Регистрация / Вход
Прислать материал

Решение задачи наноструктурирования высокотвердой керамической фазы в поверхностных слоях металлокерамических материалов, предназначенных для работы в условиях экстремальных термомеханических нагрузок, на основе компьютерного дизайна

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
металлокерамические композиционные материалы, наноструктурированные поверхностные слои, высокотвердые керамические включения, наномасштабные структурно-фазовые состояния, компьютерный дизайн, компьютерное моделирование, структурные уровни деформации, многоуровневый подход, метод частиц, высоконагруженные трибомеханические системы, термомеханические нагрузки.

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение проблемы кратного увеличения эксплуатационного ресурса критических элементов трибомеханических систем, функционирующих в условиях экстремальных термомеханических нагрузок. В настоящее время основным классом материалов, применяемых в критических узлах высоконагруженных трибомеханических систем, работающих в условиях абразивного воздействия, высоких температур и агрессивных сред, являются металлокерамические композиты. Современные подходы к повышению ресурса работы таких материалов в критических элементах трибомеханических систем основаны на повышении прочностных свойств и вязкости разрушения поверхностных слоев за счет наноструктурирования металлической фазы. Однако к настоящему моменту возможности такого традиционного подхода фактически исчерпаны. Перспективным направлением дальнейшего повышения механических свойств металлокерамических композитов является наноструктурирование высокотвердой тугоплавкой керамической компоненты в поверхностных слоях. Развитие комплексного подхода к наноструктурированию дисперсных керамических частиц в поверхностных слоях металлокерамических сплавов является задачей данного проекта. 2.Целью реализуемого проекта является разработка научно-технического задела в области компьютерного дизайна и формирования наноструктурных состояний в высокопрочных керамических включениях в поверхностных слоях металлокерамических композиционных материалов для кратного повышения их эксплуатационных трибомеханических характеристик в условиях экстремальных термомеханических нагрузок.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Будет разработана многоуровневая компьютерная модель наноструктурированных поверхностных слоев металлокерамического материала с явным учетом структурных элементов субмикроскопического масштаба, а также наноструктурированной керамической компоненты с линейными размерами включений не менее 50 нанометров.
На основе применения компьютерной модели будут получены зависимости значений механических характеристик поверхностных слоев металлокерамического композиционного материала от размерных параметров и содержания наноскопических керамических включений, а также проведены оценки интервалов параметров наномасштабной внутренней структуры поверхностных слоев с наноструктурированной керамической компонентой, обеспечивающих повышение работы разрушения поверхностных слоев.
На примере модельного металлокерамического композита TiC-(Ni-Cr) будут определены интервалы значений параметров электронно-пучкового облучения поверхностных слоев в плазме газового разряда тяжелых инертных газов, обеспечивающие достижение различных степеней наноструктурирования высокотвердой керамической фазы в поверхностных слоях, в том числе, соответствующих теоретическим оценкам.
Будут экспериментально получены температурные зависимости величины коэффициента трения и износостойкости поверхностных слоев в температурном интервале до 600оС при различных степенях наноструктурирования высокотвердых керамических частиц в поверхностных слоях модельного металлокерамического композита.
Будут выявлены взаимосвязи коррозионной стойкости поверхностных слоев модельного металлокерамического композита в агрессивно-коррозионных средах и его прочностных характеристик со степенью наноструктурирования высокотвердых керамических частиц.
2. Разработка и применение многоуровневой компьютерной модели позволят определить (на примере модельного металлокерамического композита TiC-(Ni-Cr)) интервалы значений параметров наномасштабной внутренней структуры поверхностных слоев металлокерамических материалов с наноструктурированной керамической компонентой, обеспечивающих повышение прочности и работы разрушения поверхностных слоев.
Новое техническое решение, заключающееся в применении при электронном облучении металлокерамических композитов плазмы газового разряда в среде инертных газов с высокими атомными массами и низкими значениями энергии, позволит реализовывать различные степени наноструктурирования высокотвердых тугоплавких керамических включений в поверхностных слоях металлокерамических композиционных материалов.
Используемые параметры высокоэнергетической обработки поверхностных слоев металлокерамических композитов должны обеспечивать достижение различных значений характеристик наноструктурированной керамической компоненты в поверхностных слоях, в том числе соответствующих теоретическим оценкам.
Обобщение и анализ комплекса теоретических и экспериментальных результатов научно-технических исследований должны подтвердить перспективность использования созданного научно-технического задела для разработки конкурентоспособной технологии повышения ресурса работы критических элементов в высоконагруженных трибомеханических системах.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечной целью работ по тематике проекта является создание научно-технического задела для разработки технологических принципов кратного повышения физических, трибологических и прочностных характеристик металлокерамических материалов, путем направленного наноструктурирования металлической и керамической компонент композиции. Создание такого научно-технического задела будет служить основой для проведения прикладных исследований в области создания новой технологии производства высокоресурсных изделий из металлокерамических композиционных материалов путем наноструктурирования высокотвердой керамической фазы в поверхностных слоях рабочих поверхностей, в том числе, массово производимого инструмента для широкого ряда отраслей промышленности (горнодобывающей, деревообрабатывающей, пищевой в части измельчения пищевых продуктов, химической в части производства пластических масс, а также машиностроения в части обработки металлов).
2. Новизна представленного способа достижения цели проекта состоит в применении нового дискретного метода компьютерного моделирования (метода подвижных клеточных автоматов) в сочетании с передовым экспериментальным методом целенаправленного формирования иерархии наноструктурных составляющих в поверхностных слоях металлокерамического композиционного материала. Новизна применяемого метода высокоэнергетической обработки поверхностных слоев металлокерамических композиционных материалов заключается в применении инертных газов с высокими атомными массами и низкими значениями энергии ионизации в качестве плазмообразующих при импульсного электронно-пучкового облучении поверхности образцов.
3. Анализ мировой литературы показывает, что полученные при выполнении проекта результаты соответствуют уровню мировых достижений.
4. Запланированные в проекте исследования выполнены с применением современного технологического и исследовательского оборудования. При проведении исследований не возникло существенных рисков, которые могли бы помешать выполнению проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
I. Ввиду комплексного характера предлагаемого проекта области применения его результатов охватывают не только сферу компьютерного моделирования композиционных наноматериалов, но и прикладные работы в области создания технологий наноструктурирования поверхностных слоев материалов:
1). Созданная многоуровневая компьютерная модель металлокерамических композиционных наноматериалов может быть использована при разработке нового класса металлокерамических материалов, характеризующихся наноструктурным состоянием высокотвердой керамической компоненты и обладающих уникальными физическими и эксплуатационными свойствами.
2). Полученные в результате компьютерного моделирования требования к внутренней структуре поверхностных слоев с наноструктурированной высокотвердой керамической фазой могут быть использованы для оценки возможностей и проектирования эффективных способов направленной модификации поверхностных слоев традиционных металлокерамических материалов с целью кратного повышения их эксплуатационных трибомеханических свойств.
3). Новое техническое решение проблемы наноструктурирования керамической компоненты в поверхностных слоях металлокерамических композитов, основанное на применении импульсного электронно-пучкового облучения в плазме газового разряда в среде инертных газов с высокими атомными массами и низкими значениями энергии ионизации, может стать основой для создания конкурентоспособной технологии повышения ресурса работы критических элементов в высоконагруженных трибомеханических системах, состоящих из металлокерамических композиционных материалов.
II. Потенциальными потребителями результатов выполнения НИР являются:
 ФГУП ВИАМ, г. Москва, для разработки металлокерамических материалов с высокими значениями износостойкости и ударной прочности;
 электровакуумный завод – СОЮЗ, г. Новосибирск (ХК ОАО НЭВЗ-СОЮЗ) для разработки технологии наноструктурирования поверхностных слоев керамических материалов;
 ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», г. С-Петербург, для разработки технологии получения металлокерамических материалов целевого назначения;
 предприятие по производству специального режущего инструмента «Shenyang Jinfeng Spesial Cutting Tools Co., LTD», г.Шеньян, КНР, производящее инструмент для гранулирования пластмасс с рабочей частью из металлокерамического сплава TiC-(Ni-Cr) для нефтехимических комбинатов Китая.
Доведение до потребителя ожидаемых при выполнении настоящего проекта научных и научно-технических результатов соответствует следующей дорожной карте:
1). Выполнение опытно-конструкторских работ (ОКР), заключающихся в создании программно-аналитического комплекса на основе результатов математического моделирования и экспериментальных исследований.
2). Проведение опытно-технологических работ (ОТР) по созданию пилотной установки для электронного облучения материалов в плазме тяжелых инертных газов с целью создания автоматизированного технологического комплекса по электронно-ионной обработке поверхности изделий из металлокерамических материалов и отработке режимов управления процессом электронно-ионного облучения с заданными технологическими параметрами.
3). Создание опытного участка производства высокоресурсных рабочих элементов металлокерамических изделий с наноструктурированной керамической компонентой в поверхностных слоях.
III. Полученные при выполнении проекта результаты могут быть использованы в целях разработки новых эффективных методов и технологий повышения эксплуатационных свойств изделий из традиционных металлокерамических материалов, применяемых в критических узлах высоконагруженных трибомеханических систем. В основе этих методов будет лежать направленное наноструктурирование высокотвердой керамической компоненты в поверхностных слоях в соответствии с заданными требованиями к морфологии внутренней структуры.
IV. Опубликованные в зарубежных научных журналах статьи по результатам проекта будут служить популяризации отечественных достижений науки, могут позволить найти зарубежных партнёров для выполнения совместных работ по тематике проекта.
Ожидаемые результаты могут оказать заметное влияние на выбор методов модификации поверхностных слоев при разработке нового поколения материалов для критических элементов высоконагруженных трибомеханических систем. В частности, потенциально особо значимым результатом выполнения заявляемого проекта в международной кооперации с китайским партнером является их дальнейшее планируемое участие в проведении ОТР, направленного на разработку автоматизированного технологического комплекса по электронно-ионной обработке поверхности изделий из металлокерамических материалов, с целью создания на базе российского партнера совместного предприятия по производству высокоресурсного металлокерамического инструмента.

Текущие результаты проекта:
1. Начаты предварительные компьютерные вычисления, обосновывающие выбор реологических моделей компонентов металлокерамических композиционных материалов.
2. Начата разработка проекта лабораторного технологического регламента изготовления экспериментальных образцов модельного металлокерамического композита на основе композиции TiC-(Ni-Cr) (50:50).
3. Начато изготовление экспериментальных образцов модельного металлокерамического композита.
4. Начата разработка лабораторного технологического регламента электронно-пучкового облучения в плазме газового разряда тяжелых инертных газов (криптона, ксенона), позволяющего наноструктурировать высокотвердую керамическую компоненту в поверхностных слоях металлокерамических композиционных материалов.
5. Начата разработка Программы и методик экспериментальных исследований образцов модельного металлокерамического композита.