Российские исследователи работают над порошковыми материалами для печати деталей турбин на 3D-принтере
Учёные Московского Политеха совместно с исследователями НИТУ МИСИС разрабатывают порошковые сплавы нового поколения для производства деталей авиационных и ракетных двигателей методом селективного лазерного сплавления. Задача — одновременно снизить вес деталей и повысить их прочность, что является нетривиальной задачей.
Проблема упирается в физику материалов. Титановый сплав Ti6Al4V, который десятилетиями держится как отраслевой эталон, выдерживает нагрузки до 900–1000 МПа, при его заметно невысокой плотности — 4,4 г/см³ — не может сравниться с никелевыми суперсплавами по жаропрочности. Алюминиевые сплавы весят меньше, но разрушаются при температурах, которые для турбинных лопаток и камер сгорания совершенно обычны — от 600°C и выше. Найти материал, который является одновременно прочным, жаростойким, оставаясь при этом легким, сложно.
Новые составы на основе алюминидов титана, по расчётам исследователей, должны сдвинуть все три показателя разом: плотность снизится до 4-4,2 г/см³, прочность вырастет выше 1100 МПа, рабочий диапазон температур поднимется выше 650°C. Детали из таких материалов при той же надёжности будут весить на 10–15% меньше — в авиации это напрямую конвертируется в экономию топлива и увеличение ресурса изделий.
«Алюминиды титана давно известны как перспективный класс материалов, но получить из них деталь сложной формы традиционными методами крайне трудно: сплав хрупкий при комнатной температуре и плохо поддаётся механической обработке. Аддитивные технологии снимают это ограничение — лазер спекает порошок послойно, строго по цифровой модели, и геометрия детали больше не зависит от сложной технологической цепочки производств, при этом количество отходов снижается до 5%», — говорит руководитель проекта, кандидат технических наук Георгий Марков.
Параметры лазерной печати для каждого нового состава исследователи будут подбирать с помощью машинного обучения. Алгоритмы, обученные на данных термодинамического моделирования и результатах экспериментов, заранее смогут предсказать оптимальную мощность лазера, скорость сканирования и стратегию послойного заполнения для конкретного сплава. Это позволит резко сократить число дорогостоящих натурных испытаний — один цикл проверки новых параметров на реальном оборудовании занимает дни и требует расхода дефицитного порошка.
За три года планируется пройти путь от синтеза первых опытных партий порошков до прототипов реальных компонентов — крепёжных элементов и кронштейнов, — пригодных для передачи на испытания индустриальным партнёрам. Научные результаты проекта будут опубликованы в международных рецензируемых журналах и представлены на отраслевых конференциях. В числе потенциальных партнёров по внедрению — предприятия Объединённой двигателестроительной корпорации и Роскосмоса.
Фото: Brice Cooper, unsplash.com
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.