© РИА Новости / Сергей Пятаков
Ученые НИТУ МИСИС и АО «НИИЭФА» показали, как изготовить биметаллический материал с помощью гибридного аддитивного производства. Композиты из вольфрама и меди с улучшенными свойствами применяются для компонентов, обращенных к плазме (КОП), в установках термоядерного синтеза. Исследования показали, что теплофизические и механические характеристики композита из вольфрама и меди не уступают аналогам, изготовленным классическими методами, однако в случае гибридных аддитивных технологий возможно реализовать более эффективный теплоотвод и повысить термоциклический ресурс за счет предложенного дизайна композита из вольфрама и меди.
«Университет МИСИС – признанный лидер в области материаловедения в России, входит в топ-100 лучших вузов мира по направлению Materials Science ведущего международного рейтинга QS. Наши ученые занимаются разработками, впоследствии находящими применение в различных отраслях промышленности, включая наукоемкие. Коллектив исследователей под руководством молодого ученого, PhD Станислава Чернышихина разработал новый композиционный материал для применений в термоядерных реакторах отечественного производства», — рассказала Алевтина Черникова, ректор Университета МИСИС.
Вольфрам считается одним из основных материалов для компонентов, обращенных к плазме, за счет высокой температуры плавления и пороговой энергии для физического распыления, а также низкого удержания изотопов водорода. Однако его сложно механически обрабатывать из-за высокой твердости и хрупкости. Чтобы изготовить изделия из вольфрама, обычно применяют методы порошковой металлургии, но классические технологии не позволяют создавать сложнопрофильные изделия. Поэтому традиционный дизайн КОП представляет собой простую многослойную конструкцию. Альтернативой классическим технологиям является аддитивное производство, которое позволяет послойно синтезировать изделие, в том числе пористые структуры. Свойства таких изделий могут быть адаптированы для конкретной задачи за счет варьирования особенностей геометрической структуры.
«Исследования и разработка новых методов для изготовления деталей из вольфрама обладают высокой практической значимостью. Технология селективного лазерного плавления (СЛП) является одним из наиболее популярных и применяемых методов аддитивного производства металлических изделий из-за возможности синтеза деталей сложной формы с высокой разрешающей способностью. Стоит отметить, что производство изделий из вольфрама с помощью метода СЛП является сложной задачей из-за высокой температуры плавления, образования дефектов несплавления, микротрещин и перегрева различных узлов в установках», — отметил Станислав Чернышихин, PhD, заведующий лабораторией Университета МИСИС.
Изучив условия лазерного синтеза вольфрама, коллективу НИТУ МИСИС удалось получить относительную плотность сплошных образцов в 96,7%. Сначала для создания биметаллического материала были изготовлены скелетные структуры гироида вольфрама, похожие на изогнутую сетку или волну. Затем в матрицу металла была инфильтрирована медь при температурах до 1350°C c in situ мониторингом процесса. Изучение смачивания и кинетики пропитки вольфрамовых матриц позволили установить оптимальные условия инфильтрации.
Механические испытания показали, что композит оказался гораздо пластичнее чистого вольфрама — он выдерживал деформацию до 35% без разрушения. Также ученые университета совместно с АО «НИИЭФА» провели измерения температуропроводности в широком диапазоне температур (до 800°С). Было установлено, что с уменьшением размера элементарной ячейки структуры наблюдается небольшое понижение температуропроводности, но при этом возрастают прочностные характеристики.
«В дальнейшем мы планируем перейти к производству макетов КОП и теплонагруженным циклическим испытаниям. При испытаниях будут моделироваться воздействия, приближенные к реальным эксплуатационным условиям в термоядерных установках», — добавил Станислав Чернышихин.
Подробные результаты опубликованы в научном журнале International Journal of Refractory Metals and Hard Materials (Q1).
Информация предоставлена пресс-службой НИТУ МИСИС
Источник фото: ria.ru
