В НГТУ НЭТИ разрабатывают высокоэнтропийные сплавы с высокой износостойкостью для машиностроения
Новости
Доцент механико-технологического факультета кафедры материаловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета НЭТИ Алексей Руктуев получил грантовую поддержку Российского научного фонда по проекту «Исследование композиционных покрытий на основе высокоэнтропийных сплавов, упрочненных тугоплавкими частицами». Разработка поможет обеспечить долговременную работу материалов, использующихся в условиях трения, повышенных температур и агрессивной среды в машиностроении.
Справка: высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) – это новый подход к созданию материалов, поскольку в них нельзя выявить какой-то основной элемент. В традиционно применяемых материалах один из элементов является основным, например, в таких материалах, как сталь и чугун преобладает большое количество железа, содержание которого доходит до 90%, после чего к нему добавляются другие элементы, чтобы повысить свойства основного материала. Интенсивный износ изделий, работающих в условиях трения, повышенных температур и агрессивной среды, является одной из проблем машиностроения. При этом разрушение деталей, как правило, начинается с поверхностных слоев, в которых возникает максимальная концентрация напряжений. Для обеспечения долговременной работы материалы, работающие в подобных условиях, должны обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, а также вязкостью разрушения. Традиционно применяемые материалы на основе металлических сплавов, керамик или интерметаллидов не всегда могут обеспечить необходимый уровень эксплуатационных свойств.
«В 2004 году началось активное изучение такого типа материалов, как высокоэнтропийные сплавы и, соответственно, никто не знал, что по итогу от них можно было ожидать. Изначально была уверенность, что в данных материалах будет проявляться ряд уникальных эффектов, если смешать не менее пяти элементов, примерно по 20 атомных процентов. И на данный момент до сих пор продолжают исследовать и искать особые свойства данных материалов, которые могут быть полезными. За счет большого количества различных элементов такие сплавы получаются дорогостоящими, поэтому мы и предлагаем из материалов высокоэнтропийных сплавов сделать покрытие. Для этого мы сотрудничаем с Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера в Академгородке, у которого имеется экспериментальный стенд на базе промышленного ускорителя электронов ЭЛВ-6 по обработке материалов концентрированным электронным пучком, выпущенным в атмосферу. Данное оборудование позволяет с высокой эффективностью получать покрытия на различных типах материалов. Мы пробуем создать покрытия на поверхности стальных заготовок, чтобы попробовать повысить экономический эффект. То есть мы берем относительно недорогой основной материал и сверху создаем покрытие, которое будет выдерживать высокую температуру, либо работать в кислотах, либо обладать высокой стойкостью к изнашиванию в узлах трения. Также основная идея заключается в том, чтобы добавлять твердые частицы, такие как карбиды, бориды и т.д. Одним из актуальных подходов к повышению экономической эффективности применения дорогостоящих материалов с высоким комплексом свойств является применение их в качестве защитных слоев на более дешевых конструкционных материалах», — рассказывает Алексей Руктуев.
По его словам, планируемые в проекте исследовательские работы позволят получить данные о структурных и фазовых особенностях, механических и эксплуатационных свойствах композиционных покрытий на основе высокоэнтропийных сплавов. В процессе выполнения проекта будут подробно изучены закономерности формирования структуры покрытий в процессе вневакуумной электронно-лучевой наплавки, особенности фазовых превращений покрытий, происходящих в процессе нагрева и выдержки при повышенных температурах. Будут определены рациональные составы и режимы технологии наплавки. Полученные результаты расширят область фундаментальных знаний в области исследования ВЭС и покрытий на их основе, а также поспособствуют развитию технологий разработки жаростойких и износостойких покрытий из новых сплавов.
«Это могут быть различные типы упрочняющих покрытий, например, в области машиностроения, поверхности элементов насосов, где идет перекачка какой-нибудь жидкости: воды или кислот. И как раз там есть определенные абразивные частицы, по этой причине элементы насоса, которые взаимодействуют с этой жидкостью, нужно покрывать, чтобы они меньше изнашивались, тем самым предотвращать аварийные случаи», — поясняет Алексей Руктуев.
Выделенные Российским научным фондом средства по проекту будут направлены на дальнейшее развитие данной разработки, закупку научного оборудования и расходного материала, а также привлечение будущих потенциальных партнеров.
Справка: высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) – это новый подход к созданию материалов, поскольку в них нельзя выявить какой-то основной элемент. В традиционно применяемых материалах один из элементов является основным, например, в таких материалах, как сталь и чугун преобладает большое количество железа, содержание которого доходит до 90%, после чего к нему добавляются другие элементы, чтобы повысить свойства основного материала. Интенсивный износ изделий, работающих в условиях трения, повышенных температур и агрессивной среды, является одной из проблем машиностроения. При этом разрушение деталей, как правило, начинается с поверхностных слоев, в которых возникает максимальная концентрация напряжений. Для обеспечения долговременной работы материалы, работающие в подобных условиях, должны обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, а также вязкостью разрушения. Традиционно применяемые материалы на основе металлических сплавов, керамик или интерметаллидов не всегда могут обеспечить необходимый уровень эксплуатационных свойств.
«В 2004 году началось активное изучение такого типа материалов, как высокоэнтропийные сплавы и, соответственно, никто не знал, что по итогу от них можно было ожидать. Изначально была уверенность, что в данных материалах будет проявляться ряд уникальных эффектов, если смешать не менее пяти элементов, примерно по 20 атомных процентов. И на данный момент до сих пор продолжают исследовать и искать особые свойства данных материалов, которые могут быть полезными. За счет большого количества различных элементов такие сплавы получаются дорогостоящими, поэтому мы и предлагаем из материалов высокоэнтропийных сплавов сделать покрытие. Для этого мы сотрудничаем с Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера в Академгородке, у которого имеется экспериментальный стенд на базе промышленного ускорителя электронов ЭЛВ-6 по обработке материалов концентрированным электронным пучком, выпущенным в атмосферу. Данное оборудование позволяет с высокой эффективностью получать покрытия на различных типах материалов. Мы пробуем создать покрытия на поверхности стальных заготовок, чтобы попробовать повысить экономический эффект. То есть мы берем относительно недорогой основной материал и сверху создаем покрытие, которое будет выдерживать высокую температуру, либо работать в кислотах, либо обладать высокой стойкостью к изнашиванию в узлах трения. Также основная идея заключается в том, чтобы добавлять твердые частицы, такие как карбиды, бориды и т.д. Одним из актуальных подходов к повышению экономической эффективности применения дорогостоящих материалов с высоким комплексом свойств является применение их в качестве защитных слоев на более дешевых конструкционных материалах», — рассказывает Алексей Руктуев.
По его словам, планируемые в проекте исследовательские работы позволят получить данные о структурных и фазовых особенностях, механических и эксплуатационных свойствах композиционных покрытий на основе высокоэнтропийных сплавов. В процессе выполнения проекта будут подробно изучены закономерности формирования структуры покрытий в процессе вневакуумной электронно-лучевой наплавки, особенности фазовых превращений покрытий, происходящих в процессе нагрева и выдержки при повышенных температурах. Будут определены рациональные составы и режимы технологии наплавки. Полученные результаты расширят область фундаментальных знаний в области исследования ВЭС и покрытий на их основе, а также поспособствуют развитию технологий разработки жаростойких и износостойких покрытий из новых сплавов.
«Это могут быть различные типы упрочняющих покрытий, например, в области машиностроения, поверхности элементов насосов, где идет перекачка какой-нибудь жидкости: воды или кислот. И как раз там есть определенные абразивные частицы, по этой причине элементы насоса, которые взаимодействуют с этой жидкостью, нужно покрывать, чтобы они меньше изнашивались, тем самым предотвращать аварийные случаи», — поясняет Алексей Руктуев.
Выделенные Российским научным фондом средства по проекту будут направлены на дальнейшее развитие данной разработки, закупку научного оборудования и расходного материала, а также привлечение будущих потенциальных партнеров.