Физики Томского политехнического университета работают над созданием водородостойких изделий из титановых сплавов методом аддитивных технологий. Использование таких технологий в производстве металлических изделий обеспечивают меньший расход материала и возможность получения изделий сложной геометрической формы. Проект политехников «Разработка научных основ создания водородостойких изделий из титановых сплавов Ti-6Al-4V, Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si с градиентной структурой приповерхностного слоя, изготовленных методом аддитивных технологий» недавно получил поддержку Российского научного фонда сроком на три года.

Работы по проекту ведутся на кафедре общей физики ТПУ под руководством доцента Наталья Пушилиной.

Изделия из титана сегодня широко применяются в авиастроении благодаря его прочности: в конструкции современного гражданского самолета — 15–20 % титановых деталей. Однако сейчас для производства этих деталей используется традиционное литейное производство. В рамках гранта РНФ физики ТПУ намерены показать возможности, а главное — преимущества производства титановых деталей с использованием передовых аддитивных технологий.

«В России это достаточно новая технология. Для ее внедрения нужно создать специальные установки по 3D-печати, а также установки для изготовления порошков для печати. Таким образом, есть большой простор для исследований, — поясняет научный руководитель проекта Наталья Пушилина. — В то же время уже сейчас эти технологии становятся востребованными. Это можно оценить по числу научных публикаций, посвященных аддитивным технологиям в области обработки металлов. За последние несколько лет их количество в ведущих базах данных журналов выросло в разы. Интерес со стороны мирового сообщества есть, и очень большой».

Печатать детали для авиастроения политехники планируют из порошков титановых сплавов ВТ6 и ВТ9. Первый из них — достаточно распространенный материал, производство которого в России уже налажено. Второй порошок ученым ТПУ предстоит получить самостоятельно из кристаллического титана.

«Для исследования мы выбрали именно эти два материала, поскольку они уже применяются в авиастроении благодаря своим свойствам. Например, титановый сплав ВТ6 применяется для изготовления деталей турбин. Особенности эксплуатации этих деталей — высокие температуры, воздействие агрессивных сред, а также опасность насыщения атмосферным водородом», — говорит Наталья Пушилина.

По словам ученых, главное преимущество 3D-печати титановыми сплавами перед литейным производством в том, что аддитивные технологии позволят изготавливать детали любой, даже самой сложной конфигурации, затрачивая на это значительно меньше материала. 

«Титановые сплавы очень тяжело поддаются обработке, и стандартными методами из них трудно изготовить детали сложной геометрической формы. 3D-технологии позволят напечатать любую деталь. Здесь речь идет не о массовом производстве, для этого есть заводы, на которых детали штампуются ежедневно. Наша задача — создать технологию для штучного изготовления сложных деталей из титана.

Сейчас они производятся преимущественно из металлов, легко поддающихся обработке, например из стали. Замена стальных деталей на титановые позволит значительно повысить экономический эффект за счет долговечности, меньшего веса и других преимуществ материала», — поясняет инженер кафедры общей физики Виктор Кудияров.

Сейчас перед учеными ТПУ стоит задача — выявить закономерности между различными параметрами печати и характеристиками полученных изделий. Всего политехники выделили более 10 параметров, меняя которые, можно получать изделия с различными заданными свойствами. Важная часть технологии, которую предстоит создать политехникам, заключается в создании градиентной структуры поверхностного слоя изделия.  

«С помощью нашей технологии можно изготовить как однородную по всей толщине деталь, так и деталь с модифицированным поверхностным слоем. Модификация верхнего слоя позволит улучшить свойства изделия. Например, сделать его более износостойким, более устойчивым к воздействию водорода», — рассказывает Виктор Кудияров.

Сейчас подобная модификация изделий требует включения в производство отдельного технологического процесса. Сначала изготавливается однородная деталь, после чего на нее наносится дополнительное покрытие. Технология ученых ТПУ позволит объединить эти два процесса: детали будут печататься сразу с модифицированным слоем.

Вся работа в рамках гранта будет проводиться на базе Томского политеха: коллектив кафедры общей физики займется исследованием различных технологических режимов и свойств получаемых образцов, а 3D-печать будет производиться в Научно-образовательном центре «Современные производственные технологии».