14.578.21.0040

Основной задачей проекта является создание интерметаллидных жаропрочных материалов (ЖМ) нового поколения на основе NiAl и TiAl в виде узкофракционных гранул правильной сферической формы и регламентированной зернистости, необходимых для изготовления сложнопрофильных изделий авиационной и ракетно-космической техники (РКТ) с использованием аддитивных 3d- технологий. В настоящее время такие материалы в России не производятся, а зарубежные производители поставляют гранулы ограниченных составов, исключающих высокотемпературное применение в интересах РКТ.
Цель ПНИ: Разработка технологии получения узкофракционных гранул правильной сферической формы и регламентированной зернистости с максимальным отклонением от среднего значения не более 35 % для аддитивных 3d- технологий производства сложнопрофильных изделий.

Актуальность настоящего проекта, состоит в необходимости создания отечественной отлаженной интегральной технологии получения узкофракционных гранул из перспективных ЖМ на основе алюминидов никеля и титана, в том числе наномодифицированных, для последующего изготовления сложнопрофильных изделий с использованием аддитивных 3d- технологий селективного электронно-лучевого сплавления (СЭЛС) и/или селективного лазерного плавления (СЛП). В настоящий момент такие гранулы в России не производятся. Российские организации, которые приобрели дорогостоящее оборудование для аддитивных технологий, попали в зависимость от зарубежного поставщика и вынуждены закупать импортные гранулы. При этом в Россию поставляются гранулы ограниченных составов, исключающих высокотемпературное применение в интересах ракетно-космической техники (РКТ). Кроме того, в последнее время в России достаточно интенсивно ведутся работы по разработке отечественных установок для аддитивного производства, которые также нуждаются в исходном сырье.

Разрабатываемая в рамках настоящего проекта интегральная технология получения узкофракционных гранул правильной сферической формы и регламентированной зернистости из жаропрочных материалов (ЖМ) на основе NiAl и TiAl для аддитивных 3d технологий  производства сложнопрофильных изделий является уникальной и в настоящее время не имеет аналогов в России. Главным преимуществом разрабатываемой интегральной технологии является применение в качестве исходных материалов для получения ЖМ на интерметаллидной основе оксидного сырья, которое значительно дешевле чистых компонентов, используемых в традиционных технологиях. Интегральная технология получения гранул включает на первой стадии синтез литого или порошкового полуфабриката методами СВС-металлургии (центробежного СВС-литья) или гидридно-кальциевого восстановления оксидного сырья. На второй стадии для получения электрода используется метод вакуумного индукционного переплава (ВИП), в том числе в "холодном" медном водоохлаждаемом тигле (ВИПХТ) для сплава на основе TiAl, или холодное гидростатическое прессование порошкового полуфабриката с последующим спеканием и горячим изостатическим прессованием (ГИП). Третья стадия - плазменное центробежное распыление вращающегося электрода для получения сферических гранул. Применение уникальной технологии центробежного СВС-литья или методики гидридно-кальциевого восстановления позволяет получать уже на первой стадии интегральной технологической цепочки исходные полуфабрикаты в виде слитков или порошка заданного химического состава с гомогенной безликвационной структурой, что позволяет значительно повысить качество расходуемых электродов, и в конечном итоге гранул из ЖМ на интерметаллидной основе. Применение методов ВИП (ВИПХТ) на второй стадии для получения электрода обеспечивает рафинирование сплавов от газовых примесей, а индукционное перемешивание расплава обеспечивает высокую однородность химического состава электрода. Применение технологии плазменного центробежного распыления вращающегося электрода на заключительной стадии интегральной технологической цепочки обеспечивает получение узкофракционных гранул из ЖМ на основе NiAl и TiAl правильной сферической формы, не имеющих "сателлитов", не сферичных частиц и газовой пористости, что полностью удовлетворяет основным требованиям к порошкам для аддитивных 3d- технологий.      

Применение передовых методик исследования (рентгеноструктурный фазовый анализ, просвечивающая электронная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия высокого разрешения, энергодисперсионная спектроскопия, оптическая эмиссионная спектроскопия тлеющего разряда, дифракция лазерного луча и др.) для исследования лабораторных образцов промежуточных продуктов (литые СВС-полуфабрикаты, гидридно-кальциевый порошковый полуфабрикат, электроды) и экспериментальных образцов гранул из ЖМ на интерметаллидной основе обеспечивает высокую достоверность и воспроизводимость полученных результатов.

Проведены экспериментальные исследования и разработаны методики синтеза полуфабрикатов  в виде слитков из жаропрочных материалов (ЖМ) на основе NiAl (сплавы F-10H-3, CompoNiAl, CompoNiAl-M5) и TiAl (сплав 4822) из оксидного сырья с использованием метода центробежного СВС- литья. Определены оптимальные условия максимального выхода целевого продукта в слиток. Проведены экспериментальные исследования и разработана методика синтеза порошкового полуфабриката из ЖМ на основе TiAl путем гидридно-кальциевого восстановления оксидного сырья. Исследованы зависимости глубины протекания гидридно-кальциевого восстановления от состава шихты, температуры процесса и времени выдержки. Проведены исследования процессов консолидации полученного порошкового полуфабриката. Изготовлены лабораторные образцы полуфабрикатов и исследованы их фазовый и химический составы, микроструктура и свойства. Исследованы процессы переплава слитков СВС-полуфабрикатов ЖМ на основе NiAl и TiAl по результатам которых разработаны методики переплава слитков СВС-полуфабрикатов и изготовлены лабораторные образцы электродов из сплавов F-10H-3, CompoNiAl (в том числе наномофицированный), CompoNiAl-M5 на основе NiAl, и 4822 на основе TiAl. Из порошкового полуфабриката сплава 4822 сформованы крупногабаритные электроды и проведено их горячее изостатическое прессование. Проведены комплексные структурные исследования полученных электродов. Исследования процесса центробежного распыления полученных электродов показали, что для сплава F-10H-3 нарушаются условия формирования равномерной пленки расплава на торце вращающегося электрода, что приводит к межзеренному разрушению торца, в результате чего образуются как сферические гранулы (из легкоплавкой фазы) так и частицы осколочной формы. Сплав CompoNiAl не обладает необходимым запасом прочности для процесса плазменного центробежного распыления с частотами вращения 7000-15000 об/мин. Данная проблема успешно решена путем наномодифицирования сплава частицами ZrO₂. Однако полученные наномодифицированные гранулы отличаются повышенным уровнем дефектности в виде междендритной и внутризеренной пористости усадочного происхождения. Электрод из сплава CompoNiAl-M5 позволил провести распыление при частотах вращения до 15000 об/мин, при этом полученные гранулы характеризуются минимальной дефектностью, гомогенной безликвационной структурой и рекордно низким содержанием примесей кислорода (0,003-0,013%), азота (0,001-0,002%) и углерода (0,015-0,019%). Выход целевой фракции при оптимальных режимах распыления для сплава CompoNiAl-M5 составляет более 50%. Гранулы из сплава 4822 характеризуются сферической формой частиц, минимальным количеством дефектов, содержание примесей коррелирует с таковым в электродах. В гранулах из порошкового электрода концентрация углерода ниже (0,051 против 0,091%), а содержание O2 значительно выше (0,16 против 0,014%) по сравнению с гранулами из литого электрода. На основе экспериментальных результатов параметрических исследований созданы методики центробежного распыления и получены экспериментальные образцы узкофракционных гранул из сплавов CompoNiAl-M5 зернистостью 125-250 мкм и 4822 зернистостью 140-250 мкм. Разработаны Программа и методики, а также проведены исследовательские испытания гранул, результаты которых показали их полное соответствие требованиям технического задания.

Новые ЖМ на интерметаллидной основе в виде узкофракционных гранул правильной сферической формы и регламентированной зернистости предназначены для создания сложнопрофильных изделий авиационной и ракетно-космической техники (РКТ) с формой, приближенной к конечной детали, с помощью аддитивных 3d- технологий. Результаты проекта будут востребованы на предприятиях ОАО "Объединенной ракетно-космической корпорации", включая ОАО «Композит»; ОАО «НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко»; ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева», а также на предприятиях авиационного машиностроения: АО «ОДК»; ОАО «УМПО»; ОАО «НПО Сатурн» и др. Результаты будут применимы при создании силовых установок турбинного типа в интересах отраслей морского двигателестроения, магистрального транспорта нефти и газа, производства электроэнергии, получения изделий специального назначения.
Использование разработанных ЖМ в производстве лопаток турбин и компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) будет способствовать повышению тяговесовых характеристик за счёт снижения массы ГТД. Замена жаропрочных никелевых сплавов на разрабатываемые приведет к снижению массы лопаток в 2 раза. Это обеспечит уменьшение действующих центробежных напряжений в компрессоре и турбинах в 2 раза, снижение момента инерции турбин и компрессоров, повышение рабочих характеристик двигателя, включая КПД и приёмистость, уменьшение удельного расхода топлива и выбросов в атмосферу парниковых газов, снижение уровня шума.
За счёт внедрения полученных результатов будет достигнуто повышение производительности труда, снижение материало- и энергоемкости производства изделий из ЖМ.
Результаты проекта позволят создать научный задел для дальнейшего усовершенствования ЖМ на интерметаллидной основе и создания промышленной технологии производства узкофракционных гранул, послужат основой создания промышленной технологии производства сложнопрофильных изделий с помощью аддитивных 3d- технологий. Создание таких материалов позволит занять лидирующие позиции на внутреннем и внешнем рынках продукции, снизить закупки более дорогостоящих и менее функционально надежных зарубежных аналогов, что обеспечивает независимость России от внешнего рынка.