Вне вакуума

В рамках гранта федеральной целевой программы учёные ТУСУРа в сотрудничестве с НЦ «СИГМА.Томск» (Томский нанотехнологический центр «Роснано») создали первую в мире установку для вывода электронного пучка в атмосферу на основе электронной пушки с плазменным эмиттером. В результате предварительных технологических экспериментов удалось получить нанопорошки и осуществить в рамках одного технологического процесса синтез и наплавку порошковых материалов, обладающих износо-, коррозионно- и жаростойкими свойствами.

В проведении экспериментов приняла участие Наталья Смирнягина, заслуженный деятель науки Республики Бурятия, доктор технических наук, главный научный сотрудник Института физического материаловедения СО РАН (Улан-Удэ). Являясь одним из участников авторского коллектива проекта, ведущим научным сотрудником лаборатории плазменных технологий ТУСУРа, Наталья Смирнягина исследует условия синтеза тугоплавких боридов, карбидов переходных металлов, в частности титана и хрома, на поверхности легированной стали при электронно-лучевой наплавке.

- Проведя термодинамический анализ, мы смоделировали технологические процессы, которые будут иными, нежели в вакууме. С помощью компьютерной программы мы составили модель, в которой обозначены наиболее оптимальные составы материалов, последовательность реакций и температурный режим, а также с помощью кинетического анализа определили наиболее вероятную скорость химических реакций. Технологические эксперименты направлены на отработку самораспространяющегося высокотемпературного синтеза порошковых материалов и их последующую наплавку в едином технологическом цикле», – поясняет Наталья Смирнягина.

Технология наплавки функциональных покрытий применяется для получения поверхности с необходимыми свойствами. Слой наплавленного материала придаёт поверхности особые качества, например, жаростойкость, износостойкость, коррозионную стойкость, что в несколько раз повышает срок эксплуатации деталей механизмов.

Вневакуумные технологии электронно-лучевой наплавки реализуются в настоящее время только в Институте ядерной физики СО РАН (Новосибирск) с использованием промышленных ускорителей. Однако, как рассказала Наталья Смирнягина, у этой технологии есть достаточно серьёзные ограничения, связанные с размером и стоимостью установки, высокими энергиями (мегаэлектронвольты) электронного пучка и, как следствие, генерируемым этим пучком рентгеновским излучением.

Наталья Смирнягина, один из участников авторского коллектива проекта

Наша разработка обладает как принципиально новыми, так и более высокими эксплуатационными параметрами и качествами. В частности установка работает на более низких энергиях, что упрощает оборудование, снижает его стоимость, позволяет более простыми и дешёвыми способами защитить персонал от рентгеновского излучения, а отсутствие ускорителей и вакуумной камеры позволяет существенно удешевить оборудование для вывода электронных пучков в атмосферу.

«В ходе проведённых предварительных технологических экспериментов удалось получить наплавленные покрытия с ожидаемыми характеристиками и, что может оказаться более важным, убедиться в том, что использованные методики расчёта параметров технологического процесса подтвердились на практике, – рассказал руководитель проекта доктор технических наук профессор Николай Ремпе. – Это даёт надежду на то, что в последующих экспериментах технологические режимы подобных процессов могут быть получены не путём выполнения дорогостоящих эмпирических исследований, а более простыми расчётными методами».

Следующий этап работы – продолжение технологических экспериментов послойного спекания порошковых материалов, что фактически можно считать технологической подготовкой к реализации вневакуумного аддитивного процесса (3D-печать).

Комментарий

Генеральный директор ООО «СИГМА.Томск» (Томский нанотехнологический центр «Роснано») Олег Лысак:

«Расширение применения электронно-лучевых технологий вне вакуума открывает новые технологические и производственные возможности, в том числе позволяет расширить рынок применения электронно-лучевых технологий в сфере резки и сварки, а также 3D-печати. В настоящее время наблюдается повышенный интерес к аддитивным технологиям при создании деталей из металлов и сплавов, в том числе и основанным на применении электронно-лучевого сплавления. Эти технологии актуальны для областей, где требуется производство изделий сложной геометрии с особыми требованиями к материалам. Это в первую очередь авиационная промышленность, космическая индустрия, энергетическое машиностроение и медицина.

Разработка вневакуумных электронно-лучевых технологий может привести к существенному росту рынка 3D-печати металлических изделий. Полученные результаты технологических экспериментов, проводимых в ТУСУРе, дают возможность создания нового типа оборудования для 3D-печати, конкурентоспособного на рынке аддитивных технологий. Сегодня только две компании в мире занимаются созданием коммерческого оборудования для электронно-лучевого сплавления, и их решения основаны на вакуумных технологиях. Использование электронно-лучевых технологий без ограничений, накладываемых вакуумной камерой, позволит не только выращивать эндопротезы или строить лопатки для реактивных двигателей, как происходит сейчас, но и использовать электронно-лучевое сплавление для создания масштабных конструкций, таких как мосты или фермы подъёмных кранов.

Успешное завершение работ по проекту позволит существенно расширить сферу применения технологии наплавки функциональных покрытий, сделав её более доступной».