Перспективные применения объёмных наноструктурных материалов в машиностроении

Для машиностроения перспективу имеют методологии с использованием самоорганизации нановыделений на границах крупных фаз, составляющих материал конструкции. Уже в ближайшие 5 лет в России могут быть созданы высокотехнологические производства в области объемного наноструктурирования изделий различного назначения из традиционно используемых металлических материалов. В последние годы они нашли практическое воплощение благодаря созданию новой инженерной школы и принципиально новой «интеллектуальной» методологии наноструктурирования. Работы проводятся в Инженерном Центре Российской инженерной академии «Передовые технологии» им. А. Чохова на базовых предприятиях: ГКНПЦ им. М.В. Хруничева и российско–германском СП «Мосвирт».

На принципах направляемой самоорганизации наноструктур карбидных фаз при экстремальных воздействиях в условиях фрагментации (циклическая закалка, плазменная обработка в режиме закаливания, интенсивная пластическая деформация,) решена задача не только поверхностного, но и объемного наноструктурного упрочнения изделий конструкционного, инструментального, трибо- и теплотехнического назначения из традиционно используемых сталей и твердых сплавов.

В основу разработки положено представление о гетерофазном материале, как «интеллектуальной» структурной системе, способной к самоорганизации упрочняющих наноструктур фаз, как защитной реакции на внешнее воздействие.

Запатентованы новые способы и ресурсосберегающие нанотехнологии, в том числе повышения долговечности на этапе эксплуатации, упрочнения твердых сплавов, нержавеющих, конструкционных и инструментальных марок стали, кузнечной сварки многослойных композиций и производства цельнокованого нержавеющего дамаска, квазиаморфного модифицирования карбидами и оксидами кремния. При этом ресурс изделий различного назначения, изготовленных по новой методологии для авиации и космоса, машиностроения, строительной, горнодобывающей, перерабатывающей, пищевой и др. отраслей промышленности повышается от 200 до 500%.

Технологии объемного наноструктурирования объединяет направляемая эволюция диссипативных субструктур, самоорганизующихся в направлении наиболее эффективного обмена энергией и веществом со средой обитания (СО) на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ), что определяет исключительно малые энергозатраты. Они реализуются на традиционном термическом оборудовании, имеющемся на любом машиностроительном заводе, а стоимость изделий и инструментов с использованием наших технологий на 20-25% ниже лучших зарубежных аналогов. Немаловажен и другой аспект - ресурсосбережение. Они могут использоваться в замкнутом цикле: производство - эксплуатация - воспроизводство.

Физико-химические основы объемного наноструктурирования. Еще в 80-е годы ушедшего века у нас сложилось представление об иерархии самоорганизующихся ансамблей с углеродными атомами на начальном этапе эксплуатации в макроупругой области (_вн0,8_s) или в условиях мощного силового воздействия при изготовлении стальных и металлокерамических изделий. Расчетно-экспериментальным путем, с использованием тонких физических методов и компьютерных технологий установлено, что существует некая критическая величина времени приложения циклической или квазистатической нагрузки, когда дополнительное термическое воздействие в режиме «возврата» может увеличить долговечность до 5 раз. Это связано с самоорганизацией неравновесных субструктур матричной фазы в условиях фрагментации, например, мартенсита (М), что является защитной реакцией материала на силовое воздействие СО и состоит в том, что через когерентно связанную с М -фазу (Fe_2,4C) непрерывно, от цикла к циклу эпитаксиально формируются более сложные и более совершенные карбиды (К- фазы), обеспечивающие уменьшение энтропии в гетеросистеме – непрерывной спектр К- фаз нано- и микроуровневого масштаба, постепенно переводя структурную систему из циклически разупрочняющегося в циклически упрочняющееся состояние по схеме:

метастаб метастаб метастаб

М  М  Fe_2,4 C  Fe₃ C  (Fe,Cr)₇ C₃ ; (Fe,Cr)₂₃ C₆; (Fe,Mn)₃ C 

граница основной

 Mе₂C; Mе₆C (Fe,W,Mo,Cr,V)₆ C

Первостепенную роль при этом играет поэтапно наблюдаемый процесс наноструктурирования матричной фазы: 300...500 циклов - сетчатая наноструктура (1-е КС) —> 1000 циклов - ячеистая фрагментация (2-е КС) —>после 1000 циклов - накопление необратимой микроповрежденности (3-е КС).

В данном контексте, наноструктура – это продукт неравновесных процессов взаимодействия коллективных систем, составляющих твердую фазу. В условиях фрагментации границы М-фазы армируются метастабильными выделениями нанометрового масштаба, образуя нанокомпозит повышенной удельной прочности, упорядоченный в пространственно-временной гетеросреде. Стабилизирующая термическая обработка (СТО) фиксирует это высокопрочное состояние материала.

Метрология объемного наноструктурирования. «Интеллектуальная» методология нанотехнологий востребовала использование средств виртуальной реальности и нового многоуровневого (нано-, микро-, макро) CALS – мониторинга ресурса. Постоянный доступ к состоянию структуры материала для эффективного поддержания жизненного цикла относится к проблемным инженерным вопросам. В первую очередь, это тонкая диагностика критических состояний (КС) и перестройки метастабильных субструктур в пространственно-временной гетеросреде.

Метрология объемного наноструктурирования металлических материалов на этапах изготовления и эксплуатации изделий направлена на определение КС (точек бифуркации) гетеросистемы и выявление направления самоорганизации субструктур в направлении одновременного повышения жесткости, прочности и пластичности.

Удачным откликом на силовое воздействие оказался дефект плотности (_/_о), как многоуровневая (макро-, микро-, субмикроуровни) система оценки степени поврежденности и ресурса материала:

(_/_о) = (/_о)_ф + (/_о)_д + (/_о)_повр.,

где: - _- изменение интегральной плотности стали;

• _ф, _д, _повр.- изменение плотности за счет фазовых изменений, накопления дефектов кристаллического строения и поврежденности, соответственно;

- (/_о)_д = 0,05% от (_/_о) в том числе неравновесных вакансий 10^-11%;

• _{ф =} _iV/G (где pi, V; - плотность и объем i фазы; G – общий объем);

• состояние равновесия _о является неустойчивым;

• _1, _2, _3, ... _, _n изменяются до достижения нормирующего значения (последовательность критических состояний КС).

Эта многоуровневая физическая величина положена в основу метрологии изменения фазового состава, тонкой структуры и накопления поврежденности.. Физические методики рентгеновской дифрактометрии, внутреннего трения и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения в рамках данной метрологии решают не только задачи диагностики КС – динамику процессов структурных перестроек, приводящих к изменению жесткости, прочности и пластичности и к появлению обратимой и необратимой поврежденности. Эти прецизионные методики CALS-доступа к состоянию гетеросистемы позволяют подобрать условия среды обитания (СО), комфортные для реализации необходимых направлений эволюционного развития.

Выявлены закономерности адекватно оценивающие взаимосвязь между характеристиками дисперсионного твердения - HB (по академику РАН Кишкину С.Т.) – макроуровень, HV – микроуровень, атомно-силовой микроскоп (АСМ) – наноуровень; запасом пластичности (способность к сдвиговым деформациям) по отношению к эталону – армко-Fe, например, на макроуровне через соотношение диаметров отпечатков (ГОСТ 9012-50, ИСО 410-82); концентрации основного элемента матричной фазы во вторичных (спектр железных и комплексных карбидов тонкой морфологии Fe_2,4C  Fe₃C  Me₃C  Me₆C); поврежденности, вычисляемой по формуле: (/_о)_повр =(_/_о) - (/_о)_ф - (/_о)_д

Полученные закономерности использованы при разработке и освоении технологий объемного наноструктурирования изделий триботехнического назначения (ШХ15), комбинированных инструментов нового поколения (сталь 30ХГСА, 40Х - державки, Р6М5, сплав ВК8 - режущие пластины и зубки), гидроштампованных фитингов и тонкостенных оболочек из стали 12Х18Н10Т, цельнокованного нержавеющего дамаска из стали 40Х13.

Технологические примеры объемного наноструктурирования на этапах эксплуатации и изготовления изделий

1. Технологическая схема объемного наноструктурирования конструкционной стали на этапе эксплуатации.

- Пересыщенный твердый раствор  образования сегрегаций на дислокациях и упорядоченных зон нановыделений (1-е КС)  растворение нестабильных ( 10нм) нановыделений в матрице и формирование комплексных вторичных фаз из выделений на дислокационных стенках сетчатой субструктуры (2-е КС)  потеря когерентности и коалесценция карбидов на фоне распада сетчатой и формирования ячеистой субструктуры, накопление микроповрежденности (3-е КС).

- На начальном этапе 2-го КС существует некая критическая величина и время приложения нагрузки, когда стабилизирующая термообработка (СТО) в режиме «возврата» на 200-500% увеличивает ресурс серийных марок стали. Повышение долговечности с использованием СТО связано с образованием многослойных устойчивых дислокационных стенок, представляющих собой границы 30-50нм "сеток", закрепленных предвыделениями -фаз типа Fe_2,4C и комплексными К-фазами ( 10нм) переменного состава и тонкой морфологии для стали и -фазами (например, W₃Co₃C) для твердого сплава ВК. При этом отмечено повышение упругого модуля до 5-10%.

2. Углеродистый и нержавеющий дамаск нанокристаллической структуры.

С использованием нового способа кузнечной сварки с ТЦСУ многослойной композиции на основе углеродистой стали У 12 – ст. 3 древнему дамаску приданы качественно новые свойства, не уступающие лигированным сталям: - твердость 60-61 HRC, - ударная вязкость 0,3 Мдж/м², - плотность 7700-7800 кг/м³.

Разработана технология кузнечного наноструктурирования нержавеющей стали в условиях эпитаксии упрочняющих К-фаз нанометрового масштаба. По этой технологии изготовлены и апробированы промышленные партии кутерных и дисковых ножей, ручных мясо-, рыбо-, и птицеразделочных ножей из стали 40Х13 с твердостью 59-61 HRC (сертификат соответствия ГОСТ Р ИСО 9002-96, гигиенический сертификат на кузнечные и термические операции) для пищевой и перерабатывающей промышленности.