Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научных и методических основ твердофазной технологии получения конструкционных керамических и металлокерамических изделий из новых наномодифицированных композитных материалов многофункционального назначения

Номер контракта: 14.575.21.0004

Руководитель: Столин Александр Моисеевич

Должность: профессор

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наночастицы, наноструктура, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, свс-компактирование, свс-экструзия, вихревой электромагнитный слой, керамика, электрод для эил, гомогенизация, гидратация, физико-химические характеристики, композит

Цель проекта:
Разработка физико-материаловедческих и реологических принципов управления формированием структуры и свойств наномодифицированных и наноструктурированных композиционных материалов и изделий, позволяющих переходить к созданию новых видов керамической научно-технической продукции, полученной методами сдвигового высокотемпературного деформирования (экструзия, прессование) и шликерного литья.

Основные планируемые результаты проекта:
Представленные результаты демонстрируют возможность получения плотных наноструктурных материалов из порошков неорганических соединений в условиях сочетания химического синтеза материала и его высокотемпературного деформирования. Это сочетание имеет место в процессе СВС-экструзии, что вносит ряд совершенно новых особенностей в процесс структурообразования материалов. Однако для реализации благоприятных предпосылок этого метода необходимо предъявить определенные требования как к специальному выбору исходного объекта (плотности шихтовой заготовки и ее исходного состава), так и к выбору условий синтеза продуктов в процессе горения, их уплотнения и формования изделий.
Заметим, что порошки керамических материалов - объект особый: чрезвычайно хрупкий и труднодеформируемый. В низкотемпературной области он разрушается под действием механических напряжений без заметной или весьма малой (менее 5%) пластической деформации. За счет хрупкости, такие материалы трудно поддаются деформированию в обычных условиях. Для сравнения отметим, что металлические, полимерные или резиновые материалы обладают высокой способностью деформироваться без разрушения под влиянием даже больших напряжений. Поэтому так важно внимание к научным и технологическим основам СВС-экструзии как к процессу, в котором проявляется малоизученное свойство порошковых тугоплавких материалов - способность к высокотемпературному пластическому деформированию.
Практическое использование процессов сдвигового высокотемпературного деформирования в СВС может происходить в двух направлениях. Первое -"синтетическое", связанное с получением нанопорошков и их соединений. Второе направление связано с получением после СВС полуфабрикатов или готовых изделий. Достоинства методов, обеспечивающих синтез наноматериала и получение изделий в одной установке, обещают перспективу: они экономичны, создают возможность получения изделий нужного профиля и размера с минимальной затратой материала, просты в технологическом плане. Предлагаемый метод СВС-экструзии является наукоемким и открывает принципиально новый подход в организации технологического процесса получения длинномерных изделий из хрупких и трудно деформируемых порошков тугоплавких неорганических соединений. Следует отметить, что по нашей информации наукоемкий процесс СВС-экструзии получения длинномерных изделий из хрупких и труднодеформируемых порошков тугоплавких неорганических соединений до сих пор не реализован другими авторами в России и за рубежом. Результаты исследований этого процесса имеют общепризнанный отечественный приоритет. Таким образом, есть все основания считать, что СВС-экструзия является перспективным технологическим процессом для получения новых наноструктурных материалов и изделий из порошков тугоплавких неорганических соединений.
На основе разработки технологии изготовления высокоплотных муллитокорундовых керамических материалов с использованием наноматериалов показана возможность получения этих материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками и увеличенным сроком службы. Изучение закономерностей образования метастабильных алюминатов кальция в процессе гидратации вяжущего керамического изделия из НМКМ позволило установить основные термохимические механизмы взаимодействия компонентов шихтовых смесей корундовой оксидной керамики в присутствии добавок наночастиц.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения проекта ожидается получение следующих результатов:
- научная теория структурообразования и высокотемпературного деформирования композиционных керамических материалов, включающая реодинамику, нестационарный перенос и фазовые превращения;
- научные принципы и опытные твердофазные технологические методы (СВС-прессование, СВС-экструзия) получения композиционных керамических материалов конструкционного и функционального назначения с наноразмерной структурой с изготовлением экспериментальных образцов;
- математические модели структурообразования и высокотемпературного деформирования труднодеформируемых неорганических материалов в реальных условиях процессов твердофазной технологии;
- опытные образцы СВС-электродов из композиционных керамических материалов с наноразмерной структурой, с высокой тепловой и электрической проводимостью, низким удельным весом, высоким модулем упругости, низким тепловым коэффициентом расширения, высокой теплостойкостью и жаростойкостью;
- перспективная технологическая схема исследования реологических свойств порошковых шихтовых материалов, позволяющая определять влияние скорости деформирования и дисперсности исходного порошкового материала на кинетику уплотнения и механические свойства уплотненной заготовки;
- оптимальные технологические приемы нанесения защитных покрытий СВС-электродами с наноразмерной структурой методами электроискрового легирования и электродуговой наплавки на металлические поверхности, обеспечивающие высокие показатели износо-, коррозионно- и жаростойкости, и низкие показатели коэффициентов трения в паре покрытие-подложка;
- перспективная технологическая схема процесса получения легирующих составов на основе наномодифицирующих углеродных нанотрубок с использованием метода газофазного химического осаждения и на основе неорганических соединений (карбидов, боридов и др.) с использованием СВС-технологии;
- результаты материаловедческих исследований полученных СВС-электродных материалов и защитных покрытий с наноразмерной структурой, изучение их физико-механических и эксплуатационных характеристик методами рентгеноструктурного, микрорентгеноспектрального анализов, оптическими микроскопами с компьютерной обработкой микроструктуры, а также растровыми и просвечивающими электронными микроскопами;
- внедрение результатов НИР в образовательный процесс подготовки бакалавров и магистров по направлениям «Материаловедение и технологии новых материалов», «Технологические машины и оборудование» и «Нанотехнология», а также в курсы повышения квалификации: «Перспективные композиционные материалы и технологии СВС»; «Твердофазные технологии получения композиционных и керамических материалов и изделий современной техники».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемые технологические процессы позволят получать новые материалы с наноразмерными структурными составляющими и изделия из них. К числу потенциальных потребителей следует отнести предприятие, на котором были проведены производственные испытания осевого инструмента, упрочненного СВС-электродами на операциях обработки вазовской номенклатуры деталей. Были испытаны сверла из стали 11М5Ф на автоматической линии обработке картера сцепления автомобиля ВАЗ-2110, изготавливаемого из АК12М. Нормативная стойкость сверл составляла 1000 деталей при износе по задней поверхности 0,3…0,4 мм. Опытные упрочненные сверла имели стойкость 4000 деталей при износе 0,3…0,4 мм по задней поверхности, при этом качество поверхности и разброс размеров были в пределах требования чертежа.
Потенциальным потребителем СВС-электродов является Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс», которое занимается проблемой выбора материала износостойкого покрытия для электроискрового способа нанесения на торцы рабочих лопаток компрессора и уже выражало заинтересованность в наших разработках.
Поскольку деревообрабатывающие предприятия разработкой инструмента практически не занимаются, а применяют уже готовый, предлагаемый инструментальной промышленностью, который далеко не всегда соответствует требованиям по стойкости, большое значение приобретают для лесной отрасли способы и методы значительного повышения износостойкости готового инструмента. Электроискровое легирование особенно эффективно для повышения износостойкости дереворежущего инструмента в условиях острейшего дефицита инструментальных сталей. Поэтому можно рассматривать предприятия деревообрабатывающей промышленности в качестве возможных потребителей СВС-электродов.
Отраслевой службой «Живучесть ТЭС» при РАО ЕЭС России накоплен значительный опыт в создании и комплексном внедрении современных технологий контроля и восстановления живучести наиболее ответственных элементов энергетического оборудования. Технология восстановления и упрочнения защитно - упрочняющими покрытиями успешно реализуется и другими тепло- и гидроэлектростанциями (ОАО «Рязанская ГРЭС», ОАО «Ставропольская ГРЭС», ОАО «Березовская ГРЭС-1», ОАО «Костромская ГРЭС», ГРЭС-24 ОАО «МОСЭНЕРГО» и другие). Таким образом, СВС-электроды могут быть внедрены в процесс упрочнения стальных и титановых лопаток последних ступеней турбины; стальных лопатки направляющих сопловых аппаратов и стальных лопаток диафрагм, штоков регулирующей запорно-вентильной арматуры; посадочных мест под подшипники скольжения или качения.

Текущие результаты проекта:
Представленные результаты демонстрируют возможность получения плотных наноструктурных материалов из порошков неорганических соединений в условиях сочетания химического синтеза материала и его высокотемпературного деформирования. Это сочетание имеет место в процессе СВС-экструзии, что вносит ряд совершенно новых особенностей в процесс структурообразования материалов. Однако для реализации благоприятных предпосылок этого метода необходимо предъявить определенные требования как к специальному выбору исходного объекта (плотности шихтовой заготовки и ее исходного состава), так и к выбору условий синтеза продуктов в процессе горения, их уплотнения и формования изделий.
Заметим, что порошки керамических материалов - объект особый: чрезвычайно хрупкий и труднодеформируемый. В низкотемпературной области он разрушается под действием механических напряжений без заметной или весьма малой (менее 5%) пластической деформации. За счет хрупкости, такие материалы трудно поддаются деформированию в обычных условиях. Для сравнения отметим, что металлические, полимерные или резиновые материалы обладают высокой способностью деформироваться без разрушения под влиянием даже больших напряжений. Поэтому так важно внимание к научным и технологическим основам СВС-экструзии как к процессу, в котором проявляется малоизученное свойство порошковых тугоплавких материалов - способность к высокотемпературному пластическому деформированию.
Практическое использование процессов сдвигового высокотемпературного деформирования в СВС может происходить в двух направлениях. Первое -"синтетическое", связанное с получением нанопорошков и их соединений. Второе направление связано с получением после СВС полуфабрикатов или готовых изделий. Достоинства методов, обеспечивающих синтез наноматериала и получение изделий в одной установке, обещают перспективу: они экономичны, создают возможность получения изделий нужного профиля и размера с минимальной затратой материала, просты в технологическом плане. Предлагаемый метод СВС-экструзии является наукоемким и открывает принципиально новый подход в организации технологического процесса получения длинномерных изделий из хрупких и трудно деформируемых порошков тугоплавких неорганических соединений. Следует отметить, что по нашей информации наукоемкий процесс СВС-экструзии получения длинномерных изделий из хрупких и труднодеформируемых порошков тугоплавких неорганических соединений до сих пор не реализован другими авторами в России и за рубежом. Результаты исследований этого процесса имеют общепризнанный отечественный приоритет. Таким образом, есть все основания считать, что СВС-экструзия является перспективным технологическим процессом для получения новых наноструктурных материалов и изделий из порошков тугоплавких неорганических соединений.
На основе разработки технологии изготовления высокоплотных муллитокорундовых керамических материалов с использованием наноматериалов показана возможность получения этих материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками и увеличенным сроком службы. Изучение закономерностей образования метастабильных алюминатов кальция в процессе гидратации вяжущего керамического изделия из НМКМ позволило установить основные термохимические механизмы взаимодействия компонентов шихтовых смесей корундовой оксидной керамики в присутствии добавок наночастиц.