Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0065

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0065
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Название доклада
Исследования и разработка технологии изготовления изделия «кольцо» из керамического материала методом плазменно-искрового спекания
Докладчик
Оглезнева Светлана Аркадьевна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Реализация проекта направлена на решение проблемы повышения износостойкости и диапазона рабочих температур пар трения ответственных изделий машиностроения, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации.
Целью реализуемого проекта является разработка технологии получения и обработки функционального материала на основе карбосилицида титана методом плазменно-искрового спекания с целью повышения износостойкости пар трения ответственных изделий машиностроения, подвергающихся интенсивному износу в процессе эксплуатации.
Реализация проекта позволит сформировать научно-технический задел в области технологий получения и обработки функциональных наноматериалов и обеспечит повышение результативности выполняемых исследований и разработок и эффективности внедрения фундаментальных и прикладных исследований в реальном секторе экономики.
Актуальность и новизна исследования
Современный уровень развития техники выдвигает все более сложные требования к материалам, работающим в условиях высоких температур и давлений, высокого вакуума, агрессивных сред. Необходимость разработок в области конструкционных и триботехнических композиционных материалов с повышенными механическими характеристиками обусловлена тем, что повышение свойств данного класса материалов будет способствовать прогрессу в разработке технологического оборудования и увеличивать его долговечность. Наиболее сложными и трудоемкими при производстве энергетических установок являются, например, материалы деталей турбин и узлов трения, а используемые металлические композиционные материалы исчерпали свои возможности в повышении рабочих температур.
Композиционные и керамические материалы к настоящему моменту являются наиболее приемлемой альтернативой высокотемпературным металлическим сплавам. Одним из таких материалов является карбосилицид титана Ti3SiC2, сочетающий уникальный комплекс свойств керамики и металла: износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, стойкость к термоудару, коррозионную стойкость, свойства проводимости, не зависящие от температуры. Однако, технологии получения таких материалов требуют изучения и оптимизации.
Одной из прогрессивных технологий получения плотных керамических материалов является плазменно-искровое спекание позволяющее сформировать дисперсную и плотную структуру, заданный уровень физико-механических свойств, а также снизить себестоимость производства за счёт высокой скорости консолидации.
Описание исследования

Для получения износостойкого керамического материала использовали порошковую технологию. Смесь порошков титана ТПП-7 фракции менее 315 мкм, порошка карбида кремния зелёного фракции менее 200 мкм и графита С-1, взятых в мольном соотношении Ti + C + 0,3 SiC подвергали механоактивации в мельнице «Санд» для смешивания, измельчения и активации исходных порошков при частоте вращения барабана 240 мин-1, соотношении масс титановых мелющих тел и шихты 7:1.

Механоактивированную композицию подвергают консолидации при помощи технологии плазменно-искрового спекания на установке SPS-1050b, которое заключается в спекании в графитовой пресс-форме пропусканием импульсного постоянного тока с приложением механического давления. Для определения оптимальных параметров плазменно-искрового спекания варьировали температуру от 1100 до 1400 ºC, время изотермической выдержки от 1 до 25 мин, давление от 15 до 30 МПа.

Для оптимизации распределения давления на материал в кольцевой матрице, а также увеличения технологичности и долговечности была модифицирована конструкция графитовой оснастки.

У полученных материалов исследовали структурно-фазовый состав методами рентгенофазового, электронно-микроскопического, дюрометрического, спектрального анализов; испытаны прочностные характеристики, триботехнические характеристики, а также жаростойкость на воздухе.

Заключительным этапом разработки материала были ускоренные климатические испытания экспериментальной пары трения на уникальной научной установке "КЛИМАТ" для выявления ресурса работы.

Результаты исследования

 

Составлен аналитический обзор литературы, отражающей решения повышения износостойкости изделий машиностроения, основанных на применении композиционных материалов и покрытий.

Установлены оптимальные параметры механоактивации частотой вращения мельнице для механоактивации порошковой смеси: скорость вращения кювет 280 мин-1, длительность механоактивации 20-30 мин, охлаждение в течение 60 мин, общее время обработки - 3 ч. При этом расчётная энергонасыщенность механоактивации должна быть не менее 550 Дж/кг.

При варьировании температуры плазменно-искрового спекания (ПИС) в диапазоне 1100 - 1400 град.С и времени выдержки 1 - 25 мин получены материалы на основе карбосилицида титана. Определены их плотность и пористость.

Методом рентгеноструктурного анализа в Кα-Cu излучении получены рентгенограммы материалов на основе карбосилицида титана, спечённых при различных параметрах плазменно-искрового спекания.
Установлено влияние температуры и времени выдержки при ПИС на взаимодействие титана, карбида кремния и углерода в условиях протекания импульсных токов с плотностью до 500 А/см2. Методом ренгенофазового анализа и последующими расчётами определён фазовый состав образцов на основе карбосилицида титана.

Выявлены закономерности повышения плотности механоактивированной композиции при увеличении температуры и времени выдержки в процессе плазменно-искрового спекания.
Построены графические зависимости плотности и пористости материалов на основе карбосилицида титана от параметров ПИС. Расчёт пористости проводился с учётом фазового состава образцов.

Определены параметры получения износостойкого керамического материала.

При исследовании жаростойкости установлено, что скорость окисления материала на воздухе при температуре 900 град.С в  течение 10 часов составляет (1.128)∙10-3 г/(м2 ∙с), средний  размер зерна износостойкой фазы - 4,0 мкм, твердость - 6,1 ГПа, коэффициент сухого трения  в  паре Ti3SiC2- Ti3SiC2  - 0,12 - 0,20 при механическом давлении 1 МПа и скорости скольжения 0,6 - 2,2 м/с, интенсивность износа в паре с карбидом кремния - 4,5∙10-9 мм износа/мм пути трения.

Установлено, что прочность на сжатие составляет 1440±140 МПа, прочность при изгибе – 315±30 МПа, прочность при растяжении – 140±14 МПа. Трещиностойкость полученных образцов составила 8,9 МПа·м1/2, модуль Юнга – 417 ГПа.

Разработанная в ходе выполнения проекта методика получения колец из керамического композиционного материала с применением механоактивации порошков и их последующего плазменно-искрового спекания позволяет изготовить детали пар трения с повышенным в 5-7 раз ресурсом работы по сравнению с материалом из карбида кремния.

Применяемый для консолидации материалов метод плазменно-искрового спекания является перспективным при получении новых керамических материалов, поскольку позволяет достичь высокого комплекса эксплуатационных свойств, снизить трудоёмкость и себестоимость продукции.

Практическая значимость исследования
Полученные результаты позволят разработать новый износостойкий материал для пар трения с повышенным ресурсом работы в экстремальных условиях эксплуатации, снизить риски внезапного выхода из строя ответственных узлов и механизмов и уменьшить затраты на простой и ремонт оборудования. Кроме того, себестоимость изготовления пар трения снижена.
Результаты по завершении всех исследований, запланированных в проекте, могут быть внедрены в промышленное производство при изготовлении материалов для пар трения для машиностроительной, нефтедобывающей и химической отраслей промышленности.