Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
высокоплотная керамика, лазерное излучение, модификация структуры, наноструктурированный поверхностный слой, лазерный станок, структурный дефект, деталь, инструмент

Цель проекта:
1. Неудовлетворительная надежность керамических деталей и инструментов, определяемая внезапными разрушениями под действием эксплуатационных нагрузок, существенно ограничивает область их эффективного применения. Основной причиной недостаточной надежности керамических изделий является крайне сложное напряженно-деформированное состояние их поверхностного слоя. В его локальных областях образуются и накапливаются структурные дефекты эксплуатационной природы, развитие которых приводит к микроразрушению поверхностного слоя керамики или макроразрушению детали. 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 на основе структурно-фазовой модификации поверхностного слоя высокоплотной керамики. 2. Целью реализуемого проекта является разработка основы технологии изготовления высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем с использованием лазерного излучения, обеспечивающей увеличение надежности деталей и инструментов в экстремальных условиях эксплуатации, путем выявления природы процесса дефектообразования и его влияния на характер разрушения высокоплотной керамики под действием внешних нагрузок, а также исследования процесса воздействия лазерного излучения на поверхность высокоплотной керамики и выявление механизмов модификации ее структуры.

Основные планируемые результаты проекта:
1. На первом этапе проекта выявлены, идентифицированы и классифицированы дефекты, образующиеся в поверхностном слое высокоплотной керамики на основе оксида алюминия, диоксида циркония и нитрида кремния под действием внешних нагрузок, а также вскрыта роль этих дефектов в процессах микро- и макроразрушения керамики. С использованием установленных закономерностей, определяющих природу образования дефектов и их влияния на процесс микро- и макроразрушения керамических материалов, сформированы требования к наноструктурированному бездефектному поверхностному слою высокоплотной керамики. Установленные характеристики надежности исходных режущих пластин из оксидной и нитридной керамики при точении и фрезеровании позволили сформировать базовый уровень оценки эффективности технологий модифицирования и наноструктурирования поверхностного слоя высокоплотной керамики.
На втором этапе проекта установлены базовые закономерности влияния непрерывного и импульсного лазерного излучения на состояние поверхности высокоплотной керамики. Выявлены взаимосвязи параметров непрерывной и импульсной лазерной обработки с морфологией, дефектностью, шероховатостью поверхности, а также структурой и размером структурных элементов в поверхностном слое высокоплотной керамики. С использованием этих взаимосвязей, а также установленных закономерностей влияния интенсивного теплового потока на нестационарное тепловое и напряженное состояние структурных элементов в поверхностном слое высокоплотной керамики построена физическая модель формирования наноструктурированного поверхностного слоя высокоплотной керамики в результате воздействия лазерного излучения. С применением разработанной программы и методики исследовательских испытаний проведены испытания на износостойкость и трение экспериментальных образцов керамических деталей с модифицированным поверхностным слоем. Выявленные зависимости, в совокупности с данными испытаний на надежность экспериментальных образцов режущих пластин из керамики с модифицированным поверхностным слоем, доказали правильность и обоснованность базовых положений построенной модели формирования наноструктурированного поверхностного слоя высокоплотной керамики в результате воздействия лазерного излучения.
2. В ходе выполнения ПНИ будут получены следующие научно-технические результаты:
1 Экспериментальные образцы высокоплотной керамики на основе Al2O3, ZrO2, Si3N4 с наноструктурированным поверхностным слоем, а также деталей и инструментов из этого материала.
2 Эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы деталей и инструментов из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем.
3 Лабораторные технологические регламенты изготовления высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем, а также деталей и инструментов из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем.
4 Протоколы испытаний на (1) надежность экспериментальных образцов режущих пластин; (2) на износостойкость экспериментальных образцов режущих пластин, волок, дисковых ножей, вала и втулки подшипника скольжения; (3) на трение экспериментальных образцов диска и шарика.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Экспериментальные образцы инструментов из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем будут изготовлены в виде режущих пластин по ГОСТ 25003-81 для резцов и фрез, волок с рабочими каналами круглой формы и дисковых ножей. Экспериментальные образцы деталей из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем будут изготовлены в виде диска, шарика, вала, уплотнительного кольца, втулки подшипника скольжения и кольца подшипника качения. Экспериментальные образцы деталей и инструментов из высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем будут характеризоваться увеличением коэффициента трещиностойкости на 15 %, износостойкости на 15 – 20 %, стойкости на 15 – 20 % и уменьшением стандартного отклонения стойкости в 2 – 2,5 раза ниже по сравнению с существующими аналогами.
2. Научную новизну имеют:
-1 Выполненная классификация дефектов, образующихся в поверхностном слое высокоплотной керамики на основе оксида алюминия, диоксида циркония и нитрида кремния под действием внешних нагрузок, и роль этих дефектов в процессах микро- и макроразрушения керамики.
-2 Установленные закономерности влияния непрерывного и импульсного лазерного излучения на состояние поверхности высокоплотной керамики на морфологию, дефектность, шероховатость поверхности, а также структуру и размеры структурных элементов в поверхностном слое высокоплотной керамики на основе оксида алюминия, диоксида циркония и нитрида кремния.
-3 Сформированные требования к наноструктурированному бездефектному поверхностному слою высокоплотной керамики и построенная физическая модель его формирования в результате воздействия лазерного излучения.
Новизна технологических решений отражена в следующих заявках на изобретения:
- Способ лазерного упрочнения режущего инструмента из оксидно-карбидной керамики (1).
- Способ лазерной модификации режущих пластин из керамики (2).
- Способ повышения износостойкости поверхности рабочего канала волоки из диоксида циркония посредством импульсного облучения (3).
- Способ импульсной лазерной обработки режущих пластин из керамики (4).
3. Мировой приоритет имеет созданный метод моделирования нестационарного теплового и напряженного состояния структурных элементов в поверхностном слое высокоплотной керамики под действием интенсивного теплового потока и результаты численных экспериментов, представленные в виде карт состояния поверхностного слоя керамики с выделенными областями упругих и пластических деформаций, расплавленного слоя и кратера абляции.
4. Заявленные результаты будут достигнуты на основе использования современного научного оборудования, в том числе уникального, имеющегося в центре коллективного пользования ГИЦ МГТУ СТАНКИН, применения разработанных методов и методик научным коллективом численностью до 10 исследователей. Ограничения и риски при выполнении этих исследований и достижения заявленных результатов отсутствуют.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработанную технологию изготовления высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем планируется применять в керамическом материаловедении и технологии изготовления керамических деталей в машиностроении, авиастроении и энергетике.
2. Практическое внедрение результатов ПНИ предполагается провести в машиностроении при изготовлении режущих и волочильных инструментов, подшипников качения и скольжения; в авиастроении при изготовлении деталей газотурбинного двигателя; в легкой промышленности при изготовлении режущих дисковых ножей и нитеводителей.
3. Разработанная технология позволит более широко использовать керамические материалы, обладающие уникальным сочетанием свойства, и расширить область эффективного применения керамических деталей в машиностроении, авиастроении и энергетике. За счет этого предполагается уменьшить потребление дорогостоящих жаропрочных сталей. Доведение до потребителя результатов проекта будет осуществлена ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» совместно с ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», обладающей положительным опытом технологического перевооружения российских предприятий оборонного и гражданского машиностроения на основе инновационных технологий с использованием современных инструментов.
4.Результаты исследований по проекту докладывались на 5 Международных конференциях и 3 научных семинарах. В результате дискуссии по результатам этих докладов установлены контакты и определены перспективы совместных научно-исследовательских работ с Будапештским университетом технологий и экономики, Чешским техническим университетом в Праге и Университетом Черногории. В 2016 году планируется к изданию более 5 совместных статей в высокорейтинговых зарубежных журналах. Результаты исследований и методики используются в учебном процессе подготовки бакалавров, специалистов, магистров и аспирантов в МГТУ СТАНКИН. В рамках проекта будут защищены 2 кандидатские диссертационные работы.

Текущие результаты проекта:
В настоящее время выполняются исследования, определенные третьим этапом плана-графика исполнения обязательств и ориентированные на разработку основ технологии изготовления высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем. В рамках этих исследований разработаны (1) лабораторный технологический регламент изготовления высокоплотной керамики с наноструктурированным поверхностным слоем, (2) эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы деталей и инструментов из этой керамики, с использованием которых и изготовлены и исследованы экспериментальные образцы деталей и инструментов.