Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Тематика проекта направлена на решение стратегической для развития высокотехнологичных отраслей отечественной промышленности задачи – обеспечения повышенных эксплуатационных показателей элементов механообрабатывающих систем, авиационной техники, турбокомпрессорных и насосных устройств и других ответственных машиностроительных изделий, работающих в условиях высоких температурных и силовых нагрузок, а также воздействия агрессивных сред. Проект выполняется лабораторией искрового плазменного спекания ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» (https://lecast.ru/). При выборе в 2021 году направлений исследований в рамках проекта РНФ, посвященного вопросам формирования изделий с контролируемой адаптивной реакцией на внешние воздействия, коллектив научной лаборатории исходил из необходимости, с одной стороны, получения новых знаний о физико-химических закономерностях формирования при внешнем воздействии в поверхностном слое материалов вторичных структур, обладающих термодинамической стабильностью и улучшенной смазывающей способностью при действии нагрузок, приближенных к эксплуатационным. С другой стороны, необходимо было учитывать текущие производственные проблемы и перспективы технологического развития индустриального партнера ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» по проекту - АО «Производственное объединение «Стрела» (входит в корпорацию «Тактическое ракетное вооружение»), которое в соответствии с условиями предоставления гранта осуществляет софинансирование работ по проекту. К особенно острым проблемам, снижающим конкурентоспособность выпускаемой высокотехнологичной продукции, относится низкая работоспособность (износостойкость и надежность) обрабатывающего инструмента при резании жаропрочных сплавов, высокотвердых закаленных сталей и чугунов, а также других труднообрабатываемых материалов. Другой не менее важной задачей является обеспечение улучшенной коррозионной стойкости и износостойкости поверхностного слоя изделий из вентильных металлов и их сплавов, используемых в конструкциях ракетно-космической техники, теплосберегающего и другого оборудования. Отмеченные проблемы характерны не только для предприятия - индустриального партнера, но и в целом для машиностроительной отрасли. В результате анализа большого объема научно-технической информации, результатов передовых научных коллективов, выполняющих исследования в России и за рубежом, а также с учетом успешного многолетнего опыта исследований и разработок авторов проекта, были выбраны три наиболее перспективных научно-технологических направления, которые будут всесторонне прорабатываться в период выполнения гранта РНФ: - искровое плазменное спекание композиционных керамических материалов с регулируемой структурой и улучшенным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств в условиях одновременного действия высоких термических и силовых нагрузок: в качестве объекта исследований была определена перспективная, но при этом недостаточно изученная композиция - SiC-TiB2-TiC на базе соединений карбида кремния, карбида титана и диборида титана; - вакуумно-плазменное напыление с использованием дугового и тлеющего разрядов тонкопленочных покрытий на инструментальную промышленно выпускаемую керамику на основе оксида алюминия Al2О3 и нитрида кремния Si3N4: в качестве первых объектов исследований были выбраны покрытия системы Ti-Al-Cr-Si, а также углеродные (алмазоподобные) покрытия типа a-C:H:Si; - плазменно-электролитическая обработка изделий из вентильных и других материалов посредством микродугового оксидирования и электролитно-плазменное диффузионное насыщение азотом и бором для получения изделий с керамоподобными покрытиями в слабощелочных электролитах различного состава, а также в электролитах-суспензиях с добавками частиц различной природы и дисперсности - графита, углеродных нанотрубок, алмаза и др.: в качестве основных объектов исследований были выбраны алюминиевые сплавы Д16, АМг6, АМц, титановые сплавы ВТ1-0, ОТ-4 и сплавы системы Mg-Li, Zr-Nb. В рамках теоретических и экспериментальных исследований по трем указанным направлениям, в 2021 году были получены следующие оригинальные результаты, имеющие научную и практическую значимость: - предложена научная классификация адаптивных функциональных покрытий по различным признакам и критериям; - определены технические и технологические требования к исходным порошковым материалам для спекания инновационных керамическим композитов; - установлены закономерности процессов инициации плазмообразования в электролитах различного состава при плазменном электролитическом оксидировании поверхностного слоя различных материалов, разработаны требования к электролитам; - получены экспериментальные образцы порошковых наноструктурированных керамических композиций, оптимизированы технологические режимы их спекания; - получены экспериментальные образцы керамических режущих пластин с керамическими и углеродными вакуумно-плазменными покрытиями, выявлены рациональные условия их нанесения; - изучены закономерности образования вторичных структур на контактных поверхностях изделий, как процесса адаптации к действующим нагрузкам; - опубликована серия работ в авторитетных зарубежных журналах, в том числе входящих в первый квартиль. В течении 2021 года авторами опубликовано 30 работ (это значительно превышает ранее принятые на 2021 год обязательства), среди которых 9 статей опубликованы в изданиях 1 квартиля по импакт-фактору JCR Science Edition или по SJR - WEAR, TRIBOLOGY INTERNATIONAL, SURFACE & COATINGS TECHNOLOGY, MATERIALS & DESIGN и METALS, а также 1 монография. На базе результатов проведенных исследований членами научного коллектива в установленном порядке были поданы 2 заявки в ФИПС (Роспатент) на выдачу патентов РФ на изобретения. Кроме того, в 2021 году на базе лаборатории искрового плазменного спекания была проведена Школа молодых ученых «Адаптивные материалы и покрытия для высокотехнологичных отраслей промышленности» (https://stankin.ru/announce/item_594).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В течении 2022 научным коллективом лаборатории искрового плазменного спекания ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» были выполнены следующие основные работы и получены оригинальные результаты. 1. Проведены комплексные исследования новых керамических композиций на базе системы SiC-TiB2-TiC, полученных искровым плазменным спеканием (ИПС): 80SiC: SiC - 80 об.%, TiB2 - 12,5 об.%, TiC – 7,5 об.%; 60SiC: SiC - 60 об.%, TiB2 - 25 об.%, TiC – 15 об.%; 40SiC: SiC - 40 об.%, TiB2 – 37,5 об.%, TiC – 22,5 об.%. Композит 60SiC обеспечил наилучшее сочетание физико-механических свойств, поэтому был выбран в качестве матрицы для дальнейших исследований, связанных с получением керамических композиций, имеющих в своем составе двумерный материал. В качестве двумерного материала использовался графен, являющийся одним из многообещающих материалов. Процесс подготовки порошковых керамических композиций, армированных графеном, включал в себя: получение водной суспензии оксида графена (GO); лиофильная сушка GO; ультразвуковое диспергирование GO в спиртовой среде; просеивание порошковых компонентов и их смешивание в спиртовой суспензии GO; размол порошковых компонентов и сушка шихты. Получение GO выполнялось посредством усовершенствованного метод Хаммерса. GO в объеме 0,15, 0,25 и 0,5 вводился в порошковые композиции 60SiC-25TiB2-15TiC. Для установления влияния условий спекания на характеристики спеченных образцов проводились эксперименты по ИПС при различных температурах, времени выдержки и давлении, а затем определялись зависимости плотности, предела прочности на изгиб, твердости и трещиностойкости от перечисленных технологических режимов. Результаты рамановской спектроскопии выявили, что после спекания происходит восстановление исходного GO и в структуре материала присутствует графен. Выявленные закономерности влияния содержания графена в спеченных керамиках на изменение комплекса свойств показали, что керамика 60SiC-0,25C обладает наилучшими характеристиками. Установлен эффект «самозалечивания» трещин как адаптивного свойства спеченных материалов на базе SiC - 60 об.%, TiB2 - 25 об.%, TiC - 15 об.%, армированных 0,25 GO. Значения их прочности после инициирования трещинообразования индентированием и термообработки составили 140 МПа и 519 МПа, что в сравнении с прочностью «бездефектных» образцов, показывает снижение на 75% у индентированного образца, и лишь на 11% у образца после самозалечивания трещин. 2. Проведены комплексные исследования перспективных составов покрытий, полученных на титановых сплавах плазменно-электролитическим оксидированием (ПЭО, МДО) при введении добавок GO в силикатно-гипофосфитный электролит в количестве 0,1, 0,3 и 0,5 г·л-1. Выявлено, что с увеличением содержания GO в электролите от 0 до 0,1 толщина покрытия увеличивается на 20%. Кроме того, добавление GO в электролит приводит к увеличению твердости покрытий – с 317 (без добавок GO) до 366 HV (при содержании GO 0,5). Чрезвычайно важным является установленное улучшение микроструктуры МДО-покрытий – с увеличением концентрации GO открытая пористость, являющаяся известным недостатком покрытий данного типа, значительно уменьшается, что должно способствовать увеличению их коррозионно-защитной способности при эксплуатации. В области технологий ПЭО также проведены исследования влияния условий процесса на характеристики образцов из титанового сплава Ti-6Al−4V, полученного методом электронно-лучевого плавления по технологии аддитивного производства. Результаты проведенных исследований позволили установить влияние режимов ПЭО (плотностей токов и времени процесса) на свойства покрытий, сформированных в силикатно-гипофосфитном электролите. Были проведены комплексные исследования исходных покрытий и после испытаний на термоциклирование. Полученные результаты показали высокую термостойкость покрытий – они выдержали 50 циклов нагрева до +200 °С и охлаждения до -50 °С без трещинообразования и отслоения. Наилучшее сочетание характеристик было отмечено у МДО-покрытий, сформированных за 30 мин при плотности тока 20 A/дм2. Полученные результаты свидетельствуют о большом потенциале использования МДО-покрытий для нанесения на изделия аддитивного производства, как увеличивающие термостойкость, твердость, но и заметно уменьшающих исходную шероховатость поверхности образцов из титанового сплава. 3. Предложена методика и алгоритмы для выявления структурной самоорганизации поверхностного слоя разрабатываемых материалов и покрытий, включающие: – сопоставление контактных процессов посредством проведения трибологических испытаний при различных условиях термомеханического нагружения с оценкой коэффициента трения, объёмного износа, а также визуализации морфологии и шероховатости поверхности; – сопоставление микроструктуры, фазового и элементного составов поверхностного слоя до и после контактного взаимодействия: микроструктуры и элементного состава СЭМ и ЭДС-анализом; фазового состава рентгеновской дифрактометрией; состава поверхностного слоя посредством ВИМС, элементного анализа участков изношенных поверхностей на Оже-микроанализаторе; – сопоставление базовых физико-механических характеристик поверхностного слоя до и после контактного взаимодействия – микро- и нанотвердости, модуля упругости, индекса пластичности; – сопоставление характеристик тонкого поверхностного слоя до и после контактного взаимодействия, в том числе сформированных в процессе внешнего воздействия вторичных структур, посредством атомно-силовой микроскопии. 4. Проведены всесторонние исследования вторичных структур (ВС), образовавшихся при взаимодействии твердосплавных (WC-Co) и керамических (Al2O3-TiC) подложек c покрытиями (CrAlSi)N/DLC с материалами контртел из сталей ШХ15 и 08Х18Н10Т. Установлено, что при контакте с ШХ15 ВС возникают главным образом, в результате насыщения углеродистой фазы элементами контртел и их окислами. Выявлен преимущественный перенос в ВС – Ni, Mn, Cr, Al, Si, а их источниками являются не только частицы износа сталей, но и частицы DLC и (CrAlSi)N. Углубления, образовавшиеся при трении на поверхности покрытия, заполняются всеми видами продуктов износа, а также являются ловушками для относительно крупных отделившихся частиц. Эти процессы «залечивания» углублений способствуют обеспечению ВС необходимыми элементами и препятствуют развитию усталостных разрушений в зонах концентрации напряжений. Наиболее износостойкие ВС на поверхности трения покрытий образуются в зонах с наибольшим содержанием элементов контртела, а попадание в ВС частиц нитридов из подслоя покрытия или карбидов из подложки приводит к повышению износа. При контакте (CrAlSi)N/DLC с 08Х18Н10Т в ВС обнаружено аномально высокое содержание Fe и повышенное содержание Ni и Cr из контртела, а также N из окружающей среды. Проведенные испытания DLC-покрытий, отличающихся содержанием Si, показали, что максимальную интенсивность изнашивания имели слои с наибольшим исходным содержанием алмазоподобных (АП) структур и с наиболее интенсивной их трансформацией в графитоподобные (ГП). С помощью методов неравновесной термодинамики и теории самоорганизации было показано, что интенсификация спонтанных процессов (выделение положительной энтропии) при трении приводит к увеличению интенсивности изнашивания, а интенсификация неспонтанных процессов (выделение отрицательной энтропии) приводит к ее уменьшению. Преобразование АП в ГП было самопроизвольным процессом, а покрытие с максимальным содержанием АП структур имело наибольшую интенсивность изнашивания (в этом случае происходили наиболее интенсивные sp3-sp2 превращения). 5. Выполненные в 2022 году комплексные исследования легли в основу 16 публикаций, из которых 12 – в изданиях 1 квартиля. Кроме того, в Роспатент были поданы 2 заявки и получены документы о госрегистрации программ для ЭВМ. Результаты проекта были представлены на пяти конференциях. В период с 23 по 24 ноября 2022 года в ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН» была проведена II Школа молодых ученых «Адаптивные материалы и покрытия для высокотехнологичных отраслей промышленности».

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году научным коллективом проекта были выполнены следующие работы и получены оригинальные результаты: 1. Посредством технологии искрового плазменного спекания были изготовлены экспериментальные образцы армированных двумерными материалами керамические композиций. В качестве основы для получения образцов была использована система SiC-TiB2-TiC, показавшая на предшествующих этапах улучшенное сочетание комплекса физико-механических свойств, а также новая композиция на базе системы WC-ZrO2, для которой была выполнена оценка основных физико-механических характеристик (плотности, прочности на изгиб, твердости и трещиностойкости) и выявлено влияние на них температуры процесса спекания. Изготовленные экспериментальные керамические образцы на основе систем SiC-TiB2-TiC и WC-ZrO2 с различным содержанием графена были подвергнуты комплексным трибологическим испытаниям - выполнена оценка энергетической интенсивности изнашивания, изменений с течением времени коэффициента трения, произведен анализ дорожек трения и очагов износа. 2. Посредством технологии плазменно-электролитного оксидирования были получены экспериментальные образцы материалов с керамическими покрытиями. В качестве конструкционных материалов, на которые были нанесены покрытия, использовался технический титан ВТ1-0, алюминиевые сплавы и титановый сплав. Ряд полученных образцов был подвергнут микрорентгеноспектральному элементному анализу, потенциодинамическим и импедансометрических исследованиям, результаты которых позволили выявить ряд закономерностей, связанных с характером процессов, протекающих при ПЭО, и влиянием условий обработки на толщину и характеристики оксидного слоя. 3. Посредством технологии вакуумно-плазменного напыления были нанесены интерметаллидные, керамические и углеродные покрытиями на экспериментальные образцы из твердого сплава системы WC-Co и керамики Al2O3-TiC и Si3N4. В качестве подложек для осаждения трех вариантов покрытий использовались пластины из Al2O3-TiC-керамики (круглой формы диаметром 19 мм и высотой 7,9 мм) и Si3N4-керамики (в форме параллелограмма со стороной 15 мм и высотой 7 мм). Также использовались пластины из конструкционного твердого сплава WC-Co (круглой формы с наружным диаметром 12,7 мм и внутренним отверстием 4,1 мм). Выбор указанных типоразмеров образцов продиктован потребностями индустриального партнера по проекту АО «ПО «Стрела», который использует указанные образцы пластин в процессах обработки ответственных изделий для нужд машиностроения и ОПК. Всего было изготовлено 5 типов экспериментальных образцов пластин: WC-Co/TiNbAl; Al2O3-TiC/TiNbAl; WC-Co/(CrAlSi)N/DLC-Si; Al2O3-TiC/(CrAlSi)N/DLC-Si; Si3N4(CrAlSi)N/DLC-Si. 4. Были выявлены закономерности эволюции различных структурных составляющих и легирующих элементов экспериментальных образцов антифрикционных материалов при трении. В качестве образцов для исследований использовались керамические пластины из Al2O3-TiC с экспериментальным антифрикционным двухслойным покрытием (TiAlSi)N/TiB2. С целью исследования эволюции структурных составляющих были проведены трибологические испытания образцов при трех различных условиях эксперимента: 1 - образец находился в исходном состоянии и испытывался при комнатной температуре; 2 - образец предварительно был подвергнут окислению на воздухе в муфельной печи при температуре 700 °С в течение 60 минут и испытывался при комнатной температуре; 3 - образец находился в исходном состоянии и испытывался при температуре 700 °С в термокамере трибометра. С целью выявления эволюции поверхностного слоя были проведены тонкие исследования дорожек износа методами Оже-электронной спектроскопии (AES) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). 5. Были установлены зависимости эволюции поверхностей трения антифрикционных материалов и различных контртел от смазывания, взаимосвязи эволюции поверхности различных контртел с легирующими элементами антифрикционных материалов. При выполнении исследований в качестве антифрикционных материалов использовались два вида смазок: углеродные пленки (DLC-покрытия) и твердосмазочная композиция на основе дисульфида молибдена и углерода. В качестве экспериментальных образцов применяли керамику Al2O3-TiC и твердый сплав WC-Co, а в качестве контртел - шарики из Al2O3 и ШХ15 (комплексные трибологические испытания проводили при нагреве до 300 ℃ и в условиях комнатной температуры). Были получены результаты по изменению коэффициента трения во времени, характеру и размеру дорожек трения, а также данные их элементного анализа для условий испытаний, изменяемых в широком диапазоне. 6. Были выявлены закономерности адаптации антифрикционных материалов к трению на основе неравновесной термодинамики и теории самоорганизации с учетом синергетического взаимодействия трущихся тел и смазки. Была предложена расчетная термодинамическая модель трения и изнашивания, обеспечивающая возможность прогнозирования эффективности применения мероприятий по улучшению антифрикционных свойств трибосопряжения, учитывающая особенности температурно-силовых условий и основные физико-механические свойства пары трения. 7. Была разработана лабораторная технология изготовления искровым плазменным спеканием упрочненных двумерными материалами нанокомпозитной керамики с повышенным комплексом эксплуатационных характеристик, включающая графические изображения последовательно выполняемых операций, их содержание и условия проведения. 8. Была разработана лабораторная технология изготовления методом ПЭО нанокомпозитных керамических покрытий с повышенным комплексом эксплуатационных характеристик, включающая графические изображения последовательно выполняемых операций, их содержание и условия проведения. 9. Была разработана лабораторная технология нанесения вакуумно-плазменным напылением интерметаллидных, керамических и углеродных покрытий с повышенным комплексом эксплуатационных характеристик, включающая графические изображения последовательно выполняемых операций, их содержание и условия проведения. 10. Были изготовлены экспериментальные образцы инновационных изделий машиностроения из керамики и конструкционных сплавов с функциональными покрытиями и модифицированными слоями, реализующие принцип самоадаптации к действию внешних нагрузок. Посредством технологии искрового плазменного спекания были изготовлены керамические пластины, сопла и кольца подшипников из керамики SiC-TiB2-TiC. Посредством технологии ПЭО были изготовлены элементы цилиндров клапанного узла, а также нанесены оксидные покрытия на элементы детали «поршень» из титанового сплава ВТ6, применяемой в опытных авиационных двигателях ПД-8 и ПД-35. Посредством вакуумно-плазменного напыления на конические фрезы со сферическим концом, использующиеся в механообрабатывающем производстве АО «ПО «Стрела», были нанесены покрытия (CrAlSi)N/DLC-Si и TiNbAl. 11. Была опубликована серия работ (10 публикаций), из которых 5 – в изданиях 1 квартиля. На новые технические решения была подана заявка на выдачу патента на изобретение «Способ модификации поверхностного слоя режущего инструмента» и получено свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ «Управляющая программа технологического источника питания установки плазменно-электролитической обработки». 12. Была проведена III Школа молодых ученых «Адаптивные материалы и покрытия для высокотехнологичных отраслей промышленности» и подготовлен соответствующий отчет. 13. Членами научного коллектива были сделаны доклады по результатам проекта на международных конференциях.