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 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
Руководитель Логинов Павел Александрович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва
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 слова Алмазный 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.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения работ по 3 Этапу Проекта 22-79-10144 были получены следующие результаты.
Были получены порошковые смеси на основе Fe-Co-Ni-Cr с добавками наночастиц WC и ZrO2. Показано, что высокоэнергетическая механическая обработка порошковых смесей в режиме, обеспечивающем взаимное растворение основных металлических компонентов, позволяет равномерно распределить и упрочняющие наночастицы. Введение 1 % WC и 1 % ZrO2 в виде наночастиц позволило повысить предел прочности при растяжении ВЭС с 930 МПа до 1290 МПа и 1390 МПа соответственно.
По результатам трибологических испытаний дисперсно-упрочненных наночастицами WC и ZrO2 среднеэнтропийных сплавов на основе Fe-Co-Ni-Cr сделаны следующие выводы. Анализ дорожек износа выявил наличие абразивного износа, что подтверждается образованием многочисленных царапин и продуктов износа, состоящих преимущественно из оксидов Cr, Fe, Co и Ni. Это указывает на сложный характер взаимодействия между контртелом и образцом процессе трибоиспытания, где происходит трибокисление, разрушение окислённого слоя на микрочастицы, которые начинают абразивно изнашивать пару трения, в том числе с образованием микрочастиц Si3N4, и формирование трибослоя из продуктов износа. Сплав с добавкой 0,5 % WC продемонстрировал наибольший приведенный износ, составивший 2,16·10-4 мм³/(Н·м). В то же время образцы с 1 % и 2 % WC показали более чем вдвое меньшие значения приведенного износа – 0,96·10-4 мм³/(Н·м) и 0,99·10-4 мм³/(Н·м), соответственно. Варьирование концентрации наночастиц ZrO2 в диапазоне от 0,5 % до 2 % мало влияло на приведенный износ образцов, который лежал в диапазоне от 2,20·10-4до 2,22·10-4 мм³/(Н·м). Вне зависимости от типа вводимой нанодобавки, для всех образцов средний коэффициент трения лежал в диапазоне от 0,67 до 0,71, что объясняется близким составом и структурой формирующихся трибослоев, состоящих преимущественно из оксидов Cr, Fe, Co и Ni.
По результатам in situ испытаний на растяжение в просвечивающем электронном микроскопе ламели с архитектурой «металл-алмаз», установлено, что прочность сцепления на границе раздела ВЭС CoCrCuFeNi с алмазной гранью {100} составляет 480 МПа, что сопоставимо с результатами ранее проведенных испытаний (прочность сцепления этой же связки с гранью {111} составляет 456 МПа). При этом разрушение имеет когезионный характер – магистральная трещина прошла не по границе раздела, а по части образца, соответствующей ВЭС. Сделан вывод о разрушении образца по зерну фазы твердого раствора на основе меди. Таким образом, прочность сцепления между ВЭС CoCrCuFeNi и алмазным монокристаллом контролируется не адгезией на границе раздела между составляющими композита, а прочностью вторичной медной фазы.
Установлено, что влияние σ-фазы на механические свойства ВЭС (CoCrFeNi)1-xTix нельзя рассматривать отдельно от влияния другой минорной фазы – Ti(O,N). Важную роль играет не только количественное содержание этих фаз, но и их распределение в объеме образца. В сплавах (CoCrFeNi)96Ti4 и (CoCrFeNi)92Ti8 содержание этих двух фаз суммарно не превышает 6 % и они сосредоточены главным образом в границах зерен. С повышением содержания Ti до 12 % внутри зерен выделяется значительное количество σ-фазы, некогерентной ГЦК фазе, обеспечивающей небольшое улучшение механических свойств за счет зернограничного упрочнения.
Введение в связки на основе ВЭС CoCrCu0,5FeNi и CoCrFeNiTi добавок порообразующих агентов (полых корундовых микросфер и графитовых гранул) приводит к снижению их прочности и разрушению без существенной пластической деформации. Установлено, что наиболее высокой прочностью при изгибе характеризуются композиты со связкой CoCrCu0,5FeNi с добавками 2 % микросфер и 4 % Cгр (более 1000 МПа). По результатам трибологических исследований можно выделить следующие закономерности: увеличение концентрации полых корундовых микросфер и графитовых гранул приводит к линейному росту приведенного износа; при одинаковых концентрациях добавка полых корундовых микросфер сильнее увеличивает приведенный износ, чем добавка графитовых гранул; добавка полых корундовых микросфер слабо увеличивает средний коэффициент трения, а добавка графитовых гранул – слабо снижает.
На основе разработанных ВЭС методом горячего прессования были изготовлены алмазосодержащие сегменты и проведена их установка на корпус алмазных сверл. Связки на основе ВЭС обеспечивали высокую плотность сцепления как к алмазному монокристаллу, так и к ПКМ. Исследования границы раздела с алмазом показали отсутствие крупных трещин и следов пластической деформации. Значительная часть ПКМ, обнаруженных на поверхности излома, разрушена или имеет сквозные трещины. Это позволяет сделать вывод о том, что прочность сцепления ПКМ со связкой соизмерима или превышает прочность самих ПКМ.
Результаты испытаний экспериментальных образцов алмазного инструмента со связками на основе ВЭС по резке железобетона показали, что при наличии порообразующих добавок (полых корундовых микросфер) они работают в режиме самозатачивания с высокой и стабильной скоростью сверления.
Публикации
1. Логинов П.А., Зайцев А.А., Федотов А.Д., Березин М.А., Левашов Е.А. Разработка металлических связок с повышенными механическими и адгезионными характеристиками для высокопроизводительного алмазного режущего инструмента Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии» 09-12 сентября 2024 года, Томск, Россия. , с. 460-461. (год публикации - 2024)
2. Логинов П.А., Зайцев А.А., Федотов А.Д., Березин М.А., Левашов Е.А. Новое поколение комплексно-модифицированных металломатричных композиционных материалов и их применение в алмазном режущем инструменте Сборник тезисов докладов 16-ой Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», 30 октября – 1 ноября 2024 г., МГУ имени М.В.Ломоносова, г. Москва, Россия., С. 169-170. (год публикации - 2024)
3.
Логинов П.А., Зайцев А.А., Сидоренко Д.А., Еганова Е.М., Левашов Е.А.
Interfacial interaction and evaluation of bonding strength between diamond and CoCrFeNi(Сu,Ti) high-entropy alloys
Diamond and Related Materials, Vol. 151. – 111849 (год публикации - 2025)
10.1016/j.diamond.2024.111849
4.
Логинов П.А., Зайцев А.А., Березин М.А., Шевейко А.Н., Сидоренко Д.А., Еганова Е.М., Левашов Е.А.
Interaction of diamond with CoCrFeNiTi HEA during in situ TEM heating: From early-stage catalytic graphitization to metal carbides
Surfaces and Interfaces, Vol. 59. – № 105980 (год публикации - 2025)
10.1016/j.surfin.2025.105980
5.
Логинов П.А., Федотов А.Д., Шевейко А.Н., Зайцев А.А., Еганова Е.М., Левашов Е.А.
In Situ Heating TEM Study of the Interaction Between Diamond and Cu-Rich CoCrCuFeNi High-Entropy Alloy
Metals, Vol. 15(3). – № 257 (год публикации - 2025)
10.3390/met15030257
6.
Березин М.А., Зайцев А.А., Романенко Б.Ю., Логинов П.А.
Effect of Mechanical Alloying Modes on the Microstructure, Phase Composition, and Mechanical Properties of Powder High-Entropy Co–Cr–Fe–Ni–Ti Alloys
Physics of Metals and Metallography, Vol. 125. – No. 12. – Pp. 1468–1481 (год публикации - 2024)
10.1134/S0031918X24601707
7. Логинов П.А., Зайцев А.А., Федотов А.Д., Березин М.А., Левашов Е.А. Разработка металлических связок с повышенными механическими и адгезионными характеристиками для высокопроизводительного алмазного режущего инструмента Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии» 09-12 сентября 2024 года, Томск, Россия., с. 460-461. (год публикации - 2024)
8. Березин М.А., Зайцев А.А., Романенко Б.Ю., Логинов П.А. Графитизация алмаза в металл-алмазном композите при нагреве: от углеродных луковиц до многослойных графеновых нановолокон Труды 66-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 1–6 апреля 2024 г. Нано-, био-, информационные, когнитивные и социогуманитарные науки и технологии. — М: Физматкнига, 2024., С. 72-74 (год публикации - 2024)
9. Березин М.А., Зайцев А.А., Романенко Б.Ю., Логинов П.А. Исследование графитизации алмаза в колонне ПЭМ Сборник тезисов Курчатовского форума синхротронных и нейтронных исследований (Курчатов ФСНЭ 2024), С. 124 (год публикации - 2024)
10. Логинов П.А., Зайцев А.А., Федотов А.Д., Березин М.А., Левашов Е.А. Новое поколение комплексно-модифицированных металломатричных композиционных материалов и их применение в алмазном режущем инструменте Сборник тезисов докладов 16-ой Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», 30 октября – 1 ноября 2024 г., МГУ имени М.В.Ломоносова, г. Москва, Россия., С. 169-170. (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения проекта разработано несколько новых составов порошковых связок, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики алмазного инструмента при обработке абразивных материалов (бетон, железобетон), в частности без подачи охлаждающей жидкости в условиях воздушного охлаждения. Установлено, что связки, полученные в соответствии с разработанной технологией, обеспечивают работу инструмента в режиме самозатачивания со стабильной производительностью. Экспериментально установлено, что разработанные связки характеризуются высокой прочностью сцепления с алмазным монокристаллом (в 4 раза выше по сравнению со стандартными связками на основе железа). Это позволяет повысить коэффициент использования алмазов и увеличить производительность инструмента за счет более надежного закрепления алмаза в рабочем слое.
Значительная часть исходных материалов, использованных в работе, произведена в России. Их применение на отечественных предприятиях, специализирующихся на выпуске алмазного инструмента, позволит уменьшить импортозависимость их продукции, а также сделать ее более конкурентоспособной как на отечественном, так и на мировом рынке.