Исследование процессов тепломассообмена и механизма структурообразования сверхтвердых металлокерамических покрытий в условиях высокотемпературной обработки токами высокой частоты малогабаритных титановых конструкций с тонкослойными (Ta,Zr)-элементами

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 18-79-10040

НазваниеИсследование процессов тепломассообмена и механизма структурообразования сверхтвердых металлокерамических покрытий в условиях высокотемпературной обработки токами высокой частоты малогабаритных титановых конструкций с тонкослойными (Ta,Zr)-элементами

Руководитель Фомин Александр Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." , Саратовская обл

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «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 слова высокотемпературная обработка, токи высокой частоты, магнетронное распыление, химико-термическая обработка, процессы тепломассообмена, титан, тантал, цирконий, оксиды, карбиды, сверхтвердый материал, износостойкость, биосовместимость, наноструктура, карбюризатор

Код ГРНТИ55.22.00, 53.49.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной научной проблемы повышения физико-механических характеристик поверхности малогабаритных титановых конструкций с тонкослойными (Ta,Zr)-элементами и обоснования использования высокотемпературной обработки ТВЧ и химико-термического модифицирования поверхности в газообразной кислородсодержащей реакционной среде и твердом карбюризаторе, обеспечивающих получение износостойких и сверхтвердых (свыше 40 ГПа) оксидных, карбидных и карбонитридных покрытий, в частности для нужд инструментального производства и восстановительной медицины. Актуальность. Потребность в новых эффективных процессах модификации (фазово-структурной и химической) и упрочнения поверхности металлообрабатывающего инструмента (сменных режущих пластин резцов, фрез и др.) и имплантируемых конструкций (для восстановительной медицины) связана с недостатками существующих способов. Существуют определенные сложности для создания требуемых условий синтеза, в частности высокой температуры, давления и контролирования состава реакционной среды. Известные процессы получения адгезионнопрочных слоистых структур характеризуются многостадийностью, высокой энергоемкостью и необходимостью использования дорогостоящих материалов (в виде мишеней или микропорошков), наличием вакуумных систем, а также ограниченностью получения высоких значений твердости и износостойкости в сочетании с высокими значениями изгибной прочности и ударной вязкости. Одним из эффективных методов улучшения качественных и прочностных характеристик металлоизделий является высокотемпературная термическая и химико-термическая обработка, в частности закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Данный метод позволяет существенно сократить продолжительность процесса модификации и упрочнения приповерхностного слоя по сравнению с другими методами обработки. Исследования в области упрочняющей обработки металлических материалов, в основном конструкционных и инструментальных сталей и в меньшей степени сплавов цветных металлов (алюминия, меди, титана), показали, что обработка ТВЧ рассматривалась весьма ограниченно применительно к малогабаритным титановым конструкциям, в том числе с тонкослойными (Ta,Zr)-элементами. Высокотемпературная обработка ТВЧ имеет широкие перспективы для повышения качества изделий инструментального и медицинского назначения за счет формирования сверхтвердых (свыше 40 ГПа) и износостойких металлокерамических покрытий (оксидных, карбидных, карбонитридных), что в итоге будет способствовать повышению надежности функционирования и увеличению ресурса работы металлопродукции. Будет также расширена номенклатура сверхтвердых материалов (на основе оксидных, карбидных и карбонитридных соединений титана, циркония и тантала) за счет выявления механизма и условий их синтеза при высокотемпературной обработке ТВЧ. Научная новизна проектной тематики заключается в том, что впервые будет обосновано применение обработки токами высокой частоты (ТВЧ), в том числе в сочетании с процессами магнетронного нанесения тонких слоев циркония и тантала, для создания оксидных, карбидных и карбонитридных покрытий на малогабаритных титановых конструкциях и отдельных конструктивных элементах, что обеспечит повышенный уровень их физико-механических свойств (твердости, модуля упругости, износостойкости и др.) и функциональных характеристик (биосовместимости, режущей способности и пр.). Наиболее существенными будут следующие научные результаты: 1. Будут уточнены математические модели кинетики нагрева ТВЧ титановых малогабаритных конструкций и реакционных камер (контейнеров), учитывающих влияние высокотемпературного процесса формирования пористо-кристаллического покрытия и увеличение фактической площади поверхности теплообмена, что позволит достоверно обосновать выбор параметров обработки ТВЧ (геометрии расположения, числа витков индуктора, частоты и силы тока индуктора, охлаждения индуктора и др.). 2. Будут разработаны и обоснованы технические решения компоновки системы «индуктор – изделие» и «индуктор – контейнер – загрузка», отличающиеся возможностью ускоренного нагрева малогабаритных металлоконструкций и проведения высокотемпературной обработки ТВЧ в газообразной кислородсодержащей реакционной среде и твердом карбюризаторе, что обеспечит формирование нано- и субмикрокристаллических металлокерамических покрытий (предусмотрена подача заявок на способы получения сверхтвердых покрытий и конструкции узлов нагревательного оборудования). 3. На основе экспериментальных исследований будут получены регрессионные зависимости влияния параметров высокотемпературной обработки ТВЧ малогабаритных титановых конструкций и отдельных конструктивных элементов (металлообрабатывающего инструмента) на показатели: химического состава, параметры нано- и субмикрометровой пористо-кристаллической структуры, физико-механические свойства и функциональные характеристики модифицируемых поверхностей. На основании полученных зависимостей будет установлено влияние факторов обработки ТВЧ, которые обеспечат формирование покрытий с повышенной твердостью, модулем упругости, стойкостью к царапанию и износостойкостью. 4. Будут разработаны и научно обоснованы способы формирования сверхтвердых тонкослойных структур: системы «Ti-основа / TiO2-покрытие», полученных высокотемпературной обработкой ТВЧ в газообразной кислородсодержащей реакционной среде; системы «Ti-основа / (Ta + TaxOy)-покрытие» и «Ti-основа / (Zr + ZrO2)-покрытие», полученных магнетронным распылением и последующей высокотемпературной обработкой ТВЧ в газообразной кислородсодержащей реакционной среде; системы «Ti-основа / Ti(Cx,N1-x)-покрытие», полученных высокотемпературной обработкой ТВЧ в твердом карбюризаторе (углеродсодержащем материале с остаточной газовой фазой); системы «Ti-основа / (Ta + Ta(Cx,N1-x))-покрытие» и «Ti-основа / (Zr + Zr(Cx,N1-x))-покрытие», полученных магнетронным распылением и последующей высокотемпературной обработкой ТВЧ в твердом карбюризаторе (углеродсодержащем материале с остаточной газовой фазой).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ