Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0171

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0171
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Разработка технологии получения композиционных керамических материалов на основе нитрида кремния с использованием метода послойного моделирования и последующего реакционного спекания для изготовления элементов конструкции двигателей космических аппаратов
Докладчик
Рабинский Лев Наумович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка технологии изготовления оптимально армированных термонагруженных элементов конструкций космических аппаратов из композиционной керамики на основе нитрида кремния с использованием методов послойного струйного моделирования и реакционного спекания, обеспечивающей повышение механических характеристик элементов конструкции (в том числе повышение стойкости к многоцикловым нагрузкам) и сокращение сроков и затрат на их изготовление.
Задачами исследования являются:
1) Разработка методики послойного моделирования заготовок из порошка кремния методом трехмерной печати с упрочняющими наполнителями.
2) Разработка экспериментальной установки и системы управления процессом послойного моделирования заготовок из порошка кремния с упрочняющими наполнителями.
3) Разработка методики удаления связующего и реакционного спекания заготовок из порошка кремния, полученных методом трехмерной печати.
4) Разработка методик прогноза и проведение моделирования механических свойств и остаточного напряженно-деформированного состояния синтезируемых композитных изделий.
5) Выбор оптимального армирования синтезируемых образцов нитрида кремния с использованием различных типов наполнителей.
6) Изготовление образцов и элементов конструкций из нитрида кремния, армированного упрочняющими включениями.
7) Проведение физико-механических и физико-химических исследований синтезированных образцов.
Актуальность и новизна исследования
Керамика на основе нитрида кремния широко применяются в различных областях техники, в частности в элементах конструкций реактивных двигателей, в топливных системах, в элементах тормозных систем. Пористая керамика на основе нитрида кремния применяется в системах охлаждения, в фильтрационных элементах и в качестве огнеупорных материалов.
Создание технологии получения изделий из нитрида кремния методами аддитивных технологии позволит изготавливать изделия сложной формы, снизить затраты на изготовление оснастки, увеличить скорость изготовления изделий и снизить их себестоимость.
Отличием разрабатываемой технологии от существующих аналогов, является метод раздельного нанесения порошка кремния, армирующих наполнителей и связующего при послойном изготовлении заготовок изделий без предварительной подготовки суспензий. То есть разрабатываемая аддитивных технология относится к классу технологий инжекции связующего. Такой подход позволяет упростить технологию получения керамики и снизить себестоимость получаемых изделий. Для трехмерной печати по технологии инжекции связующего используется разработанная экспериментальная установка, позволяющая на основе трехмерных геометрических моделей в автоматическом режиме создавать заготовки изделий из порошка кремния, которые в дальнейшем подвергаются сушке и реакционному спеканию.
Описание исследования

Одним из недостатков существующих технологий послойного синтеза изделий из нитрида кремния можно считать сложность подготовки дисперсии порошка при струйной прямой печати или пленки, содержащей частицы нитрида кремния, при использовании технологии LOM. Одной из технологий, лишенной данных технологических переходов является послойный синтез методом инжекции связующего (Binder Jetting). Данная технология широко применяется для трехмерной печати изделий из гипса, строительного песка и даже биоматериалов. Технология FDM, также лишенная данных технологических переходов, требует решения проблемы удаления в выращенном изделии термопластичного вещества (полимера или парафина) технологической связки. Это трудоемкий процесс, кроме того он не экологичен и часто приводит к браку геометрически сложных изделий.

В настоящем исследовании разрабатывается методика получения заготовок из порошка кремния с использованием технологии BinderJet, из которых методом реакционного спекания затем получают нитридокремнивую керамику. Для реализации процесса трехмерной печати используется разработанная система трехмерной печати со специальным управляющим программным обеспечением. Проведено исследование и сопоставление различных вариантов связующих и методов подготовки порошка кремния для получения заготовок изделий. Для полученных образцов керамики проведено исследование состава, микроструктуры и физико-механических свойств.

Для получения заготовок изделий использовался покупной порошок технического кремния КР00 (фракция 10-100 мм), который подвергался размолу в вибромельнице СВМ-2.  Длительность размола варьировалась в диапазоне 9-36 часов, тела помола – шары из нитрида кремния диаметром 16 мм. Было рассмотрено несколько вариантов подготовки порошка кремния с применением различных поверхностно-активных веществ. Средний диаметр частиц порошка составлял 0,1-0,2 мкм. Этот размер частиц обеспечивает протекание процесса реакционного спекания в диапазоне температур 1170-15000С. Критерием отбора необходимой тонины помола порошка также служило минимальное количество выбранного связующего, необходимого для надежного формообразования изделий из керамики по выбранной технологии. Использование большого количества связующего для ультрамелкодисперсного порошка, ведет к снижению точности и скорости послойного моделирования, а также к удлинению времени процесса сушки изделий и увеличению количества брака при сушке. Порошок крупного помола требует меньшего количества связующего, но не позволяет проводить полноценное реакционное спекание.  Поэтому в процессе исследований был разработан компромиссный вариант подготовки порошков кремния для послойного моделирования. Получаемые порошки кремния подвергались влажному микрогранулированию клеящим составом через сито с отверстиями 0,16  мм.

Процедура инжекции связующего основана на послойной выкладке слоев и пропитке связующим порошка кремния в области поперечного сечения создаваемого изделия. Для реализации данного процесса была разработана специальная установка с автоматически-перемещаемой рабочей платформой и печатающим блоком, который состоит из контроллера Arduino, платы управления картриджем и чернильного картриджа HP С6602А со встроенной матрицей дюз, обеспечивающей нанесение связующей жидкости для выполнения процесса синтеза тел на основе порошковых материалов. Разрешение картриджа 96 точек/дюйм обеспечивает эффективную печать на нестандартных носителях. Управление картриджем осуществляется средствами контроллера Arduino посредством комбинаций управляющих сигналов для матрицы дюз. Для этого была разработана программа на языке программирования C. Передача данных с персонального компьютера на печатный блок осуществляется через USB порт. Синхронизация контроллера печатающего блока с перемещениями рабочей платформы обеспечивается разработанным программным обеспечением. Подача порошка на рабочую платформу осуществляется при помощи 2 ракелей направленных навстречу друг другу. Рабочий стол оборудован поршнем, который опускает его на каждом шаге моделирования на толщину одного слоя вниз, и на рабочую платформу наносится новый слой порошка. Печатный блок печатает сечения изделия слой за слоем, склеивая их друг с другом связующим. Технология не требует наличия твердых или прикрепляемых поддержек в процессе печати, поэтому весь неиспользованный порошок используется снова.

После трехмерной печати проводится сушка полученных заготовок изделий и реакционное спекание образцов керамики в вакуумной печи.

Результаты исследования

В ходе выполнения работы на втором этапе проекта получены следующие результаты:

  1. Разработана методика реакционного спекания заготовок образцов композиционной керамики, полученных методом послойного моделирования.
  2. Разработана методика расчета остаточного напряженно-деформированного состояния и эффективных термомеханических свойств композиционной керамики на основе нитрида кремния, изготовленной с использованием методов послойного струйного моделирования и реакционного спекания.
  3. Проведены расчеты остаточного напряженно-деформированного состояния и эффективных термомеханических свойств образцов композиционной керамики на основе нитрида кремния, и даны рекомендации по вариантам оптимального армирования структуры керамики.
  4. Разработана конструкторская документация на экспериментальную установку для послойного моделирования заготовок образцов композиционной керамики на основе нитрида кремния.
  5. Изготовлена экспериментальная установка для послойного моделирования заготовок образцов композиционной керамики на основе нитрида кремния.
  6. Разработано программное обеспечение для экспериментальной установки для послойного моделирования заготовок образцов композиционной керамики на основе нитрида кремния.
  7. Изготовлены экспериментальные образцы композиционной керамики на основе нитрида кремния с применением разработанной технологии.
  8. Проведены экспериментальные исследования физико-химических, структурных и физико-механических характеристик экспериментальных образцов композиционной керамики с применением разработанной технологии.
  9. Разработаны методики неразрушающего и разрушающего контроля  характеристик синтезированных образцов композиционной керамики.
Практическая значимость исследования
Создание эффективной аддитивной технологии получения изделий из нитрида кремния позволит изготавливать элементы конструкции сложной формы, обладающие отличными эксплуатационными характеристиками, для создания новых перспективных авиакосмических конструкций, в частности, для создания элементов конструкций ионно-плазменных и стационарно-плазменных двигателей.
Постер

MAI 14.577.21.0171.ppt