eng
Выпуск #3/2018
В. Пуха, Н. Овсянников
Аддитивные 2D- и 3D-технологии композитов на основе металлических и керамических систем с использованием аэрозольного осаждения
Аддитивные 2D- и 3D-технологии композитов на основе металлических и керамических систем с использованием аэрозольного осаждения
Просмотры: 1927
Рассмотрены основные преимущества и недостатки аддитивных технологий при формировании композитов на основе металлических и керамических систем, а также новые направления аддитивных технологий, связанные с ударной консолидацией высокоскоростных твердых частиц.
DOI: 10.22184/24999407.2018.12.03.44.54
DOI: 10.22184/24999407.2018.12.03.44.54
Теги: 2d and 3d technologies 2d- и 3d-технологии additive technologies cold aerosol deposition composites based on metal and ceramic systems highspeed jet аддитивные технологии высокоскоростная струя композиты на основе металлических и керамических систем холодное аэрозольное осаждение
ВВЕДЕНИЕ
Аддитивные технологии или трехмерная печать (АТ или 2D-, 3D-технологии) ‒ это быстро развивающееся направление, которое обещает революционизировать производственный сектор за счет меньшего времени производства, меньших затрат сырья и возможности печати уникальных конфигураций с использованием разнородных материалов. АТ позволяют автоматически изготавливать компоненты из различных материалов, таких как пластмассы, металлы и сплавы, биоматериалы и керамика. В последние три десятилетия эти технологии находят применение в автомобильной, аэрокосмической и других отраслях обрабатывающей промышленности, а также медицине. От печати деталей из пластика и металлов до биопереноса трансплантируемых органов ‒ такова широта спектра направлений развития аддитивных технологий [1].
АТ имеют несколько очевидных преимуществ по сравнению с субтрактивными технологиями. Во-первых, количество требуемого материала меньше, чем для традиционного метода вычитания, когда материал удаляется из заготовки, пока не будет достигнута нужная геометрия детали. Во-вторых, при помощи АТ можно производить детали или предметы, которые сложно выполнить традиционными методами, такими как создание деталей из разнородных материалов и создание биомедицинских объектов, включая органы. В-третьих, АТ может сократить время и стоимость изготовления уникальных изделий в малых объемах (крупномасштабное производство деталей, как правило, экономически выгодно при использовании традиционных технологий).
Кроме того, АТ трансформируют способ проектирования и производства компонентов на макроуровне и позволяют производить инновационные продукты, такие как персонализированные имплантаты, более эффективные и конформные системы охлаждения, легкие и экономичные компоненты для авиационной и автомобильной промышленности [1, 2].
Одной из причин успеха АТ является их способность реализовать практически любую желаемую геометрию. Это резко контрастирует с ограничениями дизайна, налагаемыми, например, при изготовлении систем охлаждения двигателей субтрактивными технологиями производства, обеспечивая проектирование архитектурных форм, необходимых для повышения функциональности, а не в угоду более простому способу изготовления.
ОГРАНИЧЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КЕРАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Исторически первые разработки 3D-технологий связаны с полимерными материалами и созданием моделей для литья на их основе (прототипирование) [3]. Следующий крупный шаг был связан с формированием АТ готовых изделий и расширением сферы применения 3D-технологий на металлы. Были проведены обширные исследования по разработке АТ для металлов, в результате чего был разработан ряд методов для макро- и мезомасштабных приложений. Наиболее известными являются селективное лазерное плавление (SLM), селективное лазерное спекание (SLS) и электронно-лучевое плавление (EBM). Эти методы основаны на локальном сплавлении металлических частиц с образованием твердого материала [4]. Однако для них существует ряд ограничений, которые предполагают дальнейшую обработку будущего изделия, чтобы его свойства были сравнимы с изделиями, полученными традиционными технологиями. Так, например, отклонение линейных размеров полученного АТ-изделия от номинала обычно составляет несколько десятков микрометров, кроме того, шероховатость поверхности имеет такую же величину. Эти ограничения лежат в основе рассматриваемой технологии и связаны с конечным размером частиц металлического порошка и высокой теплоотдачей в металлах, что приводит к необходимости высокой мощности нагревательного импульса для локального плавления [5].
Кроме указанных выше, существуют также ограничения, связанные с микроструктурой и высоким уровнем остаточных механических напряжений в металлических изделиях, полученных с применением SLM и EBM методов [6]. В исследованиях последних лет был обнаружен еще один существенный недостаток материалов и изделий, получаемых АТ, а именно наличие значительной пористости при использовании как SLM-, так и EBM-методов [6–9]. Как известно, пористость является одной из главных причин снижения пластичности и прочности, особенно при циклических нагрузках под воздействием высоких температур [9], усиления анизотропии механических свойств, снижения ударной вязкости и оххрупчивания.
Известным способом устранения избыточной пористости является применение горячего изостатического прессования [10]. Эта дополнительная операция повышает пластичность и сопротивление усталости АТ-изделий, но существенно повышает и их стоимость. Другие возможные решения подобных проблем, связанные с модификацией структуры и свойств приповерхностных слоев исходных металлических порошков (гранул) под воздействием зернограничных диффузионных потоков атомов из внешней среды и ударно-волнового воздействия в ходе АТ-процесса (например с использованием воздействия фемтосекундным лазерным излучением), пока не вышли из стен исследовательских лабораторий [11].
Неметаллические неорганические материалы оксидного, карбидного, нитридного класса, бориды и силициды, обладающие рядом привлекательных свойств (жаростойкость, твердость и сверхтвердость), при изготовлении готовых изделий 3D-технологиями требуют промежуточных процессов с высокими температурами, таких как спекание, удаление связки, испарение растворителя и т. д. [12, 13]. Эта обработка во многих случаях приводит к формоизменению изделий и ухудшению их свойств (по сравнению с изделиями, полученными традиционными технологиями) по причине усадки во время спекания, испарения, либо выгорания основы. В результате, готовое изделие имеет высокую пористость и низкие механические свойства. Попытки использования SLM / SLS-методов для прямого получения готовых керамических изделий пока не привели к успеху. Основные проблемы, возникающие при лазерном спекании (либо сплавлении) керамических порошков связаны с появлением микротрещин (растрескиванием) при высоких температурных градиентах, которые свойственны SLS / SLM-методам [14].
Таким образом, для большинства методов формирования качественных изделий из неорганических веществ с помощью 3D-технологий необходим многостадийный процесс, который может включать высокотемпературную обработку при высоком давлении и финишную подгонку размеров изделия, совмещенную со шлифованием либо полировкой поверхности.
УДАРНАЯ КОНСОЛИДАЦИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ АТ
Одним из перспективных методов для АТ является холодное аэрозольное осаждение из высокоскоростных (сверхзвуковых) струй, которое открыто и исследовано в нашей стране в конце 80-х годов прошлого века [15–16]. Метод нашел широкое применение при осаждении толстых покрытий из металлических порошков и композитов на их основе [17–18]. Были сделаны попытки использовать его в АТ для производства объемных изделий сложной формы (рис. 1) [18]. Ударная консолидация высокоскоростных твердых частиц позволяет получать холодное напыление (температура порошка и подложки гораздо ниже температуры спекания порошка) с высокой прочностью, низкой пористостью и минимальным или сжимающим остаточным напряжением. Использование газодинамической фокусировки позволяет поднять пространственное разрешение для металлов выше получаемого методами SLM и EBM [19–21].
Методы холодного аэрозольного осаждения при атмосферном давлении применимы для металлов и композитов на их основе, то есть для пластичных материалов [18]. Применить этот метод в «чистом» виде для керамических и хрупких материалов, несмотря на значительные усилия исследователей, не удалось до сих пор. В конце 90-х годов прошлого века в Японии были разработаны принципы метода вакуумного аэрозольного осаждения или «ударной консолидации при комнатной температуре» (room temperature impact consolidation) для керамических материалов, который является дальнейшим развитием метода холодного осаждения при атмосферном давлении [22]. После того как была показана универсальная применимость аэрозольного осаждения в вакууме и получены толстые покрытия из ряда тугоплавких соединений (ZrO2 стабилизированный иттрием, Аl2O3, BaTiO3, TiO2) [23] в зарубежных странах начался экспоненциальный рост количества публикаций по данной тематике. Получены тонкие и толстые (доли миллиметра) пленки и покрытия для электроники, твердые электролиты для высокотемпературных топливных элементов, электроды для литиевых аккумуляторов, материалы медицинского применения (гидроксиапатит и композиты на его основе, керамические покрытия для искусственных суставов), тугоплавкие и жаростойкие соединения, включая MAX-фазы и сложные оксиды на основе переходных металлов и кремния [23–26].
Особенностью методов холодного аэрозольного осаждения (как атмосферного, так и вакуумного) является то, что локальный разогрев и давление в несколько ГПа возникают в момент удара ускоренной до сверхзвуковой скорости частицы. Моделирование условий формирования слоев аэрозольным напылением [27] указывает на возникновение ударной волны, что является причиной высокой плотности слоев, близкой к теоретической. Применение осаждения из высокоскоростных (сверхзвуковых) струй для АТ, а также применение гибридных методов совместно с лазерной обработкой поверхности возможно уменьшит остроту проблем, связанных с пористостью и сопровождающим ее снижением ударной вязкости и усталостной прочности для металлов.
Еще большие перспективы открываются при применении 2D- и 3D-технологий на основе сверхзвуковых струй в вакууме для высокотемпературных керамик. Отличием данного метода является отсутствие необходимости как разогрева детали, на которой формируется изделие, так и последующих отжигов готового изделия для получения плотной керамики. Таким образом, появляется возможность именно прямой печати керамических изделий. Этот метод обладает производительностью, достаточной для создания объемных керамических изделий. Скорости осаждения для многих порошков достигают 10 мм3/мин [25]. Так как формируемый слой остается интегрально холодным, появляется возможность консолидировать порошковые тугоплавкие материалы с легкоплавкими и растворимыми (соли, органика, и т. д.), либо резорбируемыми веществами для живого организма при медицинских применениях [28], создавая временные композиты. Такие композиты могут быть основой для создания АТ-изделий сложной формы и градиентных структур [29–30]. Можно надеяться, что использование газодинамической фокусировки струй позволит достичь точности и разрешения для керамических изделий не меньших, чем в металлических изделиях, полученных SLM- и EBM-методами.
В следующем разделе приводятся результаты оригинальных исследований основ 2D- и 3D-технологий создания керамических объектов, сформированных с использованием холодного аэрозольного осаждения из сверхзвуковой струи аксиальной симметрии в вакууме. Эксперименты проводились с оксидом циркония стабилизированного оксидом иттрия. Керамические композиты на такой основе находят широкое применение в качестве теплозащитных покрытий для камер сгорания и лопаток турбин газотурбинных двигателей, электролита для высокотемпературных топливных ячеек и для покрытия поверхности титановых имплантатов в медицине [31–33].
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ИЗ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ В ВАКУУМЕ
Установка для напыления покрытий методом аэрозольного осаждения, была предоставлена компанией «ИнЭнерджи» (Россия). Установка оснащена высокопроизводительной откачной группой на базе вакуумного двухроторного агрегата АВД 150/25 со скоростью откачки 150 л/с в рабочем диапазоне давлений (50‒300 Па).
Покрытия осаждались в вакуумной камере объемом 0,3 м3, в которой с помощью сопла Лаваля формировалась сверхзвуковая струя аэрозоля твердых частиц. Во время осаждения покрытия в камере поддерживалось давление 100 Па. При взаимодействии ускоренных частиц с поверхностью подложки, на ней формировалось твердое компактное покрытие. В качестве газа-носителя использовался аргон. Генерация газопорошковой смеси производилась в аэрозольной камере с вихревыми потоками газа носителя при избыточном давлении 0,2 МПа. Аэрозольная камера устанавливалась на виброплатформу с круговыми вибрациями (шейкер Vibramax 100, Heidolfph, Германия). Во всех экспериментах устанавливалась скорость круговой вибрации ~ 600 об/мин, которая была оптимальной для встряхивания порошка и образования аэрозоля.
Для повышения разрешения формирования 2D- и 3D-объектов использовалась аэродинамическая фокусировка струи на принципах, описанных в работах [34, 35] и разработанных для нанесения металлических 2D-объектов методом холодного аэрозольного осаждения при атмосферном давлении. Для вакуумного аэрозольного осаждения было сконструировано и изготовлено фокусирующее сопло, направляющее основную часть сверхзвукового потока в область менее 500 мкм. За пределами этой области покрытие не формировалось и можно рассматривать ее в качестве одиночного «пикселя» для формирования 2D- и 3D-объектов.
Подложки из жаростойкого сплава ВЖ-98 и титана ВТ1-0 при нанесении покрытия имели температуру вблизи комнатной. Для перемещения подложки и построения 2D-объектов в установке использовалась моторизованная X-Y-платформа с компьютерным управлением (Jiangxi Liansheng Technology Co., Ltd). Общая схема установки и ее внешний вид представлены на рис. 2.
Для напыления покрытий был использован коммерческий порошок диоксида циркония с 8 % мол. Y2O3 (8YSZ).
Исходный порошок и полученные объекты исследовались методами оптической микроскопии и растровой электронной микроскопии с рентгеновским микроанализом (микроскоп FEI Aspex Express). Микротвердость покрытия сразу после осаждения определялась на микротвердомере ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76 при нагрузке 50, 100 и 200 г по методу восстановления отпечатка с использованием четырехгранной пирамиды с квадратным основанием. Испытания производились в центральной части «пикселя», из которых потом строился 2D-объект. «Пиксель» напылялся при неподвижной платформе из порошка 8YSZ в течение 1 мин. За это время в центре области напыления формировалось покрытие толщиной ~ 20 мкм. Кроме того, определялась микротвердость обратной стороны подложки, на которую не воздействовала сверхзвуковая струя и не наносилось покрытие. Для испытаний на термический удар использовались образцы покрытия, нанесенные на сплав ВЖ98 (тот же «пиксель» толщиной 20 мкм).
Муфельная печь МП-2УМ предварительно разогревалась до температуры 950 °C. К образцу приваривалась точечной сваркой хромель-алюмелевая термопара, он помещался в длинную открытую кварцевую пробирку. Кварцевая пробирка с образцом последовательно помещалась в разогретую муфельную печь и охлаждалась в протоке воздуха. Зависимость температуры образца от времени в процессе термических испытаний представлена на рис. 3. Адгезия «пикселя» оценивалась по методике измерения прочности на отрыв с применением в качестве связки эпоксидной смолы (прочностью 20 МПа на разрыв).
На рис. 4 приведено электронно-микроскопическое изображение исходного порошка 8YSZ и данные микроанализа его элементного состава. Частицы порошка имеют размер порядка нескольких микрон и высокую склонность к агломерации, причем наблюдаются агломераты размером до 50 мкм. Из-за агломерации определить точный гранулометрический состав порошка было невозможно. Использование аэрозольной вихревой камеры для порошка с микронным размером частиц и крупными агломератами позволяет частично деагломерировать порошок и отсеять агрегированные частицы. В результате к соплу Лаваля подавался аэрозоль твердых частиц микронного размера, из которых на поверхности подложки формировалось покрытие.
Для определения микротвердости осажденного из аэрозольной струи слоя было сделано несколько уколов пирамидкой Виккерса в центральной части «пикселя» с различной нагрузкой. Точное определение микротвердости затруднено рельефом поверхности осажденного слоя (рис. 5), с другой стороны, при малой нагрузке (менее 100 г) подложка на число микротвердости не влияет. Полученное число микротвердости в центральной части покрытия как на ВЖ98, так и на титане ВТ1-0 составило HV100 ~ 1 100, что близко к значениям микротвердости, характерным для спеченных из 8YSZ керамик (11,8 ГПа [36]) в массивном состоянии. Это значительно превышает число микротвердости для обратной стороны подложки из жаропрочного сплава ВЖ98 (HV100 = 330).
Адгезия 8YSZ к титану и ВЖ98 превышала прочность эпоксидной смолы (20 МПа) и разрыв происходил по эпоксидной связке.
Кроме высокой адгезии для высокотемпературных применений важна оценка стойкости системы подложка – покрытие к термоударам. Для этого были проведены испытания по методике, описанной выше. На рис. 5 представлено изображение поверхности керамики, нанесенной на подложку из сплава ВЖ98 после пяти циклов ударного термического нагружения. Несмотря на существенное различие коэффициентов термического расширения (от 12,7 · 10–6 K–1 при 100 °С до 16,5 · 10–6 K–1 при 950 °С для ВЖ98 [37] и 10‒11 · 10–6 K–1 в этом интервале температур для керамик на основе диоксида циркония [38]), сохраняется единая структура покрытия после отжига, отслоения и трещины не образуются.
Таким образом, механические свойства керамики, полученной из сфокусированной струи аэрозоля без термической обработки, близки к свойствам массивных керамик, полученных прессованием под давлением в сотни МПа и последующим спеканием при температуре 1 500 °C в течение 6 ч [36].
Для демонстрации возможности 2D-технологий керамических объектов с использованием холодного аэрозольного осаждения в вакууме был составлен алгоритм движения подложки, «печатающий» из отдельных «пикселей» символику Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ). Результаты напыления представлены на рис. 6. Как видно из рисунка, при создании керамического объекта достигнуто разрешение ~ 500 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрены основные преимущества и недостатки аддитивных технологий в материаловедческом плане при формировании композитов на основе металлических и керамических систем.
Предложено новое направление аддитивных технологий, связанное с ударной консолидацией высокоскоростных твердых частиц в вакууме, которое позволяет получать керамические 2D- и 3D-объекты при низких температурах осаждения без последующих отжигов. Использование фокусирующего сопла аксиальной симметрии позволяет избирательно наносить керамическое покрытие с разрешением 500 мкм.
Показана возможность формирования методом аэрозольного осаждения в вакууме из фокусирующего сопла твердых (HV100 ~ 1 100) керамических слоев 8YSZ с высокой адгезией на жаропрочный сплав ВЖ98 и титан ВТ1-0. Малый размер частиц порошка (5 мкм) позволяет надеяться, что при совершенствовании газодинамической фокусировки струй возможно получение прямой печати керамических изделий с разрешением на порядок больше, чем получено в данной работе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Advances in 3D Printing & Additive Manufacturing Technologies Editors. David Ian Wimpenny, Pulak M. Pandey, L. Jyothish Kumar © Springer Science+Business Media Singapore 2017, ISBN 9789811008115.
2. Каблов Е. Н. Тенденции и ориентиры инновационного развития России // СПб: ВИАМ СПб, 2013.
3. Colley D. P. Instant prototypes // Mechanical Engineering. 1988. Т. 110. № 7. С. 68.
4. Herzog D. et al. Additive manufacturing of metals //Acta Materialia. 2016. Т. 117. С. 371–392.
5. Hirt L. et al. Additive Manufacturing of Metal Structures at the Micrometer Scale // Advanced Materials. 2017.
6. Gorsse S. et al. Additive manufacturing of metals: a brief review of the characteristic microstructures and properties of steels, Ti–6Al–4V and highentropy alloys // Sci. Technol. Adv. Mater. 2017 T. 18. C. 584–610.
7. Cunningham R. et al. Evaluating the effect of processing parameters on porosity in electron beam melted Ti–6Al–4V via synchrotron Xray microtomography // JOM. 2016. Т. 68. № 3. С. 765–771.
8. Cunningham R. et al. SynchrotronBased Xray Microtomography Characterization of the Effect of Processing Variables on Porosity Formation in Laser PowerBed Additive Manufacturing of Ti–6Al–4V //JOM. 2017. С. 1–6.
9. Wu M. W., Lai P. H., Chen J. K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti–6Al–4V alloy // Materials Science and Engineering: A. 2016. Т. 650. С. 295–299.
10. Wu M. W., Lai P. H. The positive effect of hot isostatic pressing on improving the anisotropies of bending and impact properties in selective laser melted Ti–6Al–4V alloy // Materials Science and Engineering: A. 2016. Т. 658. С. 429–438.
11. Колобов Ю. Р. Механические и физикохимические свойства поверхностномодифицированных наноструктурированных металлических материалов // Сб. трудов 8ой Евразийской научнопрактической конференции «Прочность неоднородных структур» – ПРОСТ 2016. 19–21 апреля 2016 г. – М.: НИТУ «МИСИС». 244 с.
12. Travitzky N. et al. Additive Manufacturing of CeramicBased Materials // Advanced Engineering Materials. 2014. Т. 16. № 6. С. 729–754.
13. Vorndran E., Moseke C., Gbureck U. 3D printing of ceramic implants // MRS Bulletin. 2015. Т. 40. № 2. С. 127–136.
14. Swee Leong Sing, Wai Yee Yeong, Florencia Edith Wiria, Bee Yen Tay, Ziqiang Zhao, Lin Zhao, Zhiling Tian, Shoufeng Yang. Direct selective laser sintering and melting of ceramics: a review // Rapid Prototyping Journal. 2017. Vol. 23. Is. 3. P. 611–623, https://doi.org/10.1108/RPJ1120150178.
15. Алхимов А. П., Косарев В. Ф., Папырин А. Н. Метод «холодного» газодинамического напыления // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. № 5. С. 1062–1065.
16. Папырин А. Н., Жуков М. Ф., Панин В. Е. Новые материалы и технологии: теория и практика упрочнения материалов в экстремальных процессах. – ВО «Наука», 1992.
17. Moridi A. et al. Cold spray coating: review of material systems and future perspectives // Surface Engineering. 2014. Т. 30. № 6. С. 369–395.
18. Champagne V., Helfritch D. The unique abilities of cold spray deposition // International Materials Reviews. 2016. Т. 61. № 7. С. 437–455.
19. Hoey J. M., Robinson M. J., Sailer R. A. Micro Cold Spray printed top metallization layer for solar cells //Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2014 IEEE 40th // IEEE, 2014. С. 24912494.
20. Hoey J. M. et al. A review on aerosolbased directwrite and its applications for microelectronics // Journal of Nanotechnology. 2012. Т. 2012.
21. Schulz D. L. et al. Collimated Aerosol Beam Deposition: Sub5 µm Resolution of Printed Actives and Passives // IEEE Transactions on Advanced Packaging. 2010. Т. 33. № 2. С. 421–427.
22. Akedo J. and Lebedev M. Microstructure and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate (Pb(Zr52/Ti48)03) Thick Film deposited with Aerosol Deposition Method // Jpn. J. Appl. Phys., 38, 5397–401 (1999).
23. Akedo J. Room temperature impact consolidation (RTIC) of fine ceramic powder by aerosol deposition method and applications to microdevices // Journal of Thermal Spray Technology. 2008. Т. 17. № 2. С. 181–198.
24. Hahn B. D. et al. Preparation and in vitro characterization of aerosoldeposited hydroxyapatite coatings with different surface roughnesses //Applied Surface Science. 2011. Т. 257. № 17. С. 7792–7799.
25. Hanft D. et al. An overview of the aerosol deposition method: Process fundamentals and new trends in materials applications // J. Ceram. Sci. Technol. 2015. Т. 6. № 3. С. 147–182.
26. Piechowiak M. A. et al. Growth of dense Ti3 SiC2 MAX phase films elaborated at room temperature by aerosol deposition method // Journal of the European Ceramic Society. 2014. Т. 34. № 5. С. 1063–1072.
27. Akedo J. Aerosol Deposition of Ceramic Thick Films at Room TemperatureDensification Mechanism of Ceramic Layer, J. Am. Ceram. Soc. 2006. 89(6). P. 1834–1839.
28. Пуха В. Е., Колобова А. Ю., Колобова Е. Г., Овсянников Н. А., Манохин С. С. Наноструктурные и нанокомпозитные покрытия на основе гидроксиапатита, сформированные при помощи сверхзвуковой струи в вакууме. 4th International Conference «New Functional Materials and High Technology» 4–9 July 2016 Tivat, Montenegro Abstracts, p. 154.
29. Пуха В. Е., Колобов Ю. Р. «Консолидация порошковых систем в условиях локального разогрева: от градиентных структур к 2D и 3Dтехнологиям». Программа научнотехнической конференции «Современные электроимпульсные методы и технологии консолидации композиционных материалов: проблемы и перспективы». – М.: ВИАМ (12.10.2016).
30. Пуха В. Е., Колобов Ю. Р., Манохин С. С., Клименко Д. Н. Основы 2D и 3D технологий высокотемпературных керамик с использованием сверхзвуковых струй // III Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» 23.03.2017. Сб. трудов III Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее».
31. Sankar V. Thermal Barrier Coatings Material Selection, Method of Preparation and ApplicationsReview // International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. 2014. Т. 3. № 2. С. 510.
32. Choi J. J. et al. Microstructural evolution of YSZ electrolyte aerosoldeposited on porous NiOYSZ //Journal of the European Ceramic Society. 2012. Т. 32. №. 12 С. 3249–3254.
33. Khor K. A. et al. Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed HA/YSZ/Ti–6Al–4V composite coatings // Biomaterials. 2004. Т. 25. № 18. С. 4009–4017.
34. Akhatov I. S. et al. Aerosol focusing in microcapillaries: Theory and experiment // Journal of aerosol science. 2008. Т. 39. № 8. С. 691–709.
35. Bhattacharya S. et al. Aerosol flow through a convergingdiverging micronozzle // Nonlinear Engineering. 2013. Т. 2. № 3–4. С. 103–112.
36. Сирота В. В., Груздева Е. В., Иванисенко В. В. Влияние давления прессования на структуру и механические свойства керамики ZrO2 – 8%Y2O3 // Научные ведомости БелГУ. Серия: Математика. Физика. 2012. № 11 (130). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyaniedavleniyapressovaniyanastrukturuimehanicheskiesvoystvakeramikizro28y2o3.
37. URL: http://saturnsv.ru/khn60vtei868
38. URL: http://chemindtec.ru/catalogue/2/30
ПУХА Владимир Егорович – доктор физикоматематических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем химической физики РАН
ОВСЯННИКОВ Николай Александрович – Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, студент
Аддитивные технологии или трехмерная печать (АТ или 2D-, 3D-технологии) ‒ это быстро развивающееся направление, которое обещает революционизировать производственный сектор за счет меньшего времени производства, меньших затрат сырья и возможности печати уникальных конфигураций с использованием разнородных материалов. АТ позволяют автоматически изготавливать компоненты из различных материалов, таких как пластмассы, металлы и сплавы, биоматериалы и керамика. В последние три десятилетия эти технологии находят применение в автомобильной, аэрокосмической и других отраслях обрабатывающей промышленности, а также медицине. От печати деталей из пластика и металлов до биопереноса трансплантируемых органов ‒ такова широта спектра направлений развития аддитивных технологий [1].
АТ имеют несколько очевидных преимуществ по сравнению с субтрактивными технологиями. Во-первых, количество требуемого материала меньше, чем для традиционного метода вычитания, когда материал удаляется из заготовки, пока не будет достигнута нужная геометрия детали. Во-вторых, при помощи АТ можно производить детали или предметы, которые сложно выполнить традиционными методами, такими как создание деталей из разнородных материалов и создание биомедицинских объектов, включая органы. В-третьих, АТ может сократить время и стоимость изготовления уникальных изделий в малых объемах (крупномасштабное производство деталей, как правило, экономически выгодно при использовании традиционных технологий).
Кроме того, АТ трансформируют способ проектирования и производства компонентов на макроуровне и позволяют производить инновационные продукты, такие как персонализированные имплантаты, более эффективные и конформные системы охлаждения, легкие и экономичные компоненты для авиационной и автомобильной промышленности [1, 2].
Одной из причин успеха АТ является их способность реализовать практически любую желаемую геометрию. Это резко контрастирует с ограничениями дизайна, налагаемыми, например, при изготовлении систем охлаждения двигателей субтрактивными технологиями производства, обеспечивая проектирование архитектурных форм, необходимых для повышения функциональности, а не в угоду более простому способу изготовления.
ОГРАНИЧЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КЕРАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Исторически первые разработки 3D-технологий связаны с полимерными материалами и созданием моделей для литья на их основе (прототипирование) [3]. Следующий крупный шаг был связан с формированием АТ готовых изделий и расширением сферы применения 3D-технологий на металлы. Были проведены обширные исследования по разработке АТ для металлов, в результате чего был разработан ряд методов для макро- и мезомасштабных приложений. Наиболее известными являются селективное лазерное плавление (SLM), селективное лазерное спекание (SLS) и электронно-лучевое плавление (EBM). Эти методы основаны на локальном сплавлении металлических частиц с образованием твердого материала [4]. Однако для них существует ряд ограничений, которые предполагают дальнейшую обработку будущего изделия, чтобы его свойства были сравнимы с изделиями, полученными традиционными технологиями. Так, например, отклонение линейных размеров полученного АТ-изделия от номинала обычно составляет несколько десятков микрометров, кроме того, шероховатость поверхности имеет такую же величину. Эти ограничения лежат в основе рассматриваемой технологии и связаны с конечным размером частиц металлического порошка и высокой теплоотдачей в металлах, что приводит к необходимости высокой мощности нагревательного импульса для локального плавления [5].
Кроме указанных выше, существуют также ограничения, связанные с микроструктурой и высоким уровнем остаточных механических напряжений в металлических изделиях, полученных с применением SLM и EBM методов [6]. В исследованиях последних лет был обнаружен еще один существенный недостаток материалов и изделий, получаемых АТ, а именно наличие значительной пористости при использовании как SLM-, так и EBM-методов [6–9]. Как известно, пористость является одной из главных причин снижения пластичности и прочности, особенно при циклических нагрузках под воздействием высоких температур [9], усиления анизотропии механических свойств, снижения ударной вязкости и оххрупчивания.
Известным способом устранения избыточной пористости является применение горячего изостатического прессования [10]. Эта дополнительная операция повышает пластичность и сопротивление усталости АТ-изделий, но существенно повышает и их стоимость. Другие возможные решения подобных проблем, связанные с модификацией структуры и свойств приповерхностных слоев исходных металлических порошков (гранул) под воздействием зернограничных диффузионных потоков атомов из внешней среды и ударно-волнового воздействия в ходе АТ-процесса (например с использованием воздействия фемтосекундным лазерным излучением), пока не вышли из стен исследовательских лабораторий [11].
Неметаллические неорганические материалы оксидного, карбидного, нитридного класса, бориды и силициды, обладающие рядом привлекательных свойств (жаростойкость, твердость и сверхтвердость), при изготовлении готовых изделий 3D-технологиями требуют промежуточных процессов с высокими температурами, таких как спекание, удаление связки, испарение растворителя и т. д. [12, 13]. Эта обработка во многих случаях приводит к формоизменению изделий и ухудшению их свойств (по сравнению с изделиями, полученными традиционными технологиями) по причине усадки во время спекания, испарения, либо выгорания основы. В результате, готовое изделие имеет высокую пористость и низкие механические свойства. Попытки использования SLM / SLS-методов для прямого получения готовых керамических изделий пока не привели к успеху. Основные проблемы, возникающие при лазерном спекании (либо сплавлении) керамических порошков связаны с появлением микротрещин (растрескиванием) при высоких температурных градиентах, которые свойственны SLS / SLM-методам [14].
Таким образом, для большинства методов формирования качественных изделий из неорганических веществ с помощью 3D-технологий необходим многостадийный процесс, который может включать высокотемпературную обработку при высоком давлении и финишную подгонку размеров изделия, совмещенную со шлифованием либо полировкой поверхности.
УДАРНАЯ КОНСОЛИДАЦИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ АТ
Одним из перспективных методов для АТ является холодное аэрозольное осаждение из высокоскоростных (сверхзвуковых) струй, которое открыто и исследовано в нашей стране в конце 80-х годов прошлого века [15–16]. Метод нашел широкое применение при осаждении толстых покрытий из металлических порошков и композитов на их основе [17–18]. Были сделаны попытки использовать его в АТ для производства объемных изделий сложной формы (рис. 1) [18]. Ударная консолидация высокоскоростных твердых частиц позволяет получать холодное напыление (температура порошка и подложки гораздо ниже температуры спекания порошка) с высокой прочностью, низкой пористостью и минимальным или сжимающим остаточным напряжением. Использование газодинамической фокусировки позволяет поднять пространственное разрешение для металлов выше получаемого методами SLM и EBM [19–21].
Методы холодного аэрозольного осаждения при атмосферном давлении применимы для металлов и композитов на их основе, то есть для пластичных материалов [18]. Применить этот метод в «чистом» виде для керамических и хрупких материалов, несмотря на значительные усилия исследователей, не удалось до сих пор. В конце 90-х годов прошлого века в Японии были разработаны принципы метода вакуумного аэрозольного осаждения или «ударной консолидации при комнатной температуре» (room temperature impact consolidation) для керамических материалов, который является дальнейшим развитием метода холодного осаждения при атмосферном давлении [22]. После того как была показана универсальная применимость аэрозольного осаждения в вакууме и получены толстые покрытия из ряда тугоплавких соединений (ZrO2 стабилизированный иттрием, Аl2O3, BaTiO3, TiO2) [23] в зарубежных странах начался экспоненциальный рост количества публикаций по данной тематике. Получены тонкие и толстые (доли миллиметра) пленки и покрытия для электроники, твердые электролиты для высокотемпературных топливных элементов, электроды для литиевых аккумуляторов, материалы медицинского применения (гидроксиапатит и композиты на его основе, керамические покрытия для искусственных суставов), тугоплавкие и жаростойкие соединения, включая MAX-фазы и сложные оксиды на основе переходных металлов и кремния [23–26].
Особенностью методов холодного аэрозольного осаждения (как атмосферного, так и вакуумного) является то, что локальный разогрев и давление в несколько ГПа возникают в момент удара ускоренной до сверхзвуковой скорости частицы. Моделирование условий формирования слоев аэрозольным напылением [27] указывает на возникновение ударной волны, что является причиной высокой плотности слоев, близкой к теоретической. Применение осаждения из высокоскоростных (сверхзвуковых) струй для АТ, а также применение гибридных методов совместно с лазерной обработкой поверхности возможно уменьшит остроту проблем, связанных с пористостью и сопровождающим ее снижением ударной вязкости и усталостной прочности для металлов.
Еще большие перспективы открываются при применении 2D- и 3D-технологий на основе сверхзвуковых струй в вакууме для высокотемпературных керамик. Отличием данного метода является отсутствие необходимости как разогрева детали, на которой формируется изделие, так и последующих отжигов готового изделия для получения плотной керамики. Таким образом, появляется возможность именно прямой печати керамических изделий. Этот метод обладает производительностью, достаточной для создания объемных керамических изделий. Скорости осаждения для многих порошков достигают 10 мм3/мин [25]. Так как формируемый слой остается интегрально холодным, появляется возможность консолидировать порошковые тугоплавкие материалы с легкоплавкими и растворимыми (соли, органика, и т. д.), либо резорбируемыми веществами для живого организма при медицинских применениях [28], создавая временные композиты. Такие композиты могут быть основой для создания АТ-изделий сложной формы и градиентных структур [29–30]. Можно надеяться, что использование газодинамической фокусировки струй позволит достичь точности и разрешения для керамических изделий не меньших, чем в металлических изделиях, полученных SLM- и EBM-методами.
В следующем разделе приводятся результаты оригинальных исследований основ 2D- и 3D-технологий создания керамических объектов, сформированных с использованием холодного аэрозольного осаждения из сверхзвуковой струи аксиальной симметрии в вакууме. Эксперименты проводились с оксидом циркония стабилизированного оксидом иттрия. Керамические композиты на такой основе находят широкое применение в качестве теплозащитных покрытий для камер сгорания и лопаток турбин газотурбинных двигателей, электролита для высокотемпературных топливных ячеек и для покрытия поверхности титановых имплантатов в медицине [31–33].
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ИЗ СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУИ В ВАКУУМЕ
Установка для напыления покрытий методом аэрозольного осаждения, была предоставлена компанией «ИнЭнерджи» (Россия). Установка оснащена высокопроизводительной откачной группой на базе вакуумного двухроторного агрегата АВД 150/25 со скоростью откачки 150 л/с в рабочем диапазоне давлений (50‒300 Па).
Покрытия осаждались в вакуумной камере объемом 0,3 м3, в которой с помощью сопла Лаваля формировалась сверхзвуковая струя аэрозоля твердых частиц. Во время осаждения покрытия в камере поддерживалось давление 100 Па. При взаимодействии ускоренных частиц с поверхностью подложки, на ней формировалось твердое компактное покрытие. В качестве газа-носителя использовался аргон. Генерация газопорошковой смеси производилась в аэрозольной камере с вихревыми потоками газа носителя при избыточном давлении 0,2 МПа. Аэрозольная камера устанавливалась на виброплатформу с круговыми вибрациями (шейкер Vibramax 100, Heidolfph, Германия). Во всех экспериментах устанавливалась скорость круговой вибрации ~ 600 об/мин, которая была оптимальной для встряхивания порошка и образования аэрозоля.
Для повышения разрешения формирования 2D- и 3D-объектов использовалась аэродинамическая фокусировка струи на принципах, описанных в работах [34, 35] и разработанных для нанесения металлических 2D-объектов методом холодного аэрозольного осаждения при атмосферном давлении. Для вакуумного аэрозольного осаждения было сконструировано и изготовлено фокусирующее сопло, направляющее основную часть сверхзвукового потока в область менее 500 мкм. За пределами этой области покрытие не формировалось и можно рассматривать ее в качестве одиночного «пикселя» для формирования 2D- и 3D-объектов.
Подложки из жаростойкого сплава ВЖ-98 и титана ВТ1-0 при нанесении покрытия имели температуру вблизи комнатной. Для перемещения подложки и построения 2D-объектов в установке использовалась моторизованная X-Y-платформа с компьютерным управлением (Jiangxi Liansheng Technology Co., Ltd). Общая схема установки и ее внешний вид представлены на рис. 2.
Для напыления покрытий был использован коммерческий порошок диоксида циркония с 8 % мол. Y2O3 (8YSZ).
Исходный порошок и полученные объекты исследовались методами оптической микроскопии и растровой электронной микроскопии с рентгеновским микроанализом (микроскоп FEI Aspex Express). Микротвердость покрытия сразу после осаждения определялась на микротвердомере ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76 при нагрузке 50, 100 и 200 г по методу восстановления отпечатка с использованием четырехгранной пирамиды с квадратным основанием. Испытания производились в центральной части «пикселя», из которых потом строился 2D-объект. «Пиксель» напылялся при неподвижной платформе из порошка 8YSZ в течение 1 мин. За это время в центре области напыления формировалось покрытие толщиной ~ 20 мкм. Кроме того, определялась микротвердость обратной стороны подложки, на которую не воздействовала сверхзвуковая струя и не наносилось покрытие. Для испытаний на термический удар использовались образцы покрытия, нанесенные на сплав ВЖ98 (тот же «пиксель» толщиной 20 мкм).
Муфельная печь МП-2УМ предварительно разогревалась до температуры 950 °C. К образцу приваривалась точечной сваркой хромель-алюмелевая термопара, он помещался в длинную открытую кварцевую пробирку. Кварцевая пробирка с образцом последовательно помещалась в разогретую муфельную печь и охлаждалась в протоке воздуха. Зависимость температуры образца от времени в процессе термических испытаний представлена на рис. 3. Адгезия «пикселя» оценивалась по методике измерения прочности на отрыв с применением в качестве связки эпоксидной смолы (прочностью 20 МПа на разрыв).
На рис. 4 приведено электронно-микроскопическое изображение исходного порошка 8YSZ и данные микроанализа его элементного состава. Частицы порошка имеют размер порядка нескольких микрон и высокую склонность к агломерации, причем наблюдаются агломераты размером до 50 мкм. Из-за агломерации определить точный гранулометрический состав порошка было невозможно. Использование аэрозольной вихревой камеры для порошка с микронным размером частиц и крупными агломератами позволяет частично деагломерировать порошок и отсеять агрегированные частицы. В результате к соплу Лаваля подавался аэрозоль твердых частиц микронного размера, из которых на поверхности подложки формировалось покрытие.
Для определения микротвердости осажденного из аэрозольной струи слоя было сделано несколько уколов пирамидкой Виккерса в центральной части «пикселя» с различной нагрузкой. Точное определение микротвердости затруднено рельефом поверхности осажденного слоя (рис. 5), с другой стороны, при малой нагрузке (менее 100 г) подложка на число микротвердости не влияет. Полученное число микротвердости в центральной части покрытия как на ВЖ98, так и на титане ВТ1-0 составило HV100 ~ 1 100, что близко к значениям микротвердости, характерным для спеченных из 8YSZ керамик (11,8 ГПа [36]) в массивном состоянии. Это значительно превышает число микротвердости для обратной стороны подложки из жаропрочного сплава ВЖ98 (HV100 = 330).
Адгезия 8YSZ к титану и ВЖ98 превышала прочность эпоксидной смолы (20 МПа) и разрыв происходил по эпоксидной связке.
Кроме высокой адгезии для высокотемпературных применений важна оценка стойкости системы подложка – покрытие к термоударам. Для этого были проведены испытания по методике, описанной выше. На рис. 5 представлено изображение поверхности керамики, нанесенной на подложку из сплава ВЖ98 после пяти циклов ударного термического нагружения. Несмотря на существенное различие коэффициентов термического расширения (от 12,7 · 10–6 K–1 при 100 °С до 16,5 · 10–6 K–1 при 950 °С для ВЖ98 [37] и 10‒11 · 10–6 K–1 в этом интервале температур для керамик на основе диоксида циркония [38]), сохраняется единая структура покрытия после отжига, отслоения и трещины не образуются.
Таким образом, механические свойства керамики, полученной из сфокусированной струи аэрозоля без термической обработки, близки к свойствам массивных керамик, полученных прессованием под давлением в сотни МПа и последующим спеканием при температуре 1 500 °C в течение 6 ч [36].
Для демонстрации возможности 2D-технологий керамических объектов с использованием холодного аэрозольного осаждения в вакууме был составлен алгоритм движения подложки, «печатающий» из отдельных «пикселей» символику Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ). Результаты напыления представлены на рис. 6. Как видно из рисунка, при создании керамического объекта достигнуто разрешение ~ 500 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрены основные преимущества и недостатки аддитивных технологий в материаловедческом плане при формировании композитов на основе металлических и керамических систем.
Предложено новое направление аддитивных технологий, связанное с ударной консолидацией высокоскоростных твердых частиц в вакууме, которое позволяет получать керамические 2D- и 3D-объекты при низких температурах осаждения без последующих отжигов. Использование фокусирующего сопла аксиальной симметрии позволяет избирательно наносить керамическое покрытие с разрешением 500 мкм.
Показана возможность формирования методом аэрозольного осаждения в вакууме из фокусирующего сопла твердых (HV100 ~ 1 100) керамических слоев 8YSZ с высокой адгезией на жаропрочный сплав ВЖ98 и титан ВТ1-0. Малый размер частиц порошка (5 мкм) позволяет надеяться, что при совершенствовании газодинамической фокусировки струй возможно получение прямой печати керамических изделий с разрешением на порядок больше, чем получено в данной работе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Advances in 3D Printing & Additive Manufacturing Technologies Editors. David Ian Wimpenny, Pulak M. Pandey, L. Jyothish Kumar © Springer Science+Business Media Singapore 2017, ISBN 9789811008115.
2. Каблов Е. Н. Тенденции и ориентиры инновационного развития России // СПб: ВИАМ СПб, 2013.
3. Colley D. P. Instant prototypes // Mechanical Engineering. 1988. Т. 110. № 7. С. 68.
4. Herzog D. et al. Additive manufacturing of metals //Acta Materialia. 2016. Т. 117. С. 371–392.
5. Hirt L. et al. Additive Manufacturing of Metal Structures at the Micrometer Scale // Advanced Materials. 2017.
6. Gorsse S. et al. Additive manufacturing of metals: a brief review of the characteristic microstructures and properties of steels, Ti–6Al–4V and highentropy alloys // Sci. Technol. Adv. Mater. 2017 T. 18. C. 584–610.
7. Cunningham R. et al. Evaluating the effect of processing parameters on porosity in electron beam melted Ti–6Al–4V via synchrotron Xray microtomography // JOM. 2016. Т. 68. № 3. С. 765–771.
8. Cunningham R. et al. SynchrotronBased Xray Microtomography Characterization of the Effect of Processing Variables on Porosity Formation in Laser PowerBed Additive Manufacturing of Ti–6Al–4V //JOM. 2017. С. 1–6.
9. Wu M. W., Lai P. H., Chen J. K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti–6Al–4V alloy // Materials Science and Engineering: A. 2016. Т. 650. С. 295–299.
10. Wu M. W., Lai P. H. The positive effect of hot isostatic pressing on improving the anisotropies of bending and impact properties in selective laser melted Ti–6Al–4V alloy // Materials Science and Engineering: A. 2016. Т. 658. С. 429–438.
11. Колобов Ю. Р. Механические и физикохимические свойства поверхностномодифицированных наноструктурированных металлических материалов // Сб. трудов 8ой Евразийской научнопрактической конференции «Прочность неоднородных структур» – ПРОСТ 2016. 19–21 апреля 2016 г. – М.: НИТУ «МИСИС». 244 с.
12. Travitzky N. et al. Additive Manufacturing of CeramicBased Materials // Advanced Engineering Materials. 2014. Т. 16. № 6. С. 729–754.
13. Vorndran E., Moseke C., Gbureck U. 3D printing of ceramic implants // MRS Bulletin. 2015. Т. 40. № 2. С. 127–136.
14. Swee Leong Sing, Wai Yee Yeong, Florencia Edith Wiria, Bee Yen Tay, Ziqiang Zhao, Lin Zhao, Zhiling Tian, Shoufeng Yang. Direct selective laser sintering and melting of ceramics: a review // Rapid Prototyping Journal. 2017. Vol. 23. Is. 3. P. 611–623, https://doi.org/10.1108/RPJ1120150178.
15. Алхимов А. П., Косарев В. Ф., Папырин А. Н. Метод «холодного» газодинамического напыления // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. № 5. С. 1062–1065.
16. Папырин А. Н., Жуков М. Ф., Панин В. Е. Новые материалы и технологии: теория и практика упрочнения материалов в экстремальных процессах. – ВО «Наука», 1992.
17. Moridi A. et al. Cold spray coating: review of material systems and future perspectives // Surface Engineering. 2014. Т. 30. № 6. С. 369–395.
18. Champagne V., Helfritch D. The unique abilities of cold spray deposition // International Materials Reviews. 2016. Т. 61. № 7. С. 437–455.
19. Hoey J. M., Robinson M. J., Sailer R. A. Micro Cold Spray printed top metallization layer for solar cells //Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2014 IEEE 40th // IEEE, 2014. С. 24912494.
20. Hoey J. M. et al. A review on aerosolbased directwrite and its applications for microelectronics // Journal of Nanotechnology. 2012. Т. 2012.
21. Schulz D. L. et al. Collimated Aerosol Beam Deposition: Sub5 µm Resolution of Printed Actives and Passives // IEEE Transactions on Advanced Packaging. 2010. Т. 33. № 2. С. 421–427.
22. Akedo J. and Lebedev M. Microstructure and Electrical Properties of Lead Zirconate Titanate (Pb(Zr52/Ti48)03) Thick Film deposited with Aerosol Deposition Method // Jpn. J. Appl. Phys., 38, 5397–401 (1999).
23. Akedo J. Room temperature impact consolidation (RTIC) of fine ceramic powder by aerosol deposition method and applications to microdevices // Journal of Thermal Spray Technology. 2008. Т. 17. № 2. С. 181–198.
24. Hahn B. D. et al. Preparation and in vitro characterization of aerosoldeposited hydroxyapatite coatings with different surface roughnesses //Applied Surface Science. 2011. Т. 257. № 17. С. 7792–7799.
25. Hanft D. et al. An overview of the aerosol deposition method: Process fundamentals and new trends in materials applications // J. Ceram. Sci. Technol. 2015. Т. 6. № 3. С. 147–182.
26. Piechowiak M. A. et al. Growth of dense Ti3 SiC2 MAX phase films elaborated at room temperature by aerosol deposition method // Journal of the European Ceramic Society. 2014. Т. 34. № 5. С. 1063–1072.
27. Akedo J. Aerosol Deposition of Ceramic Thick Films at Room TemperatureDensification Mechanism of Ceramic Layer, J. Am. Ceram. Soc. 2006. 89(6). P. 1834–1839.
28. Пуха В. Е., Колобова А. Ю., Колобова Е. Г., Овсянников Н. А., Манохин С. С. Наноструктурные и нанокомпозитные покрытия на основе гидроксиапатита, сформированные при помощи сверхзвуковой струи в вакууме. 4th International Conference «New Functional Materials and High Technology» 4–9 July 2016 Tivat, Montenegro Abstracts, p. 154.
29. Пуха В. Е., Колобов Ю. Р. «Консолидация порошковых систем в условиях локального разогрева: от градиентных структур к 2D и 3Dтехнологиям». Программа научнотехнической конференции «Современные электроимпульсные методы и технологии консолидации композиционных материалов: проблемы и перспективы». – М.: ВИАМ (12.10.2016).
30. Пуха В. Е., Колобов Ю. Р., Манохин С. С., Клименко Д. Н. Основы 2D и 3D технологий высокотемпературных керамик с использованием сверхзвуковых струй // III Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» 23.03.2017. Сб. трудов III Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее».
31. Sankar V. Thermal Barrier Coatings Material Selection, Method of Preparation and ApplicationsReview // International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. 2014. Т. 3. № 2. С. 510.
32. Choi J. J. et al. Microstructural evolution of YSZ electrolyte aerosoldeposited on porous NiOYSZ //Journal of the European Ceramic Society. 2012. Т. 32. №. 12 С. 3249–3254.
33. Khor K. A. et al. Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed HA/YSZ/Ti–6Al–4V composite coatings // Biomaterials. 2004. Т. 25. № 18. С. 4009–4017.
34. Akhatov I. S. et al. Aerosol focusing in microcapillaries: Theory and experiment // Journal of aerosol science. 2008. Т. 39. № 8. С. 691–709.
35. Bhattacharya S. et al. Aerosol flow through a convergingdiverging micronozzle // Nonlinear Engineering. 2013. Т. 2. № 3–4. С. 103–112.
36. Сирота В. В., Груздева Е. В., Иванисенко В. В. Влияние давления прессования на структуру и механические свойства керамики ZrO2 – 8%Y2O3 // Научные ведомости БелГУ. Серия: Математика. Физика. 2012. № 11 (130). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyaniedavleniyapressovaniyanastrukturuimehanicheskiesvoystvakeramikizro28y2o3.
37. URL: http://saturnsv.ru/khn60vtei868
38. URL: http://chemindtec.ru/catalogue/2/30
ПУХА Владимир Егорович – доктор физикоматематических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем химической физики РАН
ОВСЯННИКОВ Николай Александрович – Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, студент
Отзывы читателей
