Эксπир
Регистрация / Вход

Разработка теоретических и экспериментальных основ кратного повышения усталостной долговечности изделий авиационной техники путем многоуровневого наноструктурирования их поверхностных слоев

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.513.11.3240
Организация
ИФПМ СО РАН
Руководитель работ
Панин Виктор Евгеньевич
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Внебюджетные средства
0,8 млн

В результате выполнения каждой работы должен быть создан необходимый научно-технический задел, обеспечивающий переход к проведению опытно-конструкторских работ с целью последующей коммерциализации

Соисполнители

Организация
ФГАОУ ВО НИ ТПУ

Этапы проекта

1
25.06.2007 - 20.11.2007
1.1. В работе разработаны теоретические и экспериментальные основы многоуровневого наноструктурирования поверхностных слоев изделий авиационной техники нового поколения, обеспечивающее кратное повышение их усталостной долговечности в экстремальных условиях нагружения. Подобная задача не может быть решена традиционными методами механики сплошной среды и теории дислокаций, которые основаны на одноуровневом подходе. Многоуровневый подход потребовал развития метода стохастических возбудимых клеточных автоматов (SECA-метода), который позволяет рассчитывать распределение напряжений и деформаций на интерфейсах в структурно-неоднородных средах, учитывать характеристики сопрягаемых материалов в многоуровневой системе «покрытие-подложка», а также условия нагружения конструкции (температура, схема нагружения и др.). Использование SECA- метода привело к открытию принципиально нового эффекта «шахматной доски» на интерфейсе двух разнородных сред в полях внешних воздействий, связанного с «шахматным» распределением на интерфейсе нормальных и касательных напряжений. Этот результат имеет принципиально важное значение как в научном (в механике структурно-неоднородных сред), так и прикладном значении (обеспечение прочных связей при сопряжении разнородных сред). Возникновение распределенных на интерфейсе в «шахматном» порядке зон растягивающих нормальных напряжений приводит к локальному отслаиванию покрытия от подложки. А тангенциальное действие касательных напряжений обусловливает отслаивание покрытия в целом. Клеточки сжимающих нормальных напряжений, наоборот, препятствуют отслоению покрытия от подложки. Теоретические расчеты показали, что негативное влияние растягивающих нормальных напряжений необходимо нейтрализовать максимальным измельчением «клеточек шахматной доски» в распределении растягивающих и сжимающих нормальных напряжений. Это достигается нанесением наноструктурных покрытий на наноструктурированную подложку. Данная рекомендация теоретических расчетов легла в основу разработки технологий нанесения износостойких и защитных покрытий на изделия авиационной техники с одновременным кратным увеличением их усталостной долговечности.
1.2. Наноструктурное покрытие является по своей природе сильно неравновесным и имеет тенденцию к рекристаллизации уже в ходе осаждения на кристаллическую подложку. На основе теоретических расчетов были предложены следующие рекомендации подавления рекристаллизации осаждаемого покрытия:
- на подложке перед нанесением покрытия следует формировать мелкую клеточную структуру в распределении растягивающих и сжимающих нормальных напряжений; это достигалось специальным наноструктурированием подложки перед осаждением покрытия;
- покрытие следует формировать из сложенных многокомпонентных композиций, в которых должны формироваться фазы с различным атомным объемом: фазы с избыточным атомным объемом должны формироваться в клеточках с растягивающими нормальными напряжениями, фазы с уменьшенным атомным объемом – в клеточках с сжимающими нормальными напряжениями;
- нанесение покрытия должно быть послойным с обработкой каждого слоя высокоэнергетическими ионными пучками.
На основе теоретических рекомендаций были разработаны основы нанотехнологии нанесения наноструктурных покрытий:
а. Разработаны методы наноструктурирования подложки перед осаждением покрытия.
б. С помощью одновременного осаждения с использованием двух магнетронов с мишенями из разных материалов – из титана и из сплава алюминии (91%) с кремнием (9%) при температуре 300С получены нанокомпозитные покрытия, состоящие из трех фаз TiAlN, AlN и Si3N4 с размером зерна от 6 до 20 нм и однородным по глубине покрытия химическим составом.
в. Определено оптимальное соотношение параметров напыления, а именно: скорости вращения образца, токов разряда магнетронов и потенциала смещения, чтобы получить однородное наноструктурное покрытие с минимальным размером зерна и, в тоже время, имеющих наиболее высокую твердость и износостойкость.
г. Установлен характер зависимостей химического и фазового состава, износостойкости и твердости нанокомпозитных покрытий от соотношения токов разряда обоих магнетронов, от потенциала смещения, прикладываемого к подложке в процессе напыления.
1.3. Проведены экспериментальные исследования структуры, химического и фазового состава градиентной системы «покрытие – поверхностный слой подложки»:
а. Ультразвуковая обработка сталей ВНС-5, 30ХГСН2А, сплав ВТ6 формирует на их поверхности наноструктуру (10-20-50нм), которая градиентно огрубляется в глубину образца. Ионно-лучевая обработка формирует в данных материалах модифицированный поверхностный слой с однородной наноструктурой  50 нм.
б. Морфология наноструктурного покрытия существенно зависит от состояния подложки и технологии осаждения покрытия. Наиболее мелкая (10-20нм) наноструктура покрытия получается при его осаждении на наноструктурированную подложку в условиях послойной бомбардировки пучком высокоэнергетических ионов.
в. Многокомпонентное покрытие является многофазным; отдельные фазы различаются типом и параметрами кристаллической решетки. Это обеспечивает их стабильность и упорядоченное распределение в структуре «шахматной доски» интерфейса.
1.4. С помощью нанесения покрытия TiAlSiN можно повысить износостойкость и твердость поверхностного слоя образцов из стали ВНС-5,30ХГСН2А и 38ХН3МФА в 3-4 раза по сравнению с образцами без покрытия. При этом усталостная долговечность материала с наноструктурным покрытием возрастает в 2 раза.
1.5. Проведено сопоставление теоретических расчетов и математического моделирования со специальными экспериментами на напыленных тонких пленках. Первая версия SECA- метода была основана на использовании двухямного потенциала многочастичного межатомного взаимодействия на интерфейсе «покрытие-подложка». Специальные эксперименты на тонких пленках с использованием атомно-силовой микроскопии показали, что сильно неравновесные тонкие пленки и поверхностные слои кристаллов имеют нанокластерную структуру. Спектр нанокластеров различных атомных конфигураций определяется энтропией структурно неоднородной среды. Фактор энтропии был введен в SECA-метод с использованием термодинамического потенциала Гиббса. Новая версия SECA-метода не только подтвердила корректность проведенных в работе расчетов, но и существенно расширила возможности данного метода. На сегодня развиваемый подход пока является единственным для корректного описания наноструктурных материалов и их различных композиций, особенно в экстремальных условиях нагружения.
Полученные в работе результаты, которые в ближайшей перспективе будут основой инновационной продукции, проходят в настоящее время НИОКР на предприятиях Росавиакосмоса: ВИАМ, ОКБ Сухого, Центр Келдыша, НИАТ.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.3 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Технологии мехатроники и создания микросистемной техники» (мероприятие 1.3. Программы)
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
2,4 млн
Количество заявок
5
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Клеточные технологии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
15,6 млн
Количество заявок
16
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Технологии биоинженерии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
10,8 млн
Количество заявок
14
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
4,8 млн
Количество заявок
9
Тема
Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области живых систем по критической технологии «Биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных» (мероприятие 1.2. Программы).
Продолжительность работ
2007, 5 мес.
Бюджетные средства
18 млн
Количество заявок
40