Сотрудники Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) с помощью метода селективного лазерного сплавления (СЛС) получили перспективный композит на основе порошковых смесей алюминия и олова с добавлением алюминидов железа.
Такой материал востребован при изготовлении подшипниковых вкладышей узлов трения различных механизмов и установок с уникальными параметрами. Выявлены оптимальные составы порошковых смесей для синтеза, что позволило более чем в два раза повысить прочность получаемых композитов, а также решить проблему возникновения трещин и различных дефектов на их поверхности.
«Сплавы системы Al-Sn являются востребованными в промышленности в качестве антифрикционных материалов в различных узлах трения. Однако алюминий и олово не смешиваются в твёрдом состоянии, поэтому при охлаждении расплава на границах зёрен алюминия обычно образуется оловянная сетка, ослабляющая алюминиевый каркас композита и снижающая его прочность и износостойкость. Частично справиться с этим помогает жидкофазное спекание смеси исходных порошков, однако при этом в процессе нагрева происходит „выпотевание“ олова, выполняющего при эксплуатации изделий важную функцию „твёрдой смазки“, а структура полученных спечённых сплавов получается крупнозернистой. Чтобы решить эти проблемы, нужно либо менять составы композитов, либо искать другие методы их получения. Мы выбрали второй вариант, решив использовать широчайшие возможности селективного лазерного сплавления», — рассказал кандидат технических наук Александр Скоренцев, научный сотрудник лаборатории физики консолидации порошковых материалов ИФПМ СО РАН, руководитель проекта.
СЛС — это технология трёхмерной печати, суть которой заключается в следующем: по заранее построенной трёхмерной модели будущего изделия происходит его послойное формирование при помощи лазера, воздействующего на тонкий порошковый слой по определённой траектории. Благодаря тому, что нагрев, охлаждение и кристаллизация расплава происходят за миллионные доли секунды, удаётся сформировать такие уникальные мелкодисперсные структуры, получить которые с помощью традиционных методов литья или порошковой металлургии невозможно.
Как в кулинарии при приготовлении блюд важно оптимальное соотношение ингредиентов, так и при создании новых перспективных материалов этот фактор — один из значимых. Как показали исследования, сплав алюминия с содержанием 20 объёмных процентов олова, полученный методом селективного лазерного сплавления, повышает прочность материала, полученного традиционными методами, примерно в полтора раза. Добавление же в состав сплава алюминидов железа, которые распределяются по границам зёрен алюминиевой матрицы, предотвращая формирование нежелательных сетчатых структур олова, позволяет увеличить прочность композита более чем в два раза.
Дальнейшие исследования в рамках реализации гранта будут направлены на подбор оптимальных параметров СЛС, прежде всего скорости сканирования и мощности лазерного излучения, а также режимов последующей термообработки, повышающих пластичность изделий (вкладышей подшипников в отечественных узлах трения), с сохранением при этом их высокой прочности.
Исследование выполняется при поддержке РНФ (проект № 25-29-01511).
Текст: Ольга Булгакова.
Источник: пресс-служба Томского научного центра СО РАН.