Issuu

Ж У Р Н А Л

НИКЕЛЬ

ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЁН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г.

Никель и следующая промышленная революция Искусственный интеллект и устойчивое сталелитейное производство

Технология послойного синтеза никеля

Важная роль никеля в ракетостроении

КОМПАНИЯ STALATUBE OY

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 19 БАЛКОНЫ ЖИЛЫХ ДОМОВ В Г. ЛАХТИ, ФИНЛЯНДИЯ Популярность модульного строительства растёт. Стандартные конструкции

КОМПАНИЯ STALATUBE OY

заводского изготовления поставляют на строительные площадки и собирают как уже готовые крупные модульные элементы здания. Проведение работ вне строительной площадки ведёт к экономии времени, росту качества строительства, сокращению отходов материалов, упрощению строительной логистики и снижению воздействия на окружающую среду. Модульные балконные системы заводского

здания. Высокий показатель удельной

изготовления как для новых, так и для

прочности нержавеющей стали является

реконструируемых объектов, становятся

дополнительным важным преимуществом,

всё более популярным и эффективным

так как позволяет легко и быстро крепить

способом расширения полезной площади

балконы к зданию.

квартиры, обеспечивающим безопасное Для производства балконных каркасов компания Stalatube поставила более четырёх тонн труб из нержавеющей стали квадратного и прямоугольного сечения трёх размеров длиной от полуметра до более двух метров. Для них была выбрана нержавеющая сталь марки 304 (UNS S30400). Трубы были нарезаны с помощью лазера с расточкой высокоточных по исполнению отверстий.

22 || «НИКЕЛЬ», «НИКЕЛЬ», Т. Т. 35, 35, № № 2, 2, 2020 2020 Г. Г.

личное открытое пространство.

В прошлом году в городе Лахти, расположенном на юге Финляндии, в

Нержавеющая сталь является идеальным

жилых новостройках было установлено

материалом для конструктивных элементов

сто модульных балконных систем.

как традиционных балконов, так и

Они целиком изготовлены заводским

балконов заводского изготовления. Она

способом — балконные ограждения,

не только привлекательна с эстетической

стекло и деревянная опорная решётка,

точки зрения, но к тому же чрезвычайно

прикреплённая к структурному каркасу

долговечна и при минимальном

из нержавеющей стали, — и в течение

уходе сохраняет эффектный внешний

дня доставлены в готовом виде на

вид в течение всего срока службы

строительную площадку.

КОЛОНКА РЕДАКТОРА: БУДУЩЕЕ НА ЗАКАЗ

Сегодня мы находимся на стыке двух революций — одной, получившей название Индустрия 4.0 (т.е. цифровизация, «интернет вещей» — цифровая сеть физических объектов, виртуально взаимодействующих друг с другом, аналитическая обработка данных), и другой, т.н. Индустрии 5.0 (внедрение искусственного интеллекта (ИИ) в производство). Новейшая промышленная революция видится как процесс массовой персонализации, кастомизации и адаптации, которые становятся возможными только при совместной работе человека и машины — сотрудничестве человеческого и искусственного интеллектов. Промышленность в 1780 г.

Промышленность в 1870 г.

Промышленность в 1969 г.

Промышленность в 2000 г.

Промышленность в 2020 г.

Механизация, энергия воды и пара

Массовое производство, электроэнергия

Компьютеры, автоматизация, робототехника

Аналитическая обработка интернетданных, сетевое взаимодействие

Массовая кастомизация и персонализация

2.0

3.0

4.0

5.0

В этом выпуске журнала «Никель» мы говорим об исследованиях в области искусственного интеллекта, его применении в производстве никельсодержащих сталей и сплавов со специально оговорёнными заказчиком свойствами и возможности использования ИИ для оптимизации промышленности в целях устойчивого развития. Искусственный интеллект позволяет промышленности достигать новых, точных и легко воспроизводимых результатов деятельности. Он обрабатывает большие объёмы данных, которые не может обработать человек, и уже сейчас помогает в создании технологических спецификаций и решении других интеллектуальных задач, что позволяет серьёзно снизить время и затраты и найти лучшие новаторские решения. Но Индустрия 5.0 — это не только искусственный интеллект. Это и быстро и широко распространяющаяся технология послойного синтеза, обеспечивающая адаптацию продукции к требованиям заказчика и её персонализацию. Подобно искусственному интеллекту, никельсодержащие сплавы тоже предлагают как уже знакомые, так и совершенно новые свойства. Сочетание ИИ и технологии послойного синтеза даёт возможность в будущем развивать более устойчивое и узкоспециализированное производство. Этот выпуск знаменует собой тридцатипятилетие журнала «Никель». Благодарим наших читателей и сотрудников журнала. В век огромных изменений не теряет своей силы интерес к уникальному и зачастую удивительному применению никеля. Однако искусственный интеллект в выпуске этого журнала пока не участвует — но только пока!

КОМПАНИЯ SPACEX

1.0

Что может быть более футуристичным и нуждаться в большей степени устойчивости в развитии, в новаторстве и искусственном интеллекте, чем космические путешествия? С помощью никеля и технологии послойного синтеза многоразовые ракеты-носители SpaceX должны изменить экономику космических исследований.

Клэр Ричардсон

Редактор журнала «Никель»

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г. | 3

03 04 06 08 11 12 14 15 15 16

Пример из практики № 19 Балконы жилых новостроек г. Лахти Колонка редактора Будущее на заказ

НИКЕЛЬ

Никель. Занимательные факты Устойчивое сталелитейное производство с помощью искусственного интеллекта Индустрия 5.0 Технология послойного синтеза Стимулирует ли ИИ применение Ni? Медноникелевый сплав Применение в космосе Технические вопросы и ответы Низкое содержание углерода и свариваемость Новые публикации Выдержки из Универсальной системы обозначений металлов и сплавов Конец культуры одноразовых вещей в космическом пространстве

NiPERA исполнилось сорок лет NiPERA Inc., независимое научное подразделение Института никеля, в июле отметило свой сороковой юбилей. С 1980 г. у NiPERA формировалась репутация ведущей научной организации, проводящей исследования в области воздействия никеля на здоровье человека и окружающую среду. «За прошедшие сорок лет учёные NiPERA создали обширный свод научных работ, углубивших наше понимание безопасного использования никеля, — сообщила исполнительный директор NiPERA д-р Адриана Оллер (Dr. Adriana Oller). — Благодаря нашим учёным, как ранее, так и сейчас работающим в NiPERA, мы располагаем научной базой, позволяющей оценить возможное воздействие производства никеля, его использования и утилизации на окружающую среду и здоровье человека. Никель обладает удивительными свойствами, а накопленные NiPERA в течение сорока лет знания говорят о том, что его с уверенностью можно безопасно использовать в надлежащих областях применения». www.nipera.org ИНСТИТУТ НИКЕЛЯ

ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ

СОДЕРЖАНИЕ

Журнал «Никель» издается Институтом никеля www.nickelinstitute.org Д-р Хадсон Бейтс (Hudson Bates), президент Клэр Ричардсон (Clare Richardson), редактор communications@nickelinstitute.org Авторы статей: Нэнси Бэдду (Nancy Baddoo), Гари Коутс (Gary Coates), Эмико Хираока (Emiko Hiraoka), Ричард Матесон (Richard Matheson), Брюс МакКин (Bruce McKean), Марк Мистри (Mark Mistry), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Владимир Пасерин (Vladimir Paserin), Бенуа Ван Хекке (Benoît Van Hecke), Котаро Уатанабе (Kotaro Watanabe), Одетт Зизолд (Odette Ziezold) Художественное оформление: компания Constructive Communications Публикация предназначена для общей информации читателя и не должна использоваться в практических целях без предварительной консультации специалиста. Несмотря на то, что, по мнению авторов, публикуемые технические сведения верны, Институт никеля, его члены, сотрудники и консультанты не гарантируют их пригодности для общего или специального использования и не несут никакой ответственности в связи с опубликованной здесь информацией. ISSN 0829-8351 Отпечатано в Канаде на бумаге, изготовленной из вторичного сырья компанией Hayes Print Group. Графические материалы предоставлены: Обложка: istock©Igor Borisenko Стр. 5 istock©mustafa güner, стр. 7 istock©metamorworks, стр. 10 istock©Andy

4 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г.

40 лет

никелевой токсикологии

Команда NiPERA в 2020 г.

Д-р Сэм Бакстон (Dr. Sam Buxton), д-р Эмили Гарман (Dr. Emily Garman), д-р Кейт Хейм (Dr. Kate Heim), Конни Лоусон (Connie Lawson), д-р Тара Лайонс-Дарден (Dr. Tara Lyons-Darden), исполнительный директор д-р Адриана Оллер (Dr. Adriana Oller) с бывшим исполнительным директором д-ром Хадсоном Бейтсом (Dr. Hudson Bates), д-р Адриана Оллер (Dr. Adriana Oller), д-р Крис Шлекат (Dr. Chris Schlekat), д-р Майк Тейлор (Dr. Mike Taylor), д-р Элли Траудт-Миддлтон (Dr. Ellie Traudt-Middleton)

КОРОЛЕВСКИЙ МОНЕТНЫЙ ДВОР КАНАДЫ

Медаль, наполненная смыслом Это одновременно и прикрепляемый к одежде символ солидарности, выпущенный в честь работников экстренных служб, и жизненно важный инструмент привлечения средств в Фонд срочной помощи COVID-19, созданный канадским клубом Breakfast Club of Canada. Королевский монетный двор Канады своевременно выпустил новую никелированную стальную медаль с магнитиком, чтобы её обладатель мог прикрепить медаль к одежде. Работники Монетного двора пожертвовали на её создание своё время, умение и опыт, чтобы помочь детям и семьям, столкнувшимся с продовольственной нестабильностью из-за короновирусной инфекции COVID-19. На медали изображены сердце и кленовый лист, олицетворяющие коллективную силу духа канадцев, «ставших плечом к плечу для помощи нуждающимся», — так сказано в заявлении Королевского монетного двора. Дизайн также включает в себя сложную систему микрозеркал, создающих вокруг сердца эффект пульсирующего света, навевающего ассоциацию с биением «сильного сердца Канады».

Воздушный фильтр, улавливающий короновирусы В ответ на угрозу возможности передачи вируса SARS-CoV-2 воздушным путём через системы кондиционирования воздуха исследователи из Университета Хьюстона (University of Houston) в сотрудничестве с другими учёными разработали фильтр, улавливающий и мгновенно убивающий вирус короновирусной инфекции COVID-19. Фильтр, изготовленный из уже имеющейся на рынке никелевой пены, при нагревании до 200 °C (около 392 °F) за один прогон убивает 99,8% вирусов SARS-CoV-2. Эта система дезинфекции подогревом воздуха прокладывает путь

СНИМОК ЛЮБЕЗНО ПРЕДОСТАВЛЕН ОРГАНИЗАТОРАМИ ГОНОК ФОРМУЛА Е

для предотвращения передачи вируса в закрытых средах. Исследователи советуют поэтапное внедрение устройства, начиная с первостепенных объектов, где ключевые работники и сотрудники экстренных служб подвергаются повышенному риску инфицирования, — например, в школах, больницах и учреждениях здравоохранения, а также в условиях изолированных сред общественного транспорта — таких как самолёты. Они также предвидят будущее использование таких фильтров в аэропортах,

Снова в колее

офисных зданиях, на круизных лайнерах для предотвращения распространения короновирусной инфекции COVID-19.

Для завершения сезона 2019/2020 гг., прерванного глобальной пандемией, ускоренными темпами в течение всего девяти дней было проведено шесть гонок в рамках серии Формула Е. Как сказал генеральный директор Формулы Е Джейми Ригл (Jamie Reigle), команда Формулы Е, работа которой была приостановлена в марте из-за короновирусной инфекции COVID-19, прилагала усилия к возобновлению гонок, ставя при этом во главу угла «здоровье и безопасность нашего сообщества». На территории проведения гонок находились только необходимые сотрудники и сами гонщики. Чемпионат прошёл без допуска зрителей на трибуны. Организаторы девятидневного фестиваля представили три разные конфигурации трассы, «являющие собой новый вызов и создающие условия для непредсказуемой и драматичной кульминации нашего сезона», — сказал г-н Ригл. Двенадцать команд завершили гонки на знаменитой территории бывшего берлинского аэропорта Темпельхоф. Все электромобили были оснащены аккумуляторами одинаковой конструкции, поставленными компанией McLaren Applied Technology. В них использовались энергоёмкие никель-кобальт-алюминиевые (NCA) аккумуляторные батареи японского производителя Murata, которые позволили увеличить скорость до 299 км/час и удвоить пробег, в силу чего более не требуется замены автомобиля на гоночной дистанции.

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г. | 5

КОМПАНИЯ SANDVIK

ПРОЕКТ SWEDISH METAL. УСТОЙЧИВОЕ СТАЛЕЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО С ПОМОЩЬЮ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Цель шведского проекта Swedish Metal — практическое применение искусственного интеллекта в сталелитейной промышленности.

6 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г.

Вспоминая об основных этапах промышленного развития, можно задаться вопросом: какое отношение к сталелитейному делу может иметь концепция пятой индустриальной революции — Индустрия 5.0 (Industry 5.0)? Принимая во внимание существенные нагрузки, высокие температуры и агрессивные среды, резонно спросить себя, не слишком ли суровы условия, чтобы такая высокотехнологичная концепция, как машинное обучение, оставалась эффективной? Интеграция машинного обучения Реальность такова, что инфраструктура минерального сырья и производства металла уже десятилетиями взаимодействует с операторами через компьютерные системы. Только вопросом времени являлась интеграция алгоритмов машинного обучения в это взаимодействие (гораздо более эффективное, чем при участии

человека) и создание целостной картины — картины возможных связей между входом (т.е. сырьём, временем и температурой) и выходом (качеством сталелитейного продукта, парниковыми газами и отходами — например, шлаками). Объединённые усилия Вот уже почти два года, как шведская компания по производству углеродистой

стали SSAB и шведский производитель

понятию «простой». Во-первых, в

многих марок никельсодержащей

процессе участвует много переменных.

нержавеющей стали компания Sandvik

Во-вторых, на входе существует и элемент

объединили усилия с Университетом Шёвде

неопределённости (например, средний

(University of Skövde). У каждой из сторон-

химический состав пакетов металлолома),

партнёров свой подход к совместному

помочь разобраться в которой может

проекту. Целью компании Sandvik является оптимизация использования внутренних отходов металла для снижения потребления первичных сплавов и сокращения риска ошибок при формировании состава сплава. Компания SSAB сосредоточилась на оптимизации времени протекания и температуры конвертерного процесса для снижения энергопотребления и эмиссий. В этих целях отражается стремление сделать производство стали более устойчивым как с точки зрения входа (потребление сырья и энергии), так и выхода (шлаки и эмиссии). Более того, в этом можно предвидеть и

искусственный интеллект, чтобы достичь желаемого результата на выходе. • Качество конечного продукта во многом определяется тем, что происходит в жидкой фазе. Поэтому инвестирование в машинное обучение на этой фазе улучшает качество продукции на выходе. • Сырьё и электроэнергия — основные факторы стоимости сталелитейного производства. Вот потому-то и есть смысл инвестирования в программы модернизации на этом уровне. • И, наконец, как указывает компания

роль искусственного интеллекта (ИИ),

SSAB, именно производство углеродистой

когда в процессе выплавки стали решение

стали детально прописано по циклам

оператора-сталевара опирается на машинное

автоматизации процесса и контроля.

обучение. Это могло бы уменьшить разрыв между качеством конечного продукта, получаемого опытными металлургами, и конечным продуктом, получаемым новичками. Моделирование и неоднократное повторение принятия таких решений тестируется на основе информативной помощи операторов-сталеваров, а результаты используются для совершенствования инструмента машинного обучения. Путь сталелитейных продуктов «от лотка до ворот» состоит из целого ряда этапов, таких как первоначальная фаза, которая включает в себя процессы плавления и литья сталей и горячую ковку/штамповку. Во время вторичной фазы производственных этапов сталелитейная продукция обрабатывается термически, зачастую прокатывается в холодном состоянии и подвергается финишной обработке. Итак, почему вдруг обе

Методы моделирования известны, а существующие базы данных репрезентативны, особенно для таких довольно стандартных продуктов, как углеродистая сталь. Большой плюс Сейчас, когда почти половина проекта уже позади, и сталелитейные компании, и команда Университета Шёвде утверждают, что большим плюсом сотрудничества является масштаб полученных учёнымикомпьютерщиками и металлургами друг от друга сведений. Хотя разные сегменты сталелитейной промышленности используют разные модели и пакеты данных и, скорее всего, требуют индивидуального моделирования, все участники разделяют мнение, что искусственный интеллект может сделать

сталелитейные компании избрали один и тот

сталеплавление более эффективным.

же сегмент производственного процесса для

Даже при том, что это не простые,

тестирования искусственного интеллекта?

автоматически настраиваемые

Причины тому множественны:

и конфигурируемые программы,

• Первоначальная фаза производства

концепции пятой индустриальной

стали — довольно чётко прописанный,

революции — Индустрия 5.0 — выглядят

детерминированный процесс. Ряд

многообещающе для сталелитейной

входных переменных всегда даёт весьма

промышленности и производства многих

предсказуемый результат. В этом процессе

других никельсодержащих продуктов. У

всё предопределено. Однако понятие

них прекрасное будущее. Это будет дивный

«детерминированный» не равнозначно

новый мир.

Можно предвидеть роль искусственного интеллекта там, где в процессе выплавки стали решение операторасталевара опирается на машинное обучение. Это могло бы уменьшить разрыв между качеством конечного продукта, получаемого опытными металлургами, и конечным продуктом, получаемым новичками.

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г. | 7

КОНЦЕПЦИЯ «ИНДУСТРИЯ 5.0» ТЕХНОЛОГИЯ ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА МЕТАЛЛОВ И НИКЕЛЬ

КОМПАНИЯ EXPANSE MICROTECHNOLOGIES

Тогда как мы всё ещё находимся на четвертом этапе промышленной революции, называемом Индустрия 4.0 (инновативное производство с помощью интеграции искусственного интеллекта, обработка данных на удалённых «облачных» интернетсерверах, производство по принципу «строго вовремя» и так называемый «интернет вещей» — вычислительная сеть физических объектов/«вещей», оснащённых встроенными технологиями для виртуального взаимодействия друг с другом или со внешней средой), термин «Индустрия 5.0» и его японский эквивалент «Общество 5.0» постепенно приобретают популярность. Основной принцип, лежащий в основе четвёртой индустриальной революции, определяет, что соединение производственного оборудования, интеллектуальных устройств контроля и мониторинга, а также связь с клиентами и производителями в реальном времени на основе интернета создаёт интеллектуальные сети через цепочки поставок и создания добавленной стоимости.

Рис. 1. Рабочее колесо диаметром 5 см, выполненное в сплаве из нержавеющей стали 17-4PH (UNS S17400)

В перспективе следует ожидать возврата непосредственного человеческого участия для обеспечения следующего уровня усложнённости, реагирования и релевантности с целью удовлетворения развивающихся потребностей человечества — отсюда и термин «Общество 5.0». Углубляющаяся интеграция производственных систем и участия человека в их работе и управлении обеспечивает слияние высокоскоростной точности промышленной автоматизации с когнитивными, критическими и интуитивными творческими способностями человека. С 2015 г. японские власти стали продвигать концепцию «Общество 5.0» — идею, которая в центр технологического развития ставит всё общество как единое целое, а не только промышленность. Отводя технологии роль катализатора и движущей силы, концепция «Общество 5.0» ставит своей целью рост благосостояния всех членов общества и стремится к построению суперинтеллектуальной общественнотехнологической экосистемы. «Общество 5.0» берёт за основу концепцию «Индустрия 5.0» и в её центр помещает человека. Как эти преобразования влияют на производство и использование металлов, в частности никеля? Давайте рассмотрим этот вопрос, начав

8 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г.

с краткого обзора новейших тенденций развития производственных технологий, уделив особое внимание технологии послойного синтеза (ТПС или объёмная, трёхмерная печать, 3D печать, аддитивная технология) с использованием металлов (ТПС металлов). Технология послойного синтеза металлов — быстрорастущее направление, являющееся катализатором революции в современном производстве. Самый распространённый подход состоит в использовании металлических порошков в качестве исходного материала и их лазерном спекании для послойной сборки объёмных объектов. Лазерная обработка представляет собой нагрев металлических частиц до точки плавления данного металла (~1,500 °C для никельсодержащих сталей) с целью их сплавления или «сварки» и в тщательном подборе параметров управления лазерным пучком (среди всех прочих — энергия, размер пятна лазерного пучка, схема лазерного сканирования) для создания объекта максимальной плотности — такого, как изображённый на Рис. 1. Многочисленные другие подходы состоят из различных методов доставки энергии, включая пучок электронов, ультразвук, кинетическую энергию (холодное распыление), электрическую/плазменную

На Рис. 3 приведён более детальный список разных технологий объёмной печати

Осаждение подаваемого порошка при помощи энергии лазера

Порошок

Металлическая литография

ШИРОКОЕ ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

2 3 4

6 7

ПЕРВОЕ ПРИМЕНЕНИЕ 8 9 10

ПРОТОТИПНАЯ СИСТЕМА 12 1

ПОЛУЧЕНИЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА КОНЦЕПЦИИ 0

НА ОСНОВАНИИ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЫВОДОВ КОМПАНИИ AMPOWER

Послойная отливка объёмных объектов — метод, давно известный в никелевой промышленности. Именно так производятся карбонил-никелевые и ферроникелевые гранулы — при помощи химического парофазного осаждения из пентакарбонила железа (Fe(CO)5) и тетракарбонила никеля (Ni(CO)4). Этот процесс был открыт Людвигом Мондом (Ludwig Mond) в конце XIX века. На Рис. 4 приведено изображение ферроникелевой гранулы в разрезе. На нём видна структура чередующихся слоёв с повышенным содержанием то никеля, то железа. Вместе эти слои формируют повторяющийся узор. Гранулы находятся в области с однородным распределением температуры, и внутри реактора осаждение каждого слоя происходит на поверхности всех гранул одновременно. Из-за разницы свойств карбонилов никеля и железа декомпозиция каждого вещества происходит преимущественно в каком-то определённом месте в реакторе, что приводит к выделению слоёв с повышенным содержанием то никеля, то железа. Можно легко представить себе возможность в недалёком будущем осаждать металл в точно определённом месте, если энергия поставляется посредством

Выборочное лазерное Плавление порошков в заранее Осаждение суспензии спекание металлических сформированном слое при компонентов помощи лазерного пучка в матрицу Разбрызгивание продуктов Плавление порошков в порошковой металлургии заранее сформированном слое при помощи электронного луча

Разбрызгивание связующего вещества

Д ЛИ Т Е ЛЬНОС Т Ь ПЕРИОД А ДО Н АЧ А Л А ПР ОМ Ы Ш ЛЕННОГ О ИСПОЛЬЗОВА НИ Я

металлами. Судя по количеству вовлечённых компаний, очевидно, что на сегодняшний день плавление порошков в заранее сформированном слое при помощи лазерного пучка — это превалирующий подход к объёмной печати металлом. П О К А З АТ Е Л Ь И Н ДУС Т Р И А Л И З А Ц И И

дугу и экструзионное прессование или разбрызгивание композитного металлполимерного материала (например, волокон с металлическим порошковым наполнителем). Затем следуют обычные процессы удаления связующего материала и спекания. Рис. 2 представляет обобщённую карту стадий развития технологий (показатель индустриализации в сравнении с индексом отлаженности технологических процессов), показывающую, что самые передовые процессы осаждения, согласно обеим шкалам, — это такие процессы, как спекание или плавление порошков в заранее сформированном слое при помощи лазерного пучка (процесс LB-PBF), лазерное порошковое осаждение (также известное как «осаждение подаваемого порошка» или «осаждение материала при помощи направленного энергетического воздействия»), воздействие пучком электронов, электрической/плазменной дугой и электронно-лучевое осаждение методом расплавления проволоки. Такие технологии, как Filament FDM (моделирование методом послойного наложения расплавленного полимерного волокна с металлическим порошковым наполнителем) и разбрызгивание связующего вещества, стремительно приближаются к подобному высокому уровню отлаженности технологических процессов.

И Н Д ЕКС ОТЛ А Ж ЕН Н О С Т И Т Е Х Н О Л О Г ИЧ ЕС К И Х П Р О Ц ЕССО В Достигнут за период

< 2 лет

1. Спекание в заранее сформированном слое при помощи лазерного пучка 2. Лазерное порошковое осаждение 3. Спекание в заранее сформированном слое при помощи электронного луча 4. Осаждение электрической/ плазменной дугой методом расплавления проволоки 5. Послойное наложение расплавленного полимерного волокна с металлическим

2-5 лет

5+ лет

порошковым наполнителем 6. Электронное осаждение методом расплавления проволоки 7. Разбрызгивание связующего вещества 8. Холодное распыление 9. Лазерное осаждение методом расплавления проволоки 10. Послойное наложение расплавленного полимерного волокна с металлическим гранулированным наполнителем 11. Сварка с помощью ультразвука 12. Разбрызгивание наночастиц

Рис. 2. Показатель индустриализации в сравнении с индексом отлаженности технологических процессов в разных технологиях послойного синтеза металлов

а Гран ул

Лист

ка

у то

ло

раДис сс п е еи р в а сия ни , Пр е

но

во

Моделирование методом осаждения расплавленного металлического волокна

ок

ро

л Во

Осаждение проволоки электрической/ плазменной дугой

Моделирование методом осаждения расплавленных металлических гранул

Разбрызгивание наночастиц

Осаждение подаваемой проволоки энергией лазерного пучка/ электронного луча

Контактная сварка Фрикционное осаждение

Сварка с помощью ультразвука

Рис. 3 Обзор технологии: Объёмная печать металлом. Всего известно более 18 различных печатных процессов объёмной печати металлом. В аналитических выводах компании AMPOWER приводятся обзор и классификация самых важных технологических процессов.

Печать расплавленным металлом

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г. | 9

АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ КОМПАНИИ AMPOWER

Холодное распыление

В типичном современном автомобиле находится от 60 до 100 датчиков. Они помогают эффективной работе двигателя и безопасному и удобному управлению автомобилем. Аналогичным образом датчики стали неотъемлемой частью и обрабатывающих и перерабатывающих отраслей промышленности, воздушно-космической индустрии и здравоохранения. Для успешного претворения в жизнь концепции Индустрия 5.0 огромное количество информации со всех операционных компонентов системы должно быть мгновенно и одновременно доступно и проанализировано, причём эта информация будет поступать с датчиков разного типа. Технология послойного синтеза может быть использована двояко: можно напечатать сами датчики, а также можно встроить их в детали в момент печати. Как и в случае со стандартными деталями, производимыми методом объёмной печати, такие датчики можно проектировать по техническим условиям заказчика и изготовлять быстро, эффективно и небольшой партией. Датчики печатаются из разных материалов, в том числе из никельсодержащих нержавеющих сталей и никелевых сплавов. Их размеры варьируются от субмикронных до огромных масштабов. Можно печатать датчики разного типа, в том числе тензометрические, датчики давления, силы, расхода, вибрации и многие другие. С ростом потребности в датчиках будет расти и их производство методом объёмной печати.

Затравочный кристалл никеля

Ферроникелевые слои кольцевидной структуры 1 мм

Рис. 4 Слоистая структура ферроникелевых гранул (тёмный слой — с повышенным содержанием никеля, светлый слой — с повышенным содержанием железа)

2020 г.), ожидается продолжение быстрого роста металлической объёмной печати, а никель будет продолжать играть ключевую роль во многих областях применения.

точно направленного лазерного пучка, формирующего объёмный объект из никеля (Рис. 5). Развитие таких методов парофазной объёмной печати металлом находится всё еще на этапе лабораторных исследований. По состоянию на 2020 г. в объёмной печати металлом в основном используются такие металлы, как титан, нержавеющая сталь, инструментальные стали, алюминий и суперсплавы на основе никеля. Никель применяется не только в нержавеющих сталях — его сплавы играют важную роль в воздушно-космической индустрии, производстве инструментов и в прочих областях, предъявляющих особо высокие требования к своей продукции, что делает никель важной составляющей ценных высококачественных металлических деталей, созданных методом объёмной печати. Хотя общий объём металлических порошков, используемых в качестве исходного материала принтеров металлической объёмной печати, невелик по сравнению с объёмом, применяемым при обычном методе формовки металлов (в совокупности около 3 тыс. тонн всех металлических порошков в

Объёмная печать никелевыми суперсплавами является сейчас особенно активной областью исследований из-за высокого потенциала их применения в таких отраслях, как воздушно-космическая индустрия и приборостроение. Быстрый рост объёмной печати металлами продолжается. Она потенциально способна стать одной из самых революционных технологий в обработке металлов. Воздушнокосмическая индустрия, которая, как правило, одной из первых применяет новаторские технологии, возглавляет развитие их прикладного использования наряду с приборостроением и медицинской промышленностью. Но остаётся и ряд сложных проблем. В их число входят повышенные требования безопасности (работа со взвешенными металлическими частицами), сложное регулирование, малые объёмы производства из-за несовершенства процессов, ограниченные размеры оборудования, длительное время изготовления, ограниченная доступность экономически выгодных металлических порошков, необходимость развития

M2N TECHNOLOGIES

Лазерный пучок Исходное вещество

необходимо принять в разных отраслях

E=hv

Пиролитическое осаждение

E=cT

передовых методик производства, технических условий и стандартов, которые

Фотолитическое осаждение

Осаждение

промышленности. Никелю суждено быть одним из центральных участников этой новой

Подложка

категории металлических исходных печатных материалов и являться движущей силой развития производства деталей с

Датчик давления из нержавеющей стали, созданный методом объёмной печати.

10 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г.

высокими рабочими характеристиками в Рис. 5. Осаждение с наведением лазерным пучком из парофазного металлического исходного вещества

следующем поколении продукции, которую будут производить самые разные отрасли промышленности.

ВАЛЕРИ ЧАНИ (VALERY CHANI)

Датчики, созданные на основе объёмной печати

СТИМУЛИРУЕТ ЛИ ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ ПРИМЕНЕНИЕ НИКЕЛЯ? За последние годы искусственный интеллект (ИИ) был внедрён во многие сферы нашей жизни. Промышленность не стала исключением, и разработка новых сплавов является одной из перспективных областей его промышленного применения. Как правило, на разработку нового сплава

Программное обеспечение требует наличия

исследовательский коллектив тратит около

огромных массивов данных. Искусственный

десяти лет. Такая работа требует высокой

интеллект, использующий форму глубокого

степени компетентности и понимания

обучения, может собирать информацию,

взаимодействия между различными легирующими компонентами для получения сплава с заданными свойствами и для возможности его производства в промышленных масштабах. Искусственный интеллект потенциально способен значительно сократить время разработки сплава и оказать поддержку даже менее опытным разработчикам.

генерировать диаграммы, коррелируя несколько показателей путём прочтения и подбора слов, имеющих отношение к процессам производства сплавов, металлическим структурам сплавов, а также к физическим свойствам сплавов. В настоящее время программа извлекает информацию из базы данных издательства Elsevier, но её можно адаптировать к

Д-р Икуму Ватанабе (Ikumu Watanabe),

потребностям заказчика, расширить

старший научный сотрудник японского

таким образом, чтобы она могла читать

Национального института материаловедения

собственные технические данные компании

(National Institute for Materials Science

и собирать большие данные из интернета.

(NIMS)), и его команда создали программную поддержку разработки сплавов, основанную на идеях искусственного интеллекта. Программа рассчитывает самый подходящий химический состав и соответствующие технологические операции для получения никельсодержащих и прочих сплавов с заданными свойствами. Программное обеспечение устанавливает корреляции между многочисленными характеристиками, структурами и технологическими процессами и позволяет усовершенствовать свойства сплава. Например, требуется жаростойкий сплав, обладающий одновременно и устойчивостью к ползучести, и фазовой устойчивостью. На практике, как правило, одно свойство усиливается за счёт

В настоящее время она анализирует только корреляцию между качественными признаками, но целью создателей является возможность в будущем работать и с количественными данными для реальной работы в компании заказчика. Конечные пользователи могут извлечь большую пользу из этой программы. Например, если мы сможем улучшить термостойкость существующего никелевого сплава, то можно будет улучшить эффективность потребления топлива воздушным судном или

Введение в техническое задание таких свойств, как модуль упругости, прочность, ковкость, предел усталости, свариваемость и фазовая устойчивость, позволяет программе просчитать, как именно получить заданные физические свойства в новом сплаве.

теплоэлектростанцией, а также сократить выброс углекислого газа. Существует потенциальная возможность быстрее

других. Достижение баланса — сложная

выпустить на рынок суперсплавы никеля

задача для разработчика сплава, и именно

с помощью искусственного интеллекта,

здесь искусственный интеллект способен

при этом общество попутно получит

оказать помощь.

экологические выгоды.

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г. | 11

МЕДНОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ В КОСМОСЕ

HTTPS://WWW.ENVIRONMENTAL-EXPERT.COM/COMPANIES/KCM-SPECIAL-STEEL-CO-LTD-100088/

Как известно, около 70% всего произведённого никеля используется в производстве нержавеющей стали. Нержавеющая сталь была открыта рядом независимых исследователей в 1912 г., однако коррозиестойкие сплавы на основе никеля использовались и раньше. В 1906 г. был запатентован медноникелевый сплав (Ni-Cu), созданный Международной никелевой компанией (ИНКО) (International Nickel Company (INCO)). Теперь он включает в себя целую группу никелевых сплавов, содержащих приблизительно две трети никеля и треть меди, известных под названием Monel®. Будучи крепче чистого никеля,

старением и обладающую большей

медноникелевые сплавы обладают

прочностью. При помощи метода гамма-

великолепной сопротивляемостью

осаждения достигается предел текучести,

коррозии в ряде неокисляющих кислот и

превышающий 690 Мпа (100 тысяч фунтов

щелочных сред, включая быстро текущую

на кв. дюйм), что в три раза выше, чем у

морскую воду. Медноникелевые сплавы

сплава 400 (N04400).

показывают исключительную стойкость

Аэрокосмическая индустрия

к плавиковой кислоте в любых её концентрациях и вплоть до точки кипения и резистентны ко многим формам серной и соляной кислот в условиях окислительновосстановительных реакций.

обнаружить в трубках и трубах, прутке и проволоке, используемых в разных аэрокосмических приборах. Естественная сопротивляемость медноникелевых

Свойства

сплавов горению в кислороде, их

Медноникелевые сплавы также обладают

великолепные свойства при минусовых

великолепной окислительной стойкостью (стойкостью к горению) в среде с высокой концентрацией кислорода, великолепными техническими характеристиками как при минусовых температурах, так и

12 | «НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г.

Медноникелевые сплавы можно

температурах и высокая прочность K-500 сделали этот сплав важным компонентом производства турбонасосов для установок окисления в ракетных двигателях на жидком топливе, обогащённом

при температурах, доходящих до 550°C

кислородом, таких как Blue Origin BE-4.

(1020°F). Медноникелевые сплавы можно

Производители двигателя Blue Origin

легко обработать при помощи горячего

воспользовались технологией послойного

деформирования, холодной ковки,

синтеза — объёмной печатью — для

механической обработки и сварки.

производства многих ключевых деталей

Самой известной маркой в этой группе

подпиточного насоса Ox Boost Pump

является сплав 400 (N04400). Его можно

(OBP). Его корпус представляет собой

упрочнять только при помощи холодной

напечатанную целиком алюминиевую

ковки. Однако добавка алюминия и

деталь. Все ступени гидравлической

титана (в 1924 г.) помогла создать версию

турбины распечатаны из сплава K-500.

K-500 (N05500), способную упрочняться

Такой метод производства позволяет

Крайний слева — корпус насоса Ox Boost Pump двигателя Blue Origin BE-4, который представляет собой напечатанную целиком алюминиевую деталь. Все ступени гидравлической турбины распечатаны из сплава K-500. Слева — механик проверяет насос Ox Boost Pump. © 2007 - 2020 BLUE ORIGIN,

Внизу слева — насос Ox Boost Pump. Он виден в нижней части изображения. Внизу — ракета-носитель New Glenn с двигателем Blue Origin

интегрировать сложные внутренние газовоздушные каналы в корпусе как единое целое, что было бы гораздо сложнее сделать, используя обычные технологии. Турбинные сопла и роторы тоже созданы

требуемых величин. Даже сегодня разработанные более века назад медноникелевые сплавы играют существенную роль в самых современных приборах с высокими эксплуатационными

минимальная механическая подгонка до

характеристиками.

ВИКИМЕДИЯ КОММОНС (WIKIMEDIA COMMONS)

методом объёмной печати. Им необходима

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г. | 13

СПРОСИ ЭКСПЕРТА ПОПУЛЯРНЫЕ ВОПРОСЫ НА САЙТЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ИНСТИТУТА НИКЕЛЯ

В О

В большинстве случаев это магнитное притяжение значения не имеет. Вместе с тем сопутствующий рост прочности на разрыв может иметь практическую Влияние холодной пластической деформации на магнитную проницаемость хромоникелевых нержавеющих сталей 15

301 (S30100) 304 (S30400)

316 (S31600)

310 (S31000)

6 3 0

Обжатие в холодном состоянии (%)

14 |14«НИКЕЛЬ», | «НИКЕЛЬ», Т. 35, Т. 35, № 1, №2020 2, 2020 Г. Г.

значимость при производстве таких деталей, как механизмы ремней безопасности в автомобилях, проволочные и ленточные пружины и даже хирургически иглы. Однако в некоторых приборах оно может явиться причиной возникновения проблем — в том оборудовании, функционирование которого может сбиться из-за наличия небольшого намагничивания, таком как приборы магнитно-резонансной томографии. В таких случаях используются марки с более высоким содержанием никеля, имеющие стабильный аустенит. Зайдите на сайт: inquiries.nickelinstitute.org

ЖУРНАЛ

«НИКЕЛЬ»

О Н Л А Й Н

Гир Мо (Geir Moe), лицензированный инженер, является координатором Службы технической консультации Института никеля. Наряду с другими специалистами-материаловедами, находящимися в разных странах мира, Гир Мо помогает конечным пользователям и спецификаторам никельсодержащих материалов, заинтересованным в получении технической помощи. Для того, чтобы пользователи с уверенностью применяли никель, эта команда всегда готова бесплатно предоставлять технические консультации по широкому ряду тем, таких, например, как нержавеющие стали, никелевые сплавы и никелирование

При температуре приблизительно 727 °C и выше сталь имеет немагнитную микроструктуру, которую называют аустенитной. Ниже этой температуры структура стали магнитная, она называется ферритной. Добавление определённого количества никеля в сталь делает аустенитную структуру стабильной при комнатной температуре. Вот почему аустенитные нержавеющие стали, такие как марка 304, не обладают магнитными свойствами. Однако аустенит марок 304 (S30400) и 301 (S30100), в особенности 301 (S30100), метастабилен (находится в состоянии стабильности, которое сохраняется при не очень больших возмущениях). Это означает, что, когда происходит его пластическая деформация (например, ковка), часть этой аустенитной структуры может трансформироваться в новую магнитную микроструктуру — в так называемый мартенсит деформации, в котором повышена прочность на разрыв. Чем выше пластическая деформация, тем больше формируется мартенсита, и, следовательно, больше сила магнитного притяжения и выше прочность.

Магнитная ппроницаемость при H=50

ИСТОЧНИК: СПРАВОЧНИК ПО КОРРОЗИИ КОМПАНИИ AVESTA SHEFFIELD, ИЗД. 8 (AVESTA SHEFFIELD CORROSION HANDBOOK, 8TH EDITION)

В: Почему никельсодержащие аустенитные нержавеющие стали, такие как марка 304, иногда обладают магнитными свойствами?

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал «Никель». При появлении нового выпуска на сайте вы будете получать уведомление по электронной почте www.nickelinstitute.org ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на нескольких языках www.nickelinstitute.org/library/ ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля 2009 г. www.nickelinstitute.org/library/ СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в Твиттере Twitter @NickelInstitute ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) — зайдите на страничку Института никеля СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute

НОВЫЕ ПУБЛИКАЦИИ Выбор сплава для работы в органических

к разряду самых важных химических

кислотах (10063). В этом материале

реагентов в промышленности. Они являются

рассматривается корродирующее

строительным блоком для многих сложных

воздействие органических кислот, таких

веществ — от лекарств и медикаментов,

как муравьиная, уксусная и кислоты

таких как аспирин, до пластмасс и волокон.

жирного ряда во всех их концентрациях. Корродирующее воздействие органических кислот усложняется тем, что они существуют не изолированно, а как технологические

Новая полностью переработанная редакция этой технической публикации Института никеля — полезное руководство для инженеров-материаловедов.

смеси с неорганическими кислотами, органическими растворителями и солями.

Эту публикацию можно бесплатно

Сегодня органические кислоты относят

загрузить с сайта www.nickelinstitute.org

НОВАЯ ОЦЕНКА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА НИКЕЛЯ (LCA) Готова последняя база данных оценки жизненного цикла (LCA) металлического никеля, ферроникеля и никелевого сульфата (2017 отчётный год). В отчёте представлен выверенный и транспарентный анализ входа (энергия, технологические химические реагенты или вода) и выхода (эмиссии в воду, воздух или отходы) процесса производства никеля. В работе над обзором приняли участие девять компаний-членов Института никеля и их двадцать четыре производственных объекта разных стран мира. «Исследование основано на данных, покрывающих 52% мирового производства металлического никеля, 47% ферроникеля

и 15% никелевого сульфата, — объясняет д-р Марк Мистри из Института никеля, возглавлявший этот проект. — Обзор составлен по стандартам ISO и прошёл независимую экспертную оценку. Это уже третье обновление базы данных жизненного цикла никеля. Его публикация показывает заинтересованность компаний-членов Института никеля в предоставлении клиентам и конечным пользователям высококачественной информации». Инфографику краткого содержания обзора LCA можно загрузить с сайта Института никеля. Полная версия отчёта предоставляется по запросу. communications@nickelinstitute.org

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (весовой в %) сплавов и нержавеющих сталей, упомянутых в данном выпуске журнала «Никель»

UNS

S17400 p. 8

0.07 max.

15.017.5

3.005.00

bal.

1.00 max.

0.150.45

3.005.00

0.040 max.

0.030 max.

1.00 max.

S30100 p. 14

0.15 max.

16.018.0

bal.

2.00 max.

0.10 max.

6.08.0

0.045 max.

0.030 max.

1.00 max.

S30400 p. 2, 14

0.08 max

18.020.0

bal.

2.00 max.

8.010.5

0.045 max

0.030 max

1.00 max

S31600 p. 14

0.08 max.

16.018.0

bal.

2.00 max.

10.014.0

0.045 max.

0.030 max.

1.00 max.

NO4400 p. 11

0.3 max.

bal.

2.50 max.

2.00 max.

63.070.0

0.024 max.

0.50 max.

NO5500 p. 11

2.303.15

0.25 max.

bal.

2.00 max.

1.50 max.

63.070.0

0.01 max.

0.50 max.

0.350.85

«НИКЕЛЬ», Т. 35, № 2, 2020 Г. | 15

КОМПАНИЯ SPACEX

КОНЕЦ ОДНОРАЗОВЫХ РАКЕТ

Две трети ракеты-носителя сверхтяжёлого класса Falcon Heavy — два ускорителя — с триумфом «станцевали па-де-де» и возвратились в Космический центр им. Кеннеди в феврале 2018 г. Из тридцати попыток приземления на морскую платформу двадцать пять прошли успешно. С наработанным опытом неудачи стали исключением, а не правилом.

Нет, этого ещё не произошло, но смелое начало уже положено. Процесс «запуск и восстановление» находится на пути к тому, чтобы стать обычной практикой: компания SpaceX уже более 50 раз восстанавливала первую ступень ракеты-носителя Falcon 9, а три из этих ступеней побывали в космосе уже пять раз. Быстро восстанавливаемый и экономичный многоразовый модуль для отправки человека в космическое пространство, SpaceX Crew Dragon, триумфально вернулся на Землю 2 августа 2020 г. Теперь уже не скажешь «Этот неподражаемый запах нового космического аппарата»: космический корабль будет использован повторно — только, возможно, копоть придётся смыть. Интересно, что внимание уделялось больше трубам, чем десяти двигателям Merlin (девять предназначены для первой ступени, а один для второй). Каждый раз, когда приземляется первая ступень, её девять двигателей Merlin остаются неповреждёнными, готовыми к новой заправке и повторному использованию. Цель — добиться десяти запусков подряд

16 | «НИКЕЛЬ», 2, 2020 «НИКЕЛЬ», Т. 35,Т.№35,2, № 2020 Г. Г.

перед восстановительным ремонтом для возврата в эксплуатацию. Конечный срок службы пока неизвестен, но по его достижении около 1125 кг никельсодержащих сплавов будет извлечено и пущено в повторный оборот… за исключением того, что попадёт в музеи как свидетельство человеческой гениальности и целеустремлённости.