КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 14-19-00273

НазваниеТвердые температурно-адаптирующиеся самосмазывающиеся нанокомпозиционные покрытия

РуководительЛевашов Евгений Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2018 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаНанокомпозиционные покрытия, самосмазывающиеся покрытия, магнетронное распыление, ионная имплантация, структура, механические и трибологические свойства

Код ГРНТИ55.22.23

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Настоящий проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы разработки и получения твердых температурно-адаптирующихся самосмазывающихся материалов для инновационных триботехнических систем. Основной задачей проекта является разработка научных принципов и технологических подходов к получению твердых самоадаптирующихся нанокомпозиционных покрытий для работы в широком интервале температур. Тематика данного проекта, не только сохраняет высокую актуальность, но и, по-видимому, будет вызывать повышенный интерес международного научного сообщества в ближайшие десятилетия. Вследствие трения и износа в мире расходуется огромное количество энергии, и, несмотря на развитие энергосберегающих технологий и более экономных машин и механизмов, энергетические расходы продолжает расти по мере развития научно-технического прогресса. О высокой актуальности работ в области разработки твердых смазок и покрытий с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью и повышенном интересе к этой проблеме со стороны научного сообщества, также свидетельствует большое количество монографий и обзоров, опубликованных за последние 4 года в ведущих международных журналах. При выполнении работ в 2014-2016 гг. исполнителями проекта были установлены различные важные условия, которые оказывают существенное влияние на фрикционное поведение покрытий: - трибо-активированное окисление внутри дорожки износа; - трибо-химическое образование промежуточных фаз в зоне износа; - образование самосмазывающихся продуктов в зоне трибологического контакта; - отсутствие абразивных продуктов износа. Важным результатом проведенных исследований также является установление роли мягких металлов, например, серебра, введение которого в состав покрытия TiNbCN не только существенно повысило его жаростойкость (почти на порядок по толщине окисленного слоя при 700 °С), но и наделило покрытие замечательным свойством самозалечивания вследствие способности серебра сегрегировать в местах образования трещин и очагов окисления. Таким образом, основываясь на полученных в проекте результатах и анализе имеющейся литературных данных, мы предлагаем новые методы и подходы к решению основной задачи проекта - получение твердых самоадаптирующихся нанокомпозиционных покрытий для работы в широком интервале температур. За время выполнения проекта нами было опубликовано 7 научных статей, в том числе один обзор в журнале International Materials Review, с импакт фактором IF=7.914, и 4 статьи в ведущих международных журналах по тематике проекта с IF>2. Ожидается, что в рамках выполнения новой программы исследований будут также получены результаты высокого научного уровня. В рамках Проекта 2017 года мы предполагаем сконцентрироваться на разработке нанокомпозиционных покрытий, обладающих высокой термической стабильностью и жаростойкостью в широком температурном интервале. Основная идея состоит в том, чтобы подобрать такой фазовый состав покрытия, в котором каждая структурная составляющая, с одной стороны, будет обеспечивать низкий коэффициент трения в определенном температурном интервале, а, с другой, оставаться стабильной при нагреве. Кроме того, необходимо исключить взаимодействие фаз между собой с образованием промежуточных соединений, наличие которых может неблагоприятно сказываться на трибологических характеристиках. В этой связи, в качестве одной из структурных составляющих нанокомпозиционного покрытия наш выбор пал на гексагональный нитрид бора h-BN, который, в отличие от графита, аморфного и алмазоподобного углерода не окисляется до высоких температур (~1100оС). В качестве второй структурной составляющей мы планируем вводить мягкие металлы, например серебро. В частности, в наших предыдущих исследованиях было показано, что наличие достаточного количества металлического серебра приводит к существенному снижению коэффициента трения при низких (< 200 °С) и высоких (>400 °С) температурах. Мы планируем провести отдельные динамические трибологические испытания мягких металлов (Ag, Cu, Sn, In, Pb), чтобы установить их самосмазывающиеся характеристики в различных температурных интервалах. Также планируется провести расчет зависимости модулей сдвига чистых металлов от температуры с использованием теории функциональной плотности и сравнить полученные результаты с экспериментом. Это позволит осуществить научно-обоснованный выбор типа мягкого металла в качестве твердой смазки. Третьей важной структурной составляющей нанокомпозиционного покрытия является твердая, термически стабильная и жаростойкая фаза. Будут рассмотрены структурные составляющие в системах Si-O-C-N и Si-Ta-O-C-N, которые стабильны до высоких температур. Для выполнения целей проекта потребуется решить задачи, связанные с получением новых типов многокомпонентных катодов-мишеней, необходимых для технологии ионно-плазменного осаждения. Данные задачи будут реализованы с помощью технологий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), горячего прессования и искрового плазменного спекания. С точки зрения достижения желаемых характеристик покрытий будет проведена оптимизация состава керамических катодов-мишеней в следующих системах: SiC-Si3N4, SiC-Si3N4-BN, TaSi2-SiC, TaSi2-SiC-BN, TaN-TaSi2-SiC, TaN-TaSi2-SiC-BN. При этом будет исследовано влияние механического активирования на структуру и свойства реакционных смесей; изучено кинетика и механизм горения, стадийность химических превращений и структурообразование продуктов синтеза в волне горения СВС- систем. Для систем с хорошо деформируемыми продуктами синтеза (при наличии жидкой фазы) катоды-мишени будут получены с помощью технологии СВС- компактирования. Из полученных порошков по технологии горячего прессования или искрового плазменного спекания будут изготовлены катоды-мишени и проведен сравнительный анализ их структуры и свойств. Ожидается, что присутствие в составе керамики карбида кремния, нитрида бора и нитрида тантала позволит не только получить ожидаемые трибологические свойства покрытий, но и повысить трещиностойкость, термостойкость мишеней.

Ожидаемые результаты
- С помощью технологий СВС, горячего прессования или искрового плазменного спекания впервые будут получены перспективные керамические материалы составов SiC-Si3N4, SiC-Si3N4-BN, TaSi2-SiC, TaSi2-SiC-BN, TaN-TaSi2-SiC, TaN-TaSi2-SiC-BN. Будут установлены закономерности влияния механического активирования на микроструктуру и теплотворную способность реакционных смесей Ta-Si, Ta-Si3N4, Si-C, Si-C-Si3N4, Ta-Si-C, Ta-Si-Si3N4, Ta-Si-C-Si3N4. С помощью быстродействующего калориметра сжигания будут найдены оптимальные режимы МА, при которых достигается максимальное тепловыделение, а процесс горения протекает в стационарном режиме. С помощью методов временно-разрешающей динамической рентгенографии и остановленного фронта горения будут проведены исследования стадийности химических превращений в волне горения, что особенно важно для многокомпонентных систем с двумя и более химическими реакциями. Будет изучена кинетика горения ранее не изученных СВС- систем. Будут получены компактные катоды-мишени заданного размера при использовании технологии силового СВС-компактирования для составов с хорошо деформируемыми продуктами синтеза или технологии горячего прессования (импульсного плазменного спекания) субмикронных порошков или порошковых смесей. - Будут установлены зависимости коэффициента трения мягких металлов (Ag,Cu,Sn,In,Pb) от температуры в диапазоне 25-700 оС. Будет произведен выбор оптимальных металлических элементов для введения в состав нанокомпозиционных покрытий. - Будут разработаны и получены нанокомпозиционные покрытия в системе Ta-Si-C-N-(О) – металл. На основе современных методов структурного анализа будет получена информация об элементном и фазовом составе, морфологии, размере зерен, текстуре покрытий. Будет установлена связь между параметрами осаждения покрытий, их структурой и механическими свойствами (твердость, модель упругости, упругое восстановление, адгезионная прочность). - Будут выявлены закономерности и последовательности структурных изменений в покрытиях при нагреве и охлаждении в зависимости от элементного и фазового состава и изучено их влияния на трибологические свойства. Будут установлены механизмы износа покрытий в различных температурных интервалах, получены данные по составу и морфологии продуктов износа в зоне трибологического контакта (на поверхности покрытия и контртела). - Будет установлено влияние мягких металлов на стойкость покрытий к высокотемпературному окислению и определены механизмы окисления и самозалечивания дефектов и микротрещин при нагреве. - Будут установлены механические и трибологические характеристики двухфазных твердых смазок h-BN-металл. Будут изучены термически-активируемые процессы диффузии серебра к поверхности покрытия и агломерации частиц в зависимости от концентрации добавок. Будет определена морфология и состав продуктов износа в зоне трибологического контакта. Будут установлены диапазоны концентраций BN и мягкого металла, обеспечивающих снижение коэффициента трения в определенном температурном интервале. - Будут разработаны научные и технологические подходы к снижению коэффициента трения при повышенных температурах за счет введения дополнительных компонентов, обладающих самосмазывающимися характеристиками в заданном температурном интервале. - Будут разработаны и получены нанокомпозиционные покрытия в системах Ta-Si-C-N-(О) – металл- BN и Si-C-N-(О) – металл – BN, обладающие повышенной термической стабильностью, стойкостью к окислению и низким коэффициентом трения в широком температурном интервале. Ожидаемые результаты будут соответствовать мировому уровню исследований, будут иметь важное фундаментальное (в части механического активирования порошковых смесей, механизма и кинетики горения новых многокомпонентных систем, развития концепции нанокомпозиционных антифрикционных покрытий, анализа процессов трения и износа нанокомпозиционных покрытий, установления связи между структурой и свойствами покрытий) и прикладное значение (будут разработаны новые мишени для технологии ионно-плазменного осаждения покрытий и новые составы покрытий с низким коэффициентом трения в широком температурном интервале для различных пар трения).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---