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

Публикации

1. Фомина М.А., Войко А.В., Шумилин А.И., Папшев В.А., Захаревич А.М., Скапцов А.А., Фомин А.А. Metal oxide (Ta-TaOx)-coatings obtained by magnetron sputtering and heat treatment with high-frequency currents Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1124 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1124/2/022012

2. Войко А.В., Фомина М.А., Шумилин А.И., Родионов И.В., Калганова С.Г., Артюхов И.И., Фомин А.А. Numerical simulation of induction heating of a carburizing container with a titanium sample Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1124 (год публикации - 2018)
10.1088/1742-6596/1124/7/071021

3. Фомина М.А., Войко А.В., Егоров И.С., Щелкунов А.Ю., Захаревич А.М., Скапцов А.А., Шумилин А.И. Analysis of (Ti, Zr, Ta)-(O, C, N) systems for obtaining metal-ceramic coatings of the required composition by induction heat treatment Proceedings of SPIE (год публикации - 2019)

4. Фомина М.А., Захаревич А.М., Скапцов А.А., Сердобинцев А.А., Галушка В.В., Фомин А.А. The absorption of oxygen and hydrogen by titanium during heat treatment with high frequency currents Proceedings of SPIE (год публикации - 2019)

5. Фомин А.А. Superhard titania coatings produced on titanium using induction heat treatment Ceramics International, Volume 45, Issue 7, Pages 8258-8264 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ceramint.2019.01.131

6. Фомин А.А. Functionally graded zirconium oxide coatings produced on zirconium using induction heat treatment Composite Structures, Volume 220, Pages 318-323 (год публикации - 2019)
10.1016/j.compstruct.2019.04.001

7. Фомин А.А., Фомина М.А., Кошуро В.А., Родионов И.В. Индукционно-термическая обработка малогабаритных титановых изделий восстановительной медицины: поверхностная модификация и сверхтвердые биосовместимые покрытия Технологические инновации в травматологии, ортопедии и нейрохирургии: интеграция науки и практики. - Саратов, 2019 г. - НИИТОН ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России. - 322 с., С. 289-291. (год публикации - 2019)

8. Фомина М., Кошуро В., Шумилин А., Войко А., Захаревич А., Скапцов А., Штейнгауэр А., Фомин А. Functionally graded "Ti-base + (Ta, Ta2O5)-coatings" structure and its production using induction heat treatment Composite Structures, Vol. 234, Номер статьи 111688 (год публикации - 2020)
10.1016/j.compstruct.2019.111688

9. Фомина М.А., Шумилин А.И., Войко А.В., Фомин А.А. Functionally graded oxide coatings produced by magnetron sputtering and subsequent induction heat treatment Book of Abstracts "5th International Conference on Mechanics of Composites (MECHCOMP 2019)", Instituto Superior Técnico, Lisbon, Portugal, 1-4 July 2019, pp.136-137 (год публикации - 2019)

10. Щелкунов А.Ю., Войко А.В., Фомина М.А. Optical and thermal imaging analysis of the kinetics of one- and two-cycle induction treatment of titanium products Saratov Fall Meeting 2019: Optical and Nano-Technologies for Biology and Medicine, Vol. 11457, 1145717-1-1145717-7 (год публикации - 2020)
10.1117/12.2560437

11. Войко А.В., Фомина М.А. Simulation of induction heating of a titanium sample in a container with a carbon-containing medium and determination of the amount of heat losses during chemical heat treatment Journal of Physics: Conference Series, Vol.1410 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1410/1/012193

12. Кошуро В., Войко А., Фомина М., Папшев В., Антропов А. Composition, structure and hardness of titanium after pulse laser processing in graphite Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1410 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1410/1/012220

13. Войко А., Фомина М. Simulation of induction heating of a titanium sample in a container with a carbon-containing medium Book of abstracts: "6th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures", Book of abstracts: "6th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures", April 22-25, 2019, Saint Petersburg, Russia, pp.527-528. (год публикации - 2019)

14. Кошуро В., Войко А., Антропов А. Structure and hardness of titanium after laser processing in graphite Book of abstracts: "6th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures", Book of abstracts: "6th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures", April 22-25, 2019, Saint Petersburg, Russia. pp.561-562. (год публикации - 2019)

15. Фомин А.А. Theoretical dependence of hardness on the structural parameters for hard and superhard ceramics International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 88, 105201 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijrmhm.2020.105201

16. Фомин А.А., Войко А.В., Фомина М.А., Кошуро В.А. Functionally graded Ti(C,N) coatings and their production on titanium using solid carburizing associated with induction heat treatment Сборник "ICCS23 - 23rd Int. Conf. on Composite Structures & MECHCOMP6 - 6th Int. Conf. on Mechanics of Composites" (год публикации - 2020)

17. Фомин А.А., Войко А.В., Фомина М.А., Мокроусов С.В., Кошуро В.А. Functionally graded Ti(C,N) coatings and their production on titanium using solid-state carburization associated with induction heat treatment Composite Structures, Vol.245, 112393 (год публикации - 2020)
10.1016/j.compstruct.2020.112393

18. Фомин А.А., Кошуро В.А., Щелкунов А.Ю., Аман А.С., Фомина М.А., Калганова С.Г. Simulation and experimental study of induction heat treatment of titanium disks International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 165, Article number 120668 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120668

19. Шумилин А.И., Фомин А.А., Захаревич А.М., Скапцов А.А. Упрочняющее циркониевое покрытие на титане Современные материалы и технологии : сб. матер. Междунар. молодеж. конф., приуроченной к 90-летию СГТУ им. Гагарина Ю.А. – 2020 / Саратов, 27-28 мая 2020 г., 118-120 (год публикации - 2020)

20. Войко А.В., Фомина М.А. Simulation of induction chemical-thermal treatment of titanium disks in a massive refractory container Journal of Physics: Conference Series, 1695, 012148 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1695/1/012148

21. Кошуро В.А., Фомин А.А. Numerical simulation of induction vacuum deposition of titanium on steel plates Proceedings of SPIE (год публикации - 2021)

22. Антропов А.В., Фомина М.А., Кошуро В.А., Фомин А.А. Моделирование лазерной обработки и определение рациональных режимов Современные материалы и технологии : сб. матер. Междунар. молодеж. конф., приуроченной к 90-летию СГТУ им. Гагарина Ю.А. – 2020 / Саратов, 27-28 мая 2020 г., 167-170 (год публикации - 2020)

Публикации

21. Кошуро В.А., Фомин А.А. Numerical simulation of induction vacuum deposition of titanium on steel plates Proceedings of SPIE (год публикации - 2021)

Публикации

21. Кошуро В.А., Фомин А.А. Numerical simulation of induction vacuum deposition of titanium on steel plates Proceedings of SPIE (год публикации - 2021)