Соглашение 14.575.21.0001

14.575.21.0001
<Номер постера>
Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Индустрия наносистем
Тема: Создание нового поколения жаростойких тонкоплёночных материалов на основе нанокомпозитных, аморфных и
многослойных структур
Руководитель проекта: гл.н.с., проф. Штанский Д.В.
Соглашение 14.575.21.0001
на период 2014 - 2015 гг.
Получатель субсидии: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального
образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Цели и задачи проекта
Целью проекта является исследование и разработка новых составов и технологии получения защитных покрытий (ЗП) с жаростойкостью более 1400ºС, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств углерод-углеродных композиционных материалов, а
также сплавов на основе молибдена и хрома, работающих в условиях высокотемпературного окисления.. В работе решаются следующие задачи: развитие научных и технологических принципов синтеза в режиме горения (СВС), а также горячего
прессования и искрового плазменного спекания (SPS) композиционных катодов-мишеней новых составов, обладающих достаточной тепло- и электропроводностью, стойкостью к тепловым ударам, разработка новых подходов к получению
покрытий, имеющих высокую адгезию к подложкам из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и сплавов на основе молибдена и хрома, создание новых типов покрытий заданной толщины с нанокомпозитной, аморфной,
многослойной структурой и оптимальным химическим и фазовым составом. Актуальность работы подтверждается анализом отечественных и зарубежных литературных данных в том числе результатами работ ведущих лабораторий
мира в области инженерии поверхности и создания защитных покрытий.
Ожидаемые результаты проекта
Результаты выполнения работ включают: промежуточные и заключительный отчёт о НИР; отчеты о патентных исследованиях, экспериментальные образцы многофазных катодов-мишеней, полученные по технологиям СВСкомпактирования, горячего прессования, искрового плазменного спекания, в количестве не менее 5 шт; экспериментальные образцы тонкоплёночных материалов на подложках из УУКМ, молибдена, хрома, в количестве не менее 15 шт.;
программу и методики исследовательских испытаний катодов-мишеней, исследовательских испытаний покрытий; лабораторные регламенты на процессы получения новых типов катодов-мишеней с помощью СВС, горячего прессования,
SPS, получения жаростойких покрытий; заявки на получение правоохранных документов объектов интеллектуальной собственности; выполнение оценки эффективности полученных результатов в сравнении с современным научнотехническим уровнем, разработка рекомендаций по возможности использования результатов проведенных НИР в реальном секторе экономики, проект технического задания на ОТР. Показатели ТЗ для разрабатываемых материалов превосходят
уровень используемых в настоящее время материалов плёнок и покрытий и соответствуют уровню лучших образцов, разрабатываемых в ведущих лабораториях мира.
Перспективы практического использования
Разработанные покрытия предназначены для ответственных узлов и деталей, двигателей и установок (термонагруженные элементы камеры сгорания и системы подачи топлива термокаталитических, плазменных, ядерных
двигателей и ЖРДМТ коррекции орбиты КА), работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Основное назначение разрабатываемых материалов касается защиты изделий из хромистых и молибденовых сплавов, углеродуглеродных композиционных материалов. За счёт внедрения полученных результатов могут быть достигнуты эффекты повышения срока службы и эксплуатационных характеристик различных деталей ракетно-космической техники,
деталей газотурбинных двигателей, работающих в условиях воздействия паров воды и др. Помимо применения непосредственно разработанных покрытий возможно также внедрение разработанных керамических катодных материалов
на производственных участках ионно-плазменного нанесения покрытий
Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г.
В 2015 г. проведены следующие работы: разработан проект лабораторного регламента на процесс получения ЗП, получены экспериментальные образцы защитных покрытий (ЗП) составов MoSiB(N) и ZrSiB(N) в том числе легированных Al, а также ЗП SiBC(N) на
модельных подложках, подложках из УУКМ и цветных сплавов, разработана Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов ЗП, проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов ЗП по разработанным ПМ,
проведен анализ взаимосвязи между составом мишеней, режимами осаждения и составом, структурой, свойствами ЗП, выбраны оптимальные параметры напыления для обеспечения высокой адгезионной прочности ЗП к подложкам из УУКМ, цветным сплавам,
сплошности и равномерности ЗП при обеспечении минимальной шероховатости, проведены дополнительные патентные исследования по обоснованию целесообразности правовой охраны объектов интеллектуальной собственности, изготовлены экспериментальные
образцы ЗП с использованием ионно-плазменных технологий с различной комбинацией слоев, с учетом оптимизации процессов напыления, разработан Лабораторные регламенты на процессы изготовления образцов катодов-мишеней с помощью СВС, горячего
прессования, SPS, на процесс получения ЗП, проведена оценка эффективности полученных результатов по сравнению с современным научно-техническим уровнем, подготовлен проект ТЗ на ОТР.
Для осаждения покрытий Mo-(Al)-Si-B-(N),
Zr-(Al)-Si-B-(N), Si-B-C-(N) применялись
методы ионного и магнетронного
распыления композиционных катодов. Для
повышения адгезионной прочности
применялась ионная бомбардировка
подложек (Ti2+, 70 кэВ, либо Ar+, 2 кэВ).
Покрытия исследовались с
помощью методов РФЭС, РФА,
ПЭМ ВР, ИК- и КРспектроскопии, ОЭСТР, РЭМ,
ЭДС, наноиндентирования,
скратч-тестирования,
циклических ударных
испытаний. Были определены
термическая стабильность,
жаростойкость, стойкость к
термоциклированию,
диффузионно-барьерные
свойства покрытий.
Импакт-тестер
Спектрометр
CemeCon
Profiler 2 HJY
Муфельная печь
SNOL Umega
Печь вакуумная ВакЭто
Покрытие MoSiB(N) на
подложке из УУКМ
Покрытие MoSiB(N)
Подложка Mo
Результаты
после отжига
на воздухе
при 1600°С
Сравнительная таблица по твёрдости и
жаростойкости
Результаты исследований показали, что разработанные покрытия
обладают сочетанием высоких механических свойств (твёрдость в
диапазоне 15-40 ГПа) и высокой адгезионной прочностью к различным
типам подложек (критическая нагрузка >50Н) с высокой термической
стабильностью, жаростойкостью (до 1600°С) и стойкостью к
термоциклированию. По сочетанию свойств покрытия превосходят
имеющиеся мировые аналоги.
По результатам работы в 2015 г опубликованы 3 статьи и
зарегистрированы 2 ноу-хау:
1. Ph. V. Kiryukhantsev-Korneev et al. Structure and Properties of
Nanocomposite Mo–Si–B–(N) Coatings. Protection of Metals and Physical
Chemistry of Surfaces, 2015, Vol. 51, No. 5, pp. 794–802
2. Ph. V. Kiryukhantsev-Korneev et al. Investigation of the Si–B–C–N
Coatings Deposited Using Magnetron Sputtering of SiBC Targets. Russian
Journal of Non-Ferrous Metals, 2015, Vol. 56, No. 5, pp. 540–547.
3. Potanin et al. Silicon carbide ceramics SHS-produced from
mechanoactivated S-C-B mixtures. International Journal of Self-Propagating
High-Temperature Synthesis. 24 (2015) 119-127
4. Ноу-хау «Способ нанесения жаростойких покрытий в системе Si-BC-N» Зарегистрировано в Депозитарии ноу-хау Отдела защиты
интеллектуальной собственности № 19-340-2015 ОИС от 02 июня
2015 г. Авторы: Е.А. Левашов, Д.В. Штанский и др.
5. Ноу-хау «Твердые нанокомпозитные покрытия, обладающие
высокой жаростойкостью при температурах до 1500оС, и способ их
нанесения». Зарегистрировано в Депозитарии ноу-хау Отдела
защиты интеллектуальной собственности № 18-340-2015 ОИС от 02
июня 2015 г. Авторы: Е.А. Левашов, Д.В. Штанский и др.
Партнеры проекта
Индустриальный партнер проекта: «Закрытое акционерное общество «Научно-производственное объединение «Металл», сфера деятельности которого включает научные
исследования и разработки в области естественных и технических наук, осуществляет финансовую поддержку выполнения исследовательских работ (выполняет работы по
подготовке образцов катодных материалов для проведения структурных исследований и испытаний по определению стойкости к термоциклированию, изготовлению комплекта
подложек для последующего осаждения ЗП ионно-плазменными методами, подготовке образцов подложек с ЗП для последующих структурных исследований и определения свойств )
Соисполнители: отсутствуют
14.575.21.0001
<Номер постера>