Применение процессов горения порошковых реагентов и самопроизвольной инфильтрации для синтеза новых износостойких самосмазывающихся каркасных керамико-металлических композитов.

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 24-79-10187

НазваниеПрименение процессов горения порошковых реагентов и самопроизвольной инфильтрации для синтеза новых износостойких самосмазывающихся каркасных керамико-металлических композитов.

Руководитель Новиков Владислав Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" , Самарская обл

Конкурс №98 - Конкурс 2024 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 Cамораспространяющийся высокотемпературный синтез, металлотермия, самопроизвольная инфильтрация, каркасные керамико-металлические композиты, карбид титана, карбосилицид титана, трибология.

Код ГРНТИ53.39.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Нанесение твердых смазочных материалов, имеющих нанослоистую структуру с малыми прочностью на сдвиг и коэффициентом трения, таких как MoS2, h-BN, графен, графит, МАХ-фаза Ti3SiC2 и других, на поверхность деталей является сложной задачей, поскольку трудно поддерживать равномерный слой твердой смазки в зоне трибоконтакта. В настоящее время известны композиционные материалы, состоящие из керамической или металлической матрицы, в которой распределен самосмазывающий компонент, что решает данную проблему. При этом технологичные сложности получения таких гетерофазных композитов, связанные, в первую очередь, с плохой адгезией между матрицей и самосмазывающим компонентом, требуют использования энергоемких методов производства, например, горячее прессование или длительное спекание в защитной среде, искровое плазменное спекание, аддитивные технологии и т.д. В предлагаемом проекте рассматривается новый энергоффективный и простой подход, основанный на использовании реакций горения смесей порошковых реагентов на воздухе или в малогабаритном открытом огнеупорном реакторе для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористых керамических каркасов карбида титана TiC с включениями графита С или МАХ-фазы карбосилицида титана Ti3SiC2, которые сразу после синтеза в неостывшем горячем состоянии самопроизвольно инфильтруются расплавом металла, позволяя получать без защитной газовой среды самосмазывающиеся керамико-металлические композиционные материалы (керметы) TiC-графит-металл или МАХ-кермет Ti3SiC2-металл. Самопроизвольность инфильтрации расплавом металла без приложения внешнего избыточного давления или центробежных сил будет обусловлена уникально высокими температурами после завершения реакций горения синтезированных пористых керамических каркасов (от 2000 до 3000 оС), которые обеспечат смачивание и самопроизвольное заполнение пор каркасов расплавом металла со значительно меньшей температурой под действием внутренних капиллярных сил. Выполнение проекта, позволит исследовать особенности применения реакций СВС и подобрать составы смесей исходных порошковых реагентов для синтеза качественных самосмазывающихся пористых керамических каркасов TiC-С и Ti3SiC2, исследовать и обеспечить возможность их полной самопроизвольной инфильтрации расплавом металла, получаемым как нагревом в печи, так и за счет металлотермической реакции, исследовать химическое взаимодействие расплава металла с материалом керамического каркаса, подобрать наиболее эффективные составы исходных смесей порошковых реагентов для металлотермической реакции. Будут изучены структура, фазовый состав, физико-механические и трибологические характеристики разрабатываемых самосмазывающих каркасных композиционных материалов, определены условия их применения с обеспечением самосмазывающего эффекта. Именно каркасные керамико-металлические композиты могут стать новым перспективным классом самосмазывающих материалов, способных выдерживать повышенные нагрузки, обладая отличной износостойкостью при удовлетворительной ударной вязкости. В итоге выполнения проекта будут разработаны научные основы простой новой энергоэффективной технологии синтеза новых износостойких самосмазывающихся каркасных керамико-металлических композитов с улучшенными трибологическими свойствами и их применения в качестве антифрикционных материалов в экстремальных условиях трения с высокими давлениями, скоростями и температурами как в вакууме, так и в коррозионной среде, а также под действием радиации. Кроме того, синтезированные самосмазывающиеся композиты с медью могут найти применение в скользящих электроконтактах и заменить традиционно применяемый композит медь-графит, который уже не может удовлетворить возросшим требованиям к материалу токосъемника с контактного провода современных скоростных электрифицированных железных дорог.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Добавление частиц графита к алюминию позволяет улучшить его трибологические свойства за счет проявления эффекта самосмазывания, а армирование таких алюмоматричных композитов Al-C керамической фазой карбида титана TiC с высокой твердостью и прочностью позволяет получить гибридные композиты Al-TiC-C с повышенными физико-механическими свойствами и улучшенной износостойкостью. В настоящей работе исследовалось применение нового энергоэффективного подхода к получению композитов Al-TiC-C путем сочетания метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) пористых композиционных каркасов из карбида титана и свободного углерода TiC-C с последующей инфильтрацией их расплавом алюминия и его сплавов. Для синтеза карбида титана использовалась стехиометрическая смесь порошков титана и графита Ti+C, а для получения свободного углерода в эту стехиометрическую смесь добавлялись порошки графита с размерами частиц 10-15 мкм или 100-1000 мкм, или углеволокно рубленое диаметром 7 мкм и длиной 3 мм. Для изучения микроструктуры, состава, физико-механических и трибологических свойств новых композитов использовались методы: сканирующий электронный микроскопии с энергодисперсионной спектрометрией, рентгенофазового анализа, определения плотности гидростатическим взвешиванием, твердости по Бринеллю, прочности при сжатии, трибологических свойств на трибометре по схеме «pin-on-disk». Установлено, что добавляемый графит с размерами частиц 10-15 мкм практически полностью растворяется в расплаве алюминия, а графит с размерами частиц 100-1000 мкм и углеволокно сохраняются. Предел прочности при сжатии углеродсодержащих алюмоматричных композитов составил от 203 до 233 МПа. При сухом трении реализуется преимущественно абразивный механизм изнашивания с высоким коэффициентом трения 0,88-0,98, но в 3 раза меньшим износом образца композита, полученного с добавлением крупного графита с размером 100-1000 мкм. Получены гибридные каркасные СВС-композиты TiC-C(графит)-(Al-5%Cu) и TiC-C(графит)-(Al-5%Si) с относительно однородной структурой и средней плотностью 3,06 и 2,94 г/см3. Побочными фазами в СВС-композитах являются Al4C3, Al2O3 и TiAl3. Отмечена пониженная межфазная химическая активность в композите TiC-C(графит)-(Al-5Cu). Трибологические испытания показали повышенную износостойкость СВС-композитов, а характер изнашивания абразивный. Установлено, что TiC-C СВС-композиты на основе сплавов Al-5%Si и Al-5%Cu по сравнению с чистым Al обеспечивают существенно лучшие трибологические характеристики, а именно, добавление 5%Si и 5%Cu, соответственно, уменьшает: коэффициент трения на 17% и 34%; износ стального контртела на 21% и 71%; износ самого СВС-композита в 1,8 и 3,5 раза. С точки зрения трибологических свойств, наилучшие результаты достигнуты на композите TiC-C-(Al-5%Cu). Условный предел текучести материалов составил: Al-5%Si (92,8±13,1 МПа); Al-5%Cu (128,7±17,2 МПа); TiC-C-(Al-5%Si) (191,0±29,7 МПа) и TiC-C-(Al-5%Cu) (208,3±58,1), из чего видно, что добавление каркаса TiC-С повышает предел текучести сплавов в среднем в 1,6…2 раза. По показателю износостойкости исследуемые материалы устойчиво занимают 5 класс, а стальной контрматериал 6 класс. При этом добавка крупного графита и/или легирование матрицы Cu и Si повышает класс износостойкости СВС-композита TiC-Al до 6, а стального контртела практически до 7. Учитывая, что в подшипниках скольжения используются материалы 5…8 класса износостойкости, то данные материалы являются перспективными для применения в данном направлении даже в режиме сухого трения. При этом очевидно, что живучесть узла трения может быть существенно увеличена присутствием жидкой смазочной среды. Примечательно, что небольшая остаточная пористость (до 5-10%) СВС-композитов системы Al-TiC-C(Гр) может рассматриваться как емкость для пропитки жидким смазочным материалом, что, в целом, может повысить устойчивость работы узла трения при меняющихся условиях контактного давления и скорости работы трибосопряжения.

Публикации

1. Умеров Э.Р., Амосов А.П., Латухин Е.И., Качура А.Д., Растегаев И.А., Афанасьев М.А. Structural, mechanical, and tribological properties of TiC–C–Al hybrid composites fabricated by self-propagating high-temperature synthesis combined with spontaneous infiltration Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия., Umerov E.R., Amosov A.P., Latukhin E.I., Kachura A.D., Rastegaev I.A., Afanasiev M.A. Structural, mechanical, and tribological properties of TiC–C–Al hybrid composites fabricated by self-propagating high-temperature synthesis combined with spontaneous infiltration. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2025;19(2):24-38. (год публикации - 2025)
10.17073/1997-308X-2025-2-24-38

2. Морхова Е.А., Умеров Э.Р., Осипов В.Т., Соколов А.В. и Кабанов А.А. A Complete Study of MAX Phases Ti3Si1–x Cu x C2 (0≤ x≤ 1) Formation: Ab Initio Calculations and Sustainable Synthesis The Journal of Physical Chemistry C, Morkhova, Y.A., Umerov, E.R., Osipov, V.T., Sokolov, A.V. and Kabanov, A.A. A Complete Study of MAX Phases Ti3Si1–x Cu x C2 (0≤ x≤ 1) Formation: Ab Initio Calculations and Sustainable Synthesis. The Journal of Physical Chemistry C. 2025. 129 (17), 8319-8325 (год публикации - 2025)
10.1021/acs.jpcc.5c00122

3. Прокаев А.Е., Качура А.Д., Умеров Э.Р., Ибатуллин И.Д. Графитосодержащие алюмоматричные СВС-композиты TiC-C-Al в качестве электроскользящих материалов в системе «башмак-рельс» электропоездов метрополитена. Электроэнергетика:сегодня и завтра: сборник научных статей 4-й Международной научно-технической конференции (21 марта 2025 года), Курский ГАУ. - Курск: Изд-во ЗАО «Университетская книга», Электроэнергетика:сегодня и завтра: сборник научных статей 4-й Международной научно-технической конференции (21 марта 2025 года), Курский ГАУ. - Курск: Изд-во ЗАО «Университетская книга», 2025. – С.130-135. (год публикации - 2025)
10.47581/2025.SXA-12/Prokaev-Kachura-01

4. Умеров Э.Р., Амосов А.П., Латухин Е.И., Новиков В.А. SHS of TiC–Graphite Porous Composites and Carbon Graphitization International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, E. R. Umerov, A. P. Amosov, E. I. Latukhin, and V. A. Novikov. SHS of TiC–Graphite Porous Composites and Carbon Graphitization / International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2025, Vol. 34, No. 1, pp. 42–49 (год публикации - 2025)
10.3103/S1061386224700407

5. Умеров Э.Р. Перспективы применения процесса свс каркасных керметов для получения легких самосмазывающихся алюмокерамических материалов Самара: Издательство Самарского университета, Сборник докладов всероссийского научно-технического форума по двигателям и энергетическим установкам имени Н.Д. Кузнецова, 10–11 октября 2024 г. – Самара: Издательство Самарского университета, 2024. – С. 165-167. ISBN 978-5-7883-2068-7 (год публикации - 2024)

6. Умеров Э.Р., Кадямов Ш.А., Давыдов Д.М., Латухин Е.И., Амосов А.П. Влияние Si, Al, Cu, Cr и TiSi2 на получение МАХ-фазы Ti3SiC2 методом СВС на воздухе Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия (год публикации - 2025)

7. Каракич Е.А., Умеров Э.Р., Новиков В.А., Кичаев П.Е., Амосов А.П. Влияние добавки Cu и давления прессования СВС-шихты на инфильтрацию термитной меди и макроструктуру синтезированных керметов TiC-Cu Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия (год публикации - 2025)

8. Каракич Е.А., Латухин Е.И., Умеров Э.Р., Амосов А.П. Сравнение данных РФА образцов керметов системы TiC-Cu синтезированных при различных условиях прессования шихт Курск: ЗАО «Университетская книга», сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции Современное перспективное развитие науки, техники и технологий» (ТМ-07) (11 октября 2024 года)/ (отв. ред. Смоленцев Е.В.); Воронежский государственный технический университет. - Курск: ЗАО «Университетская книга», 2024. - С.175-179. ISBN 978-5-907941-19-9 (год публикации - 2024)