Сотрудники Томского научного центра СО РАН получили сферические порошки на основе интерметаллических соединений никеля и алюминия, применив энергоэффективный метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Гранулы сферической формы широко востребованы в аддитивном производстве сложных жаростойких изделий и покрытий путём селективного лазерного плавления для нужд энергетики и авиакосмической техники.
«Мы впервые получили сферические интерметаллидные порошки в одном технологическом процессе — при распространении волны горения по специальной реакционной шихте в условиях практического отсутствия внешних энергозатрат. По критериям энергоэффективности и простоты наш метод в лучшую сторону отличается от многих существующих способов приготовления подобных порошков, где необходима многостадийная переработка материалов с применением энергоемких высокотемпературных печей и плазменного оборудования», — пояснил ведущий научный сотрудник лаборатории технологического горения ТНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Кирдяшкин.
В области аддитивных технологий металлические порошки с гранулами сферической формы просто незаменимы, когда из твёрдых, малопластичных материалов требуется получить сложную конструкцию точной формы, которую в дальнейшем не придётся подвергать дополнительной механической обработке. Микропорошинки в виде шариков текут подобно воде и их легко подавать в нужное место, обеспечивая постепенное послойное формирование и спекание целевого изделия, например, лопатки газовой турбины, под воздействием лазера или электронного пучка.
Как пояснил Александр Иванович, чтобы придать интерметаллидным порошкам сферическую форму, в исходной шихте необходима особая модифицирующая добавка, вступающая в реакцию горения. В противном случае в результате процесса получаются нерегулярные спеки, требующие последующего измельчения, или бесформенные интерметаллидные частицы.
«В ходе горения добавки разлагаются, выделяются газы, которые слегка поднимают порошок реагирующей шихты и заставляют его частицы двигаться. Благодаря этому движению расплавленные частицы перемешиваются и равномерно сливаются друг с другом, превращаясь в аккуратные шарики. Чтобы это произошло, важно правильно выбрать температуру, при которой действует модификатор: если температура слишком низкая или высокая, нужного эффекта не получится. Сам процесс образования шарика в волне горения занимает одну миллисекунду, а образуются они по очереди, шарик за шариком, пока сама волна идет по материалу», — объяснил исследователь.
Для приготовления сферического порошка реакционная шихта загружается в лабораторный реактор, инициируется процесс горения, который спонтанно протекает при температуре до 1600 оС. В ходе исследования ученые показали возможность широкого варьирования состава целевого сплава. При использовании реактора ёмкостью около трех литров можно синтезировать до 10 килограммов требуемого продукта в течение 30 минут. Стоимость одного килограмма аналогичного порошка, изготовленного другими методами, на рынке начинается от ста долларов.
Исследователи уже провели первые успешные испытания порошков при печати на 3D-принтере. Полученные интерметаллидные материалы отличаются жаростойкостью и окислительной стойкостью. В перспективе учёные продолжат работу над созданием новых составов сферических интерметаллидов с добавлением различных лигатур.
В работе принял участие Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск).
