Функционально-градиентные материалы

Функционально-градиентные материалы (ФГМ) — это разновидность композиционных материалов, отличающихся плавно изменяющимся составом и свойствами в объёме. Они сочетают металлическую матрицу (кобальт, никель, железо, титан) и включения твёрдой фазы (например, карбиды, нитриды или бориды переходных металлов), что обеспечивает, согласно соотношению Холла-Петча, уникальные механические и термические характеристики.

Функционально-градиентные структуры (ФГС) — это более общее понятие, включающее отдельные фазы, их наборы и системы, или целые конструкции с постепенным изменением свойств (механических, термических, электрических и т.д.) в пространстве. ФГС могут применяться в инженерии и не ограничиваются материалами.

Функционально-градиентные материалы (ФГМ) — это подмножество ФГС, сосредоточенное на материаловедении, где градиент достигается изменением состава или свойств. ФГМ — сплавы, состоящие из матрицы основного металла и твёрдых зёрен карбидов, нитридов и боридов переходных металлов (карбид вольфрама, карбид титана, карбонитрид титана, диборид титана и т. д.), образующих прочный непрерывный каркас, и металлической связки (кобальт, никель, титан, алюминий и т. д.), содержание которой непрерывно изменяется в объёме материала. В результате ФГМ-материалы обладают свойствами как твёрдого сплава, так и металла, то есть имеют высокую твёрдость и большую ударную вязкость.

Концепция ФГМ возникла в 1980-х годах в Японии для нужд космической техники, чтобы выдерживать перепады температур. Японские учёные Масайоши Ямазаки и Тосихиро Мори (1984) первыми стали развивать эти идеи на практике. Первоначально ФГМ представляли собой керамико-металлические композиты. В России исследования начались в 1990-х в рамках оборонных и промышленных разработок. Исследования ФГМ связаны с Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) и Всероссийским институтом авиационных материалов (ВИАМ). Академик Виктор Панин (1990-е годы) развивал новое направление физической мезомеханики материалов и обсуждал использование ФГМ/С.

Сегодня ФГМ применяются для задач, требующих сочетания твёрдости и вязкости, а также термической стойкости. Их изучение связано с развитием нанотехнологии и биомедицинских технологий. Практической реализации структуры ФГМ в традиционных технологиях, можно достигнуть, например, послойным прессованием твердосплавных пресс-порошков с различным содержанием металлической связки и различным размером зерна твёрдой фазы с последующим вакуумным спеканием. При этом будет наблюдаться массоперенос металлической связки в ходе жидкофазного спекания из слоя с большим размером зерна в слой с меньшим размером зерна, приводящий к градиенту содержания её в сплаве. Это даёт возможность управлять градиентом металл-связки в ФГМ-сплаве при помощи соотношения её концентрации в прессуемых слоях.

[[Файл:

[[Файл:

Аддитивные технологии, такие как cелективное лазерное плавление (СЛС/П) или прямой подвод энергии и материала (L-DED, LENS), позволяют создавать функциональные изделия, в том числе с градиентом состава (свойств), т.е. на основе сложных ФГС/М. Проф. Игорь Шишковский впервые в 2001 году высказал такие идеи^[3] и в середине-конце 2000х показал эти новые возможности, сформулировав направление in-situ быстрого прототипирования сплавов в своих исследованиях^[4][5].

• Металлообработка: Резцы для высокопрочных сталей. Например, компания Sandvik Coromant (Швеция) производит твердосплавные резцы (линейка GC4225) с градиентной структурой для обработки высокопрочных сталей, используя традиционную порошковую металлургию и покрытия CVD ([1]).
• Горное дело: Буровые инструменты для скальных пород. Компания Element Six (Великобритания) выпускает буровые инструменты (eXtreme Machining) с ФГМ на основе поликристаллического алмаза и карбида вольфрама, применяя спекание HPHT ([2]).
• Медицина: Имплантаты с градиентом пористости. Компания Stryker (США) производит титановые имплантаты (Tritanium) с градиентной пористостью для ортопедии методом селективного лазерного плавления ([3]).
• Авиация: Теплозащитные покрытия. Aerojet Rocketdyne (США) использует ФГМ для теплозащиты в двигателях (RS-25), применяя лазерную наплавку для создания градиента от керамики к металлу ([4]).

1. ↑ Шишковский, И.В. (1 марта 2017). Комбинаторное конструирование сплавов методами лазерных аддитивных технологий. Станкоинструмент (3): 38–49. doi:10.22184/24999407.2017.8.3.38.49. ISSN 2499-9407.
2. ↑ Makarenko, K.; Dubinin, O.; konev, S.; Shishkovsky, I. (27 октября 2022). Mechanical characteristics of laser-deposited sandwich structures and quasi-homogeneous alloys of Fe-Cu system. Materials and Design (англ.). 224: 111313. doi:10.1016/j.matdes.2022.111313. ISSN 0264-1275.
3. ↑ Shishkovsky, I.V. (20 января 2001). Synthesis of functional gradient parts via RP methods. Rapid Prototyping Journal (англ.). 7 (4): 207–211. doi:10.1108/13552540110402908. ISSN 1355-2546.
4. ↑ 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. ISSN 1757-8817.
5. ↑ 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. ISSN 0263-8223.

• Композиционные материалы
• Аддитивное производство
• Материаловедение

• Шишковский И. В. Лазерный синтез функциональных мезоструктур и объемных изделий М: Физматлит, 2009. — 424 с. — ISBN 978-5-9221-1122-5.
• 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.
• Shishkovsky I.V. Laser controlled intermetallics synthesis during surface cladding, P. 237—286. Book chapter in: J. Lawrence et al. (Eds.), Laser Surface Engineering. Processes and applications. Woodhead Publ. 2015. 718 p. 10.1016/B978-1-78242-074-3.00011-8