Разработка гибридных композитных материалов с алюминиевой матрицей (HAMCs), армированных керамическими наночастицами сверхтвердых карбидов

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 23-73-01203

НазваниеРазработка гибридных композитных материалов с алюминиевой матрицей (HAMCs), армированных керамическими наночастицами сверхтвердых карбидов

Руководитель Никитин Дмитрий Сергеевич, Кандидат технических наук

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

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова композитные материалы, алюминий, нанопорошки, карбид вольфрама, армирование, искровое плазменное спекание, плазмодинамический синтез, механические свойства, твердость

Код ГРНТИ55.09.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Композиты с металлической матрицей получили широкое распространение в различных отраслях промышленности, таких как автомобилестроение, авиакосмическая промышленность, судостроение и т.д., благодаря своим превосходным свойствам: высокому соотношению прочности к весу, хорошей износостойкости и ударной вязкости. Общая цель при разработке и использовании композитов – выйти за пределы границ свойств, приписываемых обычным классам материалов. Особенно актуальным является гибридное армирование, которое заключается в добавлении разнообразных армирующих элементов в металлическую матрицу для достижения синергетических эффектов, которые обеспечивают характеристики материала, превосходящие монокомпозиты и чистые сплавы. Гибридные композиты с алюминиевой матрицей (HAMCs – hybrid aluminum matrix composites) являются наиболее востребованными в силу высокой пластичности и коррозионной стойкости алюминия, а также высокой прочности, твердости и износостойкости керамического армирующего компонента, среди которых выделяются карбиды, бориды и нитриды. Однако есть множество проблем, связанных с введением керамических частиц, особенно наноразмерных, в металлическую матрицу, в том числе неравномерное распределение, агломерация и слабая межфазная связь керамических частиц в металлической матрице, образование ряда нежелательных и хрупких побочных фаз. Это приводит к неблагоприятным последствиям для конечного композита, межфазным реакциям, окислению и росту зерен и невозможности достижения потенциально высоких механических характеристик. В отличие от своих традиционных аналогов, HAMCs и их физико-механические свойства мало исследованы с удовлетворительным систематическим подходом. Поэтому работы, связанные с попытками получения гибридных материалов, поиском оптимальных составов керамического компонента, рассмотрением механизмов образования фаз и механических свойств HAMCs, обладают научной новизной и актуальностью и могут систематически определять направление исследований в этой области. Научная проблема, на решение которой направлен проект, заключается в разработке композитных материалов с алюминиевой матрицей, армированных керамическими частицами, с улучшенными механическими свойствами. Конкретной задачей проекта в рамках отмеченной проблемы будет являться разработка новых гибридных композитных материалов с алюминиевой матрицей, армированных керамическими наночастицами сверхтвердых карбидов. В качестве карбидов предлагается использование наночастиц WC, SiC, В4С, сочетание которых должно обеспечить высокие твердость и износостойкость полученных композитов. Впервые будет выработана единая стратегия по получению композитов с алюминиевой матрицей с улучшенными механическими свойствами. Будет использован подход in situ, при котором армирующие частицы вводятся внутрь металлической матрицы во время процесса плазмодинамического синтеза наночастиц. В этом процессе возможно управлять экспериментальными параметрами, что позволяет контролировать фазовый и гранулометрический состав материала, морфологию частиц, наличие тех или иных полиморфных модификаций. Особенности метода синтеза позволят избежать недостатков более распространенного подхода ex situ: высокой пористости, рекристаллизации, неоднородности распределения и агломерации частиц, слабой межфазной адгезии и нежелательных межфазных реакций. Указанные недостатки также будут успешно преодолены при использовании в качестве метода компактирования искрового плазменного спекания. Будут определены оптимальные параметры спекания и подготовки исходных компонентов с целью улучшения конечных свойств объемных изделий. Решение научной проблемы позволит значительно усовершенствовать процесс изготовления изделий из композитов с металлической матрицей. Результаты проекта могут быть использованы при крупномасштабном производстве широкого спектра аэрокосмических и автомобильных компонентов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Никитин Д.С., Насырбаев А. ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С КЕРАМИЧЕСКИМИ НАНОЧАСТИЦАМИ СВЕРХТВЕРДЫХ КАРБИДОВ В ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕ VIII Всероссийская конференция по наноматериалам. Москва. 21-24 ноября 2023 г. / Сборник материалов. – М.: ИМЕТ РАН, 2023, 348 с, С. 32-33 (год публикации - 2023)

2. Никитин Д.С., Насырбаев А., Циммерман А.И., Шаненков И.И., Сайгаш А.С., Сивков А.А. Формирование композитов с алюминиевой матрицей, армированных наночастицами карбида вольфрама Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов / Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, Geo Assets Engineering, № 3, Т. 335, С. 124-136 (год публикации - 2024)
10.18799/24131830/2024/3/4512

3. Никитин Д.С., Насырбаев А., Сивков А.А. ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СТРУЕ ПЛАЗМЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА X Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии ЛаПлаз-2024»: Сборник научных трудов, С. 274 (год публикации - 2024)

4. А. Кобесов, А. Насырбаев, А.И. Циммерман, Д.С. Никитин ИСКРОВОЕ ПЛАЗМЕННОЕ СПЕКАНИЕ КОМПОЗИТОВ С АЛЮМИНИЕВОЙ МАТРИЦЕЙ Бутаковские чтения: сборник статей III Всероссийской с международным участием молодёжной конференции / под ред. А.С. Ивашутенко; Томский политехнический университет, С. 282-384 (год публикации - 2023)

5. Никитин Д.С., Насырбаев А., Циммерман А.И., Шаненков И.И., Сивков А.А. Получение дисперсных металломатричных многокомпонентных композитов Al/Cu-Mg-W-C в плазме дугового разряда Письма в журнал технической физики, Вып. 14, Т. 50 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.14.58310.19885

6. Никитин Д.С., Шаненков И.И., Насырбаев А.Р., Сивков А.А., Байдышев В.С., Квашнина Ю.А., Мацокин Н.А., Пак А.Я., Квашнин А.Г. Synthesis of high-entropy Ti-Zr-Nb-Hf-Ta carbides and carbonitrides in high-speed arc discharge plasma jet Journal of Alloys and Compounds, V. 1010, P. 177178 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jallcom.2024.177178

7. Никитин Д.С., Насырбаев А., Циммерман А.И., Сивков А.А., Шаненков И.И. In-situ carbide reinforced aluminium metal matrix composites obtained in pulsed arc plasma discharge Ceramics International, In Press, Available online 8 February 2025 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ceramint.2025.02.087

8. Никитин Д.С., Насырбаев А., Циммерман А.И., Шаненков И.И., Сивков А.А. Получение порошков алюминия и композитов на его основе в высокоскоростной струе плазмы дугового разряда Перспективные материалы (год публикации - 2025)

9. Никитин Д.С., Насырбаев А., Циммерман А.И., Шаненков И.И., Сивков А.А. Production of dispersed metal-matrix multicomponent composites Al/Cu-Mg-W-C in the arc discharge plasma Technical Physics Letters, V. 50, No. 7, P. 84-87 (год публикации - 2024)
10.61011/TPL.2024.07.58737.19885

10. Никитин Д.С., Насырбаев А., Шаненков И.И., Сивков А.А. Формирование металломатричных композитов, армированных частицами сверхтвердых карбидов, в электроразрядной плазме Материалы XXVIII Международной конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Сборник научных трудов. – М.: НИЯУ МИФИ, 2025. – 100 с., с. 90-91 (год публикации - 2025)

11. Никитин Д.С., Насырбаев А., Шаненков И.И., Сивков А.А. Arc discharge plasma for the synthesis of nanocarbides and nanocarbide-based composites Book of abstracts of 21th International Workshop Complex Systems of Charged Particles and Their Interactions with Electromagnetic Radiation. – Moscow, Russia. – M: GPI RAS, 2025. – 132 p., с. 98 (год публикации - 2025)

12. Никитин Д.С., Насырбаев А., Шаненков И.И., Сивков А.А. Синтез карбидов и материалов на их основе в импульсной плазме дугового разряда XV Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии: Тезисы докладов конференции. – Москва, 2025. – 390 с., с. 50 (год публикации - 2025)

13. Никитин Д.С., Насырбаев А., Циммерман А.И., Шаненков И.И., Сивков А.А. Способ получения порошкового металломатричного композита из алюминия и карбида вольфрама Патент RU 2835832 C1, заявка № 2024110915, Патент RU 2835832 C1, заявка № 2024110915 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Второй год выполнения проекта посвящен получению и исследованию гибридных алюмоматричных композитных материалов, армированных двумя или тремя компонентами из числа карбидов вольфрама, кремния и бора, т.е. составов типа Al-WC-SiC, Al-WC-B4C, Al-SiC-B4C и Al-WC-SiC-B4C. Для проведения основных серий экспериментов по получению дисперсных продуктов и объемных изделий осуществлена предварительная подготовка систем плазмодинамического синтеза и искрового плазменного спекания. Для применения коаксиального магнитоплазменного ускорителя в качестве инструмента синтеза порошков требовалась существенная предварительная техническая работа, направленная на модернизацию и реставрацию основных узлов конструкции с алюминиевой электродной системой (прежде всего, электродов-стволов и наконечников центрального электрода). В части экспериментальной системы искрового плазменного спекания GT Advances Technologies SPS10-4 изготавливались и реставрировались графитовые пресс-формы и пуансоны. Выполнялась проверка работоспособности экспериментальных систем в рамках предварительных экспериментов, а также подбор оптимальных параметров процессов. Для полученных дисперсных материалов и объемных композитных изделий осуществлялся комплекс аналитических исследований фазового, гранулометрического состава, микроструктуры и иных характеристик, в том числе методами рентгеновской дифрактометрии, просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей электронной микроскопии. Также измерялись механические характеристики полученных гибридных композитных материалов с алюминиевой матрицей. Актуальной задачей в части гибридных композитов с алюминиевой матрицей является разработка новых методов их получения, основанных на передовом подходе in situ, для минимизации негативных эффектов традиционных путей получения композитов (высокая пористость, рекристаллизация, неравномерное распределение, агломерация частиц и т.д.). Такой подход в виде плазмодинамического метода успешно применялся в настоящем проекте для синтеза дисперсных алюмоматричных композитов, армированных гибридными карбидными компонентами. При его применении промежуточные вещества оказываются способны к химическим и физическим взаимодействиям, в частности композитообразованию. С учетом опыта ранее выполненных предварительных работ, реализован экспериментальный цикл по получению материалов Al-WC-SiC, Al-WC-B4C, Al- SiC-B4C и Al-WC-SiC-B4C при параметрах емкостного накопителя энергии: C = 14,4 мФ, U = 2,5 кВ, W = 45 кДж. Концентрация армирования выбиралась для каждой системы Al-карбиды исходя из технических аспектов работы с экспериментальной установкой. В этих условиях было важно показать максимальные возможности по загрузке армирующего компонента для каждой системы Al-карбиды (до 20 масс. %). В итоге получены дисперсные продукты с преимущественным содержанием металлической матрицы. Кроме того, в материалах сохраняются карбидные компоненты, а также небольшое количество промежуточных фаз алюминидов. С точки зрения структуры формируется продукт с полимодальным характером распределения частиц по размерам от десятков нм до десятков мкм, где микронная фракция представлена сфероподобными частицами алюминия. Для дисперсных продуктов синтеза произведено искровое плазменное спекание объемных гибридных композитных изделий при оптимальном режиме: 600 °C, 50 МПа, 5 мин, 100 °C/мин. Достигнута высокая относительная плотность образцов до 99%, что свидетельствует об успешности процессов спекания и уплотнения. Существенную роль в этом играет полимодальная структура дисперсного материала, так как частицы мелкой фракции, в особенности сверхтвердого карбида, заполняют пространство между частицами крупной фракции алюминиевой металлической матрицы, выполняя функцию армирующего компонента в составе объемного композитного изделия. Особенности продукта плазмодинамического синтеза позволяют достигнуть повышенных физико-механических свойств композитов. Наибольшее увеличение твердости композитных изделий фиксируется при использовании продукта плазмодинамического более сложного состава Al-W-B-Si-C, где микротвердость повышается до 134,4 HV0,1, что существенно выше в сравнении со спеченной смесью коммерческих порошков (48,9 HV0,1) и тем более чисто алюминиевым образцом (35,9 HV0,1). Представленные результаты позволяют сделать ключевой вывод исследований проекта о положительных эффектах от обработки дисперсного металломатричного материала методом плазмодинамического синтеза для физико-механических характеристик и уплотнения конечного композита гибридного состава. Важнейшую роль в этом процессе играет применение подхода in situ при совмещении композитных материалов. Дополнительно выполнены поисковые работы в области синтеза высокоэнтропийных материалов, которые также могут использоваться для упрочнения металлической матрицы, причем как с помощью подхода in situ, так и ex situ. По результатам выполнения второго года проекта подготовлены и приняты к публикации четыре статьи в периодических изданиях, индексируемых базами данных РИНЦ, RSCI, Scopus и Web of Science, включая две статьи Q1 (JCR): в журналах Journal of Alloys and Compounds (Q1, WoS, Scopus), Ceramics International (Q1, WoS, Scopus), Перспективные материалы (RSCI, РИНЦ, ВАК, будущая переводная версия – WoS, Scopus), Technical Physics Letters (RSCI, РИНЦ). Достигнутые научные результаты представлены на шести всероссийских и международных научных мероприятиях. Получен патент на изобретение «Способ получения порошкового металломатричного композита из алюминия и карбида вольфрама» (RU 2835832 C1, заявка № 2024110915, дата подачи заявки 22.04.2024, дата регистрации: 04.03.2025). Результаты проекта отражены в публикациях СМИ (например, Служба новостей ТПУ, https://news.tpu.ru/news/uchenye-tpu-razrabotali-novyy-sposob-sozdaniya-metallomatrichnykh-kompozitov-vysokoy-tverdosti/).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты соответствуют мировому уровню научных исследований, что, в первую очередь, подтверждается значительным количеством публикаций по проекту в ведущих мировых и отечественных научных журналах. Разработанные материалы являются перспективными с точки зрения практического использования, поскольку позволяют реализовать высокий потенциал металломатричных композитов, в том числе в авиакосмической и автомобильной сферах (например, для изготовления тормозных дисков, барабанов и поршней, а также крыльев и фюзеляжей), за счет решения проблем традиционных методов изготовления композитных изделий, а также использования гибридного состава: 1) неудовлетворительные структура и состав; 2) межфазные реакции, окисление, рост зерен; 3) низкая плотность, пористость, трещинообразование; 4) пониженные механические и теплофизические свойства.