Электроискровое спекание катодов - мишеней на основе мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии для осаждения в вакууме износоустойчивых покрытий инструментального назначения, эксплуатирующихся в условиях повышенных теплосиловых нагрузок

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 22-19-00670

НазваниеЭлектроискровое спекание катодов - мишеней на основе мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии для осаждения в вакууме износоустойчивых покрытий инструментального назначения, эксплуатирующихся в условиях повышенных теплосиловых нагрузок

Руководитель Мигранов Марс Шарифуллович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 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 Высокоэнтропийные сплавы, электро-искровое спекание, катоды-мишени, композиционные износоустойчивые покрытия, обработка резанием, термодинамическая модель, моделирование температурно-силовых условий, триботехнические характеристики

Код ГРНТИ55.22.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Традиционные сплавы обычно состоят из основного элемента и легирующих, каждый из которых по отдельности изменяет структурные характеристики материала для достижения нужных эксплуатационных свойств. В такой парадигме было разработано многообразие сталей, сплавов алюминия, титана, никеля и прочих. При разработке концепции мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии руководствуются термодинамическими характеристиками сплава как замкнутой системы и влиянием этих характеристик на структуру и эксплуатационные свойства. В месте с тем в последние десятилетия большое количество специализированных научно-исследовательских институтов и конструкторско-технологических центров, осуществляющих фундаментальные и практико-ориентированные работы все больший интерес проявляют к многокомпонентно-композиционным покрытиям, позволяющим повысить эффективность работы лезвийного инструмента при обработке жаропрочных сталей и сплавов используемых в ответственных деталях силовой части газотурбинных двигателей (ГТД). Металлические мультикомпонентные сплавы с эффектом высокой энтропии для катодов-мишеней и получаемые композиционные износостойкие покрытия на их основе, формируемые испарением и распылением, представляют собой новый класс материалов. Нанесенные на инструментальные материалы данные покрытия позволяют значительно улучшить триботехнические характеристики (снизить силу трения и уменьшить износ режущего инструмента) и улучшить температурно-силовые условия резания (перераспределение тепловых потоков в зоне резания и снижение коэффициента трения), за счет наличия в их составе компонентов с эффектом высокой энтропии (способностью при определенных температурно-силовых условиях образовывать функционально защитные пленки, обладающие смазывающим, экранирующим, защитным и т.д. свойствами). Высокая энтропия смешения элементов в сплаве рассматривается как мера вероятности сохранения их системы в данном состоянии, что обеспечивает повышенную термическую стабильность фазового состава и структурного состояния, а следовательно, и свойств сплавов — механических, физических, химических. Таким образом, в мультикомпонентных катодах-мишенях с эффектом высокой энтропии, с одной стороны, появляется возможность образования и сохранения многоэлементного твердого раствора замещения как непосредственно после процесса кристаллизации, так и при последующей термомеханической обработке, а с другой — в твердом состоянии сплав приобретет уникальные сочетания физико-механических характеристик. Мультикомпонентные сплавы с эффектом высокой энтропии включают 5—10 элементов с примерно равными концентрациями около 5–35 ат. %., которые в шихтовом составе находятся, как правило, в эквиатомном соотношении. Их главные отличительные особенности состоят в наличии разнородных атомов элементов с разными электронными строениями, размерами и термодинамическими свойствами в кристаллической решетке твердого раствора замещения приводит к ее существенному искажению. Это способствует значительному твердорастворному упрочнению и термодинамической стабильности свойств. В настоящее время для получения катодов-мишеней наиболее широко применяется метод электроискрового спекания (Spark Plasma Sintering (SPS)). Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что в имеющихся публикациях связанных с вопросами электроискрового спекания сплавов с эффектом высокой энтропии не исследован вопрос прогнозирования свойств получаемых катодов-мишеней в зависимости от температурного режима проведения SPS. При этом общеизвестно, что обеспечение оптимального температурного режима спекания позволит снизить коагуляцию (увеличение) зерен и сохранить соответствующую микроразмерность структуры, что обеспечит высокие эксплуатационные свойства сформированных многокомпонентных композиционных покрытий. Предлагаемый проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы в инженерной области создания технологии синтеза нового класса композиционных покрытий посредством использования разработанных катодов-мишеней на основе мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии, позволяющих формировать износостойкие поверхностные слои на лезвийном инструменте для улучшения триботехнических характеристик и термостабильности при обработке труднообрабатываемых материалов (жаропрочных - типа ЭИ-654, ЭИ-698 ВД, ЖС6У, титановых сплавов и др.). Целью проекта является разработка методологии и технологических принципов спекания катодов-мишеней электроискровым методом на основе мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии путем термодинамического описания (анализа) их синтеза и оптимизации условий процесса для формирования композиционных покрытий на режущих инструментах, обеспечивающих повышенную изностойкость и благоприятное напряженно-деформированное состояние режущего клина, в том числе, за счет образования вторичных структур, в условиях повышенных теплосиловых нагрузок. Для достижения этой цели последовательно должны решаться следующие задачи: 1. С использованием принципов термодинамики неравновесных процессов определение компонентов сплавов с эффектом высокой энтропии (порошковых композиций) для получения катодов-мишеней на основе систем AlNbTiVZr, VNbMoTaW, (Ti,V)ZrNbHf(Ta,W), CoCrFeNiMnC и др. 2. Термодинамический анализ термодиффузионных явлений при спекании катодов-мишеней на основе мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии (AlNbTiVZr, VNbMoTaW, (Ti,V)ZrNbHf(Ta,W), CoCrFeNiMnC и др.) для определения оптимальных температурных и других условий процесса. 3. Разработка методологии и технологических принципов электроискрового спекания катодов - мишеней из мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии, обеспечивающих возможность прогнозирования характеристик покрытий, осаждаемых вакуумно-дуговым испарением и магнетронным распылением; в соответствии с разработанным подходом спекание экспериментальных образцов катодов - мишеней из мультикомпонентных сплавов широкого спектра составов. 4. Выполнение комплексных металлографических и металлофизических исследований экспериментальных образцов катодов - мишеней с последующей адаптацией к конструкторско-технологическим особенностям типовых установок, серийно выпускаемых для нанесения покрытий на режущий инструмент и детали машин. 5. Исследование процессов распыления и испарения катодов-мишеней из мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии и установление закономерностей влияния условий процесса электроискрового спекания и формируемой структуры на характеристики синтезируемых композиционных покрытий, установление рациональных условий и технических решений для осаждения покрытий; в соответствии с разработанными решениями осаждение покрытий широкого спектра составов на сложнопрофильный инструмент, используемый в промышленности для обработки наиболее ответственных деталей силовой части ГТД (конические сферические фрезы, профильные фрезы для обработки хвостовиков лопаток и др.). 6. Разработка термодинамической модели контактных процессов в зоне резания с учетом химического и структурно-фазового составов синтезированных покрытий, температурно-силовых условий, напряженно-деформированного состояния режущего клина и изнашивания инструмента при обработке труднообрабатываемых материалов; установление закономерностей между температурно-силовыми условиями процессов резания и механизмом формирования защитных структур на поверхности инструмента с многокомпонентными покрытиями. 7. Создание методики по выбору архитектуры, состава и количества поверхностных слоев композиционных износоустойчивых покрытий на основе мультикомпонентных сплавов в зависимости от характера и уровня теплосиловых нагрузок, действующих на режущий клин инструмента при эксплуатации; разработка типовых составов многослойных покрытий нового класса, каждый слой которых минимизирует соответствующие стадии изнашивания инструмента (приработочную, нормальную и катастрофическую). 8. Апробация комплекса научных результатов, полученных в ходе реализации проекта, на базе ведущих отечественных производственных предприятий - ПАО "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" и АО "Машиностроительная компания “Витязь” (г. Ишимбай, респ. Башкортостан) при испытаниях режущих инструментов с новыми многослойными композиционными покрытиями, синтезированными посредством вакуумно-дугового испарения катодов и магнетронного распыления мишеней на основе мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии. Команда заявителей обладает значительным теоретико-экспериментальным заделом, опытом работы на современном оборудовании и компетенциями в научной области проекта. В рамках выполнения проекта на основании результатов моделирования и экспериментальной верификации будут установлены оптимальные режимы электроискрового спекания для получения качественных катодов-мишеней на основе сплавов с эффектом высокой энтропии для промышленных вакуумных ионно-плазменных установок. Будут установлены закономерности структурообразования в ходе спекания и последующей технологии синтеза многослойных композиционных покрытий. Комплексное исследование структуры, фазового состава, механических и функциональных свойств полученных сплавов и сформированных на их основе многослойных композиционных покрытий позволит определить оптимальные режимы комбинации спекания и последующей технологии синтеза мультикомпонентных катодов-мишеней с эффектом высокой энтропии и получить износоустойчивые покрытия нового поколения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Григорьев С. Н., Волосова М.А., Мигранов М.Ш., Сухова Н.А., Шехтман С.Р. Investigation of Thermal Phenomena during Cutting with a Multi-Coated Tool Материалы 8-й Международной конференции по промышленному инжинирингу, стр. 992-1001 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-14125-6_96

2. Мигранов М.Ш., Шехтман С.Р., Сухова Н.А., Гусев А.С. Износоустойчивые комплексы инструментального назначения для эксплуатации в условиях повышенной теплосиловой нагрузки Вестник московского авиационного института, № 3, том 29, страницы 222-230 (год публикации - 2022)
10.34759/vst-2022-3-211-219

3. Волосова М.А., Мигранов М.Ш., Шехтман С.Р., Сухова Н.А. Применение магнитно-дуговой фильтрации при нанесении вакуумно-дуговых покрытий для повышения износостойкости режущих инструментов УПРОЧНЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПОКРЫТИЯ, № 12, ТОМ 18 (год публикации - 2022)
10.36652/1813-1336-2022-18-9-412-420

4. Мигранов М.Ш., Волосова М.А., Шехтман С.Р., Сухова Н.А., Мигранов А.М., Гусев А.С. Tribotechnical characteristics of nanostructured multilayer composite coatings on tools for machining heat-resistant alloys Письма о материалах, № 1 том 13 (год публикации - 2023)

5. Мигранов М.Ш., Мигранов А.М. Шехтман С. Р. Влияние структурно-фазовой адаптации поверхностей трения на изнашивание режущих инструментов СБОРКА В МАШИНОСТРОЕНИИ, ПРИБОРОСТРОЕНИИ, № 6, страницы 251-256 (год публикации - 2022)
10.36652/0202-3350-2022-23-6-251-256

6. М.Ш. Мигранов, С.Р. Шехтман, Н.А. Сухова, А.М. Мигранов, А.С. Гусев Исследование износостойкости наноструктурных композиционных покрытий при резании металлов УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТЫЕ И НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, с 77 (год публикации - 2022)

7. Мигранов М.Ш., Исаев Е.В., Мигранов А.М., Мосенз И.И., Гусев А.С., Оплеснин С.С. МНОГОСЛОЙНЫЕ НАНОСТРУКТУРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ Вестник Тверского государственного технического университета. Серия «Технические науки»., № 3(15) 30-37 (год публикации - 2022)
10.46573/2658-5030-2022-3-30-37

8. Мигранов М.Ш., Мигранов А.М КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ИЗНАШИВАНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ЭФФЕКТОМ АДАПТАЦИИ Вестник Тверского государственного технического университета. Серия «Технические науки», № 3 (15) (год публикации - 2022)
10.46573/2658-5030-2022-3-37-45

9. Мигранов М.Ш., Мигранов А.М. Методология исследования изнашивания режущих инструментов со свойствами адаптации при трении Сборка в машиностроении, приборостроении, № 7 (год публикации - 2022)
10.36652/0202-3350-2022-23-7-312-317

10. Григорьев С.Н., Верещака А.С. Углов В.В., Милович Ф.О., Черенда Н.Н., Андреев Н.В., Мигранов М.Ш., Селезнев А.Е. Influence of tribological properties of Zr-ZrN-(Zr,Cr,Al)N and Zr-ZrN-(Zr,Mo,Al)N multilayer nanostructured coatings on the cutting properties of coated tools during dry turning of Inconel 718 alloy. Wear, Volumes 512–513, 204521 (год публикации - 2023)
10.1016/j.wear.2022.204521

11. Мигранов М.Ш., Шехтман С.Р., Сухова Н.А., Гусев А.С. Исследование износоустойчивых покрытий, полученных методом катодно-дугового испарения с использованием планарных катодов Труды 29-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА и ТЕХНОЛОГИИ – 2022», c 231-235 (год публикации - 2022)

12. Мигранов М.Ш., Шехтман С.Р., Сухова Н.А., Митрофанов А.П., Гусев А.С., Мигранов А.М., Репин Д.С. Study of Tribotechnical Properties of Multilayer Nanostructured Coatings and Contact Processes during Milling of Titanium Alloys Coatings, Том 13, выпуск 1, номер статьи 171 (год публикации - 2023)
10.3390/coatings13010171

13. Мигранов М.Ш., Шехтман С.Р., Гусев А.С. Synthesizing Low-Wear Cathodic Coatings from Multi-component Alloys with a High-Entropy Effect Lecture Notes in Mechanical Engineering, Страницы 718-728 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-38126-3_71

14. Сухова Н.А., Хмыров Р.С., Пристинский Ю.О. Development of Technology for Spark Plasma Sintering of High-Entropy Target Cathodes for Synthesis of Wear-Resistant Coatings on Cutting Tools Lecture Notes in Mechanical Engineering, Страницы 576-586 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-38126-3_57

15. Григорьев С.Н., Мигранов М.Ш., Волосова М.А., Гусев А.С. Sintered powder high-entropy target cathodes for wear-resistant coatings Izvestiya Ferrous Metallurgy, Том 66, выпуск 4, страницы 410-414 (год публикации - 2023)
10.17073/0368-0797-2023-4-410-414

16. Мигранов М.Ш., Репин Д.С., Сырбу С.А., Наумов А.Г., Шабунин С.А. О механизме действия кислородосодержащих полимерных присадок, активированных коронным разрядом, при резании металлов Сборка в машиностроении, приборостроении, Том 24, № 8, страницы 381-384 (год публикации - 2023)
10.36652/0202-3350-2023-24-8-381-384

17. Мигранов М.Ш., Гусев А.С., Мигранов А.М., Репин Д.С., Колосова Н.В. Эффективность наноструктурированных износостойких покрытий при высокоскоростном точении титановых сплавов Упрочняющие технологии и покрытия, Том 19, № 8(224), страницы 370-377 (год публикации - 2023)
10.36652/1813-1336-2023-19-8-370-377

18. Мигранов А.М., Мигранов М.Ш., Исаев Е.В., Мосенз И.И., Тюрина Ю.А., Репин Д.С. Триботехническое исследование свойств фрез с композиционными многослойными покрытиями Сборка в машиностроении, приборостроении, Том 24, № 3, Страница 121-124 (год публикации - 2023)
10.36652/0202-3350-2023-24-3-121-124

19. Мигранов М.Ш., Мигранов А.М., Репин Д.С. Исследование контактных процессов при точении инструментом с нанокомпозиционными покрытиями Сборка в машиностроении, приборостроении, Том 24, № 4, Страницы 161-165 (год публикации - 2023)
10.36652/0202-3350-2023-24-4-161-165

20. Мигранов М.Ш., Максимов И.С., Репин Д.С. Износостойкость композиционных шлифовальных кругов Сборка в машиностроении, приборостроении, Том 24, № 5, Страницы 217-222 (год публикации - 2023)
10.36652/0202-3350-2023-24-5-217-222

21. Мигранов М.Ш., Наумов А.Г., Репин Д.С., Гусев А.С. Износостойкость режущего инструмента с инновационными многослойными покрытиями при применении активированных полимерсодержащих смазочно-охлаждающих технологических средств Сборка в машиностроении, приборостроении, Том 24, № 6, Страницы 271-275 (год публикации - 2023)
10.36652/0202-3350-2023-24-6-271-275

22. Мигранов М.Ш., Селезнев А.Е., Гусев А.С., Колосова Н.В., Мигранов А.М. Моделирование температурно-силовых процессов при фрезеровании хромникелевых сплавов инструментом с износостойкими покрытиями Упрочняющие технологии и покрытия, Том 19, № 10, Страницы 475-480 (год публикации - 2023)
10.36652/1813-1336-2023-19-10-475-480

23. Григорьев С.Н., Мигранов М.Ш., Шехтман С.Р., Сухова Н.А., Гусев А.С. Synthesizing High-Entropy Cutting Tool Coatings Using the Magnetron Sputtering Method Lecture Notes in Mechanical Engineering, Страницы 774 - 783 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-65870-9_72

24. Мигранов М.Ш., Гарифуллин К.А., Гусев А.С., Колосов А.Ю., Оплеснин С.С., Репин Д.С., Тюрина Ю.А. Износостойкость наноструктурированных многослойных покрытий на режущем инструменте после лазерной обработки Упрочняющие технологии и покрытия, № 9(237), том 20, страницы 428-432 (год публикации - 2024)
10.36652/1813-1336-2024-20-9-428-432

25. Мигранов М.Ш., Гусев А.С., Гарифуллин К.А., Оплеснин С.С., Репин Д.С., Тюрина Ю.А. Повышение эффективности обработки деталей силовой части газотурбинных двигателей Вестник Московского авиационного института, № 2, том 31, страницы 183-192 (год публикации - 2024)

26. Мигранов М.Ш., Гусев А.С., Гарифуллин К.А., Колосов А.Ю., Оплеснин С.С., Пристинский Ю.О., Тюрина Ю.А. Исследование свойств высокоэнтропийных покрытий на режущем инструменте Упрочняющие технологии и покрытия, № 6(234), том 20, страницы 284-288 (год публикации - 2024)
10.36652/1813-1336-2024-20-6-284-288

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Разработана и предложена технология формирования износоустойчивых покрытий на твердосплавных металлорежущих инструментах с использованием высокоэнтропийных катодов-мишеней магнетронным распылением. При нанесении износоустойчивых покрытий с использованием катодов-мишеней с эффектом высокой энтропии, обеспечивается возможность управлять структурой покрытий за счет формирования наноразмерных зерен и слоев; увеличивать плотность центров зародышеобразования покрытий; стимулировать плазмохимические реакции синтеза соединений за счет введения тепловой энергии непосредственно в поверхность и роста подвижности атомов; стимулировать диффузионные процессы на границах раздела «покрытие-подложка», способствующие повышению адгезионной прочности; 2. Предложенные технологии синтеза многослойных нитридных износостойких покрытий с использованием высокоэнтропийных катодов – мишеней и проведенные исследования подтвердили и показали, что магнетронный метод формирования покрытий способствует получению на поверхности режущего инструмента на одном технологическом оборудовании при соответствующих режимах слои с различной архитектурой, фазовым составом и с широкой гаммой химических элементов. При синтезе высокоэнтропийных покрытий наиболее перспективными принципами создания многофункциональных покрытий различного назначения является многослойная архитектура многокомпонентных покрытий, так как подобные поверхностные слои способны удовлетворять зачастую самым разнообразным, а иногда и противоречивым требованиям; 3. Применение разработанной программы компьютерного имитационного моделирования теплофизических процессов при фрезеровании инструментом как с традиционными износостойкими покрытиями, так полученных с использованием высокоэнтропийных катодов – мишеней позволит существенно сократить количество требуемых трудоемких натурных экспериментальных испытаний теплофизических процессов и прогнозировать возможные результаты и эффективность применения разрабатываемых высокоэнтропийных износостойких покрытий, как с точки зрения повышения их износостойкости так и обеспечения благоприятных температурно-силовых условий с последующим улучшением показателей качества обработанной поверхности; 4. По результатам проведенных теоретико – экспериментальных исследований разработана и подана заявка на регистрацию информационной базы данных по температурно-силовым параметрам (ИБД по ТСП) обработки резанием инструментом с износостойким покрытием, полученным с использованием высокоэнтропийных катодов-мишеней, синтезируемых электроискровым методом различных порошковых композиций. ИБД по ТСП обеспечивает сбор данных из различных источников; обработку и фильтрацию полученных данных с возможностью настройки параметров обработки; визуализацию данных в виде различных графиков и диаграмм; сравнение результатов различных экспериментов для выявления закономерностей и отклонений; сохранение результатов анализа в различных форматах для последующего использования и публикации; экспорт данных и графиков для включения в научные отчеты, издания и презентации; 5 Разработаны рекомендации по выбору типовой архитектуры и состава многослойных композиционных покрытий позволяющие получать износоустойчивые покрытия с необходимым количественным и качественным составами элементов на поверхности инструментального материала, которые обеспечивают повышение эксплуатационных свойств (износостойкость, надежность, теплостойкость, способность воспринимать большие контактные нагрузки на режущем клине и т.д.). Применение технологии нанесения покрытий, синтезированных из катодов-мишеней, полученных из мультикомпонентных сплавов с эффектом высокой энтропии, позволит реализовать весь процесс на одном технологическом оборудовании при соответствующих режимах получать поверхностные слои широкой гаммы материалов, различной архитектуры и фазовым составом. Наиболее перспективными принципами создания функциональных покрытий различного назначения является многослойная архитектура многокомпонентных покрытий, так как подобные поверхностные слои способны удовлетворять зачастую самым разнообразным, а иногда и противоречивым требованиям. Формирование архитектуры покрытия с чередованием слоев, полученных с использованием реакционного газа азота, позволяет получать многослойные покрытия с высокими эксплуатационными свойствами. 6. По результатам экспериментальных исследований износостойкости, температуры и составляющих усилия резания при фрезеровании в широком диапазоне изменения элементов режима резания, а также триботехнических характеристик инструментального материала с износостойкими покрытиями, полученных с использованием высокоэнтропийных катодов-мишеней, синтезированных электроискровым методом различных порошковых композиций был разработан «Справочник по технологическим режимам фрезерования инструментом с износостойким покрытием, полученным с использованием высокоэнтропийных катодов-мишеней».

Публикации