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 проекта 18-19-00312

НазваниеРазработка серии модифицирующих износостойких комплексов широкого применения на основе суперрешетчатых наноструктур и многоэлементного (высокоэнтропийного) состава

Руководитель Верещака Алексей Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное учреждение науки Институт конструкторско-технологической информатики Российской академии наук , г Москва

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова модифицирующие покрытия, суперрешетчатые наноструктуры, многокомпонентные (высокоэнтропийные) соединения, металлорежущий инструмент, медицинские импланты.

Код ГРНТИ55.22.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Сложнокомпозиционные наноструктурированные модифицирующие покрытия получили широкое применение в технологических процессах производства изделий различного назначения, в частности: - режущего и штампового инструмента; - различных пар трения; - изделий повышенной износостойкости, работающих в агрессивных (кислотных, щелочных, соляных и т.д.) средах; - изделий медицинского назначения, работающих в среде человеческого тела (дентальные и костные имплантанты, элементы эндопротезирования и т.д.) Применение модифицирующих покрытий позволяют создавать композиционные материалы с уникальным сочетанием свойств, а также существенно расширить область применения существующих конструкционных материалов. Важной научной проблемой является создание оптимальных по составу и архитектуре покрытий, наилучшим образом соответствующих заданным условиям эксплуатации. В рамках решения данной проблемы существенной и ключевой является задача моделирования и прогнозирования эксплуатационной стойкости изделий с покрытиями различного состава и архитектуры при различных условиях эксплуатации. Для успешной реализации данного проекта предполагается использовать модернизированную технологию фильтруемого вакуумно-дугового осаждения (ФВДО), позволяющую получать покрытия, обладающие чрезвычайно высокими свойствами (высокая прочность адгезионных связей с субстратом (до 100 Н); чрезвычайно высокая твердость (до 50 ГПа у сложнокомпонентных покрытий, до 80 ГПа у боридных покрытий и до 90 ГПа у алмазоподобных покрытий), отсутствие разупрочняющей «капельной фазы» в составе покрытий, отсутствие растравливания рабочих поверхностей микродугами и т.д.). Для успешного решения задач данного научно-технического проекта предполагается использовать следующие подходы при проектировании состава и структуры разрабатываемых модифицирующих покрытий: • использование упрочняющих твердых растворов; • синтез слоев покрытия, градуированных по типам связи; • применение в составе покрытия метастабильных систем с гомогенной металлоидной структурой; • синтез покрытий с многофазными наноструктурированными слоями; • использование покрытий с субслоями наноразмерной толщины; • использование многокомпонентных покрытий, которые можно классифицировать, как «высокоэнтропийные». В соответствии с результатами проведенных исследований были обнаружены и рассмотрены т.н. «основные эффекты», присутствующие в высокоэнтропийных соединениях, возникающие в связи со сложным взаимодействием между составляющими такое соединение элементами. Наиболее важными из них являются: • «Эффект высокой энтропии», следствием которого является то, что неупорядоченная фаза твердого раствора может быть стабилизирована, когда энтропия достаточно высока. • «Эффект вялой диффузии» заключается в том, что кинетические превращения в высокоэнтропийной системе очень медленны по сравнению с обычными системами. Это, отчасти, связано с увеличением энергии активации для замещения диффузии и частично из-за локальных атомистических явлений, которые в конечном итоге останавливают диффузию. • «Сильный эффект искажения решетки» заключается в том, что кристаллическая структура высокоэнтропийной системы чрезвычайно деформирована. Хотя неупорядоченные фазы твердого раствора напоминают обычные структуры ОЦК (объёмно-центрированная кубическая структура), структуры ГЦК (гранецентрированная кубическая структура) или ГПУ (гексагональная структура с плотной упаковкой) значительно изменяются из-за разного размера составляющих их атомов. • «Коктейльный Эффект» приводит к тому, что прочность твердого раствора с высокой энтропией намного выше, чем просто средневзвешенная прочность составляющих его элементов. Добавление легирующих элементов с невысокой прочностью и плотностью, таких как Al, может сделать систему более упругой, что является следствием сложных межатомных взаимодействий. Другим важным элементом создания инновационных модифицирующих покрытий является использование супер-решетчатых (Superlattice) структур, представляющих собой наноструктурированные (с толщиной слоев 10^(-2)–10^2 нм) периодические структуры, состоящие из слоев двух или более различных материалов. Имеющиеся научные исследования показали, что применение супер-решетчатых структур, сочетающих слои с высокими и низкими модулями упругости, позволяет повысить прочность на сдвиг до 100 раз (за счет сдерживания перемещения дислокаций и генерации дислокаций по механизму Франка-Рида (Frank–Read source) в нанослоях). Применение супер-решетчатых структур позволяет также увеличить твердость материала. В частности, исследованное ранее супер-решетчатое покрытие, состоящее из чередующихся слоев кристаллического нитрида углерода и TiN обладает гладкой поверхностной структурой, внутренней кристаллической структурой, твердость данного покрытия составляет 45–55 ГПа. При исследовании свойств супер-решетчатых покрытий TiC–TiB2 с количеством нанослоев 10,100 и 1000 (с толщиной нанослоев 500, 50 и 5 нм соответственно, при общей толщине покрытия 5 мкм) в сравнении со свойствами однослойных покрытий TiC и TiB2 аналогичной толщины было выявлено преимущество многослойного покрытия, особенно при толщине нанослоев порядка 50 нм. Одной из ключевых причин изнашивания и разрушения изделий с покрытиями различного назначения являются усталостные процессы. При математическом моделировании усталостного разрушения изделий и трещинообразования в покрытиях и тонких пленках используются, главным образом, два подхода: метод конечных элементов (Finite Element Method (FEM)) или методы линейной механики упругого разрушения (linear elastic fracture mechanics (LEFM)). Однако указанные методы не учитывают всю сложность процесса усталостного разрушения, особенно при динамическом нагружении изделий при эксплуатации. В настоящей работе предлагается осуществить моделирование усталостного разрушения сложнокомпозиционного наноструктурированного модифицирующего покрытия с высокой степенью достоверности на основе комбинации методов перколяции по узлам и по связям, метода инвариантного погружения, методов решения обратных задач регуляризации Тихонова и квазиобращения Лиокса для моделей микро- и макронеоднородных сред. Данная методика моделирования усталостного разрушения наноразмерных слоистых структур обладает существенной универсальностью и может применяться для решения подобных задач при применении нанотехнологий в машиностроительных и других отраслях. С целью оптимизации параметров осаждения покрытий предполагается разработка инновационной математической модели, имитирующей процессы синтеза сложнокомпозиционных наноструктурированных модифицирующих покрытий. Подобная модель будет построена на основе дифференциальных уравнений ФПК (Фоккера-Планка-Колмогорова) для описания параллельно идущих процессов конвекции и диффузии. В процессе реализации проекта планируется сочетать разработку математических моделей с достаточно обширным объемом экспериментальных лабораторных исследований с использованием современного оборудования, в результате проведения которых будут получены необходимые экспериментальные данные, а также верифицированы результаты математического моделирования. Наличие в команде исполнителей проекта специалистов в области прикладной математики, материаловедения, физики плазмы, а также – теории резания и инструментального производства позволяют уверенно прогнозировать успешное решение поставленных научных задач. Данная научная команда, работающая в области разработки инновационных модифицирующих покрытий различных областей применения более 20 лет, имеет хороший научный задел в данной области. Только за последние 5 лет опубликовано более 130 научных статей, в том числе более 50 – в ведущих международных изданиях, индексируемых в базах Web of Science и SCOPUS (в том числе – более 10 публикаций в изданиях, входящих в 1-й квартиль – Q1). Поданы заявки и получены охранные документы (патенты) более, чем на 10 объектов интеллектуальной собственности. Успешно завершены и выполняются проекты, финансируемые в рамках программ Российского Научного Фонда, Госзадания, МинПромТорга, договоров с ведущими промышленными предприятиями. В результате выполнения работ по проекту предполагается получение следующих научных результатов: 1. Математическая модель процесса синтеза сложнокомпозиционных наноструктурированных модифицирующих покрытий. Модель будет построена на основе дифференциальных уравнений ФПК (Фоккера-Планка-Колмогорова) для описания параллельно идущих процессов конвекции и диффузии. 2. Программный комплекс, позволяющий проводить моделирование процесса синтеза сложнокомпозиционных наноструктурированных модифицирующих покрытий и осуществлять оптимизацию параметров процесса осаждения. 3. Математическая модель изнашивания и усталостного разрушения изделий с сложнокомпозиционными наноструктурированными модифицирующими покрытиями при различных условиях эксплуатации, разработанная на основе моделей микро- и макронеоднородных сред. Данная методика моделирования усталостного разрушения наноразмерных слоистых структур обладает существенной универсальностью и может применяться в раазличных областях нанотехнологий. 4. Программный комплекс, позволяющий проводить моделирование изнашивание и усталостное разрушение изделий с сложнокомпозиционными наноструктурированными модифицирующими покрытиями при различных условиях нагружения. 5. Результаты лабораторных исследований свойств сложнокомпозиционных наноструктурированных модифицирующих покрытий на основе супер-решетчатых наноструктур и многоэлементного (высокоэнтропийного) состава (твёрдость, прочность адгезионных и когезионных связей, элементный и фазовый состав, микроструктура) с использованием современного научно-исследовательского оборудования. В частности, предполагается провести исследования изменения коэффициента трения в паре «инструментальный материал с покрытием – обрабатываемый материал» при температурах, соответствующих температурам в зоне резания (500-1000°С). 6. Результаты исследований окислительных и диффузионных процессов в системе «Субстрат – Сложнокомпозиционное наноструктурированное модифицирующее покрытие – Контактная среда». По результатам данных исследований будет разработана методика выбора оптимальных параметров (состав, архитектура, условия осаждения) покрытий для обеспечения максимальной стойкости к окислению и высоких барьерных свойств. 7. Серия (не менее 5) инновационных сложнокомпозиционных наноструктурированных модифицирующих покрытий на основе супер-решетчатых наноструктур и многоэлементного (высокоэнтропийного) состава для различных областей применения, разработанных на базе проведённых исследований и результатов математического моделирования. 8. Рекомендации по применению режущего инструмента с разработанными покрытиями. Полученные результаты исследований позволят обеспечить дополнительное повышение эксплуатационных характеристик металлорежущего инструмента (стойкость, надежность и долговечность эксплуатации изделий при повышенных режимах резания) и медицинских имплантов различного назначения (повышенная биологическая пассивность, снижение негативного воздействия на человеческий организм, увеличение срока эксплуатации).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---