Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и апробация технологии получения высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем на основе использования лазерного излучения

Докладчик: Кузин Валерий Викторович

Должность: заведующий кафедрой, профессор, зав. кафедрой

Цель проекта:
1. Одной из причин низкой надежности керамических изделий в экстремальных условиях эксплуатации является крайне сложное напряженно-деформированное состояние их поверхностного слоя. Макронапряжения, сформировавшиеся под действием эксплуатационных нагрузок на уровне конструкции изделия, дополняются микронапряжениями, образовавшимися в структурных элементах керамики и на их границах. В локальных областях поверхностного слоя керамических изделий с наибольшим уровнем микронапряжений образуются и накапливаются структурные дефекты эксплуатационной природы. Развитие этого процесса приводит к формированию структурных концентраторов напряжений в поверхностном слое керамики, активизирующих процесс его разрушения. Уменьшить влияние этого фактора на надежность керамических деталей возможно за счет решения триединой задачи: «залечить» поверхностные дефекты технологического происхождения; создать в поверхностном слое условия, затрудняющие образование структурных дефектов эксплуатационной природы; сформировать барьер, препятствующий выходу внутренних трещин на поверхность керамической заготовки. Решение этой комплексной задачи возможно за счет структурно-фазовой модификации поверхностного слоя высокоплотной керамики без изменения ее внутренней структуры с использованием лазерного воздействия. 2. Цель реализуемого проекта – разработать основы технологии изготовления высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем, обеспечивающей увеличение надежности деталей и инструментов в экстремальных условиях эксплуатации в машиностроении, авиастроении и энергетике; изучить природу процесса дефектообразования и его влияние на характер разрушения высокоплотной керамики под действием внешних нагрузок; исследовать процесс воздействия лазерного излучения на поверхность высокоплотной керамики и выявить механизмы модификации ее структуры с целью получения бездефектного наноструктурированного поверхностного слоя. Конечный продукт – лабораторные технологические регламенты изготовления высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем и деталей / инструментов из этого материала. Место и роль результатов в решении проблемы – разработанные лабораторные технологические регламенты должны обеспечить увеличение стойкости экспериментальных образцы инструментов из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем на 15 – 20 % и уменьшение стандартного отклонения стойкости в 2 – 2,5 раза по сравнению с существующими инструментами.

Основные планируемые результаты проекта:
1.1. Результаты аналитического обзора научно-технической литературы патентных исследований.
1.2. Выявленная природа образования дефектов и основные закономерности влияния дефектов в поверхностном слое на характер и интенсивность разрушения высокоплотной керамики под действием внешних нагрузок.
1.3. Сформированные требования к наноструктурированному бездефектному поверхностному слою высокоплотной керамики.
1.4. Взаимосвязь параметров непрерывной и импульсной лазерной обработки с морфологией, дефектностью и шероховатостью поверхности; структурой и размером структурных элементов в поверхностном слое высокоплотной керамики; нестационарным тепловым и напряженным состоянием структурных элементов высокоплотной керамики.
1.5. Построенная физическая модель формирования наноструктурированного поверхностного слоя высокоплотной керамики.
1.6. Разработанные лабораторные технологические регламенты изготовления высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем и деталей / инструментов из этого материала.
1.7. Разработанная эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы деталей и инструментов из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем и изготовленные экспериментальные образцы.
1.8. Результаты сравнительных испытаний на трение, износостойкость и надежность экспериментальных образцов деталей и инструментов из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем.
2. Экспериментальные образцы инструментов и деталей из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем должны обеспечивать увеличение износостойкость на 15 – 20 % , трещиностойкости на 15 %; стойкости на 15 – 20 % и уменьшение стандартного отклонения стойкости в 2 – 2,5 по сравнению с существующими инструментами и деталями.
3. Аналогичных научных и технологических решений в ходе выполнения аналитического обзора научно-технической литературы и патентных исследований не выявлено. При выполнении проекта планируется использовать оригинальные и известные методики.
4. В настоящее время ведущие мировые научные центры проводят исследования в этом направлении. Выполненный анализ научно-технической литературы позволил определить следующие тематики этих исследований:
• удаление дефектов и деформированного слоя с керамической поверхност, а также формирования поверхности со сложной морфологией (университет Эрланген (Германия), университеты Манчестера и Кембриджа (оба – Великобритания), технологический университет Белфорта (Франция), университет Теннеси (США);
• изменение структуры поверхностного слоя с целью залечивания дефектов, уменьшения размера зерен и улучшения механических характеристик керамики (университет Райта (США), институт материаловедения им. Арагона (Испания), инженерно-механический факультет ИИТ Харагпур (Индия); Пекинский технологический университет, университеты Чжунчжэн и Хайфаня (все – Китай), университет Ливерпуля (Великобритания);
• формирование наночастиц и самоорганизующихся наноструктур в поверхностном слое керамики (университет Манчестера (Великобритания), Федеральный институт исследований и испытаний материалов и технический университет Ильменау (оба – Германия);
• уплотнение керамики (университет Эрланген (Германия);
• выявление природы взаимодействия лазерного луча с поверхностью керамики и роли температурного фактора в этом процессе (университеты Огайо, Теннеси, Северного Техаса и Оклахомы (все – США).
Главным отличием предлагаемого проекта от исследований, выполняемых в перечисленных университетах, является комплексный характер решения основной проблемы высокоплотной керамики. Смысл этого методологического подхода заключается в управляемом воздействии на поверхностный слой керамических изделий.
5 Пути и способы достижения заявленных результатов определены в план-график исполнения обязательств. Возможные ограничения и риски в настоящее время не выявлены.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты фундаментальных исследований позволят дополнить развиваемое авторами проекта научное направление «Микромеханика керамики» новыми закономерностями, а результаты прикладных исследований планируется использовать в машиностроении, авиационной промышленности и энергетике.
2. Для машиностроении планируется изготовить экспериментальные образцы режущих инструментов с особым профилем лезвия; для авиационной промышленности – экспериментальные образцы деталей с переменной толщиной и кривизной поверхности; для энергетики – экспериментальные образцы сложнопрофильный деталей.
3. По предварительным оценкам успешная реализация проекта окажет позитивное влияние на развитее научного направления «Микромеханика керамики», научно-технического направления «Управление состоянием поверхностного слоя керамических деталей» и технологического направления «Эффективные технологии изготовления керамических изделий. Продвижение этих направлений способно изменить структуру производственного процесса российских фирм и компаний, специализирующихся в изготовлении керамических изделий. В настоящее время эти предприятия способны изготавливать керамические заготовки высокого качества. Однако в случае высоких требований по точности и качеству поверхностного слоя эти производства испытывают многочисленные и, часто, непреодолимые трудности при их выполнении.
Перспективы международного сотрудничества, участия в международных конференциях и публикации статей в высокорейтинговых мировых журналах оцениваются очень высоко.

Текущие результаты проекта:
По результатам изучения морфологии поверхности образцов из высокоплотной керамики на основе Al2O3, ZrO2 и Si3N4 после спекания и механической обработки построена микроструктурная модель поверхностного слоя высокоплотной керамики. Отличительной особенностью этой модели является выделенные структурные элементы керамики: (1) зерно, (2) межзеренная фаза и (3) матрица, обладающие уникальным комплексом свойств: плотность, модуль упругости, коэффициент Пуассона, температурный коэффициент линейного расширения, коэффициент теплопроводности и коэффициент удельной теплоемкости.
С использованием этой модели проведены исследования напряженно-деформированного состояния высокоплотной керамики, в результате которых выявлена взаимосвязь напряжений в поверхностном слое ее основных структурных элементов с их свойствами, морфологией поверхности керамики, характером распределения и величиной силовых, тепловых и комбинированных нагрузок. Для оценки неоднородности напряжений использовали разработанный метод контрольных точек и оригинальный безразмерный коэффициент, определяющий уровень изменения напряжений в поверхностном слое каждого структурного элемента керамики.
На основе выявленной взаимосвязи разработан алгоритм, положенный в основу созданного способа определения локальных областей вероятного появления структурных дефектов в поверхностном слое керамики под действием внешней нагрузки.
В результате экспериментального исследования процесса образования дефектов в поверхностном слое высокоплотной керамики под действием силовой нагрузки установлены основные закономерности влияния величины сосредоточенной силы, морфологии поверхности и состава керамики на число, длину и траекторию роста образовавшихся трещин, а также на форму и размеры области локального разрушения образцов. Построены графические зависимости «величина сосредоточенной силы – число трещин», «величина сосредоточенной силы – длина (ширина) трещины» для образцов из керамики на основе Al2O3, ZrO2 и Si3N4, имеющих разную морфологию и степень дефектности поверхностного слоя.
Проведенные эксперименты по влиянию поверхностных технологических (трещина, скол и область локального разрушения) и искусственно-созданных дефектов (выкол и риска) на керамических инструментах позволили изучить их роль в характере износа инструментов при точении. Построены сравнительные графические зависимости «время резания – износ по задней поверхности» для «бездефектных» и «дефектных» режущих пластин из керамики на основе Al2O3 и Si3N4. Систематизация оптических и электронно-сканирущих микрофотографий очагов износа и разрушения рабочих поверхностей, полученных в количестве более 206 шт. при проведении этих экспериментов, обеспечила возможность анализа степени влияния дефектов разной природы на характер и интенсивность микро- и макроразрушения высокоплотной керамики под действием экстремальных внешних нагрузках.
Все результаты выполненных исследований можно охарактеризовать как «однозначно имеющие научную новизну» и «в полной мере соответствующие техническим требованиям к выполняемому проект».