Научная группа исследователей физико-технического факультета Томского государственного университета в сотрудничестве с учеными Института физики прочности и материаловедения СО РАН разрабатывает методы 3D-печати деталей сложной формы из высокоэнтропийных сплавов, содержащих пять и более металлических компонентов. Второе направление исследований – 3D-печать из керамических материалов. В обоих случаях используются композиции на основе нано- и микрочастиц. Новые композиции позволят освоить аддитивное формование деталей из высокоэнтропийных сплавов, которые сложно или невозможно изготовить с помощью традиционного 3D-принтинга.
Использование наночастиц также повысит плотность керамических деталей и улучшит их физико-механические свойства. Следовательно, расширятся возможности отечественных предприятий в создании высокотехнологичной продукции, например, каталитических блоков или керамических деталей для электротехнической, химической и других отраслей промышленности.
Ученым ФТФ ТГУ продлили грантовую поддержку Российского научного фонда в конкурсе «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации». Руководитель проекта «Разработка научно-технических основ аддитивного формования сложнопрофильных структур из металлических, металлокерамических и высокоэнергетических материалов экструзией термопластичных многофазных композиций» (№ 25-79-53002) – главный научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ФТФ ТГУ Марат Лернер.
Проведенные ранее эксперименты показали, что композиции, наполненные металлическими или керамическими нано- и микрочастицами, имеют высокую текучесть, это позволяет изготовить детали с помощью обычных 3D-принтеров для полимеров. При последующем спекании напечатанной детали в вакуумной высокотемпературной печи происходит формирование объемной детали из металла или керамики.
Использование нано- и микрочастиц разных материалов дает возможность осуществлять дизайн не только формы, но и состава деталей, в том числе создавать детали из металлов с существенно различными теплофизическими свойствами. Поэтому наиболее перспективная область приложения разработанной технологии – это аддитивное изготовление деталей сложной формы из многокомпонентных материалов.
В рамках первого гранта, с 2021 по 2024 годы, мы работали с металлами. Особенность способа печати, который мы применяем, в том, что можно печатать из многокомпонентных металлических, металлокерамических и композитных материалов. Методы печати, использующие высокоэнергетическое воздействие (например, лазерное излучение), при нагревании порошков, содержащих элементы с сильно отличающимися температурами плавления, приводят к тому, что легкоплавкий металл испаряется. А мы можем печатать из сплавов либо композитов, содержащих компоненты с различными температурами плавления, сохраняя исходный состав материала.
- Марат Лернер, руководитель проекта, главный научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии ФТФ ТГУ
Новый грант РНФ, полученный в 2025 году, поможет расширить возможности ранее разработанной технологии – применить композиции из нано- и микрочастиц для изготовления деталей сложной формы из многокомпонентных сплавов и керамик.
Ранее ученые ТГУ и ИФПМ СО РАН впервые разработали научно-технические основы аддитивного формования сложнопрофильных структур из металлических и металлокерамических материалов методом экструзии термопластичных композиций, содержащих нано- и микрочастицы. Напомним, экструзия – это процесс формирования профилированных изделий или полуфабрикатов путем продавливания размягченных материалов.
Также научная группа проекта выяснила, что замена части микрочастиц наночастицами повышает плотность деталей из оксида алюминия (Al2O3) до 5 % – за счет снижения межчастичной пористости. Экструзия композиций, наполненных нано- и микрочастицами, позволяет относительно дешево и быстро изготовить керамические детали сложной формы, как предполагается, с высокой плотностью. Недостатком существующих сегодня методов 3D-печати керамических деталей как раз является их относительно невысокая плотность.
Однако для формования небольших керамических деталей с высокой точностью и чистотой поверхности наиболее перспективен метод не экструзии, а фотополимеризации в ванне. В ходе этого процесса предварительно осажденный фотополимер селективно облучается ультрафиолетовым излучением. Под его воздействием соседние полимерные цепи скрепляются друг с другом, что позволяет избежать последующей механической обработки поверхности.
Предполагается, что применение композиций из нано- и микрочастиц для формирования керамических деталей фотополимеризацией позволит снизить и вязкость системы «порошок – фотополимер», и остаточную пористость после спекания. В результате повысятся физико-механические свойства изделий.
Для решения задач проекта будут получены смеси нано- и микрочастиц высокоэнтропийных сплавов состава NiFeCoCrMoCu и NiFeCoCrAlCu, а также керамик из оксидов алюминия и циркония
Обобщение полученных данных позволит создать научно-технические основы аддитивного формования деталей сложной формы из высокоэнтропийных материалов и керамик для решения различных практических задач. Кроме того, снижение расходов на оборудование и повышение качества деталей сделают аддитивное производство доступнее для многих российских компаний. Среди российских компаний уже есть заинтересованные, готовые приобретать наши материалы для печати изделий. Это предприятия из Москвы, Ярославля, Воронежа.
- Марат Лернер
Добавим, что в 2024 году в журналах уровня Q1 было опубликовано четыре статьи ученых ФТФ и ИФПМ СО РАН, написанных в ходе работы по этому грантовому проекту.
Для справки: Подробная информация и список победителей конкурса «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» 2025 года доступны на сайте РНФ в разделе «Конкурсы».
Фото на обложке: Марат Лернер. Источник: ТГУ
