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 19-79-10042

НазваниеИсследование сверхтвердых материалов на основе AlMgB14

РуководительЖуков Илья Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаКерамика, трение, износ, твердость, композиционный материал, высокотемпературный синтез, структура, свойства, фазовый состав, порошки, прочность

Код ГРНТИ81.09.03

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект является продолжением темы «Исследование сверхтвердых материалов на основе AlMgB14» и направлен на развитие научных представлений в концепции «состав-структура-свойство» материалов и покрытий известных как BAM (англ. аббревиатура) БАМ (бор – алюминий – магний). Отличительной особенностью исследуемых материалов является высокая твердость, которая может достигать (в том числе с добавками других соединений) 51 ГПа. При этом материалы на основе БАМ обладают аномальным низкими значениями коэффициента трения вплоть до ~ 0.02. За период реализации проекта РНФ 2019 разработаны физико-химических основы технологии материалов AlMgB14 широко известными подходами (высокотемпературное вакуумное спекание, горячее прессование, искровое плазменное спекание), а также разработаны новые научно-технологические подходы получения AlMgB14, базирующиеся на использовании порошков интерметаллида Al12Mg17 в смеси с бором и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Получен комплекс данных о физико-механических свойствах керамики и композитов на основе AlMgB14: твердости, трещиностойкости, коэффициенте трения, износостойкости, коэффициенте термического расширения, теплопроводности, удельного электрического сопротивления, прочности на сжатие и изгиб в различном диапазоне скоростей нагружения и температур. На основе проведенных фундаментальных исследований были развиты научные представления и восполнены недостающие знания о материалах на основе AlMgB14. Обнаружено, что независимо от режимов напыления, получаемые покрытия БАМ на углах дифракции 10-90 являются рентгеноаморфными, что соответствует последним результатам, приведенным в научной литературе. Таким образом, на сегодняшний день существует научная проблема, связанная с выявлением закономерностей формирования фазового состава и структуры получаемых покрытий на основе AlMgB14. Актуальность решения научной проблемы обеспечивается возможностью применения AlMgB14 в качестве износостойких материалов и покрытий, способствующих снижению трения, в узлах техники в различных отраслях промышленности. В проекте будет решаться блок теоретических задач: с использованием программного кода USPEX, CASTEP и Quantum Espresso будет проведен поиск термодинамически стабильных двухмерных структур системы Al-Mg-B и получены новые данные о рентгеноструктурном состоянии и свойствах обнаруженных термодинамически стабильных кристаллических структур. Полученные результаты теоретических исследований будут сопоставлены с экспериментальными данными. В частности, будут проведены детальные рентгеноструктурные исследования получаемых покрытий AlMgB14 на малых углах дифракции в режиме скользящего пучка для определения закономерностей формирования структурно-фазового состояния получаемых покрытий на основе AlMgB14. Также в проекте предусмотрен блок экспериментальных работ, направленных на разработку научно-технологических подходов получения многослойных покрытий с повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения на основе AlMgB14 и AlMgB14-TiB2 за счет промежуточных слоев TiN/TiC/TiCN/Al2O3 и исследование их структуры и физико-механических свойств. Кроме того, предусмотрены задачи исследования эксплуатационных свойств образцов изделий с разрабатываемыми покрытиями. Научная новизна запланированных к решению задач определяется тем, что будут раскрыты закономерности формирования структурно-фазового состояния покрытий на основе AlMgB14 в зависимости от состава и способа получения; определена взаимосвязь между кристаллической структурой и эксплуатационными свойствами покрытий на различных материалах. Практическая значимость будет определяться разработанными научно-технологическими подходами получения многослойных покрытий с повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения на основе AlMgB14 и AlMgB14-TiB2 с промежуточными слоями TiN/TiC/TiCN/Al2O3 и совокупностью результатов исследований их физико-механических и эксплуатационных свойств

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта 2022 будет получен комплекс теоретических данных о закономерностях формирования кристаллических двухмерных структур в покрытиях на основе AlMgB14. Будут разработаны научно-технологические подходы получения многослойных покрытий с повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения на основе AlMgB14 и AlMgB14-TiB2 с промежуточными слоями TiN/TiC/TiCN/Al2O3 и получен комплекс экспериментальных данных о их структуре и физико-механических свойствах. На основе полученных данных будут выявлены закономерности формирования структурно-фазового состояния покрытий на основе AlMgB14 в зависимости от состава и способа получения; зависимости эксплуатационных свойств материалов ВК-8 и ВНЖ от параметров структуры и фазового состава покрытий AlMgB14. Результаты проекта позволят сформировать достаточно полную картину знаний о материалах и покрытиях на основе AlMgB14, разработанных в проекте 2019 г., и составить технические рекомендации для их дальнейшего внедрения в промышленность. Полученные результаты составят научную основу технологии материалов и покрытий AlMgB14 с повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения. Запланированные к получению данные внесут вклад в развитие научных представлений материаловедения, физики конденсированного состояния и механики деформируемого твердого тела. Получение и интерпретация зависимостей «состав-структура-свойство» составят основу не только физической картины изучаемых материалов, но и послужат фундаментом для конструирования и производства изделий с применением материалов AlMgB14. Развитие теоретических исследований структуры; предложенных и успешно апробированных ранее оригинальных методов и подходов для получения материалов на основе AlMgB14, в проекте 2022 позволит получить новые, не изученные ранее в мировой практике, зависимости физико-механических свойств от структуры. Полученные результаты могут быть применены на предприятиях, выпускающих керамические изделия технического назначения, в НИОКР и ОКР, направленных на создание полного технологического цикла получения твердых износостойких материалов и покрытий на основе AlMgB14, в образовательном процессе высших образовательных учреждений в качестве научно-методических дополнений к лекциям и практическим занятиям по курсам «Материаловедение» и «Порошковая металлургия». Применение материалов и покрытий на основе AlMgB14 может способствовать повышению надежности, долговечности и энергоэффективности деталей машин и механизмов, применяемых в машиностроительной, нефтегазовой, химической, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности за счет снижения трения в зонах взаимодействия твердых тел. На сегодняшний день заинтересованность в применении материалов на основе AlMgB14, в том числе в рамках импортозамещения, проявили такие крупные отечественные компании, как ПАО «КАМАЗ», ПАО «Таганрогский авиационный научно-технический комплекс имени Г. М. Бериева», НПП «Орион», Научно-производственное объединение "Сплав" имени А.Н. Ганичева, Кировградский завод твердых сплавов: КЗТС. В результате выполнения проекта 2022 будет опубликовано не менее 10 публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science, Scopus и РИНЦ. Результаты, полученные при выполнении проекта, будут доложены на всероссийских и международных конференциях. На основе результатов проекта 2019 и проекта 2022 планируется подготовить монографию, посвященную разработке и исследованию материалов и покрытий на основе AlMgB14.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
По результатам выполнения первого года проекта 2022 получены теоретические и экспериментальные данные исследований материалов и покрытий на основе AlMgB14. В результате выполнения теоретического блока задач подобраны параметры расчетов в рамках функционала электронной плотности (DFT – Density Functional Theory), на основании которых получены выборки термодинамически стабильных кристаллических двухмерных решеток AlxBy и MgxBy, где x,y = 2..8. Согласно полученным результатам, в двухмерной конфигурации термодинамически стабильными структурами системы AlxBy являются AlB6, Al6, Al4B4 и B8. Для системы MgxBy было обнаружено, что термодинамически стабильными соединениями являются структуры Mg2, Mg4B4, MgB6 и B8. Определены параметры и построены визуальные представления полученных термодинамически стабильных кристаллических решеток. Наиболее перспективными для дальнейших исследований и периодически упорядоченными структурами являются кристаллические решетки Al4B4, Mg4B4 и B8. С использованием метода машинного обучения Мажника-Оганова была проведена оценка твердости полученных двухмерных структур. Согласно полученным результатам, кристаллические решетки металлов Al6 и Mg2 имеют минимальные значения модулей упругости и, как следствие, низкую твердость (5,4 и 1,9 ГПа, соответственно). Напротив, их соединения с бором продемонстрировали высокие значения модулей упругости, в особенности модуля Юнга: соединения MgB6 и AlB6 имеют значения модулей Юнга 358,0 и 290,2 ГПа, соответственно, а их твердость составляет 16.5 и 13,6 ГПа. Соединения магния и алюминия с бором в гексагональной конфигурации продемонстрировали средние значения модулей упругости и твердости по Виккерсу: соединение Mg4B4 имеет твердость 9,6 ГПа, а соединение Al4B4 – 12,3 ГПа, соответственно. В свою очередь, полученные кристаллические решетки имеют практически идентичные значения коэффициента Пуассона. Наибольшими значениями механических свойств обладает кристаллическая решетка B8: её показатель модуля Юнга составляет 401,2 ГПа, а твердость по Виккерсу оценивается в 18,4 ГПа. Анализируя элементный состав и значения модулей упругости всех представленных двухмерных структур, можно сделать вывод, что с увеличением количества атомов бора увеличиваются механические свойства соединений. По всей видимости, это связано с тем, что увеличение атомов бора приводит к формированию более жестких каркасов (тетраэдров, октаэдров, икосаэдров). Таким образом, запланированные на второй год теоретические работы, направленные на поиск термодинамически стабильных двухмерных структур при большем количестве атомов, являются крайне перспективными. Ожидается, что будут найдены новые, более сложные и ранее неизученные двухмерные кристаллические решетки, сформированные из каркаса атомов бора в усложненных конфигурациях. По результатам выполнения экспериментальной части запланированных работ, в отчетный период разработаны научно-технологические режимы ионно-плазменного напыления многослойных покрытий на основе AlMgB14 с промежуточными слоями на основе TiN и CrN. Для этого разработана методика ионно-плазменного напыления покрытий на основе AlMgB14 с «горячим анодом», в качестве которого выступает порошковый состав Al12Mg17:B в стехиометрическом соотношении для синтеза AlMgB14, который реализуется в ходе напыления за счет разогрева при воздействии электронного тока плазменной дуги. Предложенный метод помимо упрощения процесса подготовки исходного порошкового материала для распыления, обеспечивает повышение износостойкости получаемого покрытия, так, установлено, что скорость износа на два порядка ниже по сравнению с покрытиями, полученным на предыдущих этапах выполнения проекта, и составляет 3·10^-7 мм^3/Н·м. Для нанесения нитридных подслоев разработаны режимы плазменно-ассистированного дугового напыления, с использованием которых на подложках на основе твердого сплава ВК-8 и ВНЖ-95 получены подслои состава TiN и CrN и многослойный подлой TiN/CrN, представляющий собой чередующиеся наноразмерные слои TiN и CrN, для последующего напыления на них покрытия на основе AlMgB14. В результате была получена серия образцов многослойных покрытий с толщиной нитридных слоев от 1,5 до 2,5 мкм и толщиной слоя на основе AlMgB14 от 0,5 до 8 мкм на двух вариантах подложек: ВК-8 и ВНЖ-95. По результатам рентгеноструктурного анализа, нитридные слои при напылении формируются в кристаллическом состоянии, а верхний слой на основе AlMgB14 в аморфном. Микротвердость полученных покрытий, определенная методом Виккерса, составила от 10,9 ГПа до 22,4 ГПа, максимальное значение достигается для многослойного покрытия с CrN в качестве промежуточного слоя. Результаты исследований микроструктуры покрытий методом атомно-силовой микроскопии свидетельствуют о том, что тип подложки и нитридного подслоя существенно влияют на шероховатость и морфологию покрытия. Так, установлено, что однослойные покрытия характеризуются значительно меньшей шероховатостью по сравнению с многослойными, от 24,3 нм до 52 нм, при шероховатости многослойных покрытий от 260 нм до 562 нм в зависимости от типа подслоя. При этом, при напылении покрытия на основе AlMgB14 на подложку на основе ВНЖ-95 шероховатость возрастает в 2 раза по сравнению с аналогичным покрытием на подложке ВК-8. Это обусловлено тем, что поверхность сплава ВНЖ-95 имеет неоднородности и выступы, формируемыми зернами вольфрама. Согласно результатам исследования трибологических свойств, коэффициент трения покрытий на основе AlMgB14 составляет от 0,12 до 0,26. Среднее значение коэффициента трения снижается с увеличением скорости испытания. По результатам испытаний коэффициента трения при варьируемой нагрузке и по результатам скретч-теста, покрытия на основе AlMgB14 способны выдерживать фрикционные воздействия с нагрузкой до 5 Н. Результаты исследований трибологических свойств многослойных покрытий в совокупности с результатами исследований их адгезионных свойств методом скретч-теста и результатами исследований микроструктуры и элементного состава областей разрушения покрытий после испытаний, свидетельствуют о том, что минимальные значения коэффициентов трения покрытий в начале испытания, от 0,144 до 0,168, соответствуют значениям для однослойных покрытий на основе AlMgB14, при этом, в первые 5 м трибологических испытаний происходит хрупкое разрушение и отслоение верхнего слоя на основе AlMgB14 с сохранением целостности нитридного подслоя. Это обусловлено низкой адгезией между слоем на основе AlMgB14 и нитридным подслоем, при высокой адгезии подслоя и подложки, большей твердостью и хрупкостью верхнего слоя, что связано, в частности, с его аморфной структурой. Также, согласно испытаниям методом скретч-теста установлено, что толщина верхнего слоя существенно влияет на характер его разрушения, так для многослойного покрытия с подслоем CrN и верхним слоем на основе AlMgB14 толщиной 0,5 мкм установлено, что разрушение происходит без растрескивания и отслоения покрытия вокруг области воздействия индентора. На основании полученных результатов возможно сделать вывод, что наиболее перспективными для проведения дальнейших исследований по нанесению разработанных покрытий на твердосплавные режущие пластины и макетные образцы кинетических ударников, для испытания их в приближенных к эксплуатационным условиях, представляются однослойные покрытия на основе AlMgB14, напыляемые ионно-плазменным методом с «горячим анодом», ввиду их повышенной износостойкости. Промежуточные слои на основе нитридов, согласно полученным результатам, обладая высокой адгезией к подложкам ВК-8 и ВНЖ-95 и большей вязкостью разрушения, также могут оказывать положительное влияние на механические свойства многослойных покрытий с верхним слоем на основе AlMgB14, при условии сохранения невысокой толщины верхнего слоя, в пределах 1 мкм.

 

Публикации

1. Никитин П.Ю., Жуков И.А., Ткачев Д.А., Абзаев Ю.А., Марченко Е.С., Ворожцов А.Б. Experimental and Theoretical Study of Ultra-Hard AlMgB14-TiB2 Composites: Structure, Hardness and Self-Lubricity Materials, Vol. 15, № 23, Article number 8450, P. 1-12 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ma15238450

2. Ткачев Д.А., Жуков И.А., Никитин П.Ю., Сачков В.И., Ворожцов А.Б. Structure and Frictional Properties of Ultrahard AlMgB14 Thin Coatings Nanomaterials, Vol.13. Article number 1589. 1-12 p. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13101589

3. Ткачев Д.А., Никитин П.Ю., Жуков И.А., Ворожцов А.Б., Марченко Е.С., Верхошанский Я.Ю., Бельчиков И.А. Structure and flexural strength of the hot-pressed AlMgB14 ceramic Physica Scripta, 2023. Vol. 98, № 2. Article number 025703. 1-9 p. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1088/1402-4896/acaeea

4. Ткачев Д.А., Жуков И.А., Ахмадеев Ю.Х., Шугуров В.В., Ворожцов А.Б. Антифрикционные покрытия на основе AlMgB14 Высокоэнергетические и специальные материалы: антитерроризм, безопасность и гражданское применение : сборник научных трудов XVII Международной конференции "HEMs-2022". 14–16 сентября 2022 г. (Республика Алтай, Россия). Томск: Изд-во ТГУ, 2022. С. 74‒75, 2022. с. 74-75 (год публикации - 2022)

5. Жуков И.А., Никитин П.Ю., Ткачев Д.А. Способ получения керамического материала на основе AlMgB14 Патент № 2790848 Российская Федерация, МПК B22F 3/23, B22F 3/12, C22C 1/05, C04B 35/00. Способ получения керамического материала на основе AlMgB14. Заявка № 2022133213, заявл. 19.12.2022, опубл. 28.02.2023 Бюл. № 7, 5 с., № 2790848 Российская Федерация, МПК B22F 3/23, B22F 3/12, C22C 1/05, C04B 35/00. Заявка № 2022133213, заявл. 19.12.2022, опубл. 28.02.2023 Бюл. № 7, 5 с. (год публикации - 2023)