Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали новую технологию трехмерной печати изделий на основе материалов из карбида кремния (SiC) и исследовали свойства изготовленных деталей. Устойчивый к коррозии и высоким температурам карбид кремния — перспективный кандидат для замены более тяжелых металлических сплавов в ракетостроении, авиации и энергетической промышленности. Исследование поддержано президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).
Авторы исследования
Фото: Вера Попович
Авторы исследования
Фото: Вера Попович
В начале 1980-х годов на смену механическим методам производства деталей (вырезание, обтачивание или другой способ придания формы) стали приходить аддитивные технологии. Они предполагают создание объекта путем его послойного наращивания на основе компьютерной модели. К таким технологиям относится получившая известность 3D-печать: материал наносится на специальную платформу или заготовку. Металлические, пластиковые или керамические порошки пропитывают клеем, спекают, прессуют и т. д., добиваясь необходимых свойств. С развитием техники и программирования стало возможным не только изготавливать бумажные и пластиковые прототипы, но и создавать готовые функциональные изделия.
Аддитивные технологии позволяют реализовать любые конструкторские и инженерные идеи в наукоемких отраслях производства: авиастроении, двигателе- и моторостроении, ракетостроении и медицине (в том числе можно «печатать» имплантаты). Количество материалов, применяемых для аддитивных технологий, постоянно увеличивается, спектр свойств изделий расширяется, а изготовление удешевляется. Это способствует все более массовому использованию аддитивных технологий: по данным опроса Sculpteo, в 2018 году 40% мировых промышленных компаний применяли в производстве 3D-печать.
Материалы на основе карбида кремния считаются одними из наиболее перспективных для применения в авиационной, космической и энергетической отраслях промышленности. Карбид кремния обладает высокой коррозионной и термической устойчивостью, поэтому он потенциальный кандидат для замены более тяжелых металлических жаропрочных сплавов. Традиционные методы производства керамических деталей, как правило, позволяют получать изделия только простой геометрической формы, а механическая обработка керамики — дорогостоящий и трудозатратный процесс, зачастую требующий твердосплавных и алмазных инструментов. Во многих случаях механическая обработка достигает 80% от общей стоимости изготовления керамических деталей.
Применение методов 3D-печати предлагает свободу при проектировании конструкций и позволяет изготавливать из керамики изделия сложной формы напрямую — на основе данных компьютерной модели детали, что приводит к снижению стоимости и сроков изготовления.
Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали технологию 3D-печати из новых керамических материалов и исследовали свойства полученных изделий. Они предложили создавать композиты на базе карбида кремния, упрочненного его же волокнами. Керамоматричные композиционные материалы (композиты), упрочненные волокнами, как правило, обладают высокой прочностью и улучшенной трещиностойкостью за счет твердой основы — матрицы — и армирующих наполнителей, которые препятствуют распространению трещины. Исследователи использовали в качестве исходного материала при 3D-печати порошок SiC сферической или неправильной формы и выяснили, что в первом случае изделие обладает большей гибкостью и твердостью, но более низкой прочностью на изгиб.
Частицы порошка SiC после спрейной сушки и плазменной сфероидизации: (а) общий вид и (б) морфология поверхности частиц
Фото: Вера Попович
Частицы порошка SiC после спрейной сушки и плазменной сфероидизации: (а) общий вид и (б) морфология поверхности частиц
Фото: Вера Попович
Для разработки технологии потребовалось комплексное исследование: на первом этапе необходимо было получить сферический порошок карбида кремния. Для этого ученые применили методы спрейной сушки (распыление водного раствора на вращающийся диск) и плазменной сфероидизации (обработка в плазменных потоках). Затем исследователи отработали режимы 3D-печати по технологии струйного нанесения связующего. В результате были изготовлены пористые заготовки изделия с требуемой геометрией из композиционного материала. Далее ученые провели несколько циклов обработки, состоящих из пропитки заготовок керамообразующим полимером с последующим пиролизом (термическим разложением) для придания заготовкам необходимой прочности и улучшения их свойств. В результате пропитки и пиролиза остаточные поры в изделии были заполнены карбидом кремния. На основе проведенных исследований ученые изготовили прототип сопловой лопатки — детали, используемой в турбинах, например, ракет, самолетов или автомобилей.
«В последние годы аддитивные технологии получают все большее распространение в промышленности. Однако возможности их применения для изготовления керамических изделий остаются относительно неисследованными. Мы отработали технологическую цепочку по производству сложных объектов из композиционного керамического материала с помощью 3D-печати. В том числе мы изучили структуру и свойства полученных изделий. Немаловажная часть нашей работы — синтез сферических порошков карбида кремния для применения в 3D-печати. Их использование позволяет улучшить ряд свойств конечного материала»,— комментирует руководитель гранта Вера Попович, кандидат технических наук, главный научный сотрудник лаборатории дизайна материалов и аддитивного производства Института машиностроения, материалов и транспорта СПбПУ.
Исследования проводились совместно с коллегами из Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (Москва).
По материалам статьи «Fabrication of Silicon Carbide Fiber-Reinforced Silicon Carbide Matrix Composites Using Binder Jetting Additive Manufacturing from Irregularly-Shaped and Spherical Powders»; Igor Polozov, Nikolay Razumov, Dmitriy Masaylo, Alexey Silin, Yuliya Lebedeva, Anatoly Popovich; журнал Materials, апрель 2020 г.