Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

А. Я. Травянов, директор Института экотехнологий и инжиниринга (ЭкоТех), канд. техн. наук, эл. почта: trav@misis.ru
П. В. Петровский, заместитель директора института ЭкоТех, канд. техн. наук
В. В. Чеверикин, ведущий научный сотрудник, кафедра металлургии цветных металлов, канд. техн. наук
А. О. Лагутин, инженер Лаборатории гибридных аддитивных технологий

На сегодняшний день методы аддитивных технологий для получения изделий занимают все больше места в реальном секторе производства и стремительно развиваются. Созданию композиционных материалов этими методами вызывает повышенный интерес, так как стало возможно получить композитные материалы с различным количеством исходных компонентов матрицы и упрочнителя. За счет выращивания изделий из исходных порошковых материалов разного состава появилась возможность интегрировать керамику в металлическую матрицу и наоборот. Получаемые материалы можно использовать как замену существующим, так как они обладают совокупным уникальным комплексом свойств, которые необходимы для развития современной науки и техники. Использование сочетаний известных технологий, например классической технологии горячего изостатического прессования, селективного лазерного плавления и технологии армирования керамическим волокном, позволит получать уникальные композитные материалы. Применение методов селективного лазерного плавления позволяет получать тонкостенные изделия из титановых сплавов, в том числе узкие профили. Основными проблемами при изготовлении материалов, армированных волокном, являются фиксация волокон в заданном положении, минимизация их смещения в процессе консолидации, а также ограничение взаимодействия матрицы с волокном в процессе консолидации для предотвращения реакции с образованием зоны взаимодействия. В целях создания нового материала в профилированное изделие было загружено армирующее волокно карбида кремния с последующим инкапсулированным горячим изостатическим прессованием. В результате произошло эффективное диффузионное соединение отдельных матричных элементов, а также полное обволакивание волокон материалом матрицы. Была получена малопористая структура без крупных дефектов, видимых на рентгеновской томографии.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Постановления Правительства № 218 по соглашению о предоставлении субсидии № 075-11-2019-058 от 25.11.2019 г. «Создание производства локально армированных деталей из титановых сплавов, работающих в условиях повышенных нагрузок и температур, для перспективных авиационных газотурбинных двигателей».

1. Leyens C., Hausmann J., Kumpfert J. Continuous fiber reinforced titanium matrix composites: Fabrication, properties and applications // Adv. Eng. Mater. 2003. Vol. 5, No. 6. P. 399–410.
2. Martin E., CarrÉre N. Metal matrix composites: continuous silicon-carbide fibers/titanium-alloy matrix // Wiley Encycl. Compos. John Wiley & Sons, Inc., 2012. DOI: 10.1002/9781118097298.weoc139.
3. Hayat M. D., Singh H., Cao P. et al. Titanium metal matrix composites: An overview // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. Elsevier. 2019. Vol. 121. P. 418–438.
4. Wang Y., Zhang G., Zhang X. et al. Advances in SiC fiber reinforced titanium matrix composites // Acta Met. Sin. Chinese Academy of Sciences. 2016. Vol. 52, No. 10. P. 1153–1170.
5. Сидоров Д. В., Серпова В. М., Шавнев А. А. Способы изготовления и области применения высокопрочных волокнистых композиционных материалов, армированных керновым волокном карбида кремния // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2018. № 3. С. 15–22.
6. MacKay R. A., Brindley P. K., Froes F. H. Continuous fiberreinforced titanium aluminide composites // JOM. 1991. Vol. 43, No. 5. P. 23–29.
7. Qu H. T., Ren X. P., Hou H. L. et al. Interfacial behaviors in SiC fiber reinforced titanium matrix composites during thermal exposure // Adv. Mater. Res. 2011. Vol. 295–297. P. 880–885.
8. Carrère N., Kruch S., Vassel A. et al. Damage mechanisms in unidirectional SiC/Ti composites under transverse creep loading: Experiments and modeling // Int. J. Damage Mech. Sage PublicationsSage CA: Thousand Oaks, CA. 2002. Vol. 11, No. 1. P. 41–63.
9. Larsen J. M., Russ S. M., Jones J. W. An evaluation of fiberreinforced titanium matrix composites for advanced hightemperature aerospace applications // Metall Mater Trans A. 1995. Vol. 26A. P. 3211–3223.
10. Шиганов И. Н., Овчинников В. В., Коберник Н. В. Композиционные материалы с металлической матрицей: сварные соединения и покрытия. — М. : КНОРУС, 2021. — 352 c.
11. Гришина О. И., Кочетов В. Н., Шавнев А. А. и др. Аспекты применения высокопрочных и высокомодульных волокнистых металлических композиционных материалов авиационного назначения (обзор) // Труды ВИАМ. 2014. № 10. Ст. 5.
12. Wang M.-J., Huang H., Li H. et al. Microstructure and interfacial strength of SiC fiber-reinforced Ti17 alloy composites with different consolidation temperatures // Rare Met. 2018. Vol. 37, No. 9. P. 759–768.
13. Xu X.-H., Yang Y.-Q., Luo X. et al. Finite element modeling of consolidation process of SiC fiber-reinforced titanium matrix composites via matrix-coated fiber method // Rare Met. 2015. Vol. 34, No. 12. P. 844–850.
14. Muthuchamy A., Ram G. D. J., Sarma V. S. Spark plasma consolidation of continuous fiber reinforced titanium matrix composites // Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 703. P. 461– 469.
15. Каракозов Э. С., Орлова Л. М., Пешков В. В. Диффузионная сварка титана. — М. : Металлург, 1977. — 272 с.
16. Изотова А. Ю., Гришина О. И., Шавнев А. А. Композиционные материалы на основе титана, армированные волокнами (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. № 5 (53). С. 42–49.
17. Zhang W., Yang Y. Q., Zhao G. M. et al. Investigation of interfacial reaction in SiC fiber reinforced Ti – 43Al – 9V composites // Intermetallics. 2013. Vol. 33. P. 54–59.
18. Yuan M., Yang Y., Huang B. et al. Evaluation of interface fracture toughness in SiC fiber reinforced titanium matrix composite // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 2008. Vol. 18, No. 4. P. 925–929.
19. Even C., Arvieu C., Quenisset J. M. Powder route processing of carbon fibres reinforced titanium matrix composites // Compos. Sci. Technol. Elsevier. 2008. Vol. 68, No. 6. P. 1273–1281.
20. Sanguinetti Ferreira R. A., Arvieu C., Guillaume B. et al. Titanium matrix composites processed by continuous binderpowder coating: An alternative fabrication route // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2006. Vol. 37, No. 10. P. 1831–1836.
21. Lacoste E., Arvieu C., Quenisset J.-M. Correlation between microstructures of SiC-reinforced titanium matrix composite and liquid route processing parameters // J. Mater. Sci. 2015. Vol. 50, No. 16. P. 5583–5592.