Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0049

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0049
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Решение задачи наноструктурирования высокотвердой керамической фазы в поверхностных слоях металлокерамических материалов, предназначенных для работы в условиях экстремальных термомеханических нагрузок
Докладчик
Шилько Евгений Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью выполняемого проекта является получение 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.
На основе анализа состояния исследований в данной области и накопленного исполнителями опыта была сформулирована основная задача проекта: разработать комплексный подход к направленному наноструктурированию высокотвердой керамической фазы в поверхностных слоях металлокерамических материалов на основе построения компьютерной модели и применения тяжелых инертных газов с низкой энергией ионизации при электронном облучении металлокерамического композита.
Решение данной задачи включало в себя:
1. Развитие многоуровневой компьютерной модели поверхностных слоев металлокерамического материала с явным учетом наноструктурированной керамической фазы.
2. Исследование возможностей наноструктурирования керамической фазы в поверхностных слоях металлокерамических композитов (на примере системы TiC-NiCr) путем электронно-пучкового облучения образцов в плазме тяжелых инертных газов.
3. Проведение комплекса компьютерных и экспериментальных исследований для определения интервалов значений параметров наноструктурированной керамической фазы, обеспечивающих направленное увеличение механических и трибологических характеристик поверхностных слоев.
4. Разработка проекта ТЗ на создание программно-аналитического комплекса на основе результатов моделирования и экспериментальных исследований.
Актуальность и новизна исследования
Металлокерамические композиты на основе тугоплавких и высокотвердых химических соединений с металлическим связующим характеризуются высокими значениями механических и триботехнических характеристик, таких как прочность, твердость, работа разрушения, термическая стабильность и другие. Эти преимущества определили их широкое применение в качестве функциональных материалов критических узлов высоконагруженных трибомеханических систем, включая детали машин и механизмов, режущие элементы, работающие в условиях абразивного воздействия, высоких температур и агрессивных сред. Эффективность работы композитов в таких условиях определяется комплексом физико-механических свойств поверхностных слоев толщиной 100-200 мкм. Поэтому современным трендом является увеличение ресурса работы критических элементов трибомеханических систем путем формирования в композиционных материалах наноструктурных поверхностных слоев с высокими значениями прочности и вязкости разрушения.
Оригинальность и новизна представляемого исследования заключается в применении комплексного подхода к целенаправленному формированию иерархии наноструктурных составляющих в поверхностных слоях металлокерамического композита. Данный подход включает компьютерное моделирование с использованием нового дискретного метода (метода подвижных клеточных автоматов) в сочетании с передовым экспериментальным способом наноструктурирования поверхностных слоев (импульсным электронно-пучковым облучением). Оригинальность применяемого метода наноструктурирования состоит в использовании инертных газов с высокими атомными массами и низкими значениями энергии ионизации (криптона и ксенона) в качестве плазмообразующих.
Описание исследования

            Для решения поставленных цели и задач в работе проведено комплексное исследование, которое включает в себя:

            1. Построение многоуровневой механической модели поверхностных слоев металлокерамического композита с наноструктурированной керамической фазой и исследование зависимости механических свойств этих слоев от геометрических параметров наномаштабных керамических включений, их концентрации и градиента структуры. Результатами теоретического исследования являются оценки интервалов значений параметров наномасштабных керамических включений, обеспечивающих увеличение прочности и работы разрушения поверхностных слоев.

            2. Высокоэнергетическая обработка поверхностных слоев металлокерамического композита в интервале технологических параметров, обеспечивающем различные степени наноструктурирования керамической фазы (в том числе соответствующие теоретическим оценкам), и исследование особенностей микроструктуры и комплекса физико-механических свойств модифицированных (наноструктурированных) поверхностных слоев.

            В качестве модельного объекта исследования рассматривался металлокерамический композит TiC-NiCr (50:50) со средним размером керамических включений 3 мкм.

            В основе теоретического исследования лежит компьютерное моделирование методом подвижных клеточных автоматов. Данный метод является новым представителем класса вычислительных методов дискретных элементов. Выбор этого метода связан с его фундаментальными преимуществами при моделировании процессов зарождения и развития трещин, множественного разрушения и контактного взаимодействия.

            При построении компьютерной механической модели поверхностных слоев модельного металлокерамического композита учитывались особенности физико-химических процессов при высокоэнергетической обработке. В частности, вследствие высоких температур и экстремальных градиентов температур в поверхностных слоях толщиной от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров происходит растворение и повторное «осаждение» керамических включений в форме столбчатых элементов субмикронного и нанометрового диапазонов. С глубиной эти элементы увеличиваются в размерах и становятся более равноосными. В рамках данных представлений разработаны алгоритмы генерации микромасштабных компьютерных моделей представительных объемов модифицированных поверхностных слоев, находящихся на различном удалении от поверхности.

            На развитых моделях были проведены численные исследования влияния значений геометрических параметров и концентрации наномасштабных и субмикронных керамических включений на величину прочности на сжатие и работу разрушения представительных объемов. Это позволило определить интервалы параметров, обеспечивающие максимальные значения прочности и работы разрушения представительных объемов на различном удалении от поверхности.

            В качестве метода высокоэнергетической обработки поверхностных слоев металлокерамического композита, обеспечивающей наноструктурирование керамической фазы, использовался метод импульсного электронно-пучкового облучения в плазме инертных газов, совмещенный с ионной бомбардировкой в едином цикле воздействия. Для реализации такого совмещенного воздействия впервые использованы инертные газы с высокими атомными массами и низкими значениями энергии ионизации (криптон и ксенон). Применение тяжелых инертных газов обеспечивает значительный вклад ударного воздействия ионов тяжелых инертных газов в поток энергии в поверхностные слои.

            Данный метод применен для модификации структуры поверхностных слоев образцов модельного металлокерамического композита. Использованы режимы облучения, характеризующиеся различными значениями плотности энергии в пучке и длительностью импульса облучения. Интервал этих значений определялся на основе данных предварительных исследований.

            Проведены исследования полученных образцов с наноструктурированной керамической фазой в поверхностных слоях. Проанализирована микроструктура, фазовый и элементный состав наноструктурированных поверхностных слоев, их термическая стабильность и коррозионная стойкость. Исследовано влияние особенностей внутренней структуры поверхностных слоев на микротвердость, нанотвердость и износостойкость, а также на величину прочности облученных образцов на изгиб.

            Проведен совместный анализ расчетно-экспериментальных данных и сделаны выводы о возможностях кратного повышения физико-механических свойств поверхностных слоев металлокерамических композитов путем формирования в них наноструктурных состояний керамической компоненты.

Результаты исследования

            Важнейшим результатом исследования является продемонстрированный на примере модельного металлокерамического композита TiC-NiCr эффект увеличения микротвердости (в полтора раза), прочности (до 2 раз) и износостойкости (на порядок величины) поверхностных слоев металлокерамических композиционных материалов в результате формирования в них наноструктурных состояний высокотвердой керамической фазы. Предложен новый метод наноструктурирования керамической фазы в поверхностных слоях металлокерамических изделий, получаемых традиционными методами порошковой металлургии. Он заключается в электронно-пучковом облучении поверхности образца в плазме тяжелых инертных газов с низкой энергией ионизации (криптон, ксенон). Особенностью метода является совмещение облучения электронным пучком с ионной бомбардировкой в едином цикле воздействия.

            Одним из ключевых результатов выполнения проекта является создание программного комплекса для многоуровневого компьютерного моделирования сложных процессов накопления повреждения, разрушения и контактного взаимодействия в поверхностных слоях металлокерамических материалов. Разработанная программа занимает пустующую на рынке нишу инженерного ПО для микромасштабного моделирования процессов разрушения, трения и износа в материалах со сложной внутренней структурой.

            Путем численного моделирования показано, что кратное возрастание механических характеристик поверхностных слоев с уменьшением характерных размеров дисперсных керамических включений до субмикронного и нанометрового диапазона обусловлено качественным изменением характера пространственного распределения напряжений. В наноструктурированном поверхностном слое напряжения достаточно однородно перераспределены между высокотвердыми включениями и металлическим связующим. Важными факторами, способствующими отсутствию выраженных концентраторов и равномерному распределению напряжений, являются столбчатая структура включений, упрочненное металлическое связующее и наличие достаточно плавного градиента структуры и свойств с глубиной.

            Проведенное исследование показало широкие возможности формирования поверхностных слоев различной толщины с наноразмерными керамическими включениями. Установлено, что с повышением атомной массы плазмообразующего газа при одновременном снижении энергии его ионизации повышается эффективность воздействия на поверхностные слои – увеличивается глубина модифицированных поверхностных слоев (до 40-50 мкм) и повышается степень диспергирования керамических частиц до наноразмерного состояния.

            Важно отметить, что традиционные подходы к решению данной задачи основаны на создании наноструктурных металлокерамических покрытий. Ключевыми факторами, ограничивающим применение таких подходов, являются наличие резкой границы раздела между подложкой и поверхностным слоем и различия в величинах их теплофизических характеристик. В рамках настоящего проекта реализован новый подход, основанный на наноструктурировании керамической фазы в поверхностных слоях композитов. Основными преимуществами формируемых таким способом поверхностных слоев, помимо плавного изменения структуры и механических свойств при переходе к внутренним слоям композита, является отсутствие несовместности теплофизических свойств, что естественным образом обеспечивает высокую адгезию модифицированных поверхностных слоев к внутренним.

Практическая значимость исследования
Перспективы практического использования результатов исследования связаны с повсеместным применением металлокерамических композитов в качестве основы штампового, бурового, металлорежущего и обрабатывающего инструмента. В настоящее время металлокерамические элементы российского производства уступают зарубежным практически по всем эксплуатационным свойствам. Технологическое переоснащение предприятий с целью повышения конкурентоспособности производимых металлокерамических композитов и изделий из них является крайне дорогостоящим и трудноокупаемым.
В результате выполнения проекта предложена эффективная альтернатива традиционным способам повышения эксплуатационных свойств металлокерамических материалов, связанным с увеличением дисперсности исходных порошков и усложнением технологии спекания. Она заключается в высокоэнергетической обработке рабочих поверхностей металлокерамических элементов, получаемых по традиционным технологиям, с целью формирования в поверхностных слоях наноструктурных состояний высокотвердой керамической компоненты. Выбор оптимального технологического режима обработки позволяет кратно увеличить значения прочности и износостойкости поверхностных слоев в широком температурном интервале.
Ключевым для оценки оптимальных параметров наноструктурированной керамической фазы в поверхностных слоях является применение разработанного исполнителями проекта программного продукта «Программа для компьютерного моделирования деформации и разрушения наноструктурированных поверхностных слоёв металлокерамических композиционных материалов с явным учётом структурных элементов микро- и наноскопического масштабов на основе метода подвижных клеточных автоматов». Отметим, что текущий объем рынка программных комплексов для компьютерного дизайна внутренней структуры и виртуального тестирования материалов превышает 3,5 миллиарда долларов США. При этом доминирующее положение на рынке занимают американские и европейские комплексы. Разработанный исполнителями проекта программный продукт является уникальным, поскольку занимает пустующую в настоящее время нишу микроскопического моделирования сложных процессов разрушения, трения и износа в поверхностных слоях материалов со сложной внутренней структурой.