3D-печать на основе керамики поможет изготавливать детали для самолетов и ракет

Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали новую технологию 3D-печати изделий на основе материалов из карбида кремния SiC и исследовали свойства изготовленных деталей. Устойчивый к коррозии и высоким температурам карбид кремния — перспективный кандидат для замены более тяжелых металлических сплавов в ракетостроении, авиации и энергетической промышленности. Исследование поддержано Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ). Статья опубликована в журнале Materials.

В начале 1980-х годов на смену механическим методам производства деталей (вырезание, обтачивание или другой способ придания формы) стали приходить аддитивные технологии (АТ). Они предполагают создание объекта путем его послойного наращивания на основе компьютерной модели. К таким технологиям относится получившая известность 3D-печать, в ходе которой материал наносят на специальную платформу или заготовку. Металлические, пластиковые или керамические порошки пропитывают клеем, спекают, прессуют и так далее, добиваясь необходимых свойств. С развитием техники и программирования стало возможным не только изготавливать бумажные и пластиковые прототипы, но и создавать готовые функциональные изделия. Аддитивные технологии позволяют реализовать любые конструкторские и инженерные идеи в наукоемких отраслях производства — авиастроении, двигателе- и моторостроении, ракетостроении и медицине (в том числе можно «печатать» имплантаты). Количество материалов, применяемых для аддитивных технологий, постоянно увеличивается, возможный спектр свойств изделий расширяется, а изготовление — удешевляется. Это способствует все более массовому использованию АТ: по данным опроса Sculpteo, в 2018 году 40% мировых промышленных компаний применяли в производстве 3D-печать.

Для разработки технологии потребовалось комплексное исследование: на первом этапе необходимо было получить сферический порошок карбида кремния. Для этого ученые применили методы спрейной сушки (распыление водного раствора на вращающийся диск) и плазменной сфероидизации (обработка в плазменных потоках). Затем исследователи отработали режимы 3D-печати по технологии струйного нанесения связующего. В результате были изготовлены пористые заготовки изделия с требуемой геометрией из композиционного материала. Далее ученые провели несколько циклов обработки, состоящих из пропитки заготовок керамообразующим полимером с последующим пиролизом (термическим разложением) для придания заготовкам необходимой прочности и улучшения их свойств. В результате пропитки и пиролиза остаточные поры в изделии были заполнены карбидом кремния. На основе проведенных исследований ученые изготовили прототип сопловой лопатки — детали, используемой в турбинах, например, ракет, самолетов или автомобилей. Исследования проводились совместно с коллегами из Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (Москва).