Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии и оборудования для прецизионного производства ответственных сложнопрофильных изделий специального назначения с целью перехода промышленности Российской Федерации к новому типу производства продукции в рамках шестого технологического уклада

Докладчик: Смирнов Валентин Пантелеймонович

Должность: заместитель генерального директора – научный руководитель по ЭФБ

Цель проекта:
Получаемые результаты ПНИЭР послужат основой для последующего создания Индустриальным партнёром во взаимодействии с Получателем субсидии новых технологий: - технология прецизионного производства ответственных сложнопрофильных крупногабаритных изделий специального назначения; - технология производства специальных порошковых сырьевых материалов для прецизионного производства ответственных сложнопрофильных крупногабаритных изделий специального назначения. Цель Проекта соответствует действующим решениям по созданию новых видов продукции и технологий в рамках осуществления Программы инновационного развития и технологической модернизации Госкорпорации «Росатом» на период до 2020 года (в гражданской части).

Основные планируемые результаты проекта:
Применении технологии селективного лазерного спекания или плавления для прецизионного производства сложнопрофильных крупногабаритных изделий разрабатываемое оборудование в настоящее время не имеет аналогов практически по всем характеристикам:
- максимальные размеры области построения: 650х650х650 мм;
- мощность лазера: 1,0 кВт;
- скорость построения: до 150 см3/ч;
- толщина одного слоя: 20-250 мкм;
- диаметр фокуса: 100 мкм;
- скорость сканирования: 10 м/с.
Вместе с тем, ведущие мировые производители постоянно модернизируют свое оборудование для прецизионного производства сложнопрофильных крупногабаритных изделий.
В качестве примера, рассмотрим оборудование компании EOS GmbH (Германия), являющейся в настоящее время мировым лидером в производстве систем для прецизионного производства изделий методом прямого металлического лазерного спекания (ПМЛС) – разновидности СЛС. Мировое лидерство компании подтверждается тем, что недавно (февраль 2014 года) компания EOS, совместно с Airbus Group Innovations (ранее EADS Innovation Works), успешно завершила в свою пользу сравнительные эксплуатационные испытания двух ключевых производственных технологий настоящего времени: высокоточного литья и ПМЛС.
Технология ПМЛС была разработана компаний EOS в 1994 году. В настоящее время компания EOS динамично развивается. Если выход второй версии (установка EOS M 270, 2004 год) оборудования, использующего технологию ПМЛС для прецизионного производства изделий, произошел только спустя 9 лет после выхода первой версии (установка EOSINT M 250, 1995 год), то выход третьей версии (установка EOS M 280, 2010 год) – уже спустя 6 лет после выхода второй, и последней версии (установка EOS M 400, декабрь 2013 год) – спустя всего 3 года после выхода третьей. Таким образом, можно было бы сделать вывод, что модернизация оборудования EOS происходит в ускоряющемся темпе и в ближайшие несколько лет стоит ожидать появление новой установки с более высокими параметрами. Однако, установки EOSINT M 250, EOS M 270 и EOS M 280 отличаются друг от друга незначительно: максимальная высота области построения увеличилась с 200 (EOSINT M 250) до 325 мм (EOS M 280). При этом, исходя из того, что другие параметры, оказывающие непосредственное и существенное влияние на производительность установки, не изменились, можно сделать вывод, что производительность при переходе от установки EOS M 270 к EOS M 270 и EOS M 280 даже уменьшилась, т.к. требуются большие временные затраты на построение большего по высоте изделия. Таким образом, только самая последняя установка EOS M 400 является радикально новой версией и значительно превосходит предыдущие версии по характеристикам. В частности, максимальные размеры области построения увеличились до 400x400x400 мм, что позволяет создавать относительно крупногабаритные изделия, которые, тем не менее, значительно меньше тех, которые можно будет получать при помощи разрабатываемой установки: 650х650х650 мм. То есть существенная модернизация оборудования компании EOS, позволяющая создавать относительно крупногабаритные изделия, произошла только спустя 18 лет после выхода первой версии установки.
Таким образом, динамика модернизации оборудования компании EOS, а также то, что установка EOS M 400, которая была продемонстрирована мировой широкой общественности только в декабре 2013 года и начнет продаваться в России только с начала 2015 года, позволяет сделать оптимистичный прогноз о том, что при сохранении сегодняшних темпов роста характеристик оборудования, на временном горизонте 5-6 лет разрабатываемое оборудование не будет иметь мировых аналогов.
В связи с тем, что указанные выше основные параметры разрабатываемой установки оказывают непосредственное и существенное влияние на производительность установки, но в различной степени, по нашим оценкам, производительность установки должна увеличиться как минимум на 85 % по сравнению с установкой EOS M 400, являющейся в настоящее время одной из наиболее производительных.
Стоимость установки EOS M 400 в России составляет приблизительно 67,5 млн. руб. Стоимость разрабатываемой установки в случае мелкосерийного производства составит приблизительно 54 млн. руб.
Следует отметить, что установка X line 1000R компании Concept Laser GmbH (Германия), обладающая более низкими параметрами по сравнению с разрабатываемой установкой, не рассматривалась при оценке, т.к. согласно Коммерческому предложению компании НИССА Принткад, являющейся официальным дистрибьютором оборудования компании Concept Laser в РФ, стоимость только базового модуля установки X line 1000R составляет приблизительно 117 млн. руб.
Таким образом, по соотношению производительности (эффективности) и стоимости разрабатываемые технология и оборудование превосходит лучшие мировые аналоги как минимум в 1,5 раза.
В цепочке создания стоимости конечного металлического изделия, произведенного с использованием технологии послойного наращивания, стоимость материалов составляет 21 %. В настоящее время стоимость стальных порошков для послойного наращивания составляет 4000-6000 руб. за 1 кг продукции. По оценкам экспертов, производство промышленных изделий с помощью технологии послойного наращивания сможет стать конкурентоспособной альтернативой традиционным способам изготовления металлических деталей только при условии снижения рыночных цен на металлические порошки до 1400 руб за 1 кг и возможности использования в качестве исходного сырья для получения порошков металлических отходов традиционных производств. Применяемые в настоящее время способы получения металлических порошков для послойного наращивания (атомизация и другие) являются достаточно дорогостоящими и имеют низкий потенциал к снижению себестоимости производства: повышение рентабельности достигается только за счет увеличения объемов производства.
Разрабатываемая Технология производства специальных порошковых сырьевых материалов обеспечит:
- получение порошкового материала стали (хим. состав, масс.%: Cr 17-19, Ni 9-11, Mn не более 2,0, C не более 0,12, P не более 0,35, S не более 0,02, Si не более 0,8) с частицами сферической формы размером 20-40 мкм с улучшенной однородностью химического состава по сравнению с мировыми аналогами, характеризующейся снижением отклонения относительного содержания легирующих элементов до 1-3 % вместо имеющегося значения 20-100 % и прогнозируемого до 2020 года – 5 -20 %;
- придание порошку дополнительных уникальных свойств – повышенной радиационной стойкости (более низкий уровень наведённой радиоактивности и более низкий её спад после нейтронной экспозиции) за счет глубокой очистки от примесей высокоактивируемых металлов - ниобий, молибден, кобальт, никель, медь до их содержания не более 0,01% и дополнительного комплексного легирования стали элементами с быстрым спадом наведенной радиационной активности (Mn, W, V, Ti, Zr, РЗЭ);
- рекордное увеличение выхода металла в конечный продукт не менее 97 % вместо имеющегося 30-50 %, снижение себестоимости не менее 25 % относительно имеющихся аналогов.
Также в рамках ПНИЭР будет разработана безотходная технология производства из исходных ВТ-1-00 и ВТ-6 околосферичеких порошков с монофракционностью 10-20 мкм не менее 90%, отклонением состав сплава не выше 0,1 % масс и степенью использования исходного металла не менее 55 % с увеличением этого показателя до 80 %.
Указанные целевые характеристики порошков титановых сплавов ВТ-1-00 и ВТ6 приведены с учетом прогнозного развития технологий в области титановых порошков, предназначенных для аддитивных технологий на период до 2020 года.
Сравнение критически важных характеристик порошков с аналогичной продукцией ведущих производителей порошков закрепляет приоритет по экологичности (снижение отходов на 30 %), надежности (сохранение критических свойств металлических деталей при формировании сложнопрофильных изделий - обеспечение размеренной стабильность при закалке и охлаждении, повышение механических свойств за счет снижения остаточных напряжений в сравнении с литыми и коваными деталями, что обеспечивает им возможность эксплуатации при высоких энергетических воздействиях), эффективности, экономичности технологий.
Кроме того разрабатываемая технология обеспечит производство воспроизводимого постоянного качества и по содержанию примесей внедрения ниже 20 ppm и гомогенности состава титанового сплава.
Порошки титана такого качества обеспечивают размеренную стабильность при закалке и охлаждении, прочность сварного шва составляет не менее 90 % прочности основного сплава.
Использование микропорошковых материалов позволяет получать конструкционные материалы с уникально высокими свойствами: высокой прочностью, твердостью и износостойкостью при достаточно большой пластичности. Например, их микротвердость в 2-7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов. Повышение пластичности керамики и интерметалидов открывает большие перспективы для их использования в различных конструкциях работающих в условиях высокодинамических и высокоэнергетических нагрузок.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Направленность на опережающее формирование принципиально новых рынков и рыночных ниш, важных для национальной экономики. Будет сформирован принципиально новый рынок прецизионного производства изделий для таких отраслей национальной экономики как машиностроение, электроэнергетика, нефтеперерабатывающая промышленность, химическая промышленность, металлургия. Использование разработанной технологии в ГК «Росатом» для изготовления ответственных сложнопрофильных изделий позволит снизить значительно себестоимость конечной продукции, повысить её качество за счет повышения однородности химического состава и структуры, увеличить срок службы изделий, работающих в жестких и экстремальных условиях эксплуатации, увеличить безопасность объектов.
Разрабатываемая Технология производства специальных порошковых сырьевых материалов универсальна и может быть применена для получения широкого ассортимента высокооднородных по химическому и фазовому составу порошков сталей и сплавов околосферической формы для различных отраслей экономики: машиностроение, электроэнергетика, нефтеперерабатывающая промышленность, химическая промышленность, металлургия.
Наличие в получаемых результатах потенциала трансформации промышленных технологий, используемых сегодня в основных секторах национальной экономики, в технологии нового поколения (уклада), ориентированные на потребности и вызовы, с которыми столкнется наше общество в ближайшие 7-10 лет. Разрабатываемая технология прецизионного производства не просто обладает потенциалом, она направлена на формирование нового типа производства продукции в рамках шестого технологического уклада, который наступил приблизительно в 2010 году и который в ближайшие 7-10 лет будет активно развиваться ведущими мировыми державами.
Разрабатываемая технология открывает перспективу создания в России нового востребованного крупномасштабного рынка ультрадисперсных порошков металлов для MIM-технологий. Производство деталей по MIM-технологиям ежегодно увеличивается на 10-20 % по всему миру. В настоящее время в России начато освоение MIM-технологий на предприятиях ГК «Росатом» для изготовления мелких точных деталей для специальной техники и приборостроительной отрасли. Для этих целей используются дорогие порошки прецизионных и твердых сплавов импортного производства. Разработка более дешёвого технологического процесса фабрикации сферических ультрадисперсных порошков металлов позволит России выйти на мировой рынок с конкурентной продукцией.
Наличие потенциала мультипликативного технологического влияния получаемых результатов на развитие нескольких отраслей (подотраслей) экономики. Создание прецизионного производства на предприятиях ГК «Росатом» должно стать локомотивом развития других отраслей экономики России, т.е. имеется потенциал мультипликативного технологического влияния получаемых результатов на развитие нескольких отраслей экономики, требующих высокотехнологического производства изделий и комплектующих: машиностроение, электроэнергетика, нефтеперерабатывающая промышленность, химическая промышленность, металлургия.
Другой областью использования разрабатываемой технологии получения высокооднородных порошков сталей и сплавов является технология послойного наращивания для ремонта авиационных двигателей. Разрабатываемая технология позволит увеличить выход годных порошков с 30-50 % до 97 %, тем самым снизив их себестоимость и конечных изделий.
Важной областью применения разрабатываемой технологии получения порошков является изготовление высокооднородных порошков на титановой, железной, никелевой основах для вакуумной пайки, так как современные технологии получения припоев и наполнителей не обеспечивают их надёжного качества.
Особо интересно использование разрабатываемой технологии для получения поликомпонентных порошков на основе тугоплавких металлов, производство которых методом атомизации является энергозатратным, требует использования сложного оборудования и высокоточного контроля газовой атмосферы, имеет ограничение для поликомпонентных материалов, склонных к ликвации. Ожидается, что производство порошковых сплавов на основе тугоплавких металлов по предлагаемой технологии позволит на порядок увеличить их однородность, что обеспечит новый уровень свойств и снижение себестоимости на 30 %. Ожидается, что разрабатываемый процесс получения порошков тугоплавких металлов займёт достойное место в производстве распыляемых мишеней для создания широкого спектра жаростойких жаропрочных покрытий.

Текущие результаты проекта:
По результатам первого этапа реализации ПНИЭР будет проведен анализ научно-технической, нормативной, методической литературы и других материалов, относящихся:
- к технологиям и оборудованию послойного наращивания изделий с использованием металлических порошков;
- к технологиям и оборудованию получения порошков с предлагаемым методом металлотермического восстановления хлоридов металлов в расплаве солей, обоснование технико-экономической эффективности выбранного варианта;
- к технологиям и оборудованию получения порошков предлагаемым методом диспергирования расплавленного металла, обоснование технико-экономической эффективности выбранного варианта получения титановых порошков;
с приведением обоснования выбора и обоснования оптимального варианта направления исследований, методов и средств, изготовления и контроля свойств:
- сложнопрофильных изделий с использованием металлических порошков;
- свойств металлического порошка нержавеющей стали;
- свойств металлических порошков титановых сплавов.
Будет разработана конструкторская документация на отдельные узлы оборудования экспериментального участка изготовления сложнопрофильных изделий, а также на нестандартное технологическое оборудование для получения порошковых материалов.