Проектирование, разработка, теоретические и экспериментальные исследования "умных" трибологических покрытий для космического применения.

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 22-49-02010

НазваниеПроектирование, разработка, теоретические и экспериментальные исследования "умных" трибологических покрытий для космического применения.

Руководитель Горячева Ирина Георгиевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук , г Москва

Конкурс №63 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-103 - Трибология

Ключевые слова Трибология, композитные покрытия, космическое применение, самосмазывание, самовосстановление, контактные напряжения, модели трения и изнашивания, контакт скольжения и качения

Код ГРНТИ30.51.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Узлы трения (подшипники, уплотнения, шестерни и т. д.), используемые на околоземной орбите, в лунных вездеходах и роботах, работающих на Луне, подвержены воздействию экстремальных условий окружающей среды, а именно: диапазон температур от -180 ºC до 150 ºC, вакуум 10^-8 мм рт. ст., радиационное излучение и т. д. Кроме того, эти трибосистемы должны работать при высоких скоростях и нагрузках в течение длительного времени (например, в десятилетних миссиях). Применение «умных» материалов (композитные адаптивные композиты с металлической матрицей и композитные покрытия «хамелеон», способные менять механизмы образования трибослоев в зависимости от условий работы) необходимо не только для уменьшения вероятности отказов, возникающих в этих трибосистемах, но и для увеличения их срока службы в экстремальных условиях окружающей среды. Известны исследования покрытий, изготовленных по технологиям порошковой металлургии и плазменного напыления в NASA, AFRL и «умных» композитных покрытий из дисульфида молибдена, легированного твердыми и мягкими материалами (Au, W, Cr, Co, Ni, Ag, Ti, Ta, Sb2O3 и т. д.). В частности, показано, что покрытие MoS2, которое содержит как твердый, так и мягкий материал, например Ni, Ti, Au, Ag, Sb2O3, NbN и т. д., способно обеспечить низкое трение и износ в экстремальных условиях окружающей среды, в частности, при высоких и низких температурах в вакууме. Трибологические исследования таких «умных» покрытий в диапазоне температур от -180 ºC до 150 ºC (давление вакуума 10-8 мм рт. ст.), запланированные в рамках проекта, являются важной задачей, особенно сложной в области низких температур. Кроме того, исследования в области моделирования фрикционного взаимодействия с контртелом материалов с разрабатываемыми покрытиями также будут направлены на достижение поставленной цели – разработки наилучших возможных «умных» покрытий из дисульфида молибдена, легированного твердыми и мягкими материалами. Основываясь на обширном анализе литературы, «умные» (самонастраивающиеся) самосмазывающиеся низкотемпературные и высокотемпературные композитные покрытия из MoS2, легированного твердыми и мягкими материалами (например, Nb, Ni, Ta, Au, Ag, SiC, ZrO2, Al2O3, DLC и т. д.), толщиной до нескольких микрометров будут осаждаться на материалах подложки, в качестве которой планируется использовать различные марки твердой стали. Перед нанесением покрытия поверхность подложки будет подготовлена с использованием техники механической и химической полировки. Для нанесения покрытий на материалы подложки будет применена система напыления с использованием магнетронного напыления Multitarget PVD. Эта система использует один источник постоянного тока и два блока с током высокой частоты, расположенных конфокально, и способна наносить тонкопленочные многослойные и композитные покрытия с высокой точностью и желаемыми механическими и трибологическими свойствами посредством магнетронного распыления в аргоновой плазме. Элементный анализ методом энергодисперсионной рентгеновской флуоресценции будет использоваться для обеспечения точного измерения каждого слоя многослойного покрытия. Предварительные исследования будут проведены коллективом из Индии для определения твердости, модуля упругости и прочности сцепления этих покрытий в нано / микромасштабе с использованием системы наноиндентирования. Кроме того, будет выполнено картирование наноиндентирования для оценки влияния добавления твердых и мягких материалов на механические свойства этих «умных» покрытий из MoS2. Исследования поверхности «умных» покрытий различными методами (оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа, рамановской спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией с энергодисперсионным спектрометром, волнодисперсионной рентгеновской флуоресцентой спектрометрии, атомно-силовой микроскопии, трехмерной профилометрии) помогут понять влияние состава на их твердость, упругость и сцепление покрытия с подложкой. На основе этих результатов будут проведены теоретические и экспериментальные исследования (в Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва) для оценки влияния структуры и химического состава покрытий на их механические и трибологические свойства. Будут приняты во внимание экстремальные условия эксплуатации этих покрытий (вакуум, значительные перепады температур). Результаты проведенных в NIT Srinagar исследований и моделирования (проведенного российской группой), позволят сформулировать основные принципы для разработки «умных» композитных покрытий на основе дисульфида молибдена. На втором этапе будут разработаны «умные» композитные покрытия для проведения детальных механических и трибологических исследований в экстремальных условиях, близких к натурным. Трибологические исследования этих покрытий будут проводиться в несколько этапов, включая испытания в условиях высокотемпературного вакуума с последующими экспериментальными исследованиями при -180 ºC, при этом будет использована схема трения «шар на диске». Металлографические исследования с использованием оптической микроскопии, рентгеноструктурного анализа, рамановской спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией с энергодисперсионным спектрометром, волнодисперсионной рентгеновской флуоресцентой спектрометрии, атомно-силовой микроскопии, трехмерной профилометрии будут проводиться на неизношенных и изношенных поверхностях «умных» композитных покрытий для определения механизма трения и износа этих покрытий в NIT Srinagar. Будет проведено моделирование выделения легирующих элементов на поверхность трения в условиях фрикционного взаимодействия (эффект самосмазывания). Будет проведен анализ экспериментальных и теоретических исследований для качественной и количественной оценки влияния легирующих добавок на механические и трибологические свойства (трение и износ) покрытий. Таким образом, в процессе предполагаемых теоретических и экспериментальных исследований будут установлены и изучены механизмы уплотнения, диффузии, образования оксидов /нитридов, самовосстановления, самосмазывания, трения и износа разрабатываемых покрытий в заданных диапазонах изменения нагрузочно-скоростных параметров и температуры. Предполагаются совместные патенты и публикации на основе данных, полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на различных этапах этого проекта. После завершения проекта будут достигнуты следующие цели: • Объединение опыта исследовательских групп обеих сторон – Индии (в области разработки покрытий для узлов трения) и России (в области моделирования фрикционного взаимодействия, в том числе с учетом специфики космоса) с целью разработки научно-обоснованных решений трибологических проблем, возникающих в трибосистемах, используемых в условиях открытого космоса (околоземная орбита и Луна). • Ожидаемый результат этого исследования - найти подходящие «умные» покрытия, которые будут использоваться для получения низкого коэффициента трения менее 0,10 с минимальным износом, для сохранения стабильности работы в экстремальных условиях открытого космоса: -180 ºC. до 150 ºC, вакуум 10^-8 мм рт. ст. • Выявление механизмов трения и износа «умных» покрытий на основе дисульфида молибдена, легированного различными элементами, в экстремальных условиях открытого космоса. • Создание предпосылок для возможного будущего сотрудничества между научными организациями Индии и России в области космических технологий, а также возможности создания совместных промышленных предприятий в области космических технологий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Горячева И.Г., Мещерякова А.Р. Моделирование накопления контактно-усталостных повреждений и изнашивания в контакте неидеально гладких поверхностей Физическая мезомеханика, 25, 4, 44–53 (год публикации - 2022)
10.55652/1683-805X_2022_25_4_44

2. Торская Е.В., Степанов Ф.И. Friction Reduction Due to Heating in the Sliding Contact of Smart Coating: Modeling of Mutual Effect Lubricants, 10(7), 165 (год публикации - 2022)
10.3390/lubricants10070165

3. Горячева И.Г., Маховская Ю.Ю. Моделирование выделения на поверхность трения мягкой составляющей композиционного материала Трибология – машиностроению: Труды XIV Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А.П. Семёнова, 104-106 (год публикации - 2022)

4. Броновец М.А. Твердосмазочные покрытия в космической технике Трибология – машиностроению: Труды XIV Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А.П. Семёнова, 64-67 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Солдатенков И.А. Расчет износа радиального подшипника скольжения при случайно изменяющихся температуре и нагрузке Известия РАН. Механика твердого тела, № 2, с. 166-175 (год публикации - 2023)
10.31857/S0572329922600669

2. Яковенко А.А., Горячева И.Г. Deterministic model of elastic rough contact taking into account the mutual influence of asperities Journal of Materials and Engineering, № 3, том 1, с. 111-115 (год публикации - 2023)
0.61552/JME.2023.03.003

3. Яковенко А.А., Горячева И.Г. Напряженное состояние упругого полупространства в условиях дискретного контакта Труды Математического института имени В. А. Стеклова, том 322, с. 94–110 (год публикации - 2023)
10.4213/tm4340

4. Броновец М.А. Триботехнические характеристики твёрдых смазочных покрытий Трение и износ, том 44, № 4, с. 335-341 (год публикации - 2023)
10.32864/0202-4977-2023-44-4-335-341

5. Горячева И.Г., Мещерякова А.Р. Исследование влияния свойств покрытий на контактные характеристики и изнашивание при качении с проскальзыванием XХI Зимняя школа по механике сплошных сред. Тезисы докладов, с. 90 (год публикации - 2023)

6. Солдатенков И.А. Диссипация энергии в вязкоупругом слое при подвижном контакте с межмолекулярным взаимодействием XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Сборник тезисов докладов. Том 3, с. 780-783 (год публикации - 2023)

7. Яковенко А.А., Горячева И.Г. Модель упругого шероховатого контакта с учетом взаимного влияния неровностей XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Сборник тезисов докладов. Том 3, с. 807-809 (год публикации - 2023)

8. Яковенко А.А. Исследование влияния параметров шероховатости штампа на напряженно-деформированное состояние упругого полупространства Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2023. Тезисы докладов, с. 122 (год публикации - 2023)

9. Буковский П.О. Исследование трибологических характеристик покрытия MoS2/CaF2/Ag Тезисы докладов второй объединённой конференции “Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике”, с. 92-93 (год публикации - 2023)

10. Горячева И.Г. Моделирование и управление сопротивлением качению деформируемых тел и накоплением в них контактно-усталостных повреждений XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Сборник тезисов докладов. Том 3 (2023 г.), с. 15-17 (год публикации - 2023)

11. Торская Е.В., Степанов Ф.И. Моделирование взаимного влияния трения и фрикционного разогрева двухслойных упругих тел XIII Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике. Сборник тезисов докладов. Том 3, с. 790-792 (год публикации - 2023)

12. Горячева И.Г., Яковенко А.А. Модели дискретного контакта и их приложения в трибологии Международная конференция «МАШИНЫ, ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СОВРЕМЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ», посвященная 85-летию Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. Сборник тезисов докладов, с. 172 (год публикации - 2023)

13. Броновец М.А. Покрытия триботехнического назначения для открытого космоса Трение и износ, том 44, № 6, с. 544-550 (год публикации - 2023)
10.32864/0202-4977-2023-44-6-544-550

14. Вани М.Ф., Степанов Ф.И., Торская Е.В., Шкалей И.В. Упругие и фрикционные свойства наноразмерных покрытий на основе дисульфида молибдена на микро и нано уровне Трение и износ, том 44, № 5, с. 435-445 (год публикации - 2023)
10.32864/0202-4977-2023-44-5-435-445

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Индийской стороной разработаны композиции твердосмазочных покрытий на основе дисульфида молибдена с различным содержанием нитрида циркония, которые были нанесены на подложки из подшипниковой стали AMS 5898. Российской стороной проведены трибологические испытания в паре со стальными и керамическим шариками, имеющими различную шероховатость. В результате трибологических экспериментов в условиях трения скольжения получены зависимости коэффициента трения и скорости изнашивания от материала покрытия и шероховатости контртела, позволившие сделать вывод, что в исследованных нагрузочно-скоростных параметрах коэффициент трения и скорость изнашивания, а также время приработки в значительной степени зависят от шероховатости контртела, и в меньшей степени от его материала. Самый низкий коэффициент трения был получен при фрикционном взаимодействии со стальным шариком, имеющим малую шероховатость (Ra = 10 нм) и с керамическим шариком и составлял µ = 0.09…0.13. Разработанные Индийскими участниками проекта покрытия продемонстрировали низкие значения интенсивности изнашивания I = 1…4×10^(-5) (мм3/Нм). Методом микроскопии и профилометрии было установлено, что основным механизмом их поверхностного разрушения является абразивное изнашивание. Российской стороной были нанесены твердосмазочные покрытия ЭОНИТ-3 на подложки из подшипниковой стали ШХ-15 и проведены серии трибологических экспериментов в паре с алмазоподобным покрытием. В результате экспериментов скольжения были получены зависимости статического и динамического коэффициентов трения и скорости изнашивания от нагрузочно-скоростных и температурных параметров. На основе экспериментальных данных было получено, что динамический коэффициент трения данных твердосмазочных покрытий не превышает значения 0.08 и 0.03 при испытании в воздухе и в вакууме, соответственно. Покрытие ЭОНИТ-3 имеет возможное применение в узлах трения, работающих в различных газовых средах и в диапазоне температур от -196 до 250°С. Оно может быть использовано в подшипниках скольжения шарнирных соединений на внешней стороне Международной космической станции, шасси Луноходов и устройств забора грунта на Марсе. На модернизированном трибометре MFT-5000 проведены серии экспериментов по определению момента сопротивления качению для двух российских покрытий Modengy 1071 и Modengy 1006. Для влияния твердосмазочного покрытия на момент сопротивления качению результаты сравнивались с экспериментальными данными при наличии пластичных смазок ВНИИНП 274Н и высокотемпературной литиевой смазки в зоне катания. На основании сравнительного анализа при одинаковых нагрузочно-скоростных характеристиках установлено, что момент сопротивления качению по покрытию Ts ≈ 0.3 Нм не превысил значения при трении качения с литиевой смазкой Ts ≈ 0.4 Нм и смазкой ВНИИНП 274Н Ts ≈ 0.5 Нм, а интенсивность изнашивания оставалась на уровне покрытий ЭОНИТ и ЭПАН, широко апробированных для узлов трения космических изделий. Испытания показали возможность использования твердосмазочных покрытий в подшипниках качения наземных машин и приборов. Высокопрочные алюминиевые сплавы, в частности системы AlZn5.5MgCu, широко используются из-за малой плотности и дешевизны. Но их триботехнические свойства неудовлетворительны, поэтому требуется поверхностная модификация, одной из которых является плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО). В рамках данного проекта предложен новый вид модифицированных ПЭО покрытий, при формировании которых в электролит добавляли нано алмазы и мелкодисперсное серебро в разных концентрациях. Комплексный метод исследования покрытий включал испытания на трение и износ при комнатной и повышенной температуре (100 и 200 ℃), упругое индентирование с использованием оригинальной методики обработки результатов, исследование дорожек трения и сечений образцов методами микроскопии, расчет напряженного состояния в покрытии при меняющейся геометрии контакта. Было получено, что модифицированные покрытия изнашиваются на уровне шероховатости. Разрушение покрытий с и без модификаторов происходит по механизму хрупкого выкрашивания до подложки. Чем выше температура испытаний, тем больше модификаторов необходимо использовать для сохранения целостности покрытий, а также для обеспечения стабильного коэффициента трения. Образцы с наибольшим количеством модификаторов имели коэффициент трения в диапазоне 0.34-0.37 при всех температурах. На основании моделирования контактного взаимодействия шероховатого индентора с двухслойным упругим полупространством показано, что для индентора с большей шероховатостью, т.е. с большим значением среднеквадратичного отклонения высот неровностей от среднего значения, номинальная область контакта и максимальные значения реальных контактных давлений в области контакта будут больше. Проведено теоретическое исследование влияние параметров шероховатости (размеров неровностей, плотность их расположения, а также тип высотного распределения) на распределение номинальных и фактических давлений в области контактного взаимодействия. Проведенное сравнение результатов, полученных с помощью модели контакта шероховатого индентора с упругим основанием при наличии на его поверхности тонкого деформируемого слоя, с экспериментальными данными, полученными в рамках выполненного проекта, показало их хорошую корреляцию. Таким образом, разработанная в ходе выполнения проекта модель контактного взаимодействия шероховатого контртела с неоднородным упругим основанием может быть использована для управления характеристиками трения и изнашивания поверхностей (в том числе тел с покрытиями) за счет создания на их поверхностях определенного микрорельефа. Выполнен анализ влияния конструктивных параметров радиальных подшипников скольжения и уплотнений вала на их долговечность при работе на околоземной орбите. Даны рекомендации по выбору их конструктивных параметров с целью повышения долговечности. Дано обоснование адекватности разработанных моделей процесса изнашивания радиального подшипника скольжения с покрытием и уплотнения вала в условиях случайно изменяющихся температуры и внешней нагрузки (величина, направление), которые характерны для узлов трения, работающих в открытом космосе на околоземных орбитальных станциях.

Публикации

1. Горячева И.Г.. Яковенко А.А. The asperities density and height distribution combined effect on rough elastic bodies contact characteristics Lobachevskii Journal of Mathematics, Т. 45, № 5, с. 2279–2292 (год публикации - 2024)
10.1134/S1995080224602595

2. Горячева И.Г. Моделирование контактного взаимодействия деформируемых тел с учетом их макро- и микрогеометрии Всероссийская конференция, посвященная 105-летию со дня рождения академика РАН Л. В. Овсянникова «Математические проблемы механики сплошных сред»: тезисы докладов, С. 51 (год публикации - 2024)

3. Яковенко А.А., Горячева И.Г. Моделирование нормального контакта шероховатого штампа с двухслойным упругим основанием 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева: сборник аннотаций, С. 289 (год публикации - 2024)

4. Горячева И.Г. Модели фрикционного взаимодействия и усталостного изнашивания тел с покрытиями 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева: сборник аннотаций, С. 5-6 (год публикации - 2024)

5. Буковский П.О., Щербакова О.О., Муравьева Т.И. Исследование твердосмазочных покрытий MOS2-ZRN трибологического назначения Механика деформируемого твердого тела в проектировании материалов и конструкций. Программа и тезисы докладов, С. 96-97 (год публикации - 2024)

6. Броновец М.А. Алмазоподобные покрытия для узлов трения космических изделий Трение и износ, Т. 45, №4, с. 343-349 (год публикации - 2024)
10.32864/0202-4977-2024-45-4-343-349

7. Солдатенков И.А. Контакт с межмолекулярным взаимодействием для вязкоупругого слоя (самосогласованный подход): баланс энергии для системы индентор – слой – подложка Прикладная математика и механика, Т. 88, № 3, с. 456-482 (год публикации - 2024)
10.31857/S0032823524030093

8. Горяечва И.Г., Яковенко А.А. Modeling of the combined effect of the surface roughness and coatings in contact interaction Lubricants, Т. 12, № 3 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.3390/lubricants12030068

9. Горячева И.Г., Мещерякова А.Р. Modelling of rolling contact fatigue under various interface conditions Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, Т. 238, № 4, с. 360-369 (год публикации - 2024)
10.1177/09544097231181450

10. Мухтар С.Х., Гульзар А., Сылим С., Вани М.Ф., Сегал Р., Яковенко А.А., Горячева И.Г., Шарма М.Д. Advances in development of solid lubricating MoS2 coatings for space applications: A review of modeling and experimental approaches Tribology International, Т. 192 (год публикации - 2024)

11. Буковский П.О., Вани М.Ф. Трибологическое исследование твердосмазочного покрытия на основе дисульфида молибдена 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева: сборник аннотаций, С. 37 (год публикации - 2024)

12. Яковенко А.А. Influence of probabilistic roughness parameters on the contact characteristics 7th Asia International Conference on Tribology (ASIATRIB2024) & 9th China International Conference on Tribology (CICT2024). Proceedings, С. 22 (год публикации - 2024)

13. Горячева И.Г. Discrete contact mechanics and its applications in tribology 7th Asia International Conference on Tribology (ASIATRIB2024) & 9th China International Conference on Tribology (CICT2024). Proceedings, С. 189-190 (год публикации - 2024)

14. Солдатенков И.А. Расчет износа манжетного уплотнения вала при случайно изменяющихся температуре и нагрузке Механика твердого тела, № 2, с. 198-215 (год публикации - 2024)
10.31857/S1026351924020089

15. Яковенко А.А., Горячева И.Г. Analysis of the discrete contact characteristics based on the Greenwood–Williamson model and the localization principle Friction, Т. 12, № 5, с. 1042–1056 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1007/s40544-023-0849-0

16. Яковенко А.А., Горячева И.Г. Modeling of contact fatigue wear in rough elastic contact European Conference on Fracture 2024. Book of Abstracts, С. 137 (год публикации - 2024)

17. Буковский П.О., Муравьева Т.И., Щербакова О.О., Шкалей И.В. Влияние шероховатости и материала индентора на трибологические свойства твердосмазочного покрытия MoS2/Cr/ZrN Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2024. Тезисы докладов, С. 38 (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Возможно использование результатов проекта для разработки подвижных сопряжений и узлов трения космической техники, используемой на космических станциях и в открытом космосе.