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 15-19-00030

НазваниеНаучное обоснование и разработка технологии и оборудования для синтеза композитных ионно-плазменных покрытий с нанодисперсно-упрочненной аморфной фазой на рабочих поверхностях геометрически сложных деталей и изделий, функционирующих в экстремальных условиях.

РуководительБржозовский Борис Максович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.", Саратовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2015 г. - 2017 г. 

Конкурс№6 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований».

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

Ключевые словасложнопрофильные детали и изделия, экстремальные условия функционирования, нанокомпозитная структура, аморфная фаза, покрытие, градиентный подслой, низкотемпературная плазма.

Код ГРНТИ55.22.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В процессе эксплуатации изменение свойств рабочих поверхностей изделий различного целевого назначения происходит на контактных площадках при активном влиянии внешней среды. Наиболее актуальным это является для изделий, функционирующих в условиях экстремальных температурно-силовых нагрузок, например, режущих инструментов сложных мехатронных станочных систем, прецизионных деталей приводов летательных аппаратов и других изделий. В результате имеет место непрерывное изменение пространственной формы контактных поверхностей, что приводит к изменению распределения напряжений и температур в зоне фактического контакта и, как следствие, потере работоспособности по критериям абразивной и усталостной прочности. Перспективным направлением повышения абразивной и усталостной прочности является направление, связанное с созданием технологий и оборудования, которые позволяют формировать в поверхностном слое изделий структуры, обладающие диссипативными свойствами. В качестве таких структур могут выступать специальные защитные покрытия, для создания которых используются методы осаждения однослойных покрытий (в условиях ионного ассистирования); многослойных покрытий со слоями наноразмерной толщины; многофазных покрытий, их комбинации, создаваемые с использованием ионно-плазменных технологий. Необходимо, однако, отметить, что работы по созданию этих покрытий в большинстве случаев находятся на стадии лабораторных исследований и испытаний. Использование для создания диссипативных структур обычных покрытий не представляется возможным в связи с отсутствием в их структуре аморфной фазы, выполняющей работу по необратимому локальному перемещению минимального количества частиц минимального размера (группы атомов) за минимальное время без передачи импульса. В обычных покрытиях атомы такой свободой не обладают, поэтому в них любое смещение приводит к образованию трещин на поверхности и дефектов кристаллической решетки, вызывающих разрушение и отслаивание покрытия, снижению его химической активности и механической прочности, особенно при функционировании детали или изделия в экстремальных условиях. Кроме этого, практическая реализация этих технологий связана с необходимостью создания плазменного объема, который затем трансформируется и доставляется до обрабатываемой поверхности. При этом бóльшая часть потребляемой энергии затрачивается на создание плазмы, поддержание условий ее генерации и доставки активных частиц плазмы с заданной энергией до объекта обработки с последующим сканированием их по поверхности. На протекание же самого процесса формирования нанокомпозитной структуры затрачивается всего лишь несколько процентов общего энерговклада. Кроме этого при помощи большинства методов, создающих направленное движение заряженных частиц за счет применения различных ионных источников и ускорительных систем, не удается модифицировать геометрически сложные детали и изделия, т.к. они имеют ограничения по профилю обрабатываемой поверхности (плоские и/или цилиндрические без выступающих элементов). Наконец, методы высокозатратны и имеют длительные циклы обработки. Изложенное означает, что формирование в поверхностных слоях геометрически сложных изделий нанокомпозитных диссипативных химически неактивных структур, обладающих высокой твердостью и устойчивостью при функционировании в экстремальных условиях, и на этой основе обеспечивающих повышение работоспособности их поверхностного слоя, представляет собой актуальную научную и практическую задачу. Для решения этой задачи в рамках настоящего проекта предлагается создание научных основ формирования нанокомпозитных диссипативных химически устойчивых покрытий, состоящих из наноструктур c размерами ~50…100 нм и высокой прочностью, и аморфной прослойки из частиц того же химического состава с размерами ≤10 нм, играющей роль связки за счет модификации поверхностных слоев деталей и изделий из различных материалов воздействием на них низкотемпературной плазмы комбинированного разряда пониженного давления, и разработка оборудования и технологии, позволяющих гарантированно обеспечивать воспроизводимость результатов модификации за счет генерации плазменного объема непосредственно у обрабатываемой поверхности. Кроме этого, воздействие низкотемпературной плазмы в отличие от всех других ионно-плазменных и газотермических технологий позволяет сформировать градиентный переход от покрытия к материалу основы (подслой), вызывающий изменение ее химического состава и размеров зеренной структуры, что является фактором дополнительного повышения прочностных характеристик деталей и изделий, в том числе адгезионных. В условиях эксплуатации синтезированное по данной технологии покрытие обеспечивает повышенную диссипацию энергии из зоны контакта, образование упорядоченных, самоорганизующихся структур трения, что повышает устойчивость детали или изделия к внешним воздействиям, влияющим на их механическую прочность. Таким образом, научная новизна проекта определяется: – научным обоснованием (включая математическое описание и моделирование) процессов воздействия низкотемпературной плазмы на поверхность сложной формы с целью установления их причинно-следственных механизмов и формулирования условий формирования в поверхностном слое нанокомпозитной аморфной структуры (покрытия и подслоя), обладающей диссипативными свойствами; – результатами исследования условий формирования структуры с точки зрения подтверждения их работоспособности, в том числе в аспекте регулируемого уменьшения размеров ее элементов таким образом, чтобы, приобретая диссипирующие способности, структура в процессе функционирования детали или изделия сохраняла свою работоспособность; – результатами изучения особенностей поведения синтезированной структуры в аспекте протекания процессов ее динамической самоорганизации при функционировании детали или изделия. Полученные результаты позволят определить условия, в которых формирование и устойчивое существование структуры за счет проявления свойств химической пассивности и способностей к самоорганизации будет наиболее эффективным, обеспечивающим повышение эрозионной, коррозионной, абразивной и усталостной прочности детали или изделия в процессе функционирования в максимальной степени.

Ожидаемые результаты
Создание научных основ, оборудования и технологии формирования в поверхностном слое сложнопрофильных деталей и изделий не имеющих аналогов уникальных нанокомпозитных аморфных структур, состоящих из покрытия и подслоя и обеспечивающих повышение показателей эксплуатационной надежности как существующих, так и вновь создаваемых приборов, устройств и систем на основе проявления свойств химической пассивности и способностей к динамической самоорганизации в процессе функционирования, в том числе в экстремальных условиях.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В ходе выполнения работ по проекту в 2015 году были изучены особенности формирования аморфных структур, наноразмерных структур и особенности их поведения в условиях эксплуатационных нагрузок и возмущений различной физической природы. Результаты изучения позволили показать, что решение проблемы повышения эксплуатационной надежности деталей и изделий по параметрам абразивной, усталостной прочности и коррозионной стойкости заключается в регулируемом изменении структуры поверхностного слоя в направлении уменьшения размеров зерен, но таким образом, чтобы полученная структура обладала одновременно и высокой твердостью, и подвижностью, состояла из наноструктур (в качестве наполнителя) и аморфной прослойки того же химсостава, играющей роль связки. Синтезировать такую структуру в поверхностном слое сложнопрофильной детали или изделия можно, воздействуя на него низкотемпературной плазмой комбинированного разряда, при условии ее создания непосредственно вокруг обрабатываемой поверхности. Необходимо также учесть и то, что поверхностный слой имеет отличную от глубинной части материала морфологию, а также механические, физические, химические свойства и напряженное состояние, сформированные в процессе изготовления в соответствии с закономерностями технологического наследования и определяющие условия передачи энергии низкотемпературной плазмы обрабатываемой поверхности. Математическое описание воздействия низкотемпературной плазмы на геометрически сложную поверхность и результаты экспериментального изучения ее взаимосвязи c параметрами состояния (лаговая температура и ток смещения) и входными параметрами процесса воздействия (уровень подводимой СВЧ-мощности, потенциал смещения, рабочее давление, состав газовой смеси) позволили установить, что основным механизмом воздействия является трехчастичная поверхностная рекомбинация, вызывающая интенсивный локальный нагрев поверхностного слоя. Это дало возможность обосновать необходимость и способы управления процессом нагрева (по критерию его равномерности по площади и градиентности по объему) как при обработке закаленных сталей, чувствительных к отпуску, так и твердых сплавов. В обоих случаях это гарантирует получение воспроизводимых результатов, удовлетворяющих критериям формирования в поверхностном слое покрытия с заданными структурой и физико-механическими свойствами. Основным результатом теоретического изучения передачи энергии низкотемпературной плазмы сложнопрофильной поверхности стала модель, дающая возможность исследовать процесс внедрения низкоэнергетического поверхностного атома вглубь кристаллической решетки с передачей энергии ее атомам и последующей релаксации энергии в температуру, приводящую к формированию теплового пика. Модель позволила установить, что в зоне теплового пика имеют место условия, необходимые для формирования комбинированной структуры (покрытие и градиентный подслой): значительный температурный перегрев локальных областей, вызывающий локальное плавление исходной твердой фазы при температурах ниже температуры плавления массивного вещества с переходом из макроскопического устойчивого состояния в микроскопическое устойчивое флуктуационно-кластерное состояние с преобладанием в жидкой фазе металла плотных кластеров, прошедших стадию изомеризации, и высокая скорость охлаждения для фиксации сформированного расплава; за технологическое время плазменного воздействия при этих условиях формирование структуры произойдет на глубине до ~14,4 мкм. Экспериментальное изучение морфологии, химического состава и свойств комбинированной композитной структуры «покрытие – подслой» позволило установить, что воздействие низкотемпературной плазмы на стальные изделия и изделия из твердого сплава: – приводит к образованию у изделий из твердых сплавов структуры, состоящей из нанокластеров c размерами ~35…70 нм, соединенных в единое целое аморфной связкой (как клеем) того же химического состава из частиц с размерами ≤10 нм; у стальных изделий – наноразмерных структур размером ~60-70 нм и проплавленных зон размером ~50-70 нм; – формирует подслой из граничного слоя матрицы, зёрна которого претерпевают изменения аналогичные изменениям, протекающим в поверхностном слое, т.е. изменения формы; – вызывает положительные изменения химического состава: у инструментальной стали повышает до 3 раз концентрацию в поверхностном слое легирующих элементов (Cr, Mo, W, V и др.), входящих в состав карбидных зерен и легированного феррита; у твердого сплава сопровождается образованием на поверхности пленки вида Al15C17N21O5 и наноструктур вида Ti57С34Al7O2 (покрытия) и способствует растворению карбида вольфрама WC в карбиде титана TiC с образованием сложного карбида TiWC в подслое, в котором зерна карбида титана выполняют функцию связки; – улучшает шероховатость поверхности у стальных изделий, в среднем, в 2,93 раза, у изделий из твердых сплавов – в среднем, в 1,4 раза; улучшение связано с трансформацией структуры выступающих микродефектов в структуру плоских дефектов; – повышает нанотвердость до значений, характерных для нанокластеров в областях, расположенных непосредственно у поверхности, и упругость до значений, характерных для аморфных материалов, в локальных областях подповерхностных слоев. Материалы экспериментального изучения процессов и результатов воздействия низкотемпературной плазмы на сложнопрофильную поверхность позволили провести их сопоставительный (в том числе корреляционный) анализ с целью установления взаимосвязей параметров морфологии, физико-механических свойств и химического состава комбинированной структуры с параметрами воздействия. Результаты подтвердили обоснованную при теоретических исследованиях и моделировании необходимость управления процессом распространения потока тепла в зоне плазменного воздействия, причем не только в аспекте поиска начальных значений технологических параметров, обеспечивающих необходимую глубину и завершенность протекания ионизационных процессов в низкотемпературной плазме с передачей поверхности определенного количества тепловой энергии, но и в аспекте их изменения по данным контроля значений параметров лаговой температуры и тока смещения, характеризующих ход воздействия. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу разработки условий, выполнение которых обеспечит формирование комбинированной композитной структуры «покрытие – подслой» в результате воздействия низкотемпературной плазмы комбинированного разряда на геометрически сложную поверхность: 1 – протекание процессов поверхностной трехчастичной рекомбинации, в ходе которых имеет место эффективный энергообмен между частицами, участвующими в рекомбинации, и атомами вещества; 2 – пропорциональность скорости нагрева поверхности детали или изделия концентрации рекомбинируемых на ней ионов; 3 – выполнение критерия Линдемана; 4 – наличие неустойчивых элементов и форм частиц для возникновения процесса локального плавления при температурах ниже температуры плавления массивного вещества с преобладанием в жидкой фазе (расплаве) металла плотных кластеров; 5 – резкое охлаждение жидкой фазы с целью фиксации образованной композитной структуры. Выполнение 1 условия будет запускать и/или устойчиво поддерживать процессы: нагрева поверхности инструмента в результате передачи потенциальной энергии ионизации плазмы ее атомам; уплотнения поверхностного слоя рабочей части инструмента атомами, перемещающимися вглубь поверхности; фазовых перестроек в области протекания точечных некогерентных локальных случайных процессов тепловыделения, приводящих к высокоинтенсивному разогреву зоны перемещения атомов, ее плавлению с последующим быстрым охлаждением, приводящим к аморфизации. Выполнение 2 условия будет определять время, необходимое для полного прогрева поверхности детали или изделия на требуемую глубину. Выполнение 3 условия будет обеспечивать формирование в поверхностном слое областей, не имеющих строгой структуры дальнего порядка. Выполнение 4 условия будет способствовать тому, что слой новой фазы, не имеющей строгой структуры дальнего порядка, вблизи твердого ядра частиц будет постепенно утолщаться, в то время как объем твердого ядра – уменьшаться вплоть до полного расплавления, а химический состав – изменяться в результате растворения включений отличного химического состава. Выполнение 5 условия будет гарантировать сохранение устойчивости образованных в переохлажденном расплаве агрегаций. Кроме этого сформулированы требования к оборудованию и технологическому процессу синтеза комбинированной композитной структуры «покрытие – подслой», заключающиеся в создании условий, обеспечивающих, во-первых, гарантированное получение и стабильное горение плазмы, во-вторых, воспроизводимость результатов ее воздействия на поверхность сложного профиля: реализация автоматического управления скоростью прогрева за счет поддержания установленных значений подводимой СВЧ-мощности и потенциала смещения, а также их своевременного изменения на требуемую величину по критерию обеспечения равномерности поверхностного прогрева сложнопрофильного изделия; реализация различных схем расположения обрабатываемой детали или изделия в рабочей камере с целью поиска наилучшей. Без потери общности данные требования распространяются на оборудование как для одно-, так и для многопозиционной обработки.

 

Публикации

1. B. Brzhozovskii, V. Martynov, E. Zinina, M. Brovkova. Сomposite ion-plasma coatings with nanodisperse reinforced phase: Scientific and practical aspects of synthesis. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (издательство: IOP Publishing, Bristol), Vol. 116, №1. – P.12007-12013(7). (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1757-899X/116/1/012007

2. B. Brzhozovskii, V. Martynov, E. Zinina, M. Brovkova. Main problems and perspectives of the synthesis of nanocomposite coatings on the surface of complex-shaped components. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (издательство: IOP Publishing, Bristol), 2016. - Vol. 116, №1. – P12008-12014(7). (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1757-899X/116/1/012008

3. Brzhozovskiy B.M., Martynov V.V., Zinina E.P., Brovkova M.B. Experimental study of the formation of the combined discharge low-temperature plasma. Proceedings of SPIE on International Conference "Saratov Fall Meeting 2015", Proc. SPIE. – Vol. 9917 (April 21, 2016). – 5 p. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1117/12.2228412

4. Brzhozovsky B.M., Zimnyakov D.A., Zinina E.P., Martynov V.V., Pleshakova E.S., Yuvchenko S.A. Basic features of low-temperature plasma formation in the course of composite coating synthesis at the active faces of complex contoured hard tools. Proceedings of SPIE on International Conference "Saratov Fall Meeting 2015", Vol. 9917 (April 21, 2016). – 9 p. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1117/12.2228412

5. Бржозовский Б.М., Мартынов В.В, Зинина Е.П. Экспериментальное исследование тепловых процессов при упрочнении металлорежущего инструмента в низкотемпературной плазме. Вектор науки Тольяттинского государственного университета, №2(32-2). – С.38-43. (год публикации - 2015)

6. Бржозовский Б.М., Мартынов В.В, Зинина Е.П., Плешакова Е.С. Анализ возможностей формирования диссипативных структур в поверхностном слое рабочей части металлорежущего инструмента. Наукоемкие технологии в машиностроении, № 8. – С.28-37. (год публикации - 2015)


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В ходе выполнения работ по проекту в 2016 году изучалось поведение комбинированной структуры «покрытие – подслой» в процессе эксплуатации с целью обоснования условий, в которых структура способна проявлять свойства самоорганизации, обеспечивающие повышение показателей эксплуатационной надежности сложнопрофильных деталей или изделий. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Описание физических процессов, протекающих в структуре при эксплуатации детали или изделия. 2. Математическое описание и исследование поведения структуры. 3. Экспериментальные исследования по изучению поведения структуры в условиях эксплуатации детали или изделия. 4. Обоснование исходных данных для разработки методологии оценивания качества процесса функционирования детали или изделия с измененным поверхностным слоем. Решение первой задачи выполнялось с позиций положения о том, что поведение структуры, содержащей и кластеры, и аморфную связку (т.е. двухфазной системы), в условиях контактных взаимодействий должно проявлять характерные особенности поведения и свойства каждой фазы в отдельности. Результаты решения позволили установить, что если в процессе контактных взаимодействий напряжения, вызванные действием внешней силы, не превышают предела упругости аморфной связки, реакция структуры будет носить упругий характер. Если же напряжения превысят предел упругости аморфной связки вследствие интенсификации тепловых процессов, реакция будет носить характер вначале упругопластической, а затем пластической деформации и выражаться в вытеснении некоторых элементарных объемов материала (микрообъемов) из покрытия и их кооперативного движения по его поверхности за счет вначале сжатия, а затем растяжения аморфной связки. Говоря иначе, микрообъемы в данном случае являются диссипативными структурами, на образование и перемещение которых, т.е. на самоорганизацию структуры, тратится большая часть энергии от источника внешней силы и только меньшая ее часть переходит во внутреннюю (тепловую) энергию материала. Это означает уменьшение производства структурой энтропии в ходе ее самоорганизации, приводящей к постепенному уплотнению. Завершение процесса самоорганизации будет приводить к снижению интенсивности изнашивания за счет снижения внешнего трения, поскольку материал с более плотной (и, следовательно, однородной) структурой более устойчив к локальным перемещениям. Полученные материалы были положены в основу решения задачи математического описания поведения структуры. Результаты описания показали, что поведение представляет собой распределенный во времени процесс бифуркации. Процесс состоит из последовательного чередования циклов потери устойчивости, приводящей к самоорганизации контактных поверхностей трения, и вовлечения измененных поверхностей в диссипативный режим, включая стадию механического истирания, которая является завершающей для большинства механизмов изнашивания. Чем дольше будут идти эти циклы, тем в большей степени будут повышаться показатели эксплуатационной надежности сложнопрофильной детали или изделия. Длительность циклов зависит от соотношения диаметров кластеров и расстояний между ними. Проведенные расчеты позволили определить условия, выполнение которых обеспечит максимально возможную длительность циклов. Этим условиям соответствует ход процесса самоорганизации структуры по схеме «поверхностный процесс (в локальной области с минимальным объемом аморфной связки.) – объемный процесс (многослойный с последовательным вовлечением нижележащих слоев)». Анализ условий позволил установить, что они выполняются при различных сочетаниях диаметров кластеров и расстояний между ними и на этой основе сделать вывод о том, что получение структуры «покрытие – подслой», способной выполнять диссипативную функцию в процессе эксплуатации сложнопрофильной детали или изделия, технологически является возможным. При этом наилучшим будет диапазон диаметров кластеров от 30 до 70 нм. Экспериментальные исследования по изучению поведения структуры «покрытие – подслой» – проводились на двух сменных многогранных пластинах из твердого сплава – одной обычной и с синтезированной на поверхностях другой структурой (в дальнейшем изложении – модифицированной пластины). Пластины использовались в качестве рабочих элементов режущего инструмента на операции точения заготовок из стали 45. С целью установления основных закономерностей протекания процесса резания в процессе точения после каждого прохода контролировался размерный износ пластин. В процессе точения с помощью пьезодатчиков регистрировались вибросигналы о колебаниях динамической системы станка по касательной и радиальной координатам. Комплексный спектральный анализ вибросигналов, основанный на вычислении системы специально разработанных показателей, показал способность модифицированной пластины в большей степени сопротивляться возмущениям даже в нестабильных условиях резания за счет повышения фона внутреннего трения и демпфирующих свойств; следствием этого стало сохранение практически неизменным начального состояния пластины. С целью подтверждения достоверности этих результатов был выполнен анализ материалов опытно-промышленной эксплуатации 3 модифицированных сменных многогранных пластин из твердого сплава Т15К6 с покрытием TiN при точении ими заготовок из стали ШХ-15. Результаты анализа позволили установить следующее. 1. Режущие кромки пластин находятся в устойчивом состоянии, и не имеют мелких выкрашиваний, характерных для их исходного состояния. 2. Модифицированное покрытие TiN имеет плотную сращенную с матрицей структуру, содержащую сохранившиеся в объеме наноразмерные включения. На внешней границе покрытия эти включения не просматривались. Округлые зерна матрицы, примыкающие к покрытию, имеют стекловидную оболочку, посредством которой соединялись соседние зерна, что подтверждает формирование в процессе воздействия плазмы подслоя. 3. Смещение локальных участков покрытия вызвано потерей устойчивости включений размером ~200 нм. В то же время группы кластеров с размерами 40-70 нм сохранили связь с аморфной связкой и подслоем. Таким образом, модифицированное покрытие выполняло защитные функции режущей кромки по многоступенчатой схеме. Самостоятельное значение в ходе экспериментальных исследований имело изучение поведения структуры «покрытие – подслой» под действием процессов, приводящих к коррозии. С этой целью 2 образца из стали 40Х13: обычный и с синтезированной на поверхности структурой «покрытие – подслой», были помещены в 3% раствор NaCl и по методике коррозионных испытаний (ГОСТ 9.302-88) были сняты их потенциодинамические кривые. Испытания проводились от установившегося стационарного потенциала в катодную и анодную области до начала водородной и кислородной деполяризации соответственно. Полученные данные позволили установить следующее: – значения стационарного потенциала у обычного образца с течением времени смещались в область более отрицательных значений, что указывает на достаточно высокую активность его материала. У образца с измененным поверхностным слоем смещение стационарного потенциала происходило в область более положительных значений, что указывает на меньшую активность его материала; – коррозионные процессы на обычном образце протекали с большей скоростью, чем на образце с измененным поверхностным слоем. Результатом стало увеличение его коррозионной стойкости примерно в 1,5 раза; – плотность токов анодного и катодного процессов коррозии образца с измененным поверхностным слоем снижается примерно в 10 раз и их значения близки по величине к значениям токов обмена, что также указывает на повышение коррозионной стойкости. Материалы проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволили выполнить их обобщение и сформулировать по его результатам следующие принципиальные выводы. 1. Поведение структуры определяется ее способностью участвовать в формировании диссипативной среды на границе системы «сложнопрофильное изделие – внешняя среда». Основное направление участия связано со способностью структуры выполнять работу либо по преобразованию и рассеиванию энергии внешней среды, либо по самоорганизации, результатом которой является: – формирование устойчивых обтекаемых форм на рабочих поверхностях структуры «покрытие – подслой», снижающих внешнее трение; – трансформация неустойчивых форм в объеме структуры, повышающая внутреннее трение; – изменение энергетической картины процессов контактных взаимодействий изделия, обеспечивающее значительное повышение его износостойкости за счет изменения механизма изнашивания, препятствующего образованию продуктов износа. 2. Работа по рассеиванию энергии и самоорганизации выполняется свободным объемом аморфной фазы, но только при условии ее непрерывного взаимодействия с нанокластерной фазой, обеспечивающего восполнение свободного объема. При этом чем медленнее будет идти процесс восполнения, тем дольше будут идти процессы рассеивания энергии и самоорганизации. 3. Формирование диссипативной среды на границе системы «сложнопрофильное изделие – внешняя среда» не является процессом с однозначным конечным результатом, поскольку образующиеся устойчивые обтекаемые формы на контактных поверхностях структуры «покрытие – подслой», могут иметь и характер дефектов, развитие которых во времени также представляет собой проявление самоорганизации, в результате которой, однако, диссипативная среда постепенно исчезает вследствие перемещения структуры по контактной поверхности и обнажения на ней материала основы изделия (матрицы). 4. Повышение коррозионной стойкости структуры «покрытие – подслой» за счет формирования у нее свойства химической нейтральности обеспечивает расширение области практического использования сложнопрофильных деталей или изделий. 5. Вычисление показателей, характеризующих протекание динамических процессов, может рассматриваться как получение исходных данных для разработки методологии оценивания качества процесса функционирования детали или изделия с измененным поверхностным слоем.

 

Публикации

1. B. Brzhozovsky, V. Martynov, E. Zinina, M. Brovkova, P. Bochkarev The synthesis of nanocomposite structures on the surface of geometrically complex products IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, Vol. 140, №1. – 012002. – 10 p. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1088/1757-899X/140/1/012002

2. B.M. Brzhozovskii, I.N. Yankin, M.B. Brovkova, D.A. Khairov The Impact of Cutting Conditions during Machining on the Accompanying Oscillatory Process 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS), IEEE, Tomsk, Russia, December 1-4, 2015. – Томск, 2015. – P.1-5. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1109/MEACS.2015.7414947

3. B.M. Brzhozovsky, I.N. Yankin, M.B. Brovkova Controlling the Oscillatory Process Composition in Machining by Correcting the Exciting Force Structure in the Cutting Zone Procedia Engineering., Vol. 150. – P.241-246. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.755

4. B.M. Brzhozovsky, V.V. Martynov, E.P. Zinina, M.B. Brovkova, E.S. Pleshakova Analysis of composite structure formation in the surface layer of complex-shaped products when exposed to low-temperature plasma of combined discharge 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS), IEEE, Tomsk, Russia, December 1-4, 2015. – Томск, 2015. – P.1-4. (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1109/MEACS.2015.7414946


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения проекта в 2017 году разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию не имеющая мировых аналогов установка для синтеза композитных ионно-плазменных покрытий. В состав установки входят: рабочая камера (резонатор); система возбуждения резонатора; генератор СВЧ энергии с системой управления режимом работы; блок подачи потенциала на обрабатываемое изделие; вакуумная система; система напуска газа; каркас; панель силового электрооборудования; панель управления и индикации; компьютер с программным обеспечением. Энергопотребление установки в целом не превышает 0,9 кВт/ч. По результатам выполненных работ сформированы принципы конструирования оборудования для синтеза комбинированных нанокомпозитных аморфных структур при низкотемпературном ионно-плазменном воздействии. Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обоснование возможностей получения с помощью установки структур, свойства которых обеспечивают повышение эксплуатационной надежности сложнопрофильных деталей или изделий по параметрам безотказности и долговечности. Основная цель исследований заключалась в получении данных для решения задач оптимизации процесса синтеза и функционирования комбинированных нанокомпозитных аморфных структур «покрытие – подслой». Теоретические исследования проводились в направлении анализа взаимодействия электромагнитного и электростатического полей в рабочей камере установки при помещении в нее изделия. Результаты исследований показали, что при взаимодействии полей в плазме возникает диодный эффект, который проявляется в образовании вблизи поверхности изделия пристеночного слоя положительного пространственного заряда с постоянной разностью потенциалов между плазмой и стенкой камеры. Величина заряда зависит от амплитуды напряженности рабочей моды СВЧ электрического поля, а также от величины и знака подаваемого на изделие потенциала электростатического поля. При подаче на изделие положительного потенциала электростатическое поле удерживает возникающие в результате ионизации СВЧ полем электроны вблизи поверхности изделия, что способствует выделению в изделии количества теплоты на порядок большего количества теплоты, необходимой для расплавления тонкого поверхностного слоя, что и приводит к значимым структурным и фазовым изменениям в нем. При подаче на изделие отрицательного потенциала возникает мощная бомбардировка его поверхности положительными ионами и, как следствие, интенсивный выход вторичных электронов, которые ускоряются в электростатическом поле в направлении от поверхности изделия. Энергия электронов в этом случае не достигает столь высоких значений, как при подаче положительного потенциала и расходуется, в основном, на возбуждение при столкновениях молекул, атомов и ионов плазмы. В результате воздействие плазмы может ограничиваться лишь поверхностью изделия. В случае, когда потенциал на изделие не подается, возникающий диодный эффект является слабым. Разность потенциалов при этом будет небольшой; воздействие плазмы также будет только поверхностным и носить локальный характер. Для проведения экспериментальных исследований разработаны методики учета параметров обрабатываемого изделия и статистического оценивания и анализа результатов исследований. Первая методика используется для выбора оснастки, контроля исходных свойств изделия и свойств сформированной структуры «покрытие – подслой», вторая – для получения информации об основных закономерностях, определяющих результаты формирования структуры. В ходе исследований, проведенных как на образцах, так и на изделиях из различных материалов, установлены взаимосвязи свойств, условий синтеза и функционирования структур: с входными параметрами процесса синтеза (давление, СВЧ-мощность, потенциал смещения), временем обработки, степенью преобразования структуры поверхностного слоя (по изменению его морфологии и химического состава), динамикой процесса нагрева, геометрическими параметрами взаимодействия электромагнитного и электростатического полей (пульсациями плазменного облака), динамическими параметрами свечения плазмы, эксплуатационными нагрузками. Результаты выполненных исследований позволили обосновать условия, обеспечивающие оптимизацию процессов синтеза и функционирования комбинированных нанокомпозитных аморфных структур. К условиям, выполнение которых обеспечивает оптимальный ход процесса синтеза и формирование в поверхностном слое изделий структуры с требуемыми свойствами, относятся: – определение оптимальной дозы облучения обрабатываемой части изделия (учитывающей ее исходные свойства) перед началом процесса, поскольку это будет обеспечивать минимальную скорость нагрева; – обеспечение возможности оперативного реагирования на изменения свойств обрабатываемой части в ходе процесса за счет изменения дозы облучения по критерию поддержания минимального значения скорости нагрева, т.е. управления процессом. Для практической реализации условий разработана процедура автоматизированного определения оптимальной дозы облучения как функции значений режимных параметров процесса синтеза, учитывающая (в отличие от большинства других технологий) исходные свойства материала изделия и связь режимных параметров с физико-механическими свойствами синтезируемых структур. Обоснованы каналы сбора информации о процессе синтеза в режиме on-line по параметрам оптического и электрического сигналов. Установлена тесная прямо пропорциональная взаимосвязь сигналов между собой и их обратно пропорциональная взаимосвязь с режимными параметрами процесса синтеза (подаваемого на изделие потенциала и анодного тока магнетрона). Доказано, что наилучшие результаты обеспечиваются, если процесс синтеза сопровождается генерацией сигналов, у которых и параметры, и их изменения во времени имеют минимальные значения. Для оптимизации процесса функционирования изделий с комбинированной нанокомпозитной аморфной структурой необходимо создавать условия, при которых она будет либо как можно дольше находиться в режиме сохранения своих упругих свойств, либо ускоренно переходить в режим пластической деформации, поскольку он способствует восстановлению упругих свойств за счет механизма самоорганизации структуры, связанной с движением ее микрообъемов. В первом случае условия создаются за счет обеспечения преобладающего действия на структуру нормальной составляющей внешней силы, имеющей минимальное из возможных значений. Во втором случае преобладающим должно быть действие касательной составляющей внешней силы с максимально возможным значением. Критериями оптимальности условий являются тип и вид образующихся в результате функционирования структуры дефектов, определяющих ее параметрическую (износостойкость) и функциональную (отказоустойчивость) надежность. По результатам выполненных исследований разработана технология синтеза нанокомпозитных структур и проведена обработка изделий, применяемых на предприятиях различных отраслей (авиация, оборонный комплекс, медицина, транспорт) из различных материалов и сплавов. Анализ результатов обработки методом растровой электронной микроскопии позволил зафиксировать следующее. Обработка с подачей на изделие положительного потенциала электростатического поля приводила к изменению химического состава его поверхностного слоя, вызванному либо образованием химических соединений типа оксидов или нитридов (у легированных сталей и титана), либо растворением карбидов (у инструментальных сталей), либо образованием сложных карбидов (у титановольфрамокобальтовых твердых сплавов). Зафиксировано также образование: – на поверхности изделий: сплошной или островковой углеродсодержащей пленки; – в поверхностном слое изделий: многочисленных наночастиц шаровидной формы с размерами 40…60 нм. При обработке с подачей на изделие отрицательного потенциала электростатического поля зафиксировано образование на поверхности равномерно распределенных точечных структур с размерами элементов, в среднем, 12…15 нм, т.е. той же островковой пленки. При этом: – увеличение времени воздействия плазмы приводило к увеличению размеров элементов; – для обработки требовалось в 1,6 раза больше СВЧ-мощности, поскольку в противном случае плазма вокруг изделия не формировалась; – при увеличении значения потенциала плазма теряла однозначную привязку к поверхности изделия, локализуясь часть времени в центре резонаторной камеры. В поверхностном слое структурные и фазовые изменения не зафиксированы. При проведении обработки изделия без подачи потенциала образование новых структур ни на поверхности, ни в поверхностном слое не зафиксировано. Имело место лишь очищение поверхности от фрагментов органических соединений и «сглаживание» следов от технологических воздействий вследствие притупления микронеровностей и/или снижения их высоты, т.е. улучшение шероховатости по сравнению с исходной. Выполнены исследования по оценке возможностей улучшения поверхностных свойств изделий из неметаллических материалов, в частности, из стекла различных марок. Результаты позволили установить, что плазменное воздействие за время менее 5 минут при потребляемой СВЧ-мощности менее 30 Вт устраняет различные поверхностные дефекты и обеспечивает улучшение шероховатости поверхностей в 2-3 раза. Необходимо отметить, что получить аналогичные результаты другими методами поверхностной обработки невозможно. В июне 2017 г. технологическая установка экспонировалась на выставке EPHJ-EPMT-SMT 2017 в г. Женеве (Швейцария), а затем была перевезена в г. Айзлинген (Германия) на предприятие фирмы PolyMedTex для проведения работ по оценке возможностей применения разработанной технологии для решения проблемы повышения коррозионной стойкости изделий медицинской техники, изготавливаемых из стали V4A. Результаты сравнительных испытаний показали, что ионно-плазменная обработка способствует повышению коррозионной стойкости образцов изделий до 12 раз. В целом результаты выполнения проекта в 2017 году показали, что разработанные установка и технология низкотемпературного ионно-плазменного воздействия на рабочую поверхность изделий, обладая: высокой энергоэффективностью (энергопотребление составляет 0,9 кВт по сравнению, в среднем, с 30 кВт у аналогов); экологической чистотой; низкой стоимостью (в 1,5…3 раза меньшей по сравнению с лазерными установками и установками для химико-термической обработки и в 10 раз меньшей по сравнению с установками для нанесения покрытий и плазменными установками), обеспечивают одновременное повышение твердости, абразивной, коррозионной, эрозионной стойкости и улучшение шероховатости поверхности изделия при сохранении неизменной его исходной геометрической и размерной точности. Получить аналогичные результаты другими известными методами поверхностной обработки невозможно.

 

Публикации

1. Б.М,Бржозовский, В.В. Мартынов Динамический мониторинг технологического процесса при ионно-плазменной обработке геометрически сложных изделий СТИН, - (год публикации - 2018)

2. Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов Dynamic Monitoring of the Ion-Plasma Treatment of Complex Components Russian Engineering Research, Vol. 38, No. 9, pp. 738–739. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.3103/S1068798X18090095

3. Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, А.В. Сусский Разработка информационно-измерительного канала мониторинга процесса низкотемпературного плазменного упрочнения Автоматизация. Современные технологии, Том 72, №12, С. 546-549. (год публикации - 2018)

4. Б.М. Бржозовский, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов, С.А. Юнин Автоматизированная стабилизация процесса воздействия низкотемпературной плазмы при упрочнении поверхностного слоя металлических изделий. Автоматизация. Современные технологии., 2017. – Т.71 – №10. – С.452-455. (год публикации - 2017)

5. Б.М. Бржозовский, И.Ю. Гоц, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов, А.М. Сарсенгалиев Повышение коррозионной и абразивной стойкости металлических изделий воздействием низкотемпературной плазмы Коррозия: материалы, защита, - (год публикации - 2017)

6. Б.М. Бржозовский, М.Б. Бровкова, С.Г. Гестрин, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина The effect of a combined low-pressure gas discharge on metal surfaces. Journal of Physics D: Applied Physics (Quartile - Q1), 51 (2018) 145204 (10pp) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1361-6463/aab282

7. Б.М. Бржозовский, С.Г. Гестрин, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина The study of the physical processes of low-temperature plasma formation and its effects on metal product surface. Journal of Physics: Conference Series, 891 (2017) 012297. - 8 p. (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012297

8. Б.М. Бржозовский, С.Г. Гестрин, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов Hardening of Metal Product Surface Layers by the Combined Gas Discharge Plasma Technical Physics, Vol. 62, No. 12, pp. 1856-1862. (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S1063784217120052

9. Б.М. Бржозовский,Е.П. Зинина, В.В. Мартынов The Features of Nanocomposite Structure Formation on the Surface of Metal Products under the Influence of Low-Temperature Plasma Materials Science Forum, Vol. 973, pp 174-179 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.973.174

10. Бржозовский Б.М., Бровкова М.Б., Зинина Е.П., Мартынов В.В., Плешакова Е.С. Технология и оборудование для синтеза нанокомпозитных ионно-плазменных покрытий на рабочих поверхностях геометрически сложных изделий Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьёва, №1(40), с.216-222. (год публикации - 2017)

11. Бржозовский Б.М., Зинина Е.П., Мартынов В.В. Технологические особенности формирования нанокомпозитных структур на поверхностях сложного профиля воздействием низкотемпературной плазмы Наукоёмкие технологии в машиностроении, №3, с.9-16 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.12737/24959

12. Бржозовский Б.М., Зинина Е.П., Мартынов В.В. Технологии улучшения поверхностных свойств геометрически сложных изделий воздействием низкотемпературной плазмы Наукоёмкие технологии в машиностроении, №8, с.24-29. (год публикации - 2017)

13. Бржозовский Б.М., Зинина Е.П., Мартынов В.В., Плешакова Е.С., Янкин И.Н. Экспериментальное изучение поведения комбинированной структуры, сформированной воздействием низкотемпературной плазмы Металлообработка, №3(99), с.35-42. (год публикации - 2017)

14. Бржозовский Б.М., Зинина Е.П., Мартынова В.В, Плешакова Е.С. Самоорганизация композитной структуры, сформированной при низкотемпературном плазменном упрочнении, в процессе эксплуатации Упрочняющие технологии и покрытия, том 13, №5, с.213-218. (год публикации - 2017)

15. Мартынов В.В., Бржозовский Б.М., Зинина Е.П., Янкин И.Н., Сусский А.В. Fluctuations in the process plant as a quality assessment criterion of low-temperature plasma hardening process Prosedia Engineering, V. 176, pp. 451-460, CC BY-NC-ND license. (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.344

16. Н.С. Азиков, Б.М. Бржозовский, М.Б. Бровкова, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов, А.В. Сусский Improved Efficiency of the Process of Low-Temperature Plasma Hardening Based on its Monitoring. Journal of Machinery Manufacture and Reliability (Quartile - Q2), 2017, Vol. 46, No. 6, pp. 582–588. (год публикации - 2017) https://doi.org/10.3103/S1052618817060048

17. Б.М. Бржозовский, М.Б. Бровкова, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов, П.В. Мартынов, Е.С. Плешакова Повышение эксплуатационной надежности изделий с наноструктурированным поверхностным слоем ТНТ, Старый Оскол, 132 с. (год публикации - 2018)

18. Б.М. Бржозовский, М.Б. Бровкова, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов, П.В. Мартынов, Е.С. Плешакова Повышение эксплуатационной надежности изделий с наноструктурированным поверхностным слоем ООО "Тонкие наукоёмкие технологии", - (год публикации - 2018)

19. Бржозовский Б.М., Зинина Е.П., Мартынов В.В., Плешакова Е.С. Формирование композитных структур на поверхностях сложного профиля воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда ООО "Тонкие наукоемкие технологии", г. Старый Оскол, 140 с. (год публикации - 2017)


Возможность практического использования результатов
Практическое использование результатов проекта заключается в создании возможностей для формирования и продвижения научно-технологического задела по вопросам повышения качества изготовления сложнопрофильных деталей и изделий в практику работы предприятий различных отраслей экономики, как отечественных, так и зарубежных (см. Меморандум в Приложении 4). Результаты реального повышения качества изготовленной продукции в ходе выполнения проекта получены: – в ФГУП «НПЦАП» (г. Москва), филиала ФГУП «НПЦАП» – «ПО «Корпус» (г. Саратов), ООО «Волоть» (г. Тула), ОАО «СЭПО» (г. Саратов) – по параметрам безотказности и долговечности от 2 до 15 раз; – на предприятии фирмы PolyMedTex (Германия) – по параметрам коррозионной стойкости до 12 раз.