из чистого металла с добавлением легирующих элементов. Детали из алюминиевых сплавов необходимы в машиностроении и приборостроении, авиации — они одинаково востребованы как для создания вертолётов, так и для производства бытовой техники. Без сплавов алюминия не обойтись при изготовлении различных запчастей, включая резьбовые и переходные втулки, центровочные кольца, детали со сложным профилем и другие.
Переработка металлического порошка
Для 3D-печати хорошо подходят сплавы на основе алюминия с добавлением кремния и магния, так как они обладают высокой текучестью, устойчивостью к коррозии и механической стабильностью даже при повышенных температурах. Российские учёные из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» уже давно и успешно ищут новые способы, как сделать алюминий прочнее. И вот новая разработка, которая может пойти в массовое производство.
«Несмотря на все достоинства алюминиевого сплава, детали из этого материала имеют сравнительно невысокую твёрдость и износостойкость. Для улучшения этих характеристик используют различные методы обработки поверхностей, такие как лазерная наплавка, анодирование и термическое напыление. Однако высокотемпературные методы могут привести к изменению химического состава материала, возникновению остаточных напряжений и микротрещин. Более современным способом является холодное напыление, которое позволяет наносить покрытия без нагрева до высоких температур», — цитирует пресс-служба НИТУ «МИСиС» кандидата технических наук, научного сотрудника НИЦ «Конструкционные керамические материалы» Веронику Суворову.
По словам исследователя, высокотемпературные процессы могут изменить состав материала, привести к появлению внутренних напряжений и трещин. С холодным напылением таких проблем не возникает. Улучшить эти свойства помогает обработка поверхностей методами лазерной наплавки, анодирования и термического напыления.
Кандидат технических наук, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические материалы» Вероника Суворова
Для метода холодного напыления создаются порошковые смеси с добавлением укрепляющих компонентов, например, керамических частиц, таких как нитрид циркония. Это твёрдый керамический материал, похожий на цемент огнеупорный материал.
Среди основных задач, которую преследовали российские учёные, — свести к минимуму потери частиц в процессе напыления и определить оптимальное содержание добавки для достижения наилучшего результата. Выяснилось, что порошки с содержанием 10% добавки оказались менее эффективными. Напротив, порошки с 30% нитрида циркония показали равномерное распределение частиц внутри матрицы сплава, что обеспечило создание плотных покрытий и снизило потерю керамических частиц в процессе напыления с 50% до двух процентов.
«Применение композиционных покрытий с 30% нитрида циркония продемонстрировало наилучший результат. Прочность, твёрдость, модуль упругости и износостойкость подложки (алюминиевого сплава) значительно увеличились, что особенно перспективно для применения в автомобильной и аэрокосмической промышленностях, где требуются лёгкие материалы с превосходными механическими характеристиками», — заключает к.т.н. директор НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» Дмитрий Московских.
Учёные уверены, что исследование имеет большое практическое значение не только для улучшения свойств конкретного алюминиевого сплава, но и для многих деталей различного назначения. Особое внимание уделяется обработке материала именно после 3D-печати, так как это является наиболее актуальной и востребованной научной задачей.
3D-печать алюминием даёт возможность получать не только сложные, но и очень точные прототипы, при этом значительно снижая себестоимость изделий
Несколько лет назад команда учёных из научной школы «Фазовые превращения и разработка сплавов на основе цветных металлов» НИТУ «МИСиС» уже занимались «укреплением» алюминия. Тогда исследователи создали новый прочный композит алюминий-никель-лантан для авиа- и автомобилестроения. В расплав алюминия добавлялись легирующие элементы, образующие с алюминием химические соединения, которые в процессе затвердевания сплава дают прочный армирующий каркас.
По словам учёных, предложенный материал можно использовать в области авиа- и машиностроения, для проектирования современной робототехники, в том числе беспилотных летательных аппаратов, где снижение массы дрона имеет критическое значение. Новые разработки могут иметь и стратегическое значение с точки зрения как экономики, так и оборонной промышленности.
Егор Петров
