Группа учёных НИТУ «МИСиС» разработала высокоэффективный и экономичный способ получения сырья для аддитивной печати — композитных порошков титана/алюминия округлой формы. Новый метод позволит снизить себестоимость материала, что сделает его более доступным для производителя, и расширит возможности создания компактных изделий сложной формы для аэрокосмической промышленности. Результаты исследования опубликованы в журнале Metallurgical and Materials Transactions B (2019).

Использование 3D-печати в аэрокосмической отрасли — уже сложившийся тренд. Мировые промышленные гиганты, такие как Airbus, Boeing, General Electric, перешли от печати единичных прототипов и изделий к полноценному серийному аддитивному производству. Новый самолет Airbus A350 XWB содержит более 1000 различных деталей, изготовленных методом 3D-печати.

Все чаще для изготовления узлов самолетов и космических аппаратов используют интерметаллиды (соединение двух металлов) «титан-алюминий» и «титан-никель». 3D-изделия из них обладают низкой плотностью, повышенными прочностными характеристиками, высокой жаростойкостью и могут иметь сложную геометрическую форму. Композиционные порошки, полученные относительно простым и дешевым способом, — ключевая деталь экономичности «металлического» 3D-производства.

«Для серийного 3D-производства деталей ракет и самолётов необходимы качественные исходные порошки — прекурсоры, а также простой метод их получения с высокой производительностью и одновременно низкой стоимостью. Полноценное внедрение металлических аддитивных установок в отечественную промышленность сдерживается главным образом высокой стоимостью сырья, из-за нее производство пока нерентабельно. И разработка экономичного способа получения качественных металлических порошков является нашей основной задачей» —рассказывает один из соавторов разработки, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», к.т.н Андрей Непапушев.

Упростить производство порошков для 3D-печати получилось за счет использования уникального сочетания режимов планетарной мельницы, где в процессе интенсивной механической обработки получились композиционные порошки, состоящие из округлых частиц, включающих в себя и титан, и алюминий (Рис.1). Этот «полуфабрикат» можно напрямую загрузить в лазерный 3D-принтер, где прямо в процессе печати при температуре около 650 градусов металлы вступают в реакцию, образуя тугоплавкий интерметаллид.

Как отмечают ученые, ранее никто не использовал планетарную мельницу с этой целью и лабораторный опыт можно перенести в производство — у отечественных производителей есть промышленные аналоги планетарных мельниц.

В случае использования для печати деталей готового интерметаллида, приходится сначала его отлить, а это особая технология и серьезные энергозатраты. Затем горячий расплав необходимо «распылить» струей газа, воды или плазмой для получения порошка, что значительно усложняет и увеличивает стоимость производства.

«В качестве исходного материала в наших опытах использовались порошки титана, алюминия и никеля, которые подвергались интенсивной механической обработке в планетарной мельнице. Предложенный метод значительно упростил и снизил стоимость получения прекурсоров, а также сократил потребление энергии в ходе 3D-печати на 20%. Соответственно в ходе печати не нужно использовать большие мощности лазера для плавления», —добавляет Андрей Непапушев.

В настоящее время научная группа завершила оптимизацию составов порошков-прекурсоров и приступила к созданию первых прототипов из полученных порошков.