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 21-19-00612

НазваниеРазработка обобщенной методологии создания многокомпонентных композиционных покрытий для металлорежущего инструмента с суперрешетчатой нанослойной структурой, оптимизированных по составу и архитектуре.

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 №55 - Конкурс 2021 года «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 слова многокомпонентные композиционные покрытия с суперрешетчатой нанослойной структурой; металлорежущие инструменты; нанокомпозиты; трение; надежность режущего инструмента; трещинообразование

Код ГРНТИ55.22.29

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Развитие современных технологий требует создание инновационных материалов с сочетанием экстремально высоких характеристик. Одним из ключевых направлений создания подобных материалов являются разработка композитов, в том числе – с нанослойной и суперрешетчатой структурой, позволяющей сочетать чрезвычайно высокую твердость, износостойкость и теплостойкость с достаточной пластичностью и стойкостью к хрупкому разрушению. Настоящий проект направлен на углубленное изучение свойств многокомпонентных композиционных покрытий (МКП) с суперрешетчатой нанослойной структурой. В процессе выполнения проекта планируется одновременное и взаимодополняющее проведение ряда экспериментальных исследований свойств МКП различного состава и архитектуры, а также – разработка ряда математических моделей, позволяющих прогнозировать ключевые свойства МКП в зависимости от их состава и архитектуры. Основной целью выполнения проекта является разработка генерализованной методологии проектирования МКП оптимизированного состава и архитектуры, отвечающих задачам и условиям эксплуатации изделий с данными МКП. Разработанная методология позволит создавать МКП для различных областей применения: повышения эксплуатационных свойств металлорежущего и штампового инструмента, пар трения, изделий медицинского назначения, – однако ключевой задачей настоящего проекта будет являться именно разработка покрытий для режущего инструмента. Соответственно, при разработке обобщенной методологии в первую очередь будут учитываться условия, характерные для зоны резания: высокие температуры, силовые факторы, трение и адгезионное взаимодействие, диффузионные и окислительные процессы. В предлагаемом виде данная задача на сегодняшний день не решена как в российской, так и в мировой науке. При том, что за последние годы был проведен ряд важных исследований, позволяющих лучше понять особенности функционирования покрытий различного состава и архитектуры в различных условиях эксплуатации (см. п. 4.5. Современное состояние исследований по данной проблеме), подобной обобщающей методики на сегодняшний день не создано. Выбор покрытий для режущего инструмента и других изделий осуществляется, как правило, на эмпирической основе, без единой научно обоснованной системы. Создание подобной системы позволит не только существенно сократить время для выбора оптимального состава и архитектуры покрытия, но и даст возможность выбора именно оптимального варианта, в наибольшей степени соответствующего реальным условиях эксплуатации (в частности - реальным условиям резания). Для достижения поставленной цели исследований планируется решить следующие научные задачи: 1. Изучить влияние элементного состава на ключевые эксплуатационные характеристики МКП. • На основе результатов ранее проведенных авторами настоящей заявки исследований свойств покрытий различного состава, а также углубленного анализа имеющихся публикаций в ключевых изданиях, с учетом правил Юм-Розери (Hume-Rothery) и построенных на их базе методик (в том числе шкалы Поллинга и системы Аллена) и метода термодинамического потенциала (энергии Гиббса), будут определены граничные условия рационального максимального и минимального процентного содержания элементов в МКП. • Разработка составов исследуемых покрытий будет проводиться на базе трех основных систем: (Ti-Al)N, (Zr-Al)N и (Cr-Al)N с содержанием Al 15 at % (низкое содержание, хорошая пластичность при достаточной твердости, эффективно при повышенной ударной нагрузке, например, в условиях прерывистого резания) и 50 at % (высокое содержание, максимальная твердость, эффективно при резании без существенных ударных нагрузок, например, точении), с введением ряда дополнительных элементов (Nb, Hf, Y, Mo), процентное содержание которых варьируется в пределах 6 – 20 at% (6, 10, 20 at %) с целью обеспечения оптимизированных свойств по твердости, износостойкости, теплостойкости, стойкости к хрупкому разрушению, трибологических параметров, коррозионной стойкости и стойкости к окислению. Целью данных исследований является получение полуэмпирических зависимостей, связывающих элементный состав МКП с их ключевыми свойствами, в частности: • твердостью, • стойкостью к разрушению при скретч-тестировании в различных условиях нагружения, • трибологическими параметрами (в частности, адгезионную составляющую коэффициента трения), измеренные в широком диапазоне температур (от 20 до 1000 градусов Цельсия), • интенсивностью и характером изнашивания металлорежущего инструмента с исследуемыми МКП при различных условиях резания • стойкостью к окислению при высоких температурах (при нагреве до температур 700 – 1000 градусов Цельсия). 2. Изучить влияние величины нанослойного периода и толщины нанослоев на ключевые эксплуатационные характеристики отобранных по результатам исследований п. 1 МКП оптимизированного состава. Для различных величин нанослойного периода и толщины нанослоев МКП будет проведен комплекс исследований, описанные в п. 1. 3. Разработка математической модели, позволяющей прогнозировать интенсивность хрупкого разрушения МКП в зависимости от соотношения толщин и элементного состава их нанослоев. Данная модель будет рассматривать следующие стадии трещинообразования в структуре покрытия: • Расчет надежности (вероятности разрушения) МКП на основе модели с независимо (последовательно) разрушающимися слоями. Для описания процесса трещинообразования будет использована теория марковских процессов. Для описания процесса будут получены уравнения параболического типа, для решения которого используются аналитические и численные методы. При решении поставленных задач используются уравнения ФПК прямого и обратного типа. • Расчет надежности (вероятности разрушения) МКП, исходя из шероховатости (профиля выступов и впадин) поверхностей его слоев. Полученные стохастические дифференциальные уравнения позволят использовать марковские модели случайных процессов для описания процессов усталостного разрушения вследствие развития трещины. Будет также использован закон Париса, основанный на том, что все явления на вершине трещины, в том числе и скорость ее распространения, зависят от коэффициента интенсивности напряжений. • Расчет надежности (вероятности разрушения) МКП на основе модели прохождения трещиной межслойных интерфейсов. В этой модели трещина рассматривается, как поверхность, вдоль которой направлен вектор плотности потока упругой энергии (вектор Умова – Пойнтинга). Предполагается использовать оптико-механическую аналогию, в соответствии с которой будет исследоваться прохождение энергии через границу слоев, а именно изменение направления вектора плотности энергии. В зависимости от соотношения физико-механических характеристик нанослоев рассматривается формула, построенная по аналогии с формулой Снеллиуса. С помощью плотностей вероятности будет решена задача определения направления развития трещины при прохождении межслойного интерфейса. 4. Качественная верификация полученной модели на основе сопоставления результатов моделирования и результатов исследования особенностей трещинообразования в МКП различного состава и архитектуры. Авторы настоящей заявки вполне отдают себе отчет в том, насколько сложной является поставленная цель, однако достижение этой цели позволит существенным образом изменить подход к выбору оптимального состава и архитектуры покрытия (причем не только для режущего инструмента). Такая задача в мировой науке пока не решена, единая система отсутствует даже в начальном виде. При этом накопившийся объем знаний позволяет рассчитывать на успех в решении поставленных задач. Важно отметить, что построенная для ограниченного круга элементов (три базовые системы: (Ti-Al)N, (Zr-Al)N и (Cr-Al)N с содержанием Al 15 at % и 50 at %, с введением ряда дополнительных элементов (Nb, Hf, Y, Mo – в количестве 6, 10 и 20 at%) данная система может в дальнейшем быть расширена. В частности, можно расширить круг рассматриваемых элементов, уменьшить шаг процентного содержания. Это позволит в дальнейшем повысить точность и адекватность разрабатываемых математических моделей, однако даже в планируемом к реализации виде разработанная методология может иметь заметную научную и практическую ценность.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---