Результат. СОГЛАШЕНИЕ №14.613.21.0049 / Результат_этап 2
В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 11 ноября 2015 г. № 14.613.21.0049 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01 января 2016 г. по 31 декабря 2016 г. выполнены следующие работы:
- разработана многоуровневая компьютерная модель поверхностных слоев металлокерамического композита с явным учетом структурных элементов субмикронного масштаба, а также наноструктурированной керамической компоненты;
- осуществлено компьютерное моделирование отклика поверхностного слоя металлокерамического композита с наноструктурированной керамической компонентой на внешнее механическое воздействие для выявления взаимосвязи механических свойств поверхностного слоя и параметров наноструктурированной керамической фазы;
- получены теоретические оценки параметров наномасштабной структуры поверхностных слоев металлокерамических композитов, обеспечивающих направленное увеличение их механических характеристик;
- проведено электронное облучение образцов модельного металлокерамического композита в плазме тяжелых инертных газов в соответствии с рекомендованными диапазонами технологических параметров облучения;
- проведены исследования микроструктуры, фазового и элементного состава поверхностных слоев образцов металлокерамического композита с наноструктурированной керамической компонентой в зависимости от технологических параметров электронного облучения поверхности образцов;
- иностранным партнером - Институтом исследования металлов Китайской Академии Наук - проведены экспериментальные исследования комплекса физико-механических и трибологических свойств поверхностных слоев модельного металлокерамического композиционного материала TiC-(NiCr) с наноструктурированной керамической компонентой;
- исследование иностранным партнером термической стабильности наноструктурированного состояния керамической компоненты и коррозионной стойкости наноструктурированных поверхностных слоев модельного металлокерамического композита;
- анализ соответствия компьютерной модели данным экспериментальных исследований свойств поверхностного слоя модельного металлокерамического композита с наноструктурированной керамической компонентой и проведение уточняющих вычислений;
- проведены дополнительные патентные исследования, направленные на подтверждение новизны и охраноспособности разрабатываемого в ходе выполнения проекта программного комплекса для многоуровневого компьютерного моделирования процессов накопления повреждений, разрушения и контактного взаимодействия в поверхностных слоях металлокерамических материалов;
- разработан проект Технического задания на проведение последующих прикладных ОКР по созданию программно-аналитического комплекса на основе результатов математического моделирования и экспериментальных исследований закономерностей влияния параметров наноструктурированной керамической компоненты на физико-механические свойства поверхностного слоя металлокерамического композита.
При этом получены следующие результаты:
На основе выполненных на первом этапе предварительных теоретических исследований и обзора литературных данных построена многоуровневая компьютерная модель поверхностных слоев модельного металлокерамического композита, модифицированных высокоэнергетическим импульсным электронно-пучковым облучением в плазме инертных газов. Разработанная модель базируется на ключевых положениях о снижении характерных размеров керамических включений в модифицированных поверхностных слоях на порядок величины и изменении их геометрии и типа упаковки, увеличении объемного содержания керамической фазы в пределах от исходного (50%) до близкого к 100% и упрочнении компонент металлокерамической композиции, связанном с повышением структурного совершенства наномасштабных керамических включений и ростом концентрации примесных атомов и геометрически необходимых дислокаций в объеме металлического связующего. Разработанная компьютерная модель обладает достаточной степенью общности и применима для численного изучения не только поверхностных слоев (в том числе характеризующихся градиентом внутренней структуры и механических свойств) дисперсно-упрочненных металлокерамических композитов различного состава, но и представительных объемов материала вдали от внешней поверхности.
Разработанная компьютерная модель легла в основу программного комплекса для многоуровневого компьютерного моделирования сложных процессов накопления повреждений, разрушения и контактного взаимодействия в поверхностных слоях металлокерамических материалов. На разработанный программный комплекс получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016614245 от 19.04.2016г.
На основе применения разработанной модели для компьютерного исследования механического отклика наноструктурированных поверхностных слоев модельного металлокерамического композита получены оценки интервалов характерных значений размеров и объемных концентраций керамической компоненты, а также механических свойств керамической и металлической компонент, обеспечивающих направленное увеличение и оптимальный баланс значений прочности, твердости и вязкости разрушения модифицированных поверхностных слоев.
Для решения задачи наноструктурирования керамической фазы в поверхностных слоях модельного металлокерамического композита в рамках разработанного на первом этапе лабораторно-технологического регламента проведена высокоэнергетическая обработка поверхностных слоев изготовленных образцов модельного металлокерамического композита путем электронно-пучкового облучения в плазме газового разряда тяжелых инертных газов (криптона и ксенона). Применяемые интервалы технологических параметров обеспечивали различные степени наноструктурирования керамической фазы и изменения механических свойств компонент, в том числе соответствующие теоретическим оценкам.
Проведенные исследования особенностей микроструктуры, фазового и элементного состава модифицированных электронно-пучковым облучением поверхностных слоев в криптон- и ксенонсодержащих плазмах показали формирование в них высокодисперсной структуры с характерными размерами керамической компоненты 100-400 нм и многослойным строением. Показано, что «внешние» модифицированные слои, примыкающие к внешней поверхности, характеризуются ориентированной перпендикулярно поверхности образца наноразмерной металлокерамической структурой столбчатого типа. Промежуточные слои между внешними и внутренними (с исходной структурой) характеризуются более грубой и преимущественно ориентированной перпендикулярно внешней поверхности образца столбчатой металлокерамической структурой и далее - структурой дендритного типа. Конкретные значения толщины слоев зависят от режимов облучения и от выбора плазмы газового разряда. Установлено, что для изучаемого модельного металлокерамического композита на основе карбида титана с никельхромовым связующим (50:50) наибольшая глубина наноструктурирования и минимальные характерные размеры керамических включений во всех составляющих слоях достигаются при облучении в плазме ксенона при энергии воздействия 60 Дж/см2 и длительности импульса облучения 150 мкс. Важно отметить, что при данных параметрах облучения достигаются оптимальные механические свойства керамической и металлической компонент: включения TiC характеризуются максимальными значениями твердости, а в металлическом связующем достигается минимальный общий уровень остаточных упругих напряжений.
Проведенный иностранным партнером комплекс экспериментальных исследований физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных поверхностных слоев показал, что электронно-пучковое облучение обеспечивает направленное повышение значений нано- и микротвердости модифицированных поверхностных слоев, величины предела прочности на изгиб и износостойкости при кратном снижении величины коэффициента трения. При этом наибольшее увеличение этих характеристик достигается в поверхностных слоях, характеризующихся наибольшей толщиной и многослойным строением, а также высокими механическими свойствами керамической компоненты и низкими остаточными напряжениями в объеме металлической компоненты. Максимальные значения комплекса физико-механических и трибологических характеристик поверхностных слоев для модельного металлокерамического композита получены в результате облучения в плазме ксенона при энергии воздействия 60 Дж/см2 и длительности импульса облучения 150 мкс. Величина микротвердости таких слоев возрастает практически в 2 раза, величина прочности на изгиб образцов - также в 2 раза, скорость потери массы при испытании на абразивный износ снижается почти трехкратно, глубина резания алмазным контртелом снижается на порядок величины. Установлено также, что такие поверхностные слои демонстрируют максимальную коррозионную стойкость и высокую термическую стабильность, что является актуальным при использовании металлокерамических элементов в агрессивных средах и при повышенных температурах.
Специальное теоретическое изучение показало, что достижение максимальных механических характеристик модифицированных поверхностных слоев обеспечено сочетанием высокой твердости тонких внешних составляющих многослойной структуры поверхностных слоев, а также большой вязкостью разрушения и значительной (до 20-30 мкм) толщиной промежуточных составляющих. Хорошее количественное и качественное согласие результатов моделирования и экспериментальных исследований подтвердило актуальность разработанного исполнителями проекта Технического задания на проведение последующих прикладных ОКР по созданию программно-аналитического комплекса на основе результатов математического моделирования и экспериментальных исследований закономерностей влияния параметров наноструктурированной керамической компоненты на физико-механические свойства поверхностного слоя металлокерамического композита. Специально проведенное патентное исследование подтвердило новизну и конкурентноспособность данного комплекса и большие перспективы его использования в машиностроительной, авиакосмической и судостроительной отраслях промышленности для кратного снижения объема экспериментальных исследований и уменьшения соответствующих временных и материальных затрат.
Ключевым результатом проведенных работ является подтверждение высокой эффективности предложенного исполнителями проекта нового метода наноструктурирования керамической фазы в поверхностных слоях металлокерамических изделий, получаемых традиционными методами порошковой металлургии и характеризующихся крупными (микромасштабными) размерами дисперсных керамических включений. Особенностью данного метода является использование тяжелых инертных газов с низкой энергией ионизации (криптон, ксенон) в качестве плазмообразующих при электронно-пучковом облучении поверхности образца. Это обеспечивает совмещение облучения электронным пучком с ионной бомбардировкой в едином цикле воздействия. Перспективы и высокая эффективность практического использования данного метода связаны с повсеместным применением металлокерамических композитов в качестве основы штампового, бурового, металлорежущего и обрабатывающего инструмента. В настоящее время металлокерамические элементы российского производства уступают зарубежным практически по всем эксплуатационным свойствам ввиду больших размеров и достаточно высокой дефектности упрочняющих керамических включений. Технологическое переоснащение предприятий с целью повышения конкурентоспособности производимых металлокерамических композитов и изделий из них является крайне дорогостоящим и трудноокупаемым. Результаты выполнения проекта позволяют предложить эффективную альтернативу традиционным способам повышения эксплуатационных свойств металлокерамических материалов, связанным с дорогостоящим увеличением дисперсности исходных порошков и усложнением технологии спекания. Она заключается в высокоэнергетической обработке рабочих поверхностей металлокерамических элементов, производимых по традиционным технологиям, с целью формирования в поверхностных слоях наноструктурных состояний высокотвердой керамической компоненты. Выбор оптимального технологического режима обработки позволяет кратно увеличить значения прочности и износостойкости поверхностных слоев конкретного металлокерамического материала в широком температурном интервале, что подтверждено на примере модельного металлокерамического композита.
Полученные результаты исследований позволяют сделать заключение о полном решении поставленной основной задачи и достижении цели проекта. Полученные результаты являются новыми и полностью соответствуют Требованиям к работам и их результатам.
По тематике проекта на втором этапе сделаны 5 докладов на Международных и Всероссийской конференциях. По результатам исследований опубликованы 5 статей в рецензируемых научных журналах, четыре из которых - в журналах, индексируемых реферативной базой научных публикаций Web of Science.
Проведенный на заключительном этапе комплекс работ является новым и, как свидетельствуют результаты анализа современного состояния исследований в данной области, не имеет мировых аналогов.