Ученые ТУСУР занимаются разработкой оборудования, с помощью которого можно будет получать нанопорошки, осуществлять электронно-лучевую наплавку и создавать трехмерные изделия методами послойного спекания

Ученые ТУСУР выиграли грант на создание эффективного устройства вывода в атмосферу сфокусированных электронных пучков на основе пушки с плазменным эмиттером и разработку основ для новых вневакуумных электронно-лучевых технологий производства композиционных нанопорошков и их использования в качестве материала и сырья для создания различных по свойствам покрытий.

Индустриальным партнером проекта является НЦ «Сигма.Томск» (Томский Нанотехнологический центр РОСНАНО), основной задачей которого станет коммерциализации полученных результатов научных исследований через создание новых стартапов на базе полученной вневакуумной технологии.

«Уникальность установки, которую нам предстоит создать, заключается в возможности вывода пучка электронов в атмосферу. Наш научный коллектив достаточно давно работает по тематике электронно-лучевых технологий, важной разработкой является пушка с плазменным эмиттером. Полученные нами разработки нашли свое применение в оборудовании, которое уже много лет работает на предприятиях Росатома, некоторых металлургических и электронных предприятиях. Но существенным ограничением применяемых технологий является необходимость использования дорогих вакуумных систем. Вывод пучка в атмосферу позволит кратно удешевить оборудование на основе электронно-пучковых технологий, поскольку можно будет обойтись без вакуумной камеры, сама установка будет стоить дешевле, что позволит существенно расширить рынок применений», – поясняет руководитель проекта, доктор технических наук, профессор Николай Ремпе.

Ученые ТУСУР уже провели эксперименты, в результате которых был получен вне вакуума пучок, продуцированный пушкой с плазменным катодом. Сейчас перед исследователями стоит задача – создать более мощную и универсальную опытную установку, с помощью которой можно будет получить вне вакуума электронный пучок, обладающий заданными свойствами. Такой пучок можно будет использовать для решения конкретных производственных задач. Создаваемая установка будет дешевле аналогов, представленных на рынке.

Основная задача, которую предстоит решить с помощью создаваемого оборудования – производство композиционных нанопорошков. Сегодня производство нанопорошков является наиболее развитой отраслью рынка наноматериалов. Наибольшее применение нашли технологии, основанные на методе химического синтеза и газофазных методах, к которым относятся испарение исходного материала электрическим взрывом проводников, лазерным излучением и электронными пучками.

Получение нанопорошков с помощью электронных пучков оказывается наиболее эффективным, поскольку позволяет получить нанопорошки с минимальной загрязненностью и использовать более универсальное и дешевое исходное сырье.

Разрабатываемое по проекту вневакуумное электронно-лучевое оборудование на основе электронной пушки с плазменным эмиттером имеет более широкие возможности применения, чем производство нанопорошков. Его можно использовать для реализации различных технологий электронно-лучевой наплавки износо- коррозионно- и жаростойких покрытий в атмосфере. Технология наплавки в промышленности применяется достаточно давно и используется для придания поверхности металла новых свойств, например, особой прочности или жаростойскости.

«В настоящее время технологии наплавки реализуются в основном в вакууме. Существующие вневакуумные технологии развиваются на основе электронных ускорителей, которые используют выведенный в атмосферу электронный пучок с энергией в несколько мегаэлектронвольт. Это оборудование громоздкое, крайне дорогое и требует применения специальных мер для защиты персонала от рентгеновского излучения. Применение для вневакуумной наплавки нашей разработки позволит существенно снизить затраты на создание наплавочных установок и защиты персонала. Мы ставим перед собой задачу создать экспериментальное оборудование, на основе которого будут разработаны базовые технологии наплавки покрытий в атмосфере», – поясняет Николай Ремпе.

Технологии электронно-лучевой наплавки станут основой для разработки технологических способов конструирования трехмерных изделий методами послойного спекания порошков металлов. В настоящее время в Европе лидером разработки таких технологий является фирма ARCAM с базовым предприятием в Швеции. Эти технологии используются в авиакосмической, медицинской промышленности, в других отраслях.

«Технология сходна с технологией печати на 3D-принтере. По заданной программе в специальной установке методом спекания создается изделие. С помощью электронного пучка слои порошков металла последовательно наплавляются и мы можем получить изделие самой сложной конфигурации. Таким образом, можно будет «напечатать» и протез – например, сустав, и деталь реактивной турбины», – говорит Николай Ремпе.

Предполагается, что разработка и реализация подобных технологий не в вакууме, как это делается фирмой ARCAM, а в атмосфере, позволит получить качественно новые эффекты, принципиально упростить оборудование и добиться в итоге важного конкурентного преимущества в сравнении с разработчиками вакуумных технологий.

Участие НЦ «СИГМА.Томск» в проекте позволяет рассчитывать на быстрое внедрение полученных научных результатов в реальный сектор.

«Несмотря на достаточно раннюю стадию научных исследований, мы приняли решение выступить индустриальным партнером ТУСУР в данном проекте. В рамках совместного проекта с ТУСУР мы инвестируем собственные средства в создание необходимой материально-технической базы, которая в будущем позволит сохранить и развить все полученные компетенции, а также обеспечить долгосрочную конкурентоспособность предлагаемых нашими стартапами технологических решений. Уже сейчас мы начали переговоры с рядом российских и иностранных компаний о создании совместных стартапов, и высокий интерес со стороны наших партнеров, а также их готовность инвестировать, только подтверждает нашу уверенность в значительных перспективах данного направления», – говорит Олег Лысак, генеральный директор НЦ «СИГМА.Томск».

Нанопорошки – один из многих имеющихся на сегодняшний день наноматериалов. Производятся из множества различных материалов – оксидов металлов, сложных оксидов, порошков чистых металлов и смесей. Нанопорошки широко используются в электронике, оптике и обрабатывающей промышленности. С каждым годом все более широкое применение нанопорошки находят в сельском хозяйстве и природоохранной отрасли, медицине и косметологии.

Первый опыт вывода пучка в атмосферу