Быстрое прототипирование сплавов (БПС) — это передовая технология в материаловедении, направленная на ускорение разработки и тестирования новых металлических сплавов и композитов. Благодаря сочетанию высокопроизводительных методов производства, таких как аддитивное производство, с инструментами быстрой характеризации материалов, БПС позволяет исследователям изучать широкий спектр составов и свойств сплавов значительно быстрее, чем традиционные методы. Этот подход особенно ценен в таких отраслях, как авиационная промышленность, автомобилестроение и энергетика, где требуются новые улучшенные сплавы с особыми механическими или термическими характеристиками.
Идеи быстрого прототипирования материалов (сплавов, композитов) активно поддерживаются авторами и последователями концепции «геном материала», развиваемой в США с 2011 года в рамках инициативы [ «Materials genome initiative» (MGI)][1]. Фундаментально новый взгляд на парадигму 'быстрого прототипирования' привело к появлению новых подходов в материаловедении, которые сейчас развиваются в рамках технологий быстрого прототипирования сплавов. Это стало возможным благодаря развитию и внедрению аддитивных и цифровых технологий, которые являются предвестниками нового технологического уклада.
Концепция быстрого прототипирования сплавов возникла как развитие высокопроизводительных экспериментов в материаловедении в начале XXI века благодаря прогрессу в аддитивных технологиях. Основу заложили пионеры в области разработки сплавов и технологий 3D-печати. На глобальном уровне исследователи, такие как Треса Поллок и Дэниел Миракл, работавшие в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и Лаборатории исследований ВВС США, соответственно, способствовали созданию ранних подходов к ускоренной разработке сплавов.[2] Их исследования 2000-х годов по многокомпонентным и высокоэнтропийным сплавам подготовили почву для БПС.
Определяющий вклад в развитие основ БПС внесла команда под руководством проф. Дирка Раабе (Институт экологически чистых материалов имени Макса Планка), который использовал компьютерное моделирование для прогнозирования поведения материалов в различных условиях (DAMASK), что помогло ускорению разработки новых материалов и улучшению характеристик существующих. Исследования проф. Раабе позволили оптимизировать известные производственные процессы и разработать новые технологии для улучшения качества и свойств материалов. Им была показана возможность получения новых сплавов с многофункциональными устойчивыми свойствами[5],[6],[7],[8].
В РФ идеи БПС начали активно развиваться в конце 2000-х годов благодаря работам профессора Игоря Шишковского в ФИАН (Самарский филиал). В начале 2000-х Игорь Шишковский впервые запатентовал возможность совмещения процессов селективного лазерного плавления с самораспространяющимся высокотемпературным синтезом[9]. Это стало основой для быстрого прототипирования сплавов в РФ. Было предложено и в едином технологическом процессе экспериментально реализовано контролируемое энергией лазера совмещение процессов СЛП и СВС на примере синтеза бариевых гексаферритов и литиевых ферритов[10]. В его обзоре по комбинаторному дизайну для синтеза новых сплавов или композитов были обобщены ранее полученные в СФ ФИАН результаты по in-situ синтезу интерметаллидных структур (образцов) в системах Ni-Ti, NiCr-Al, Ti-Al, Fe-Al, Fe-Ti[11] и 3Д печати образцов градиентных металломатричных композитов на основе титановой, никелевой или кобальтовой матрицы, с увеличением от слоя к слою добавкой нанокерамик (Al2O3, TiC, TiB2 или WC)[12].
Процесс
Быстрое прототипирование сплавов включает следующие основные этапы:
Комбинаторный дизайн состава сплава: Компьютерный дизайн материала на основе совокупного Ab-initio атомистического моделирования, анализа фазовых диаграмм и термодинамики моделируемого сплава (ThermoCalc, FactSage, Pandat), прогнозируемых фаз и перспективных механических свойств (напр., ANSYS Granta EduPack).
Создание градиентов свойств: Сплавы с изменяющимся составом производятся с использованием нескольких видов аддитивных технологий, таких как СЛП или прямого подвода энергии и материала (L-DED, LENS). В L-DED мощный лазер выборочно плавит смеси порошков (например, железо, титан или никель) слой за слоем, создавая образцы с градиентом свойств. Например, переход от нержавеющей стали 08Х18Н10Т к бронзе БрХ08 в одном изделии.
Метод особенно эффективен для металлических систем, таких как Ti-Al, Ni-Al, Ti-Ni-Al, Ni-Cr-Al, Fe-Ti, Fe-Cu, а также для высокоэнтропийных сплавов.
Преимущества и ограничения
Преимущества:
Значительно сокращает время и затраты на разработку.
Позволяет эффективно исследовать широкий спектр составов.
Хорошо сочетается с вычислительными инструментами.
Ограничения:
Малые размеры образцов могут не отражать свойства массовых материалов.
Требует сложного оборудования и опыта.
Масштабирование до промышленного уровня остается пока сложным.
Примеры
Разработка стали DP800: Исследователи из Warwick Manufacturing Group применили БПС для оптимизации двухфазной стали DP800 для автомобильной промышленности, достигнув свойств промышленного уровня за недели с использованием мелкомасштабного литья и быстрого анализа[13].
Партнерство Prosperity (Великобритания): Совместный проект Университет Суонси, WMG и Tata Steel использовал БПС для тестирования сотен составов стальных сплавов, интегрируя моделирование и физическое прототипирование для улучшения использования лома и разработки покрытий[14].
Термобарьер из сплавов на основе нержавеющей стали и бронзы: Проект Сколтех по in -situ многоматериальному прямому лазерному выращиванию (L-DED) изделий из разнородных материалов (SS316L и бронза). Такие конструкции перспективны для применения в аэрокосмических приложениях, теплообменниках и износостойкой оснастке, где важно сочетание прочности, эффективной теплопроводности и долговечности.[15].
↑Springer, H.; Raabe, D. (15 мая 2012). Rapid alloy prototyping: Compositional and thermo-mechanical high throughput bulk combinatorial design of structural materials based on the example of 30Mn-1.2C-xAl triplex steels. Acta Materialia (англ.). 60: 4950–4959. doi:10.1016/j.actamat.2012.05.017. ISSN1359-6454.
↑Jagle, E.A.; Choi, P.P.; Humbeeck, J.; Raabe, D. (1 сентября 2014). Precipitation and austenite reversion behavior of a maraging steel produced by selective laser melting. Journal of Material Research (англ.). 29: 2072–2079. doi:10.1557/jmr.2014.204. ISSN0884-2914.
↑Pradeep, K.G.; Tasan, C.C.; Yao, M.G.; Deng, Y.; Springer, H.; Raabe, D. (10 сентября 2015). Non-equiatomic high entropy alloys: Approach towards rapid alloy screening and property-oriented design. Materials Science and Engineering A (англ.). 648: 183–192. doi:10.1016/j.msea.2015.09.010. ISSN0921-5093.
↑Шишковский, И.В.; Кузнецов, М.В.; Морозов, Ю.Г. (5 мая 2003). Новые методы создания объемных изделий на основе гексаферрита бария с добавкой хрома. Стекло и керамика. 60 (6): 14–18. doi:10.1023/A:1025773203854. ISSN0361-7610.
↑Shishkovsky, I.; Kakovkina, N.; Missemer, F. (20 февраля 2016). Laser in situ synthesis of gradient aluminides in metal matrix composite during DMD process. International Journal of Rapid Manufacturing (англ.). 5 (3–4): 349–366. doi:10.1504/IJRAPIDM.2015.074813. ISSN1757-8817.
↑Shishkovsky, I.; Scherbakov, V.; Kakovkina, N. (20 февраля 2016). Graded layered titanium composite structures with TiB2 inclusions fabricated by Selective Laser Melting. Composite Structures (англ.). 169: 90–96. doi:10.1016/j.compstruct.2016.11.013. ISSN0263-8223.
Shishkovsky I. Genome of Material for Combinatorial Design and Prototyping of Alloys, Chapter 1 in InTech Publ., Igor V. Shishkovsky (Ed.) Additive Manufacturing of High-performance Metals and Alloys. Modeling and Optimization, 2018, London, UK. ISBN 978-1-78923-389-6.
Shishkovsky I.V., Nazarov A.P., Kotoban D.V., Kakovkina N.G. Comparison of additive technologies for gradient aerospace part fabrication from nickel based superalloys, P. 221—245. Book Chapter in: M. Aliofkhazraei (Ed.) Superalloys, InTech Publ. 2015. 344 p. 10.5772/61121.
