В Корабелке вырастили титановую «зебру» для сопротивления деталей удару

Многие ответственные детали, такие как, например, лопасти в газотурбинных двигателях, прессы, молоты, поршни, испытывают серьезные динамические нагрузки в определенных направлениях относительно изделия. Чтобы выдержать их, металл, из которого сделаны детали, должен быть одновременно прочным и пластичным, но в природе такие свойства часто противоречат друг другу.

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного морского технического университета предложили слоистый металлический композит, где чередуются два материала: чистый титан (менее прочный, но более пластичный) и сплав титана с алюминием и ванадием (более прочный, но с низкой пластичностью). Испытания показали, что изделие из нового материала будет обладать высокой прочностью в сочетании с высокой пластичностью и выдерживать, соответственно, больший уровень ударных нагрузок. Все потому, что для распространения трещины в композиционном материале потребуется потратить больше энергии в сравнении с титановым сплавом. То есть трещины будут распространяться гораздо медленнее, проходя слои из разных материалов.

— Если мы знаем направление воздействия основных нагрузок на изделие, то можем это компенсировать чередованием слоев материалов с различными свойствами. Наш подход позволяет очень гибко регулировать свойства материалов и достаточно быстро создавать новые материалы для конкретных изделий, ― рассказала заведующая лабораторией «Тестирование и исследование материалов» ИЛИСТ Марина Гущина.

Титановую «зебру» ученые получили прямым лазерным выращиванием, на этом методе основаны многие подходы в аддитивных технологиях. Металлические порошки загружаются в питатели и затем регулируемо в струе аргона отправляются в область действия лазерного излучения. Материал выращивается послойно: два слоя чистого титана, потом два слоя сплава титана с алюминием и ванадием, снова чистый титан, потом сплав ― и так много раз.

В результате быстрого нагрева и охлаждения металлического порошка формируется мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую прочность выращенных изделий. Такая продукция по физическим свойствам сопоставима или даже превосходит изделия, полученные традиционными металлургическими методами. Фундаментальным отличием является возможность создания изделий с градиентными свойствами. В одном объекте на микроуровне можно совмещать несколько материалов. Это очень творческий процесс, когда одну и ту же задачу можно решить разными способами. Для создания изделий с градиентной структурой в зону роста необходимо подавать смесь с управляемым химическим составом. За счет высокой точности дозировки проектировщики могут производить объекты даже с точечными вкраплениями дополнительных металлов в основные. Кроме того, лазерный луч ― универсальный, концентрированный, легко управляемый, автоматизируемый источник нагрева ― помогает гибко управлять качеством поверхности изделия так, чтобы получить минимальную шероховатость и обойтись без механической обработки поверхностей. Очень высокий коэффициент использования материала и производительность подхода позволяют экономить деньги заказчика. Можно комбинировать даже разнородные материалы для нужд производителей.

— Мы занимаемся наукой ради глобального внедрения наших разработок в промышленность. Заказчики уже интересуются новыми материалами. Если три года назад по разработке новых материалов к нам обращались 1–2 компании в год, то сейчас подобные вопросы задают 5–7 компаний. В нашем фокусе ― градиентные материалы, композиционные материалы, высокоэнтропийные и мультикомпонентные сплавы, а также их исследования и испытания, ― отметила руководитель отделения исследований материалов ИЛИСТ, заведующая лабораторией «Физическое и цифровое материаловедение» Ольга Климова-Корсмик.

Более полугода ученые подбирали состав композита, выращивали пластины для испытаний и непосредственно их исследовали и испытывали. Эта работа входит в круг задач Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» и программы «Приоритет 2030».

Институт лазерных и сварочных технологий, где работали над проектом, проводит исследования в области лазерных и гибридных лазерно-дуговых технологий обработки материалов уже около 15 лет. С 2004 г. выполнено более 50 крупных проектов, в том числе 21 международный, разработано 8 типов мощных гибридных лазерно-дуговых технологических комплексов для промышленных предприятий.