1. Понятие о композитах, получении и обработки
Композиционные материалы определяют как материалы, сочетающие разнородные по составу, структуре, форме и свойствам компоненты с отчетливо выраженной границей раздела между ними. Они представляют собой искусственное объемное сочетание разнородных по форме и свойствам компонентов с границей раздела между ними, характеризующееся реализацией преимуществ каждого из компонентов. Существуют композиты на базе пластиков, металлов, керамики, стекол, углерода, и других материалов.
Современные композиционные материалыпредставляют собой результат развития материаловедения в направлении создания гетерогенных материалов, основанный на реализации сочетания уникальности свойств компонентов, в том числе и синергетического эффекта, с использованием специальных методов получения и обработки.
Следует отметить неразрывную связь материаловедения и технологии получения и обработки материалов, поскольку в само понятие «материаловедение» входят вопросы не только связанные с влиянием различного вида воздействий на материал, его структурно-фазовое состояние и свойства, их взаимосвязь, но и с использованием этих воздействий при получении и обработке. Выделение технологии получения и обработки как самостоятельного раздела обусловлено необходимостью научного обоснования высоких технологий и технологических достижений в получении уникальных свойств композитов.
Следует подчеркнуть, что наука о композиционных материалах (раздел материаловедения) сформировалась на рубеже 60-х годов, и разрабатывалась главным образом для решения проблемы улучшения механических свойств конструкционных композитов. Уникальные свойства современных углепластиков и углерод-углеродных композитов в значительной мере достигнуты благодаря разработке методов получения высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон. В условиях работы конструкционных энергонапряженных материалов, близких к исчерпанию возможностей дальнейшего повышения свойств, применяемых традиционных сплавов, создание композитов является решением проблемы достижения комплекса уникальных свойств, в частности сочетания высокой прочности и малой плотности, т. е. высокой удельной прочности. Характерным примером является создание углепластиков.
В последние годы в связи с расширением комплекса свойств, реализуемых с помощью полимерных композиционных материалов, современных стекло-, углепластиков и углерод-углеродных композитов значительно расширились исследования по созданию функциональных композиционных материалов в области создания современных и перспективных конструкций в различных отраслях промышленности, авиации, космонавтике, строительстве, бытовой техники. Появились слоистые металлополимерные композиты, которые состоят из чередующихся тонких листов металлических сплавов (алюминиевых или титановых) и слоев полимерных композитов (органо-, угле-или стеклопластиков). Высокие характеристики прочности и вязкости разрушения металлопластиков достигаются благодаря армированию высокопрочными волокнами и использованию компонентов с взаимодополняющими свойствами (металла и полимерного композита). Современные технологии получения и обработки композитов основываются на принципах управления свойствами путем направленного структурирования. Существует возможность регулирования свойств композитов с помощью термической, термомеханической и других видов обработки.
Однако, развитие традиционного металловедения в области создания новых композиционных материалов обусловлено, в основном, повышением эффективности твердорастворного и дисперсионного упрочнения в результате совершенствования состава металлических сплавов, а также технологии термомеханической и термической обработки слитков и полуфабрикатов. Появились наноструктурные содержащие наночастицы композиты, обладающие исключительной термостойкостью с регулируемыми специальными свойствами. В области материаловедения сложились два основных принципа создания наноматериалов: первый – введение готовых наночастиц в состав материала и конструирование его структуры в соответствии с предложенной моделью; второй – образование в составе материала нанофазы в результате прохождения химических реакций и термообработки.
Направление создания наноструктурных материалов получило дальнейшее развитие, появились новые углеродные наночастицы: фуллерены, нанотрубки и нановолокна, а также наночастицы карбидов и оксидов. При их модификации путем присоединения органических радикалов с функциональными группами позволило целенаправленно встраивать их в структуру полимерных макромолекул, создавая на их основе углеродные материалы с новым комплексом свойств (наноструктурные композиции – керамические и жаропрочные материалы). При введении в состав материалов, например, углепластиков углеродных наночастиц можно достичь повышение их механических характеристик, что обеспечит улучшение массовых характеристик авиа-, ракетной техники. Углеродные композиты изменили материальный баланс авиационной техники. Теперь углепластики в планерах самолетов нового поколения занимают ведущее место.
В области жаропрочных материалов для энергонапряженной техники уже классическим примером дисперсных композиционных материалов являются дисперсно-упрочненные «сплавы» на основе алюминия и никеля: ДУ-материалы, дисперсно-упрочненный «сплав». Следует отметить, что в материаловедении под термином сплавы понимают материалы, полученные сплавлением, т. е. путем нагрева до температур, превышающих температуру плавления компонентов. В результате структурно-фазовое состояние определяется процессами кристаллизации, а также реакциями в твердофазной области, в частности полиморфными превращениями, распадом пересыщенных твердых растворов и др. Методы порошковой металлургии принципиально отличаются тем, что позволяют получить материалы и готовые изделия без плавления компонентов. В связи с этим их относят к методам получения композиционных материалов. В частности, быстрозакаленные сплавы, получаемые методами высокоскоростного охлаждения расплава при полном или частичном подавлении нормального фазового превращения – кристаллизации (сущность процесса быстрой закалки), открыли перспективы создания аморфных, квазикристаллических, нано- и микрокристаллических сплавов, нанокомпозитов с уникальными свойствами.
Для создания композитов с повышенными, новыми или уникальными свойствами рассматриваются перспективные технологии получения наноструктурированных металломатричных композитов дискретно-армированные наночастицами карбидов и оксидов и с углеродными наномодификаторами, на основе легких сплавов в интересах авиакосмической техники нового поколения. Поддержка со стороны государства стимулировала проведение работ по развитию технологий новых материалов, в том числе металломатричных композиционных материалов (МКМ), созданию на их основе многофункциональных высокопрочных конструкционных материалов. В композитах с металлической матрицей сочетаются достоинства конструкционных металлических материалов и наполнителя, чаще всего углеродного и керамического. Поэтому МКМ присущи высокие значения прочностных характеристик, модулей упругости, вязкости разрушения, сохранение стабильности механических и эксплуатационных свойств в широких температурных пределах, малая чувствительность к поверхностным дефектам.
В связи с этим разработка новых эффективных методов получения и обработки композитов, в том числе металл-углеродных, обеспечивающих равномерное распределение углеродных наноструктур, связанных с металлической матрицей, позволит получить многофункциональные материалы нового поколения. Получены композиционный порошковый материал (металл-углерод) путем газофазного синтеза углеродных структур на поверхности металлических микропорошков, например медь-графен и медь-углеродные трубки, а также порошковые материалы на основе алюминия. Создание современных композиционных материалов является примером определяющего влияния разработки новых технологий.
2. Принципы получения и обработкикомпозиционных и наноструктурированных материалов
В этой связи следует отметить, что современное определение композитов предполагает выполнение следующих принципов:
· композиция должна представлять собой сочетание разнородных материалов, состав, форма и распределение компонентов композиции могут быть заранее определены;
· компоненты композиции образуют ее при объемном сочетании с четкой границей раздела;
· композиция характеризуется свойствами, которыми не обладают компоненты в отдельности.
Обычно в гетерогенной структуре композиционного материала выделяют матрицу и наполнитель (армирующий компонент). Матрицей называют компонент, непрерывный по объему, а армирующим (упрочняющим) – компонент, введенный с целью достижения заданного уровня свойств. В качестве примера можно привести железобетон. В этом случае матрица – бетон, характеризующийся высокой прочностью на сжатие, а армирующий компонент – стальная арматура, которая изготавливается из прочной (арматурной) стали и имеет рельеф, получаемый определенным способом прокатки. Рельеф на поверхности арматуры обеспечивает прочную механическую связь на границе и, соответственно, прочность бетона при приложении растягивающих нагрузок.
Современные композиционные материалы по характеристикам удельной прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят конструкционные сплавы. Матрица обычно является компонентом, несущим нагрузку, а роль упрочняющего компонента заключается в формировании оптимальной дислокационной структуры в процессе обработки давлением и при термообработке. Широко применяются композиты, которые армированы высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами.
При создании композитов одновременно конструируется материал и изделие с учетом влияния ориентации и формы наполнителя, технологии изготовления (порошковая металлургия, пропитка, газофазные технологии и др.). Критерии конструирования композитов можно определить следующим образом:
- определение требуемых свойств материала и изделия, выбор компонентов;
- определение физико-химической, механической, технологической совместимости;
- определение геометрии расположения компонентов и технологии изготовления композита.
Таким образом, при создании композитов обычно осуществляется выбор компонентов: совместимых в максимально широком интервале температур; стойких к окислению; с оптимальными технологическими свойствами.
Образование прочного соединения между матрицей и армирующими компонентами является одной из основных задач при создании композита. Решение данной проблемы осуществляется на основе анализа межфазного взаимодействия матрицы и армирующего компонента. Равновесные диаграммы состояний и анализ кинетики взаимодействия компонентовявляются эффективным средством при выяснении вопросов совместимости, выборе оптимальных способов повышения стабильности структурно-фазового состояния и свойств композитов. Разные классы композиционных материалов обычно обладают одним или несколькими преимуществами по таким свойствам, как высокая удельная прочность, высокая жесткость; высокая износостойкость; высокая усталостная прочность; размерная стабильность; коррозионная стойкость и др.
Обычно не удается добиться одновременно универсального выполнения набора требований. К недостаткам композиционных материалов можно отнести некоторые их характеристики, такие как высокую стоимость, анизотропию свойств, высокую наукоемкость производства, необходимость специального оборудования, необходимость специальных видов сырья, необходимость развитого высокотехнологичного производства.
Указанные недостатки не снижают актуальности и интенсивности работ по созданию новых перспективных композиционных материалов на основе развития материаловедения композитов. Материаловедение композитов в значительной мере основывается на изучении вопросов совместимости компонентов с точки зрения их физико-химического взаимодействия, а также структуры границ раздела и свойств композитов при использовании различных методов получения. Особое внимание уделено анализу стабильности структуры конструкционных композиционных материалов с точки зрения совместимости компонентов и свойств на границах раздела.
Одним из основных принципов термомеханической обработки, приводящей к формированию мелкозернистой структуры дисперсионно-твердеющих алюминиевых сплавов стал принцип оптимизации гетерогенности структуры. Его суть сводится к приданию сплаву перед деформацией бимодального распределения вторичных фаз по размерам. При этом первая мода – выделения с размерами до сотни ангстрем формируются, как правило, продуктами распада аномально пересыщенного алюминиевого сплава переходными металлами при гомогенизации и горячей деформации слитка. Вторая мода – выделения основных упрочняющих фаз размерами до сотни микрон, специальной гомогенизирующей термообработки. Во время последующей деформации у таких частиц формируется развитая ячеистая структура, области которой при отжиге становятся центрами статической рекристаллизации, а частицы первой моды стабилизируют мелкозернистую структуру, подавляя миграцию границ зерен.
3. Общая классификационная картина композиционных и наноструктурированных материалов
Свойства композитов определяются не только химическим составом, структурой компонентов, но также формой (геометрией), размерами, количеством и характером распределения наполнителя (схемой армирования). В связи с этим композиционные материалы классифицируют по следующим критериям: форма (геометрия) наполнителя; схема армирования (расположение) его в матрице; природа компонентов; механизм упрочнения. Существующие композиционные материалы по форме (геометрии) наполнителя разделяют на три основные группы (рисунок 1.1):
· дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами, нульмерные (1);
· армированные волокном одномерные (2) и двумерные (3), в которых используется наполнитель в виде листов, слоев.
Для улучшения комплекса свойств или повышения какого-либо свойства при армировании композиционных материалов одновременно используют наполнители различной формы. Например, для увеличения прочности связи между одномерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и полимерной матрицей в нее вводят нульмерный наполнитель (частицы карбида кремния и др.). С этой же целью применяют армирование наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения модуля упругости композиционных материалов с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора. На рисунке 1 приведены примеры некоторых типов общей классификации композитов по форме (геометрии) наполнителя, а также по схеме армирования.
Рисунок 1-Классификация композиционных материалов по форме наполнителя (а) и схеме армирования (б, в, г)
Нульмерными называют наполнители в виде дисперсных частиц, имеющие в трех измерениях весьма малые соизмеримые размеры. Одномерные наполнители – волокна, нити, проволоки – имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении. Двумерные наполнители, представляющие собой листы, слои, пластины, ткань, характеризуются двумя размерами, соизмеримыми с размером композиционного материала и значительно превосходящие третий размер. По форме наполнителя композиционные материалы в основном разделяют на дисперсно-упрочненные материалы (ДКМ) и волокнистые материалы (ВКМ).
Дисперсно-упрочненными называют композиционные материалы, упрочненные нульмерными наполнителями. К волокнистым относят композиционные материалы, упрочненные одномерными армирующими компонентами. Слоевые композиты имеют двумерные наполнители. По схеме армирования композиционные материалы подразделяют на три группы: с одно-, двух- и трехосным армированием (см. рисунок 1 б – г). Для одноосного (линейного) армирования используют нуль- и одномерные наполнители (см. рисунок 1 б).
Нульмерные композиты располагаются так, что расстояние между ними вдоль одного направления значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае объемное содержание наполнителя составляет 1 – 5 %. Одномерные наполнители при этом располагаются параллельно друг другу. При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно- и двумерные наполнители (см. рисунок 1 в). Нульмерные и одномерные наполнители располагаются в плоскостях, параллельных друг другу. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нульмерного наполнителя его содержание доходит до 15 %.
Одномерные наполнители расположены также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям обычно под разными углами. Двумерные наполнители расположены параллельно друг другу. Трехосное (объемное) армирование характеризуется отсутствием преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нуль и одномерные наполнители (см. рисунок 1 г). Расстояние между нульмерными наполнителями одного порядка. В этом случае их объемное содержание может превышать 15 %. Одномерные наполнители размещают в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.
Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными. По природе компонентов композиционные материалы классифицируют на следующие типы композитов:
· содержащие компоненты-металлы;
· содержащие компоненты-неметаллы;
· углеродные композиты;
· органические композиты.
По механизму упрочнения выделяют два основных наиболее распространенных типа композитов:
· композиты с матрицей, армированной высокопрочными элементами: волокнами (ВКМ), листами, слоями (роль матрицы состоит в перераспределении нагрузки);
· дисперсно-упрочненные композиты (ДКМ), в которых матрица представляет собой основной компонент, несущий нагрузку, а роль армирующего компонента, упрочняющей фазы, состоит в формировании субструктуры в процессе изготовления, термообработки материала и стабилизации структурно-фазового состояния в условиях эксплуатации.
По природе матрицы композиционные материалы классифицируют на следующие основные типы:
· полимерные композиты, в том числе стеклопластики, углепластики;
· металлические композиты, в том числе ДКМ типа дисперсно-упрочненных сплавов, волокнистых и МКМ типа металломатричных композиционных материалов др.;
· керамические композиты, на основе керамик с дисперсным или армированием или упрочнением волокнами;
· углерод-углеродные композиты, представляющие собой углеродную матрицу в аморфном или частично кристаллическом состоянии, армированную высокопрочными или высокомодульными углеродными волокнами.
Существенное влияние на структурно-фазовое состояние композиционных материалов оказывает метод получения, поскольку это определяет, например, интенсивность взаимодействия компонентов, прочность связи на границе раздела и, следовательно, свойства композита. Основные методы получения можно классифицировать как твердофазные (например, порошковая металлургия, обработка давлением), жидкофазные (в частности, методы пропитки и направленной кристаллизации), газофазные и электрохимические (методы осаждения-напыления). При получении металлических композитов методами осаждения-напыления матричный металл наносят на волокна из парогазовой фазы, с помощью плазмы, из растворов солей или других химических соединений и т.д.
По величине размера зерен ультрамелкозернистые материалы разделяют на микро-, субмикро- и нанокристаллические материалы. Нанокристаллические и даже субмикрокристаллические материалы нередко именуют наноструктурными материалами, при этом надо иметь ввиду, что наноструктурными материалами могут быть не только кристаллические, но и аморфные материалы, содержащие фрагменты нанометрического диапазона. Существует несколько классификаций наноструктурных материалов. В соответствии с физической классификацией для наноматериалов наибольший размер одного из структурных фрагментов меньше либо равен размеру, характерному для физического явления. Например, для прочностных свойств – размер бездефектного кристалла, для магнитных – размер однодоменного кристалла, для электропроводности – длина свободного пробега электронов.
По физической классификации наноструктурных материалов предельные значения размеров структурных элементов для разных свойств и материалов не одинаковы. Для наноматериалов наблюдаются качественно новые эффекты, необычные свойства и процессы, обусловленные проявлением квантовых свойств вещества. Следует добавить, что разориентировка между структурными элементами в наноструктурных материалах должна быть высокоугловой, т. е. имеет место зеренная структура с большеугловыми границами. В противном случае полигонизованную структуру с малоугловыми границами субзерен следовало бы считать также нанокристаллической.
Ключевым признаком таких материалов принято считать наличие структурных элементов, у которых хотя бы в одном направлении размер не превышал 100 нм, и которые играли бы определяющую роль в формировании их уникальных свойств. Такими элементами могут быть неравновесные границы зерен, дисперсные выделения и сегрегации. Согласно классификации наноструктурированных материалов по Г. Гляйтеру они относятся к третьей категории, как объемные наноматериалы., которые можно классифицировать по химическому, фазовому составам, морфологии выделений и строению границ. При этом различают слоистые, волокнистые и равноосные и соответственно в них толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна ограничиваются величиной не больше 100 нм.
Однако более обоснованным является не формальное причисление сплавов к наноструктурированным материалам по признаку наличия в них наноразмерных компонентов, а по радикальному изменению свойств этих материалов вследствие их присутствия. В свою очередь обработка материалов, приводящая к формированию в них наноразмерных компонентов, является элементом нанотехнологий.
4. Понятия микро- и макроструктуры композиционных и наноструктурированных материалов
Для практических целей достаточно понимать структуру композита, как
двухуровневую систему, включающую микроструктуру, образованную матрицей и наполнителем, и макроструктуру, характеризующую композит в целом. Микроструктура формируется при совмещении матрицы с наполнителем и добавками. Свойства материала на этом уровне зависят от степени наполнения, дисперсности и поверхностной активности наполнителя. Формирование макроструктуры композиционных материалов несколько отличается от макроструктуры традиционного материала, того же сплава. Здесь на передний план выступают объемное соотношение матрицы и наполнителя,
плотность их контакта, разность или сходство прочностных и деформационных свойств, интенсивность взаимодействия между ними. Напомним, что под макроструктурой понимаемся система из матрицы и разного рода наполнителей, форма, размеры и химический состав которых является различными.
При этом традиционные методы обработки изменения структуры материалов на микро- и макроуровне, особенно без изменения элементного состава на атомарном уровне, уже практически себя исчерпал и не могут решить проблему получения материалов с комплексом качественно новых свойств. Нанотехнологии опираются на уровень регулирования структуры и свойств материалов на более глубоком уровне – наноструктурном, когда размер структурного элемента становится значительно меньшим. Таким образом, наномикроструктура уже вплотную приближается к еще более глубокой микроструктуре, когда химический состав меняется по объему материала на атомном уровне (химическом).
Именно этот уровень строения материала, по сути, определяет теоретическую прочность бездефектной структуры, при этом важно разобраться в границе между нано – и тонкими химическими уровнями. Материалы, в которых наноразмерные включения (слои, волокна и кристаллиты) диспергированы в матрицу другого химического состава, называются дисперсно-упрочненными сплавами. Появление металломатричных композитов на основе алюминиевых матриц считается одним из достижений перспективных методов получения и обработки наноструктурированных металлокомпозитов в интересах авиакосмической техники нового поколения.
Согласно геометрической классификации Зибеля можно выделить нанодисперсии: атомные кластеры и наночастицы, многослойные наноматериалы и объемные наноструктурированные материалы. Нанодисперсии и наноразмерные включения распределены в матричной среде и изолированные друг от друга. Расстояние между ними может составлять от десятков нанометров до долей нанометров (для нанопорошков).Наночастица- это нуль размерный нанообъект, все характерные линейные размеры которого менее 100 нм. Термин «атомный кластер» применяют для обозначения наночастиц, имеющих размеры менее 1 нм. Для наностержней и нанопроволок
(одномерных нанообъектов) один из размеров на порядок превышает
два других размера, находящихся в нанометровом диапазоне. К двумерным
нанообъектам относят планарные структуры – нанодиски, тонкопленочные структуры, слои частиц и другие, для которых два размера на
порядок и более превышают третий размер, лежащий в нанодиапазоне.
Малые атомные агрегации (кластеры) являются промежуточным
звеном между изолированными атомами и молекулами, с одной стороны, и массивным (объёмным) твёрдым телом, с другой стороны. Переход от дискретного электронного энергетического спектра, свойственного отдельным атомам и молекулам, к зонному электронному энергетическому спектру, характерному для твёрдого тела, происходит через кластеры. Малые атомные агрегации (кластеры) являются промежуточным
звеном между изолированными атомами и молекулами, с одной стороны, и массивным (объёмным) твёрдым телом, с другой стороны. Переход от дискретного электронного энергетического спектра, свойственного отдельным атомам и молекулам, к зонному электронному энергетическому спектру, характерному для твёрдого тела, происходит через кластеры.
Отличительной чертой кластеров является немонотонная зависимость свойств от количества атомов в кластере. В нанокристаллических дисперсных и объёмных материалах такая зависимость свойств отсутствует, но появляется зависимость свойств от размера частиц (зёрен,кристаллитов). Кластер представляет собой группу из небольшого
(счётного) и, в общем случае, переменного числа взаимодействующих
атомов (ионов, молекул). Ясно, что минимальное число атомов в кластере равно двум. Верхней границе кластера соответствует такое число атомов, когда добавление ещё одного атома уже не меняет свойства кластера, так как переход количественных изменений в качественные уже закончился. Положение верхней границы кластера неоднозначно, границу размеров кластера можно рассматривать как границу между
кластером и изолированной наночастицей.
Научными основами, обеспечивающими развитие наукоемких сфер производства, являются свойства наноматериалов, обусловленные влиянием поверхности границ раздела и проявлением квантоворазмерных, синергетических и так называемых гигантских эффектов. Чем меньше размер структурного фрагмента материала (размер частицы, диаметр волокна, толщина слоя, размер зерна поликристалла) и
ниже его температура, тем сильнее проявляются квантовые свойства
этого материала. Заметные изменения свойств наноматериалов наблюдаются при размерах структурных фрагментов менее 100 нм. Для одного и того же материала этот критический размер для разных свойств (механических, электромагнитных, механических, оптических и др.) не одинаков. Например, частица никеля становится бездислокационной (механические свойства) при диаметре 140 нм и однодоменной (магнитные свойства) при диаметре 60 нм.
Особо следует подчеркнуть, что «наноэффект» максимально экономически эффективен при образовании «наноструктур» при сохранении химического элементного состава материала. Примером, демонстрирующим определяющее влияние структуры
на свойства материала при сохранении элементного состава, являются различные модификации углерода (карбен или карбен, графит, фуллерен, алмаз). Особо следует отметить необходимость учета природы материала для получения наночастиц радикального или ионного характера, так как это определяется, прежде всего, составом и типом химической связи исходного вещества (гомолитический или гетеролитический разрыв связей) и далее влияет на реакционную способность частицы и на порог достижения «наноэффекта» в целом. В результате именно эти особенности микроструктуры наночастиц различных веществ (характеризующие реакционную способность, возможность проявления «наноэффекта» и необходимость сохранения их
индивидуальности в материале) требуют комплексной оценки химического и физического факторов с целью управления их свойствами и оптимизации процесса совмещения этапов их получения и переработки их в изделие (компактирование).
5. Аддитивные технологии (3D-печать) -цифровое производство
Развитие аддитивных технологий в отечественной авиационной промышленности является одним из важнейших направлений стратегии развития материалов и их обработки на ближайшие полтора десятка лет. Однако их широкое внедрение во многом сдерживается отсутствием порошков собственного производства. В авиационной промышленности внедрение аддитивных технологий представляется весьма перспективным, так как стоимость деталей газотурбинных двигателей, в особенности ответственного назначения, весьма высока, а сокращение сроков изготовления, исключение трудоемкого изготовления оснастки (литейной, прессовой), подчас также дорогостоящей, представляет несомненный интерес при разработке и освоении производства новых изделий.
Традиционный способ выпуска изделий включал субтрактивные процессы удаления лишнего материала с заготовки механическим путем, изготовление большого количества деталей с последующей их сборкой или сваркой в готовое изделие. Теперь же функциональная деталь может быть разработана на компьютере и распечатана на принтере, создающем твердотельные объекты с помощью послойного наращивания материала. Цифровой дизайн может быть изменен: пара щелчков мышки в компьютерной программе — и вот уже готово изделие с улучшенной конструкцией. После запуска процесса печати принтеры работают автономно и не требуют вмешательства оператора до завершения всей процедуры. Установки аддитивного производства позволяют изготавливать прототипы и детали сложной геометрии, невозможной при использовании традиционных методов, легковесные конструкции и функционально интегрированные изделия. Речь идет о 3D-печати и ее возможностях.
Наибольший интерес с точки зрения прямого получения конечной детали из металлического порошка на данный момент представляет технология селективного лазерного сплавления SLM (Selective Laser Melting). В этой области ряд зарубежных фирм предлагают целую линейку установок – от высокоточных (с малыми рабочими камерами) до крупных промышленных машин. Принцип данных установок – послойное нанесение металлического порошка определенного гранулометрического состава на платформу построения и лазерная штриховка текущего сечения в соответствии с предварительно разработанной и разбитой на слои CAD-моделью. Процесс повторяется циклически до завершения построения детали, при этом деталь остается засыпанной порошком до конца построения. Для предотвращения окисления процесс синтеза ведется в герметичной камере в среде инертного газа (азота или аргона).
Переход на цифровое описание изделий – CAD, и появившиеся вслед за CAD аддитивные технологии произвели настоящую революцию в промышленности, что особенно рельефно проявилось именно в высокотехнологичныхотраслях – авиационной и аэрокосмической области, атомной индустрии, медицине иприборостроении, в отраслях, где характерным является мало серийное, зачастуюштучное (в месяц, год) производство. Именно здесь уход от традиционных технологий,применение новых методов получения синтез-форм и синтез-моделей (изделий) засчет технологий послойного синтеза дало возможность радикально сократить времяна создание новой продукции.
При использовании аддитивных технологий все стадии реализации проекта от идеи до материализации (в любом виде – в промежуточном или в виде готовой продукции) находятся в «дружественной» технологической среде, в единой технологической цепи. Каждая технологическая операция выполняется в цифровой CAD\CAM\CAE-системе. Как известно, существует несколько методов 3D печати, однако все они являются производными аддитивной технологии изготовления изделий. Вне зависимости от того, какой 3D принтер вы используете, построение заготовки осуществляется путем послойного добавления сырья. Несмотря на то, что термин Additive Manufacturing используется отечественными инженерами очень редко, технологии послойного синтеза фактически оккупировали современную промышленность.
Последние достижения в области порошковой металлургии позволили существенно расширить возможности аддитивных технологий по непосредственному «выращиванию» функциональных деталей из металлов и получению новых конструкционных материалов с уникальными свойствами (технологии «spray forming» и др.). Аддитивные технологии с полным основанием относят к технологиям XXI-го века. Аддитивные технологии имеют огромный потенциал в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных видов продукции.
«Под давлением» глобального развития трехмерных CAD/CAM/CAE-технологий современное производство, и в первую очередь опытное, производство претерпевает существенную модернизацию. Это создает условия для полноценной реализации принципа «безбумажных» технологий в течение всего процесса создания нового изделия – от проектирования и разработки CAD-модели, до конечного продукта, быть неотрывной частью цикла проектирования и изготовления прототипов, опытных образцов и малых серий изделий различного назначения с широкой номенклатурой применяемых материалов.
Цифровое производство нашло свое применение в авиации и космонавтике, производстве готовой продукции и прототипировании. Хотя 3D печать принято считать одним из главных открытий двадцать первого века, в действительности аддитивные технологии появились на несколько десятилетий раньше. Поскольку процесс создания деталей основан на цифровых компьютерных моделях, то для описания технологий 3D-печати изделий существует еще один термин — «цифровое производство».