Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения проекта были получены базовые связки систем Cu-Zn-Ni, Fe-Co-Ni и Fe-Ni-Mo для высокопроизводительного импортозамещающего инструмента с повышенным ресурсом работы в экстремальных условиях эксплуатации, в том числе в условиях Арктики и Крайнего Севера. Изучены их механические и трибологические характеристики. Определено оптимальное соотношение компонентов в металлических связках. Подобраны типы и концентрации модифицирующих наночастиц различной природы и геометрии (сферической (наночастицы WC, ZrO2, Al2O3), чешуйчатой (наночастицы hBN), волокнистой (углеродные нанотрубки, нановолокна). Исследовано влияние модифицирующих наночастиц на процессы формования и спекания. Определены значения усадки и энергии активации спекания. Изучены механические и трибологические свойства металломатричных композиционных материалов. Проведены эксперименты по матричному наноиндентированию исходных и наномодифицированных связок. Установлено влияние наночастиц на твердость и упругие свойства отдельных фаз. Исследован характер распределения наночастиц в связках (внутрикристаллитное или межкристаллитное) методом просвечивающей электронной микроскопии. Проведены in-situ испытания по изучению влияния различных наночастиц на механизмы деформации и разрушения полученных композиционных материалов в условиях сжатия в колонне просвечивающего электронного микроскопа. С помощью устройств «Push-to-pull» проведены in-situ испытания на растяжение в колонне просвечивающего электронного микроскопа образца связки Fe-Ni-Mo, модифицированного наночастицами WC. Определен предел прочности на растяжение образца связки и проведено сравнение с результатами, полученными по стандартным методикам. Разработана компьютерная модель, связывающая иерархическую структуру связки, распределение и морфологию наномодификатора с механическими свойствами. Исследованы механизмы деформации и разрушения с помощью метода конечных элементов. На основании расчетов было сделано предположение о диапазоне оптимальных концентраций наномодификаторов в связке.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе выполнения проекта исследовано влияние наночастиц различной природы и геометрии (сферической, чешуйчатой и волокнистой) на взаимодействие компонентов при механическом легировании при комбинированном модифицировании ими порошковых смесей. Установлено, что в присутствии наночастиц hBN, WC и углеродных нанотрубок (а также при увеличении их концентрации в смеси) замедляется процесс взаимного растворения компонентов. Из гибридно-наномодифицированных смесей на основе составов Fe-Co-Ni и Fe-Ni-Mo методом горячего прессования были получены компактные образцы и исследованы их физико-механические и трибологические свойства. Установлено, что лучшим комплексом свойств обладают связки с комбинированным упрочнением наночастицами hBN, WC и углеродными нанотрубками, а также легированные титаном. Методом измерительного наноиндентирования установлено влияние наномодификаторов на твердость и упругие свойства отдельных структурных составляющих связок Fe-Co-Ni и Fe-Ni-Mo. Разработана двухуровневая компьютерная модель связки Fe-Co-Ni-TiH2, исследовано ее поведение при одноосном растяжении. Затем данные, полученные при моделировании, были сопоставлены с реальными кривыми растяжения этих связок. Были изготовлены компактные образцов алмазосодержащих материалов с гибридно-наномодифицированными связками, а также изучена граница раздела «алмаз-металлическая матрица». Исследованы условия образования самоорганизующихся защитных покрытий на алмазных зернах в процессе спекания с металлической связкой, содержащей наночастицы вольфрама, карбида вольфрама и карбида молибдена. При введении в связку Fe-Ni-Mo и Fe-Co-Ni наночастиц вольфрама и карбида вольфрама наблюдали образование покрытия на поверхности алмазных зерен независимо от состава связки. При добавлении в связку Fe-Co-Ni карбида молибдена Mo2C также происходит образование покрытия, при добавлении карбида молибдена в связку Fe-Ni-Mo образования покрытия не происходит. При исследовании возможности образования покрытий в процессе горячего прессования и последующего отжига в вакуумной печи выявлено образование покрытий в связках систем Fe-Ni-Mo и Fe-Co-Ni, содержащих наночастицы карбида вольфрама. Отработана методика изготовления образцов для проведения испытаний на растяжение по схеме “push to pull” in situ в колонне ПЭМ с помощью двухлучевого микроскопа. Проведены in-situ испытания в колонне просвечивающего электронного микроскопа по изучению механизма деформации и разрушения материалов с гибридным наномодифицированием. Впервые было количественно определено значение силы адгезии связки к алмазному зерну при in situ испытаниях на растяжение ламелей «алмаз-связка» в колонне просвечивающего электронного микроскопа.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведены исследования условий образования самоорганизующихся защитных покрытий WC на алмазных зернах в процессе спекания с металлической связкой. При спекании со связкой Cu-WC на алмазе образуется покрытие, состоящее из смеси металлического вольфрама и карбида вольфрама. В случае модифицирования меди наночастицами WO3 покрытие не образуется, а при введении в связку 20% Fe образуется покрытие, в котором весь вольфрам находится в металлическом состоянии. Условиями образования на поверхности алмаза покрытия из вольфрама (карбида вольфрама) при спекании с металлической связкой являются: наличие затравки WC и металла-катализатора графитизации. Движущей силой явления самопроизвольного плакирования является химически активированный газофазный массоперенос WO3 к поверхности алмаза, хемосорбция и последующее восстановление и карбидизация. При этом металлические компоненты связки не окисляются кислородом, высвободившимся при восстановлении оксида вольфрама, что подтверждается данными РФЭС. Увеличение концентрации наночастиц WC в связке приводит к повышению сплошности покрытия на алмазе. Это связано с большим содержанием примесного WO3, осуществляющего газотранспортный перенос, и ростом количества центров кристаллизации, так как наночастицы WC выполняют функцию затравки. Сплошность покрытия не зависит от продолжительности изотермической выдержки при спекании. Монокристаллы алмаза, спеченные со связками, содержащими наночастицы WC, обладали уровнем статической прочности 380 Н, что на 10 % ниже, чем у исходных алмазов. Небольшое уменьшение механических свойств связано с возникновением на поверхности алмаза рисунков травления в результате частичной графитизации. Они выступают центрами зарождения трещин. Однако покрытие WC на алмазе характеризовалось высокой адгезией. Были получены компактные образцы алмазосодержащих материалов с исходными и гибридно-наномодифицированными связками Fe-Co-Ni и Fe-Ni-Mo и градиентной структурой границы раздела алмаз-связка. Исходные связки характеризовались недостаточной адгезией к алмазному монокристаллу, так как на изломе спеченных образцов на границе раздела «алмаз-связка» обнаружены небольшие трещины. Введение TiH2 позволяло повысить адгезию, что было установлено по большому количеству участков налипшей связки на поверхности алмаза. Добавка наночастиц WC позволяла получать самоорганизующиеся покрытия на алмазе, которые также способствуют повышению адгезии. Проведены in-situ механические испытания ламелей «алмаз-связка» и «алмаз – покрытие WC – связка» по схеме “push to pull” с помощью держателя Hysitron PI 95 TEM PicoIndenter. Освоена методика изготовления образцов для испытаний с помощью двухлучевого микроскопа. На данном этапе выполнения проекта была усовершенствована методика измерения толщины образцов, что позволило более точно определить силу адгезии. Рассчитанное значение силы адгезии для ламели «алмаз-связка» составляло 206 МПа, а для ламели «алмаз – покрытие WC – связка» - 330 МПа. Таким образом, было подтверждено, что наличие покрытия WC на алмазе способствует повышению адгезии. Проведены сравнительные стендовые испытания инструмента (отрезных сегментных дисков со связками на основе системы Fe-Co-Ni и кольцевых сверл со связками на основе системы Fe-Ni-Mo) с алмазосодержащими сегментами с гибридной и градиентной структурой по резке железобетона. Лучшим сочетанием эксплуатационных свойств – производительности, износостойкости, стабильности работы – характеризовались инструменты со связками [Fe-Co-Ni]-0,1 % hBN – 0,1 % CNT - 0,69 % WC и [Fe-Ni-Mo] - 0,1 % CNT - 0,1 % hBN - 0,69 % WC. В сегментах этих инструментов после испытаний была минимальная доля выпавших алмазных зерен, что говорит о хорошей удерживающей способности связок.