ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ – головная организация в отрасли нанотехнологий

Опубликовано 05.05.2010
НОР   |   просмотров - 3353,   комментариев - 0
ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ – головная организация в отрасли нанотехнологий

 

В России институтами РАН, ГНЦ, отраслевыми НИИ и вузами проводятся фундаментальные, фундаментально-ориентированные и прикладные исследования, направленные на создание наноматериалов различных классов для всех отраслей промышленности. К их числу относятся наноструктурные композиты конструкционного, теплозащитного, радиотехнического назначения, термопласты, герметики, лакокрасочные покрытия и специальные материалы с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Согласно Федеральной целевой программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2010 годы", утвержденной постановлением № 498 Правительства Российской Федерации 2 августа 2007 г., головной организацией отрасли по тематическому направлению «Композитные наноматериалы» назначен ФГУП «ВИАМ».

ФГУП «ВИАМ» является координатором работ по разработке композитных наноматериалов и нанотехнологий для авиа- и двигателестроения. Следует отметить, что авиастроительные предприятия отличаются инновационным поведением на фоне других отраслей промышленности. Так, в 2006 г. технологические инновации внедряли 34% предприятий авиастроения, что выше, чем в среднем по экономике. С учетом повышенных требований, предъявляемых к конструкционным материалам в авиастроении, можно ожидать, что к 2015 г. проникновение нанотехнологий составит не менее 30%. С учетом оценки производства продукции авиастроения в размере 150–160 млрд рублей в 2015 г., объем наносодержащей продукции в сегменте гражданского авиастроения составит в 2015 г. не менее 60 млрд рублей (в ценах 2007 г.) –использованы данные годового отчета по мониторингу.

ФГУП «ВИАМ» в качестве ГОО выступает в роли интегратора и координатора работ по методическому, методологическому, нормативно-техническому и патентно-лицензионному обеспечению 134 предприятий-участников ННС по направлению «Композитные наноматериалы», а также проводит работы, связанные с государственно-частным партнерством, например с ГК «Роснанотех», – комплексные проекты с привлечением государственно-частного капитала; проекты с участием металлургических предприятий, ГНЦ, вузов.

Создание нового класса материалов – композитных (композиционных) наноматериалов – поставило перед ГОО задачи по методическому и метрологическому обеспечению организаций ННС по направлению «Композитные наноматериалы» – необходимо гарантировать единство и требуемую точность измерений для вновь разрабатываемых и производимых материалов этого класса. Решение поставленных задач в рамках существующих метрологических структур не представлялось возможным из-за необходимости метрологического обеспечения измерений на наноуровне. В целях обеспечения единства измерений и оценки соответствия по направлению «Композитные наноматериалы» необходимо провести комплекс работ, связанных с анализом потребностей в измерительных средствах и возможностей предприятий, разрабатывающих и выпускающих композитные наноматериалы (обеспечение международного признания результатов измерений в этой сфере; информационно-техническое обеспечение работ по стандартизации; обеспечение единства измерений и оценки соответствия в области композитных наноматериалов; введение систем государственных стандартных образцов композитных наноматериалов).

Во ФГУП «ВИАМ» еще в 80-е годы прошлого столетия использовались технологии получения ряда материалов, которые в настоящее время относятся к категории нанотехнологий, в том числе технологии изготовления бумаги БТТ, использованной для термических мостов и плазмоотсекающих уплотнений, работающих при температуре до 1650С. Этот материал на основе нитевидных кристаллов и наноразмерных частиц SiC был использован в качестве термокомпенсаторов и плазмоотсекателей в МКС «Буран».

ФГУП «ВИАМ» проводит фундаментальные исследования и разработку полимерных композиционных материалов (углепластиков), содержащих в своем составе углеродные наночастицы: фуллерены, нанотрубки, астралены.

Основой образования наноструктур в материалах, содержащих наночастицы, являются следующие процессы:

– введение наночастиц и фиксация их в объеме полимера в результате физического взаимодействия на поверхностях раздела полимер–наночастица;

– включение наночастиц в состав молекул полимера с образованием химических связей.

Для разработки научных основ создания технологических процессов введения наночастиц в состав полимеров, образующих матрицу композита, проведен комплекс фундаментальных и прикладных исследований, направленных на идентификацию используемых наночастиц, их дезинтеграцию, диспергирование, получение устойчивых суспензий, их совмещение с матрицей связующего, равномерное распределение по объему полимера и композита. Изучены физико-химические процессы взаимодействия углеродных наночастиц: фуллеренов и нанотрубок с термореактивными полимерами, отверждающимися и полимеризующимися по разным механизмам. Уже на первом этапе исследований стало ясно, что наилучшие результаты будут достигнуты в случае фиксации и закрепления наночастиц в составе матрицы композита вследствие образования между ними устойчивых химических связей.

Институтами РАН совместно с ФГУП «ВИАМ» проведены фундаментальные исследования процессов, приводящих к активированию поверхности углеродных наночастиц путем образования на их поверхности требуемых функциональных групп вследствие химических реакций окисления или присоединения органических радикалов. Это позволило получить наночастицы, способные образовывать устойчивые водные суспензии на основе диспергированных функционализированных наночастиц.

Фундаментально направленные исследования ИПХФ РАН (г. Черноголовка) совместно с ФГУП «ВИАМ» (методы термического анализа) подтвердили, что при введении в эпоксидную смолу производных фуллерена С60, содержащих аминогруппы, происходит химическая реакция и их фиксация в структуре матрицы. Это приводит к уплотнению структуры эпоксидных смол при отверждении, повышению их прочности, температуры стеклования и снижению водопоглощения.

Результаты проведенных фундаментальных исследований и выявленные закономерности были использованы во ФГУП «ВИАМ» для разработки конкретных материалов.

Введение в состав материалов углеродных наночастиц, таких как фуллерены, нанотрубки, астралены, в количестве > 0,05%, в случае углепластиков приводит к комплексному повышению механических и эксплуатационных свойств: прочности при сжатии и сдвиге – на 20%, ударной стойкости – на 45%, остаточной прочности – в 1,5 раза, водо- и топливостойкости – в 1,5–2 раза, температуры эксплуатации – на 30% и увеличению ресурса – в 1,8 раза. Одновременно материал приобретает специальные свойства, такие как электро- и теплопроводность, рентгено- и звукопрозрачность, молниестойкость.

Созданный углепластик КМУ-18, содержащий в своем составе астралены, находится в стадии паспортизации и предназначен для использования в конструкции планеров самолетов ПАК-ФА (2-й этап), SSJ-130, МС-21.

Для защиты от поражения молниевым разрядом конструкций из углепластика, выходящих на внешнюю поверхность планера (составляющих > 50%), во ФГУП «ВИАМ» для изделий МС-21, ПАК-ФА и ряда вертолетов разработано молниестойкое покрытие, представляющее собой углепластик, содержащий в своем составе астралены и фуллерены. Благодаря повышению высокотемпературной электро-, теплопроводности, температуры термического разрушения и высоким конструкционным свойствам это покрытие обеспечивает безопасную повреждаемость углепластиковых конструкций при воздействии токов молнии и снижение массы покрытий (по сравнению с традиционно используемыми молниезащитными покрытиями (МЗП) на основе латунных сеток) на 300–500 г/м2 защищаемой поверхности.

Эффективность разработанной молниезащиты проверена на тканях как отечественного, так и зарубежного производства. Без специальной молниезащиты детали планера летательного аппарата из конструкционного углепластика получают при ударе молнии повреждения, несовместимые с безопасностью полета!

Чтобы довести объем применения углепластиков в составе планера до 60% от массы самолета и достигнуть снижения его массы (на 15–20%), необходимо обеспечить:

– использование МЗП, обеспечивающее снижение повреждаемости при воздействии молнии, с предельными параметрами тока: I=200 кА, Q=20 Кл – для зоны «В» (зона стекающих ударов молнии) и I=200 кА, Q=200 Кл – для зоны «А»(зона прямых ударов молнии);

– повышение механических свойств при повышенных температурах на 15–40%;

– повышение стойкости к воздействию климатических факторов и ресурса эксплуатации в 1,2–1,5 раза;

– повышение сопротивления ударному воздействию в 1,2–1,5 раза.

Проведенные исследования показывают, что целенаправленное проведение работ в этой области позволит получать в промышленном масштабе композиционные материалы с повышенными показателями конструкционных свойств – на 10–30%, температуры эксплуатации – на 15–30% и увеличенными в 1,5 раза ресурсными характеристиками.

Новый материал – градиентный (с закономерным изменением концентрации наночастиц по толщине материала) молние-, топливо-, влагозащитный угленанокомпозит – одновременно выполняет функцию несущего конструкционного материала и осуществляет защиту конструкции из углепластика от воздействия вышеперечисленных факторов. Иными словами, в различные слои угленанокомпозита вводится различное количество наночастиц, что и приводит к тому, что свойства материала различаются по его толщине и материал может выполнять различные функции.

Полученные данные позволяют поставить вопрос об освоении выпуска препрегов с разным содержанием введенных в них наночастиц (в % по массе), для изготовления градиентных, молниезащищенных, топливо- и влагостойких конструкционных угленанокомпозитов с улучшенным комплексом механических и эксплуатационных свойств для перспективной авиационно-космической техники.

Развитие современной техники требует создания новых полимерных материалов с повышенным уровнем пожарной безопасности, химической стойкости, барьерных и антифрикционных свойств.

Для получения таких материалов необходима организация новых химических производств или модификация существующих материалов физическими или химическими способами.

Одним из способов физический модификации является введение в полимер наночастиц. Наибольший интерес из наномодификаторов (по доступности и цене) представляют наносиликаты.

Слоистые силикаты – такие как монтмориллонит, вермикулит, гекторит и сапонин – как исходные продукты являются весьма перспективными при разработке композиционных материалов. Их изучение в последние годы вызывает особый интерес.

Плоская топология силикатных наночастиц способствует двухмерному армированию термопластичных матриц, результатом чего является меньшая анизотропия свойств готовых изделий. Внедрение в термопластичные полимеры относительно небольших количеств (до 5% по массе) нанонаполнителей на основе природных слоистых силикатов позволяет в ряде случаев повысить температуру стеклования на 20–25°С, модуль упругости – в 1,5–3,0 раза, а также резко снизить горючесть и вязкость расплава и т. д.

Повышенный интерес к силикатным нанонаполнителям привел к появлению в США, Италии, Испании и Китае опытно-промышленных производств по их получению. Наноглину, «чистую» и модифицированную различными поверхностно-активными веществами, выпускают в широком ассортименте для придания изначально органофобному материалу органофильных свойств. Наноглины различаются по размеру частиц, плотности, теплофизическим и другим свойствам.

Поскольку производство слоистых наносиликатов в РФ и странах СНГ отсутствует, все исследования проводятся с использованием импортной продукции.

К основным недостаткам выпускаемых за рубежом наноглин следует отнести:

– повышенное содержание ПАВ, равное катионной емкости глины, что не является оптимальным для интеркаляции полимеров той или иной природы;

– отсутствие органомодифицированных нанонаполнителей для введения в теплостойкие термопласты и лакокрасочные материалы;

– отсутствие рекомендаций по технологии совмещения наносиликатов с полимерами и эпоксидными смолами;

– необходимость доставки их из страны производителя.

По этим причинам разработка технологии и организация опытно-промышленного производства наносиликатов и композитов на их основе являются достаточно актуальными.

Несмотря на большой объем проведенных исследований в области полимерсиликатных нанокомпозитов лишь одна фирма «Toyota» (Япония) осуществляет выпуск конструкционного нанокомпозита на основе полиамида ПА-6 для изготовления деталей автомобиля.

В России исследованиями в области создания полимерсиликатных композиций занимаются группы ученых в ИНХС РАН, ИВС РАН, МГУ, МИТХТ, ФГУП «ВИАМ» и других организациях.

Во ФГУП «ВИАМ» разработан безволоконный высокотемпературный конструкционный композиционный материал на основе карбида кремния для изготовления неохлаждаемых сегментов двухстеночной стехиометрической камеры сгорания перспективного авиационного двигателя.

Объединение результатов фундаментальных «пробирочных» и комплекса прикладных технологий позволило разработать керамический композиционный материал на основе SiC без использования широко применяемых на западе дефицитных волокон карбида кремния. Разработанный материал отличается высокой термостойкостью, рабочей температурой до 1650С, что существенно превосходит зарубежные аналоги.

Модельные образцы из разработанного материала прошли успешные испытания в продуктах сгорания топлива (> 5000 циклов без разрушения при испытании по режиму: 1 мин: 20~1650С). Кроме того, новый керамический композиционный материал обладает эффектом самозалечивания микродефектов и восстановления до 100% исходных свойств при эксплуатационных температурах.

При полете гиперзвуковых авиационно-космических аппаратов температуры могут достигать 2000С. При таких эксплуатационных условиях для изготовления ряда узлов и деталей возвращаемых космических летательных аппаратов (носок фюзеляжа, кромки крыльев и хвостового оперения) могут применятся углеродкерамические КМ.

Углеродкерамические композиционные материалы обладают такими свойствами, как высокие модуль упругости и теплопроводность и др. Материалы являются привлекательными с точки зрения их применения в перспективных двигателях. Однако низкая окислительная стойкость углеродсодержащих КМ при эксплуатации изделия в условиях высоких температур и скоростей газового потока ограничивает их применение.

Для эффективного использования таких композитов необходимо применение комплексной системы защиты, предотвращающей взаимодействие углерода с кислородом газового потока и окружающей среды и выполняющей функции как жаростойкого, так и термобарьерного покрытия.

В настоящее время в США, Франции, Германии, Китае, Японии ведется активный поиск и совершенствование химических составов защитных покрытий и способов их нанесения на углеродсодержащие композиты, – постепенно повышается верхний предел температур их использования.

Керамические системы покрытий предназначены для защиты от окисления и деградации деталей из углерод-углеродных и углеродкерамических композиционных материалов при температурах вплоть до 2000С.

Новизна защитных керамических систем состоит в том, что получение самозалечивающихся защитных слоев и их работоспособность в течение определенного времени при температурах до 2000С обеспечивается процессом химического взаимодействия компонентов покрытия и кислорода окружающей среды. При этом кислород задерживается во внешних слоях покрытия, обеспечивающего многоуровневую защиту углеродсодержащего материала.

Регулирование процессов химических и фазовых превращений в покрытиях позволяет обеспечить заданный срок службы, рабочую температуру и придать такие функциональные свойства, как эрозионная стойкость, излучательная способность, каталитичность и др.

Во ФГУП «ВИАМ» придают особое значение результатам настоящих разработок. Поэтому создан уникальный, пожалуй, единственный в России, научно-производственный комплекс по разработке, исследованию и изготовлению изделий из керамических композиционных материалов и покрытий, оснащенный уникальным оборудованием и приборами ведущих зарубежных и отечественных производителей.

До настоящего времени в нашей стране не созданы такие перспективные непрерывные волокна как карбидкремниевые, используемые за рубежом в качестве основных для упрочнения керамики при создании композиционных материалов, финансирование этих работ практически не осуществляется, а на экспорт зарубежных волокон карбида кремния в Россию существует запрет как на стратегическое сырье. В связи с чем, необходимость выполнения самостоятельных исследований обусловлена соображениями экономической и технологической безопасности.

При разработке высокотемпературного керамического композиционного материала (типа SiC/SiC без армирующих волокон SiC) формирование каркасоподобной структурно-упрочняющей фазы проводили с применением золь-гель прекурсоров за счет направленного роста нитевидных кристаллов в объеме керамической матрицы по механизму ПЖТ (пар-жидкость-твердая фаза) при восстановлении кремнезема углеродом.

В ФГУП «ВИАМ» разработана комплексная технология «наносборки» высокотемпературных керамических композиционных материалов и покрытий с применением золь-гель техники, позволяющая получать в их составах объемно допированные нанодисперсные соединения, инициирующие химические процессы и процессы спекания в области более низких температур.

Ярким примером реализации таких технологий «наносборки» является создание уникального керамического композиционного материала сверх высокой термостойкости, который в отличие от западных образцов создан без применения дефицитных дорогостоящих волокон карбида кремния, экспорт которых в Россию запрещен.     

Разработанный материал, обладая комплексом свойств в сочетании с высокой температурой эксплуатации (выше 1500ºС), способностью сохранять и восстанавливать до 100% исходных свойств, может эксплуатироваться в самых экстремальных условиях без охлаждения и выдерживает не свойственные традиционной керамике резкие температурные перепады. Испытания в ЗМКБ «Прогресс» на газодинамическом стенде в потоке продуктов сгорания топлива по режиму 1500 -  800°С подтвердили высокую термостойкость– более 7000 циклов ( 1ц – 1мин) и работоспособность полученной каркасоподобной структуры керамического КМ.

Использование в ФГУП «ВИАМ» методов направленного наноструктурирования позволило получить эпоксидные матрицы, акрилатные органические стекла, прозрачные электропроводящие ITO покрытий на гибкой полимерной подложке, полимерные углекомпозиты с повышенным уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств.

Повышение оптических и электрических характеристик ITO покрытий на полимерных пленках может быть достигнуто путем применения метода ионно-стимулированного осаждения, суть которого заключается в том, что покрытие формируется в условиях воздействия потока ускоренных ионов. Сталкиваясь с атомами поверхности и адсорбированными на ней атомами, ускоренные ионы передают им часть энергии, что приводит к частичному удалению загрязняющих примесей, увеличению энергии и времени миграции адсорбированных атомов покрытия на поверхности подложки. В результате – при правильно подобранной плотности тока ионного пучка и энергии ионов – можно получить покрытия с поверхностным сопротивлением 20–30 Ом/квадрат и пропусканием ≥ 80%.

ФГУП «ВИАМ» также был разработан комозиционный материал «Алкар», который состоит из чередующихся листов алюминиевого сплава Д16чАт толщиной 0,45 мм и слоев углепластика, армированного углеродной лентой УОЛ-300.

«Алкар» по сравнению с типовыми металлополимерными материалами типа «Сиал» имеет повышенные на 30-50% конструкционные и ресурсные характеристики (Е = 100 ГПа, СРТУ= 0,01 мм/кцикл).

Отличительной особенностью материала «Алкар» по сравнение с зарубежным аналогом - материалом CARALL (на основе слоев алюминиевого сплава и углепастика), является наличие способности к самоадаптации за счет специальной схемы армирования слоев углепластика. Кроме того, имеется возможность проведения самоконтроля материала «Алкар» при эксплуатации за счет введения сенсоров в слои углепластика.

Важной проблемой при разработке материала «Алкар» является защита алюминиевых слоев от электрохимической коррозии, возникающей из-за различия электрохимических потенциалов металла и углепластика. Основные направления исследований для решения этой задачи –  выбор подготовки поверхности алюминиевых листов и введение в состав композита тонких диэлектрических слоев (между металлом и углепластиком), модифицированных наночастицами с целью упорядочения их структуры и снижение водопоглощения.

Для оценки коррозионной стойкости материала «Алкар» планируется проведение ускоренных и климатических коррозионных испытаний.

Материал «Алкар» состоит из чередующихся листов алюминиевого сплава Д16чАт толщиной 0,45 мм и слоев углепластика, армированного углеродной лентой УОЛ-300.

«Алкар» по сравнению с типовыми металлополимерными материалами типа «Сиал» имеет повышенные на 30-50% конструкционные и ресурсные характеристики (Е = 100 ГПа, СРТУ= 0,01 мм/кцикл).    

Использование в ФГУП «ВИАМ» методов направленного наноструктурирования позволило получить эпоксидные матрицы, акрилатные органические стекла, прозрачные электропроводящие ITO покрытий на гибкой полимерной подложке, полимерные углекомпозиты с повышенным уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств.

Повышение оптических и электрических характеристик ITO покрытий на полимерных пленках может быть достигнуто путем применения метода ионно-стимулированного осаждения, суть которого заключается в том, что покрытие формируется в условиях воздействия потока ускоренных ионов. Сталкиваясь с атомами поверхности и адсорбированными на ней атомами, ускоренные ионы передают им часть энергии, что приводит к частичному удалению загрязняющих примесей, увеличению энергии и времени миграции адсорбированных атомов покрытия на поверхности подложки. В результате – при правильно подобранной плотности тока ионного пучка и энергии ионов – можно получить покрытия с поверхностным сопротивлением 20–30 Ом/квадрат и пропусканием ≥ 80%.

Из разработок ФГУП «ВИАМ» в области наноструктурных металлических и неметаллических композиционных материалов в промышленности широко используются защитные и упрочняющие наноструктурные и нанослойные ионно-плазменные покрытия, получаемые вакуумной плазменной технологией высоких энергий (ВПТВЭ). Это направление развивалось под непосредственным руководством академика Е.Н. Каблова, и в результате работы получены решения по целому ряду проблемных вопросов. Например, оригинальная технология ВПТВЭ не имеет аналогов в мировой практике и полностью разработана во ФГУП «ВИАМ» – начиная от промышленного оборудования, материалов для покрытий, технологии нанесения покрытий различного назначения и завершая технологией изготовления катодов из материалов покрытий для нанесения покрытий.

Основное отличие ВПТВЭ от существующих технологий – это высокие и управляемые энергии ионов.

Для генерации металлической плазмы в ВПТВЭ используется конгруэнтное испарение подвижными катодными пятнами вакуумной дуги, управляемыми магнитным полем, позволяющее получать плазму со степенью ионизации ~90%, с энергией частиц порядка 50–100 эВ. Управление энергией частиц при конденсации осуществляется электростатическим полем путем подачи отрицательного напряжения смещения на обрабатываемое изделие, что позволяет изменять структурно-фазовое состояние поверхности подложки и получать наноструктурные покрытия. В исходном состоянии при конденсации многокомпонентных (МК) металлических и упрочняющих покрытий, например карбида хрома, получают покрытия с рентгеноаморфной структурой, имеющие высокие служебные характеристики.

Одно из основных отличий ионно-плазменных (ИП) покрытий из МК сплавов – их высокая пластичность. Нанесение МК покрытий в контролируемой газовой среде (N2, C2H2, O2) с давлением ~6,6∙10-2 Па позволяет существенно повысить структурную термостабильность покрытия и его ресурс.

Во ФГУП «ВИАМ» разработаны ионно-плазменные наноструктурные защитные жаростойкие и упрочняющие покрытия для лопаток и других деталей ГТД:

– конденсированные покрытия из МК сплавов и соединений металлов;

– алюминидные ИП диффузионные покрытия и оригинальные покрытия конденсационно-диффузионного (КД) типа для лопаток турбины (с рабочей температурой до 1150°С) и компрессора ГТД (защита от солевой коррозии).

Эти покрытия не оказывают влияния на характеристики жаропрочных сплавов, сталей и титановых сплавов, а в некоторых случаях повышают их (например термостойкость – до 3 раз, длительную прочность на больших базах испытаний) и позволяют эксплуатировать изделия из этих материалов при максимально допустимых рабочих температурах. Применение таких покрытий позволило создать ГТД ΙV поколения и повысить ресурс лопаток турбин от 2 до 10 раз и более. Покрытия КД типа для защиты стальных деталей компрессора от солевой коррозии и окисления и покрытие ВПАКС, полученное методом насыщения поверхности в плазме сплава ВСДП-20, повышают ресурс деталей до 4 раз и обеспечивают работу стальных лопаток и деталей компрессора во всеклиматических условиях. Упрочняющие наноструктурные покрытия на основе нитридов и карбидов металлов позволяют многократно повысить стойкость деталей из сталей и титановых сплавов к пылевой эрозии.

Оригинальная разработка ФГУП «ВИАМ» в области ВПТВЭ по насыщению поверхности в металлической плазме вакуумной дуги позволяет получать на поверхности обрабатываемого изделия модифицированные слои глубиной до 40 мкм за 30–40 мин ионной обработки. Модифицирование приводит к изменению структурно-фазового состояния поверхности и позволяет управлять свойствами этой поверхности. Это – новые процессы титанирования, цирконирования, алитирования и другие, повышающие коррозионную стойкость, жаростойкость, износостойкость поверхностного слоя изделий.

Для реализации технологии, во ФГУП «ВИАМ» разработаны и производятся ионно-плазменные установки типа МАП-1, МАП-2 и МАП-3 с вакуумно-дуговым испарением материала покрытия  катодными пятнами вакуумной дуги. Установка МАП-3 (в отличие от установок МАП-1 и МАП-2) содержит ускоритель газовых ионов для имплантации и ассистированного осаждения, которое позволяет повысить в 1,5–2 раза ряд параметров покрытий, например эрозионную стойкость монослойных упрочняющих покрытий.

В настоящее время ведутся разработки наноструктурных 2D и 3D ионно-плазменных упрочняющих покрытий, имеющих высокие твердость и температурную стойкость, низкую величину внутренних остаточных напряжений.

Практическое применение наноструктурных защитных и упрочняющих ионно-плазменных покрытий для рабочих лопаток турбины и компрессора ГТД двигателя РД-33 и РД-33МК (самолеты палубного базирования):

– Высокотемпературное наноструктурное покрытие ВСДП-9 + ВСДП-18 позволило увеличить  ресурс рабочих лопаток РД-33 с 50 ч до 3000 ч .

– Коррозионностойкое наноструктурное покрытие позволило обеспечить защиту от солевой коррозии и увеличить ресурс в 5-7 раз лопаток компрессора двигателя РД-33МК самолетов палубного базирования МиГ-29К и МиГ-29К/КУБ.

Исследования и разработки ВИАМ в области ионно-плазменных технологий позволили создать не имеющее мировых аналогов ионно-плазменное оборудование с ассистированным осаждением (установка МАП-3) для получения толстых до 120 мкм наноструктурных и нанокомпозитных защитных и упрочняющих покрытий и разработать технологические процессы их получения.

Особенностью предложенной нанотехнологии являются управляемые энергии частиц, взаимодействующих с поверхностью обрабатываемого изделия, в процессах ассистированного ионного и модифицированного осаждения наноструктурных покрытий. Это обеспечит повышение прочностных и эксплуатационных характеристик подложка–нанопокрытие за счет совершенствования состава и управления структурно-фазовыми превращениями в процессе формирования покрытия.

Благодаря уникальному сочетанию комплекса свойств – эрозионной и коррозионной стойкости, минимальному уровню остаточных напряжений, высокой температурной стойкости, прочности, трибологическим и химическим свойствам – наноструктурные покрытия могут быть рекомендованы для повышения физико-механических характеристик и ресурса лопаток ГТД, деталей горячего тракта и других деталей машин (режущий инструмент, детали агрегатов, пары трения и т. п.).

Опираясь на результаты фундаментальных исследований в настоящее время разрабатываются монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы нового поколения, легированные рением и рутением, дополнительно упрочненные наноразмерными фазами. Макроструктура в сплавах этого класса конструкционных материалов формируется по типу «естественных композитов» и обусловлена дендритной ликвацией (в основном тугоплавких легирующих металлов: Re, W, Ta) в процессе высокоградиентной направленной кристаллизации. Основой образования микро- и наноструктуры являются процессы многоступенчатой термической обработки и длительной высокотемпературной деформации при ползучести, приводящие к образованию фаз с различной степенью дисперсности и упорядочения.

Основными фазами, образующими монокристаллические жаропрочные сплавы, являются фазы γ и γ′; γ-фаза – это твердый раствор на основе никеля с ближним порядком в расположении атомов компонентов в ГЦК кристаллической решетке; γ′-фаза – твердый раствор с дальним порядком в расположении атомов компонентов на базе интерметаллического соединения Ni3Al.

Для достижения высоких характеристик длительной статической и циклической прочности монокристаллических сплавов используются следующие основные механизмы упрочнения:

– создание гетерофазной высокодисперсной структуры γ/γ' с повышенными температурами солидус и растворения γ′-фазы (солвус γ');

– формирование в (γ/γ')-структуре ограненных кубовидных частиц γ′-фазы с оптимальными размерами и мисфитом (размерное несоответствие между кристаллическими решетками γ- и γ′-фаз), упорядоченно расположенных в матричной γ-фазе;

– твердорастворное упрочнение γ′- и γ/γ'-фаз легирующими элементами, которое тем эффективнее, чем больше различие в атомных размерах и электронном строении замещаемого атома Ni (Al) и легирующего элемента;

– упрочнение, связанное с замедлением диффузионных процессов при легировании тугоплавкими металлами: Re, W, Ru, Mo, Ta;

– дополнительное упрочнение прослоек γ′-фазы за счет выделения при термической обработке наноразмерных (30–100 нм) частиц γ/γ'-фазы (наноструктура 1 типа) и образования в процессе длительной работы при высоких температурах в прослойках  γ′-фазы наноразмерных (5–20 нм) частиц фаз на основе Re и Ru, а также лантанидов различного типа (наноструктура 2 типа). Структура первого типа деградирует при температурах выше 900С, тогда как вторая только образуется при длительной работе сплава при температурах выше 1000С, обеспечивая дополнительное сопротивление ползучести.

Методом компьютерного конструирования разработаны современные монокристаллические жаропрочные рений-, рутенийсодержащие сплавы нового поколения – ВЖМ4 и ВЖМ6. Преимущества этих сплавов были обеспечены благодаря структурно-фазовой стабильности, повышенному мисфиту и дополнительному упрочнению нанопрослоек γ-фазы нанокристаллами γ′-фазы и фаз на основе рения и рутения.

В результате проводимых в последние годы во ФГУП «ВИАМ» исследований создано новое поколение литейных жаропрочных сплавов, способных работать при температурах эксплуатации на 50–100С выше, чем рабочие температуры материалов, применяемых в современных двигателях, с повышенным уровнем механических свойств и эксплуатационных характеристик:

– супержаропрочный литейный никелевый сплав ВЖМ4 – для рабочих лопаток ГТД;

– интерметаллидный никелевый сплав ВКНА-25 – для рабочих лопаток и деталей соплового аппарата.

Существенное повышение свойств и эксплуатационных характеристик этих сплавов достигается путем получения в них при определенных условиях производства наноструктурного состояния материала. Такими условиями являются разработанные во ФГУП «ВИАМ» процессы высокотемпературного вакуумного рафинирования и микролегирования сплавов, а также специальные режимы литья и термической обработки.

Основу технологии получения наноструктурных никелевых жаропрочных и интерметаллидных сплавов составляют два металлургических процесса высокотемпературное вакуумное рафинирование расплава и микролегирование.

Первый из них предназначен для максимальной очистки расплава от кислорода, азота, серы и других вредных примесей, которые, взаимодействуя с основными легирующими элементами сплава, образуют при кристаллизации крупные (в десятки микрометров) неметаллические включения. Присутствие этих включений в металле нарушает стабильность процесса наноструктуризации материала.

Процесс высокотемпературного вакуумного рафинирования проводится при температурах расплава, значительно превышающих температуру плавления металла, в высоком вакууме 1∙10-3 ÷ 5∙10-4 мм рт. ст. (133,3∙10-3 ÷ 667∙10-4 Па), что позволяет удалить большую часть газовых примесей (кислорода и азота) за счет разложения неметаллических включений.

Процесс микролегирования осуществляется путем введения в расплав редкоземельных элементов (РЗМ) – лантана, церия, иттрия – и решает две задачи во-первых, РЗМ активно взаимодействуют с кислородом, азотом и серой с образованием легко удаляемых из расплава (путем всплывания) соединений, что обеспечивает получение заданных значений количества этих примесей в металле (≤0,001%) во-вторых, часть РЗМ остается в металле и как поверхностно-активные элементы способствует наноструктуризации  структуры в процессе последующей термической обработки материала.

Важнейшим условием обеспечения этого эффекта является оптимальное дозирование остаточного содержания РЗМ в металле, что достигается точным соблюдением температурных и временны́х параметров процесса микролегирования.

Промышленный выпуск наноструктурных литейных жаропрочных сплавов позволит обеспечить разработку и производство авиационных двигателей нового поколения материалами, по своим свойствам и эксплуатационным характеристикам значительно превосходящими все известные отечественные и зарубежные материалы аналогичного назначения.

Использование этих материалов обеспечит:

– повышение температуры газа на входе в турбину с 1800 до 2000 К;

– повышение ресурса двигателя в 2–3 раза;

– снижение расхода топлива, увеличение дальности полета самолетов;

– увеличение безопасности полетов благодаря повышению надежности конструкций двигателя.

Значительный прогресс в материаловедении связан с эффективным влиянием наноразмерных структурных элементов на свойства материалов. В общей глобальной проблеме «Нанотехнологии и наноматериалы», по мнению некоторых академиков, можно выделить два стратегических направления: в первом случае – разработка и производство нанообъектов осуществляется путем манипуляции отдельными атомами и молекулами, а во втором – наноструктурированные и наноразмерные материалы конструкционного назначения создаются с использованием традиционных подходов. Работы по алюминиевым деформируемым сплавам, направленные на достижение высоких показателей прочности и других свойств, проводились в рамках второго направления.

При создании алюминиевых сплавов с наноструктурными элементами использовали следующие методы:

– интенсивная пластическая деформация (ИПД) при равноканальном угловом прессовании с формированием структуры с размером зерен ~(10 – 100) нм;

– микролегирование переходными элементами (Sc, Zr, Hf и др.) с целью создания наноразмерных частиц фаз (Al3Sc, Al3Zr, Al3Hf), обеспечивающих дополнительное упрочнение путем торможения движения дислокаций и сохранения нерекристаллизованной субзеренной структуры;

– многоступенчатая термическая обработка, в результате которой максимальный эффект (дисперсионное упрочнение – ДУ) достигается в результате оптимизации морфологии и объемной доли наноразмерных выделений метастабильных упрочняющих фаз типа Al2Cu, Al2CuMg, Mg2Si, MgZn2;

– создание термически стабильных наноразмерных композитных частиц метастабильных фаз в Al-Li сплавах (Al3Li/Al2Cu, Al3Li/Al3Zr, Al3Li/Al3Sc).

Элементы наноструктуры могут занимать и относительно небольшой объем материала, обеспечивая при этом требуемый уровень свойств и выполняя основную функциональную нагрузку.

Возможно формирование однофазных наноразмерных зерен, занимающих весь объем материала. Уменьшение размера зерен в области наномасштаба увеличивает прочностные свойства в несколько раз.

В результате совмещения дисперсионного и наноструктурного (в результате интенсивной пластической деформации) упрочнения достигается максимальный эффект. При этом пределы прочности и текучести при растяжении высокопрочного сплава типа В96Ц3 достигали 940 и 890 МПа соответственно. Имеются статистические данные, которые свидетельствуют, что уменьшение размера зерен в области наномасштаба в 10 раз увеличивает предел прочности в 3 раза.

Получение наноструктурированных материалов позволит поднять на новый уровень материаловедческие и конструкторские разработки. 

Важнейшими задачами в области нанотехнологий и нанокомпозитов, стоящими перед ФГУП «ВИАМ», являются:

– организация промышленного производства и разработка НТД серийного получения углеродных и неорганических (карбидных, оксидных и др.) наночастиц, а также нанотрубок, нановолокон и т. п.;

– организация промышленного производства препрегов и угленанокомпозитов для молниезащитных и градиентных материалов;

– разработка новых составов и структур авиационно-космических нанокомпозитов и наноматериалов различного назначения, технологий их получения, обеспечивающих достижение существенно более высокого уровня свойств и качества;

– разработка методов и средств эффективного и доступного контроля за качеством наночастиц и наноматериалов.


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!