Проекты

Получение методом искрового плазменного спекания изделий комплексной геометрической формы

Проект выполняется в рамках Договора №2616-38-00875/16 от 12.02.2016 г. с Российским фондом фундаментальных исследований.

Цель проекта

Получение изделия сложной геометрической формы в виде сменной многогранной режущей пластины, методом гибридного искрового плазменного спекания.

В качестве исходного материала выбран керамический нанокомпозит Al2O3-SiCw. Данный керамика отлично зарекомендовала себя в качестве инструмента для обработки широко востребованных на рынке жаропрочных сплавов на основе никеля, которые используются в таких важных областях как энергетике, обороной промышленности, машина - и авиастроении.

Основные результаты проекта

1. Проведено математическое моделирование процесса гибридного искрового плазменного спекания образцов сложной геометрической формы. Созданы модели процесса консолидации порошков в графитовых пресс-формах в готовые керамические образцы в виде прямоугольной призмы. Моделирование проводилось методом конечных элементов в среде численного моделирования COMSOL Multiphysics. По результатам моделирования спроектирована и изготовлены специальная графитовая оснастка для спекания пластин квадратного сечения.

2. Получена композиция порошкового керамического материала Al2O3-SiCw методом коллоидного смешивания в среде алкоголятов, аттриционного измельчения и просушивания методами     распылительной сушки.

3. Методом гибридного искрового плазменного спекания изготовлен образец материала в виде пластины квадратного сечения. Спекание порошковой смеси проводилось на установке модели KCE H-HP D 25-SD производства FCT (Германия). Подобраны оптимальные режимы спекания порошковой керамической композиции.Показано, что использование ГИПС позволило получить высокоплотную (99,2% от теоретической плотности) керамику сложной формы с однородной мелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами.

4. Проведены исследование свойств спеченного материала в виде пластины квадратного сечения. Результаты экспериментальных исследований механических свойств и микроструктуры образца наноструктурированного керамического материала Al2O3-17 об% SiCw комплексной формы показали сохранение изотропии свойств по всем направлениям. Важно отметить, что образец керамики, полученный в пресс форме квадратного сечения не имеет большого различия в значениях твердости, трещиностойкости.

5. Проведены стойкостные испытания полученного керамического материала. Испытания проводили в производственных условиях на токарно-винторезном станке модели 16К20 нормальной точности путем продольного точения прутков из жаропрочного сплава. При испытаниях на резание в качестве критерия был выбран износ по задней поверхности. При этом величину износа по задней поверхности, равную 0,5 мм, считали критерием затупления. Испытания показали, что режущие свойства (Кст) у полученного изделия не ниже, чем у контрольного материла.

Обобщая результаты можно сделать вывод, что при помощи оптимизации технологических параметров процесса гибридного искрового плазменного спекания и специально разработанной графитовой оснастки удалось получить высокие значения механических свойств, а также обеспечить их равномерное распределение по всему объему спеченного керамического нанокомпозита квадратного сечения.

По результатам выполнения исследований опубликована 1 научная статья в журнале, входящем в перечень ВАК.

Данные результаты, позволяют перейти к следующему шагу исследований – проектирование и изготовление специальной технологической оснастки для одновременного получения нескольких изделий комплексной геометрической формы, требующих минимальной дополнительной механической обработки, за один цикл ИПС, на примере сменной многогранной нанокомпозитной керамической Al2O3-SiCw режущей пластины. Одновременное получение нескольких образцов изделий комплексной геометрической формы позволит значительно повысить производительность производственного процесса, сократить потери сырья и затраты при дальнейшей механической обработке материала, уменьшить себестоимость получаемых изделий.

Разработка технологии изготовления нанокомпозита на основе меди для замены серебра в разрывных электрических контактах

Проект выполняется в рамках Соглашения о предоставлении субсидии № 14.577.21.0199 от 27 октября 2015 г. с Министерством образования и науки Российской Федерации. Уникальный индентификатор проекта RFMEFI57714X0089.

Целью проекта

Разработка технологии получения нанокомпозита на основе меди путем искрового плазменного спекания и механического легирования, способного заменить серебро в разрывных электрических контактах, с минимальными технологическими потерями материала.

Проект направлен на решение задачи экономии материальных ресурсов, в частности драгоценных металлов, а именно серебра в электротехнике (разрывные электрические контакты). Для этого предлагается разработать материал, который сможет заменить серебросодержащие материалы в разрывных электрических контактах и технологию его изготовления.

Основные результаты проекта

1. Разработана технология изготовления нанокомпозитного материала на основе меди, основанная на методах порошковой металлургии, включающая, в частности, механическое легирование и искровое плазменное спекание.

2. Разработаны методики исследований и испытаний материала.

3. Разработаны и предложены дополнительно к традиционным требования к новому материалу: температура начала разупрочнения выше 700 °С, размер дисперсных частиц должен быть не более 200 нм.

3. Выполнены экспериментальные исследования нового материала  и технологические разработки по его изготовлению различными методами. Технологические разработки включали исследования и оптимизацию всего комплекса операций по изготовлению дисперсно-упрочненного композита на основе меди, способного заменить серебро в разрывных электрических контактах.

4. Рассмотрены материалы на основе систем Cu-Al2O3, Cu-Al, Cu-Al-Ti-Hf, Cu-Al-Hf. На всех материалах были определены твердость, предел прочности на сжатие, удельная электропроводность, температура разупрочнения, плотность. Лучшие материалы подвергались стендовым испытаниям на реальном контакторе.

5. Изготовлен дисперсно-упрочненный композиционный материал на основе меди, обладающей удельной электропроводностью выше, чем удельная электропроводность стандартного композита Ag-CdO, температурой разупрочнения 800°С, твердостью более 130 НВ, контактным электрическим сопротивлением более чем в 2 раза меньшим по сравнению с медью. Эти показатели позволяют использовать изготовленный материал взамен серебра в разрывных электрических контактах.

Новым являются разработанные технологии, в которых объединены методы перемешивания и механического легирования, термохимической обработки и искрового плазменного спекания для данного класса материалов. Разработаны новые методики оценки переходного сопротивления.

Свойства изготовленных по разработанным технологиям материалов позволяют использовать их для замены серебра в разрывных электрических контактах.

Полученный материал обладает высокой жаропрочностью при высоком значении электро- и теплопроводности, что позволяет использовать его в различных отраслях энергетики и транспорта.

По результатам выполнения второго этапа исследований опубликованы 2 научных статьи в журналах, входящих в  базы данных «Скопус» Scopus и Сеть науки (Web of Science), подана 1 заявка на изобретение.

Назначение и область применения результатов

1. Область науки - материаловедение.

Техническая область применения - электротехника.  Все отрасли машиностроения и транспорта, где используются серебряные контакты.

2. Практическое использование и перспективы использования результатов работ состоит в том, что разрабатываемый материал сможет заменить серебро в разрывных электрических контактах электрооборудования, где используется около 40 % серебра.

3. В работе применяется новое научно-техническое направление в разработке новых износостойких материалов, работающих в условиях контактного взаимодействия. Для этого исследуются поверхности отработавших материалов, по результатам этих исследований к материалу предъявляются, как правило, новые физико-химические требования, далее разрабатывается новый материал. При успешной разработке в данном проекте можно прогнозировать дальнейшее развитие этого метода разработки новых материалов.

 

Разработка технологий получения беспористых нанокомпозитных керамических материалов с повышенными эксплуатационными свойствами, модифицированных углеродными нановолокнами и графеном

Проект выполнялся в рамках Соглашения о предоставлении субсидии № 14.577.21.0089 от 22 июля 2014 г. с Министерством образования и науки Российской Федерации. Уникальный индентификатор проекта RFMEFI57714X0089.

Цель проекта

Создание наноструктурированных керамических материалов, модифицированных углеродными нанокластерами, с улучшенными физико-механическими свойствами, значительно превосходящими существующие аналоги по параметрам: с пониженной не менее чем в 10 раз пористостью, повышенными в 2 и более раза трещиностойкостью, в 1,5 раза и более стойкостью к термоудару, в 1,3 раза и более теплопроводностью.

 Основные результаты проекта

1. Разработаны технологии получения беспористых нанокомпозитных керамических материалов с повышенным комплексом эксплуатационных свойств, модифицированных углеродными нановолокнами и графеном, включающие:

- Функционализацию исходного углеродного наносырья. Проведены работы и разработаны соответствующие лабораторные регламенты для функционализации углеродного наносырья следующих модификаций углерода: углеродных нанотрубок (УНТ), углеродных нановолокон (УНВ), графена (Г) и оксида графена (ГО);

- Смешивание функционализированного углеродного наносырья с керамическими матрицами следующих систем: WC, Al2O3-ZrO2-TiN, Si3N4, TiC, Al2O3-SiCw-TiC и Al2O3-SiCw. Разработаны соответствующие лабораторные регламенты смешивания композиций порошковых наноматериалов.

- Искровое плазменное спекание указанных выше систем до получения беспористых (менее 0,01%) керамических нанокомпозитных материалов. Разработаны оптимальные режимы спекания материалов, созданы соответствующие лабораторные регламенты получения беспористых наноструктурированных керамических композитов.

- Алмазная резка и шлифование полученных беспористых нанокомпозитных материалов до высокоточных сменных многогранных режущих пластин. Разработаны проекты лабораторных регламентов изготовления экспериментальных образцов режущих пластин.

2. Получены образцы функционализированного углеродного сырья: углеродных волокон, графена и оксида графена. Созданные образцы обладают свойствами равномерного распределения (не более 10% неравномерности) в керамической матрице без образования агломераций и конгломераций более 500 нм по длинной стороне образования.

3. Получены экспериментальные образцы наноструктурированного керамического материала на основе нитридов, карбидов и оксидов, модифицированные углеродными нанокластерами, обладающие следующими свойствами:

- пористость, не более 0,01%.

- размер зерна нанокристалла, не более 20 нм.

- трещиностойкость, не менее 13 МПа*м1/2.

- стойкость к термоудару (ГОСТ Р 52542-2006), не менее 15 теплосмен.

- теплопроводность, не менее 40 Вт/м*К.

4. Из полученных беспористых керамических материалов изготовлены экспериментальные образцы режущих пластин.

Индустриальным партнером (ОАО «ВНИИНСТРУМЕНТ») проведены их сравнительные испытания на примерах точения труднообрабатываемых сталей и сплавов. Проведены сравнительные испытания на примере получистовой обработки конструкционных сталей при прерывистом резании (для систем WC); на примере чистовой и получистовой обработки серых чугунов на высоких скоростях резания при малых скоростях резания, в стабильных условиях без применения СОЖ (для систем Al2O3-ZrO2-TiN); на примере чистовой, получистовой и черновой обработки серых, высокопрочных чугунов на высоких и сверхвысоких скоростях резания при малых и средних глубинах резания, в том числе при прерывистом резании без применения СОЖ (для систем Si3N4); на примере чистового и получистового точения конструкционных углеродистых и легированных сталей в закаленном состоянии до 50HRC без применения СОЖ (для систем TiC); и на примере чистового точения сплавов на основе никеля, например ХН77ТЮР, ХН65ВМТЮ, ХН35ВТЮ ГОСТ 5632-72 (для систем Al2O3-SiCw-TiC и Al2O3-SiCw).

Новизна и актуальность проведенного исследования подтверждена 9 статьями в рецензируемых журналах, индексируемых в базах данных «Скопус» Scopus и Сеть науки (Web of Science), 5 патентными заявками.

Назначение и область применения результатов

Полученные материалы обладают высоким коммерческим потенциалом, и могут быть использованы как:

- Электропроводная керамика для различных приложений, которые можно получить путем включения нановолокон, графена или оксида графена в керамическую матрицу;

- Высокотемпературная ударопрочная керамика для промышленного применения;

- Керамические нанокомпозиты, имеющие большой потенциал для систем удаления тепла в электронных устройствах высокой мощности, двигателях и силовой электроники.

- Керамические композиты выдерживающие повреждения, сохраняя свои хорошие механические свойства в течении своего жизненного цикла.