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 19-19-00555

НазваниеСверхтвёрдые наноструктурные покрытия с повышенной усталостной прочностью и регулируемым уровнем макронапряжений на основе керамикометаллических систем с ограниченной растворимостью компонентов

Руководитель Блинков Игорь Викторович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Керамикометаллические наноструктурные покрытия, макронапряжения, усталостная прочность, наноструктурирование, сверхтвердость, ионно-плазменное вакуумно-дуговое осаждение, компьютерное моделирование, метод кинетического Монте-Карло, метод молекулярной динамики, релаксация макронаряжений

Код ГРНТИ55.22.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Сверхтвёрдые наноструктурные покрытия сегодня являются одним из реальных результатов реализации проводимых масштабных исследований как в нашей стране, так и за рубежом в области создания наноматериалов и практического использования их уникальных свойств. Созданы нитридные и карбонитридные покрытия, характеризующиеся значениями твёрдости порядка 50 ГПа, имеющие столбчатую, изоморфную структуру и многослойную архитектуру. Данные покрытия нашли применение в различных областях техники, в частности, для защиты рабочих поверхностей пар трения. Эти покрытия на различных подложках формируются, как правило, разновидностями магнетронного и ионно-плазменного вакуумно-дугового напыления. При этом в композите «покрытие-подложка» развиваются высокие макронапряжения, природа которых связана с различием коэффициентов термического расширения покрытия и основы (термические напряжения, σt) и дефектами строения, возникающими в процессе структуро – и фазообразования при формировании покрытий (σh). По мнению ряда исследователей, сжимающие макронапряжения наряду с наноструктурой являются фактором, обеспечивающим появление в нанокристаллических покрытиях высоких значений твёрдости. С другой стороны, известно, что высокий уровень макронапряжений может приводить к разрушению композиции «покрытие-подложка». Например, за счет уменьшения трещиностойкости под воздействием растягивающих напряжений или вспучивания и отслаивания покрытий от основы при сильных сжимающих напряжениях. В каждом случае для определенной композиции «покрытие-подложка» существует пороговое значение σ, ограничивающее применение данных покрытий. Поэтому выявление причин возникновения макронапряжений в покрытиях при их формировании, возможности регулировать и снижать их величину при сохранении сверхтвердости является важной и актуальной материаловедческой проблемой. На сегодняшний день определено два возможных метода снижения составляющей макронапряжений в покрытиях σh, которая обычно значительно превосходит σt. Это использование при росте покрытий только низкоэнергетических ионов и частиц, что уменьшает вероятность образования дефектов при формировании покрытий, и повышение температуры осаждения Ts до значений, при которых удовлетворяется неравенство между Ts и температурой плавления вещества покрытия Tm (определяющей энергию связи атомов в веществе), Ts/Tm ≥ 0,25. При этом возникающие макронапряжения компенсируются в релаксационных процессах при последующем термическом отжиге. Однако, следует иметь в виду, что повышение Ts может привести к увеличению составляющей термических напряжений σt, а уменьшение энергии напыляемых ионов будет способствовать снижению адгезионной прочности покрытия с подложкой Нами рассматривается принципиально новый подход к проблеме снижения макронапряжений в наноструктурных покрытиях. В первую очередь, мы исходим из того, что высокий уровень макронапряжений не является обязательным условием достижения высоких значений твердости в сформированных покрытиях, как отмечают некоторые авторы, а их значения определяются измельчением зёренной структуры материала покрытия и переходом к нанокристаллическому строению. Релаксация же возникающих как термических (σt), так и структурно-фазовых (σh) составляющих макронапряжений (σ) в покрытиях может быть реализована введением в их состав пластичной металлической фазы. При этом вводимый металлический компонент не должен взаимодействовать с реакционным газом (азотом), используемым для формирования керамических (нитридных) покрытий, и заметно взаимодействовать с образующейся нитридной фазой. Такими металлами могут быть медь и никель. Структура получаемых покрытий может представлять из себя нанозерна керамической фазы, окруженной тонкими слоями пластичного металлического компонента, либо быть многослойной с чередующимися слоями металлической и керамической фаз. При этом металлическая фаза выполняет двойную функцию. С одной стороны, благодарю отсутствию растворимости меди и никеля в нитридах переходных металлов они при осаждении покрытий формируются по границам образующихся зародышей керамической фазы, либо в виде отдельных слоёв, ограничивая рост зёрен керамики, тем самым, переводя процесс формирования покрытия в режим, контролируемый явлениями зародышеобразования и измельчая кристаллиты нитридной фазы, что сопровождается ростом твёрдости. С другой стороны, металлическая фаза в покрытии оказывает демпфирующее влияние при появлении макронапряжений в растущих покрытиях, релаксируя как термические напряжения (σt) возникающие из-за разницы коэффициентов термического расширения подложки и покрытия, так и напряжения, связанные с дефектами роста покрытий. Созданные сегодня наноструктурные сверхтвёрдые покрытия имеют существенное ограничение не только по уровню макронапряжений, значения которых с ростом толщины покрытий возрастают, но их применение ограничено и относительно низкой усталостной прочностью. Предлагаемый подход к снижению макронапряжений будет способствовать росту и этой характеристики сверхтвёрдых покрытий через механизм диссипации полей напряжения вблизи вершины усталостной трещины в пластичной фазе, и через разрушение перемычек (стяжек) вязкой фазы в мостовой структуре композита позади вершины трещины. В данном проекте будут выполнены исследования по разработке сверхтвердых керамикометаллических покрытий состава Ti-Al-N, Ti-Al-Mo, Ti-Cr-N (керамическая фаза) / Ni, Cu (металлическая фаза) с регулируемым уровнем макронапряжений и повышенной усталостной прочностью. В осаждаемых покрытиях будет направленно формироваться многослойная структура с последовательной укладкой слоев керамической и металлической фаз и однородная структура с равномерным распределением керамических нанокристаллитов в металлической матрице. Нитридная составляющая будет формироваться на основе сложных многокомпонентных соединений с введением в состав бинарного нитрида титана алюминия и хрома, обеспечивающих формирование высокого уровня микродеформаций кристаллической решетки, дополнительно повышающих прочность. Сопутствующим эффектом в разрабатываемых керамикометаллических покрытиях будут их улучшенные трибологические свойства за счёт того, что пластичная металлическая фаза покрытий окажет смазывающий эффект при трении, который будет проявляться в большей степени при повышенных температурах. В ходе выполнения проекта будет разработана модель роста керамикометаллических покрытий, основанная на численном интегрирование процессов осаждения, диффузии и испарения адатомов на поверхности растущего покрытия методом кинетического Монте-Карло (kMC), где в качестве параметров взаимодействия атомов будут использованы энергии связи пар Me-MeN, Me-Me и MeN-MeN. Для расчётов данных энергий будет разработан программный набор, расширяющий функциональные возможности программы с открытым исходным кодом Cp2k, основанной на методе теории функционала плотностей (DFT). Поскольку свойства и состав покрытий зависят от характеристик плазменного потока на поверхность растущего покрытия, будет разработана модель массопереноса плазмы от испарителей заданного состава до поверхности образцов, планетарно вращающихся в камере установки PVD с заданными геометрическими параметрами. Данные расчёты будут проводиться путём численного интегрирования методом пробной частицы с использованием модифицированного потенциала взаимодействия Борна-Майера в приближении «квази»-жёстких сфер. По результатам расчётов компьютерной модели для разных составов будут установлены структурные параметры покрытий и влияние металлических модифицирующих компонентов на структуру покрытий. На основе данных результатов, методом молекулярной динамики (MD) будут изучены механизмы релаксирующего влияния металлических модифицирующих компонентов на макронапряжения, возникающие при формировании сверхтвёрдых керамикометаллических наноструктурных покрытий. Экспериментально будут установлены закономерности формирования структуры керамикометаллических покрытий разной архитектуры, особенности структуро- и фазообразования и концентрационно-энергетические параметры формирования покрытий с заданным уровнем макронапряжений в условиях ионно-плазменного осаждения, определены оптимальные условия формирования керамикометаллических покрытий с минимальным уровнем макронапряжений, характеризующиеся сверхтвёрдостью и повышенной по сравнения с керамическими покрытиями вязкостью разрушения, установлены параметрические зависимости влияния макронапряжений на функциональные свойства покрытий: твёрдость, модуль упругости, вязкость разрушения, износостойкость, термическую стабильность, стойкость к воздействию агрессивных сред. Результатом выполнения предлагаемой НИР явится теоретическое обоснование принципов создания сверхтвёрдых наноструктурных покрытий с регулируемым уровнем макронапряжений и повышенным значением усталостной прочности за счёт модифицирования состава керамических покрытий введением металлических компонентов, не взаимодействующих с азотом и имеющих ограниченную растворимость с нитридной фазой покрытия, разработанные составы и технологические процессы их получения. А также программный комплекс, предназначенный для моделирования структуры таких покрытий и изучения их свойств.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---