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 22-79-10144

НазваниеРазработка высокоэнтропийных связок для нового поколения алмазного режущего инструмента с повышенными эксплуатационными характеристиками за счет комплексного модифицирования и реализации механизмов дисперсного и дисперсионного упрочнения

РуководительЛогинов Павел Александрович, Кандидат технических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

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

Ключевые словаАлмазный инструмент, алмаз, композиционные материалы, высокоэнтропийные сплавы, функционально-градиентные материалы, просвечивающая электронная микроскопия, in situ исследования, прочность

Код ГРНТИ55.31.35

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Строительство объектов производственной, социальной, транспортной инфраструктуры является одним из важнейших направлений развитий экономики Российской Федерации в ближайшие 10-15 лет. Согласно стратегии развития Арктики до 2035 года с целью обеспечения национальных интересов Российской Федерации в Арктической зоне планируется строительство и модернизация промышленных, высокотехнологичных производств и объектов здравоохранения, разработка новых месторождений нефти, газа и твердых полезных ископаемых, реализация программ геологической разведки, строительство или реконструкция аэропортовых комплексов, морских портов. Развитие инфраструктуры региона потребует привлечения трудовых ресурсов и, таким образом, вызовет необходимость строительства объектов жилой недвижимости. Рекордные темпы строительства жилой и коммерческой недвижимости наблюдаются и на остальной территории Российской Федерации. По состоянию на 1 декабря 2021 г. ввод жилья составил 81,7 млн. кв. м, что на 26,8 % выше показателя аналогичного периода 2020 года. Одновременно со строительством нового жилья в ряде городов планируется проведение мер по реновации, в рамках которых будет обновлен жилищный фонд, предотвращен рост массового появления аварийного жилья и проведена деконструкция зданий с высокой степенью морального и физического износа. В этих условиях многократно увеличивается потребность в алмазном абразивном инструменте, имеющем важнейшее значение при выполнении ряда операций во время строительства и демонтажа конструкций и при добыче/обработке полезных ископаемых. Ужесточение санитарных и экологических правил при осуществлении данных видов деятельности, работа в нестационарных условиях, предъявляют жесткие требования к эксплуатационным характеристикам инструмента – производительности и ресурсу работы. Достижение повышенных эксплуатационных характеристик инструмента возможно при усовершенствовании одной из основных его составляющих – металлической связки. Перспективным классом металлических материалов, превосходящим по многим характеристикам существующие связки для алмазного абразивного инструмента, являются высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) – сплавы на основе 5 и более элементов с концентрацией от 5 до 35 ат. %. ВЭС на основе системы Fe-Co-Ni-Cr представляют интерес благодаря сочетанию высокой прочности и пластичности, в том числе при отрицательных температурах, что особенно актуально для проведения работ в Арктической зоне Российской Федерации. В рамках выполнения данного проекта планируется проведение комплексных исследований, направленных на выбор оптимального состава, типа структуры и объяснение деформационного поведения ВЭС, относящихся к нескольким системам. Исследования в области разработки ВЭС имеют не только практическое значение для производителей алмазного инструмента, но и высокую ценность для фундаментальной науки. ВЭС на основе Fe-Co-Ni-Cr являются особыми видами материалов, в которых очень ярко проявляются TWIP (от анг. twinning induced plasticity – пластичность, вызванная двойникованием) и TRIP ( от анг. transformation induced plasticity – пластичность, вызванная фазовым превращением) эффекты, наблюдаются необычно высокие сочетания прочности и пластичности (в том числе при криогенных температурах), замедленная диффузионная подвижность атомов, делающая ВЭС востребованными и для использования при повышенных температурах, чрезвычайно высокая коррозионная стойкость. Благодаря многофункциональности ВЭС результаты, полученные в ходе выполнения данного проекта, могут быть востребованы и во многих других областях применения: при создании магнитотвердых и магнитомягких материалов, в атомной энергетике, в узлах ракетно-космической техники, в материалах биомедицинского назначения, катализаторах, поглотителях солнечного излучения и материалах для хранения водорода.

Ожидаемые результаты
В рамках реализации проекта будут созданы новые ВЭС в системах Fe-Co-Ni-Cr, Fe-Co-Ni-Cr-Cu и Fe-Co-Ni-Cr-Ti, изготовлены на их основе экспериментальные образцы алмазного инструмента и проведены их испытания. Будут получены следующие результаты: - Будут исследованы особенности фазо- и структурообразования при механическом легировании порошковых смесей Fe-Co-Ni-Cr, Fe-Co-Ni-Cr-Cu и Fe-Co-Ni-Cr-Ti и определены режимы обработки, при которых возможно получение однофазных порошков. - Будут исследованы механические свойства консолидированных эквиатомных ВЭС Fe-Co-Ni-Cr, Fe-Co-Ni-Cr-Cu и Fe-Co-Ni-Cr-Ti. - Будут определены концентрационные интервалы по меди, в которых возможно получение однофазных и двухфазных высокоэнтропийных сплавов Fe-Co-Ni-Cr-Cu. - Будут определены концентрационные интервалы по титану в системе Fe-Co-Ni-Cr-Ti, в которых возможно получение однофазных и дисперсионно-упрочненных наноразмерными интерметаллидными фазами. - Будет исследовано влияние фазового состава и содержания меди и титана в ВЭС Fe-Co-Ni-Cr-Cu и Fe-Co-Ni-Cr-Ti на их механические свойства и деформационное поведение. - Будет исследовано влияние концентраций меди и титана, типа структуры (однофазная, двухфазная, двухфазная дисперсионно упрочненная) на трибологические характеристики ВЭС: износостойкость, коэффициент трения в паре с абразивным материалом. - Будет отработана методика изготовления микрообразцов (ламелей) для in situ испытаний на растяжение в просвечивающем электронном микроскопе с помощью устройства push-to-pull. - Будут проведены in situ испытания на растяжение в просвечивающем электронном микроскопе однофазных и композиционных двухфазных микрообразцов (ламелей) из ВЭС Fe-Co-Ni-Cr, Fe-Co-Ni-Cr-Cu и Fe-Co-Ni-Cr-Ti, которые позволят более детально исследовать механизмы деформации. - Будет проведена качественная оценка адгезии связок на основе ВЭС Fe-Co-Ni-Cr, Fe-Co-Ni-Cr-Cu и Fe-Co-Ni-Cr-Ti к алмазному монокристаллу по характеру изломов металлоалмазных композитов. - Будет проведено количественное определение адгезионной прочности связок на основе ВЭС Fe-Co-Ni-Cr, Fe-Co-Ni-Cr-Cu и Fe-Co-Ni-Cr-Ti к алмазному монокристаллу по результатам in situ испытаний на растяжение ламелей с архитектурой «металл-алмаз». - Будет проведено дополнительное усовершенствование связок на основе ВЭС Fe-Co-Ni-Cr, Fe-Co-Ni-Cr-Cu и Fe-Co-Ni-Cr-Ti за счет введения дисперсных упрочнителей и добавок, контролирующих износ, а также добавок, формирующих самоорганизующиеся покрытия на поверхности алмаза. - Будут проведены сравнительные стендовые испытания экспериментальных образцов инструмента с разработанными связками на основе ВЭС. Ожидаемые результаты будут соответствовать мировому уровню исследований и иметь важное фундаментальное значение в части исследования механических и трибологических свойств ВЭС. В части проведения in situ исследований методом просвечивающей электронной микроскопии с целью исследования деформационного поведения ВЭС с различными типами структуры и количественного определения адгезии к алмазному монокристаллу коллектив авторов будет конкурировать с лучшими мировыми научными центрами: EMAT (University of Antwerp, Бельгия) и Materials Sciences Division (Lawrence Berkeley National Laboratory, США). Результаты исследований представляют большой практический интерес, так как имеют высокую рыночную привлекательность как минимум в области алмазного абразивного инструмента.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения проекта были исследованы особенности фазо- и структурообразования при механическом легировании порошковых смесей Co-Cr-Fe-Ni и Co-Cr-Cu-Fe-Ni. Были получены однофазные порошки с однородным распределением элементов. Получены компактные образцы высокоэнтропийных сплавов CoCrCuхFeNi с высоким уровнем механических свойств относительно сплавов аналогичных составов, описанных в современной научной литературе. Установлены закономерности фазообразования в зависимости от содержания меди в сплавах. Проведены трибологические испытания высокоэнтропийных сплавов CoCrCuхFeNi при трении в паре с контртелом из спеченного Si3N4. Установлено, что лучшей износостойкостью обладают однофазные сплавы. Износ всех исследованных сплавов CoCrCuхFeNi происходит по абразивно-окислительному механизму. Продукты износа представляют собой аморфные частицы размером 10-200 нм, состоящие из компонентов сплава с равномерно распределенным кислородом и кремнием. Отработана методика изготовления микрообразцов (ламелей) для in situ испытаний на растяжение в просвечивающем электронном микроскопе с помощью устройств Push-to-pull. Проведен комплекс структурных in situ исследований высокоэнтропийных сплавов CoCrCuхFeNi с использованием просвечивающего электронного микроскопа. При нагреве ламели из частицы механически легированного порошка CoCrFeNi до 800 °С установлены основные температурные диапазоны релаксации дефектов кристаллической решетки и начала процессов рекристаллизации. Результаты, полученные в ходе in situ испытаний на растяжение высокоэнтропийных сплавов CoCrCuхFeNi, позволили выявить закономерности между пластичностью и средним размером зерна, основной механизм деформации (двойникование), а также установить факт локализации деформации при растяжении в зернах вторичной фазы на основе меди. Сравнительные испытания на растяжение ламелей с архитектурой «металл-алмаз» показали, что медьсодержащие сплавы характеризуются в 5 раз меньшей адгезионной прочностью по отношению к алмазному монокристаллу.

 

Публикации

1. Логинов П.А., Федотов А.Д., Муканов С.К., Манакова О.С., Зайцев А.А., Ахметов А.С., Рупасов С.И., Левашов Е.А. Manufacturing of Metal–Diamond Composites with High-Strength CoCrCuxFeNi High-Entropy Alloy Used as a Binder Materials, Materials. – 2023. – Vol. 16(3). – № 1285. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16031285

2. Муканов С.К., Логинов П.А., Федотов А.Д., Бычкова М.Я., Антонюк М.Н., Левашов Е.А. The Effect of Copper on the Microstructure, Wear and Corrosion Resistance of CoCrCuFeNi High-Entropy Alloys Manufactured by Powder Metallurgy Materials, Materials. – 2023. – Vol. 16(3). – № 1178. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ma16031178

3. Логинов П.А., Муканов С.К., Левашов Е.А. Mechanical and tribological properties of CoCrCuxFeNi high entropy alloys, manufactured by mechanical alloying and hot pressing VI International Conference "Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies" FBMT-2022. Book of abstracts, P. 62. (год публикации - 2022)

4. Федотов А.Д., Муканов С.К., Логинов П.А. Study of mechanical and tribological properties of Fe-Co-Ni-Cr-Cux high entropy alloys Abstracts of the IV International Conference and School of Young Scientists “Advanced High Entropy Materials”. September 26-30, 2022. Chernogolovka, Russia., p. 48 (год публикации - 2022)

5. Федотов А.Д., Муканов С.К., Логинов П.А. Исследование механических и трибологических свойств высокоэнтропийных сплавов CoCrCuxFeNi2 Сборник докладов 13-го Международного симпозиума «Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка». Т.1. Минск, 5–7 апреля 2023 г. Минск: Беларуская навука, Сборник докладов 13-го Международного симпозиума «Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка». Т.1. Минск, 5–7 апреля 2023 г. Минск: Беларуская навука. – C. 190-195. (год публикации - 2023)