Физико-математическое моделирование трибологических процессов и разработка материалов и технологий, обеспечивающих требуемые фрикционно-износные характеристики сложнонагруженных узлов трения

Раздел 1. На основе теоретического анализа предложены математические модели для расчета температуры, остаточных напряжений для технологии сварки трением с перемешиванием. Максимальные значения температуры достигаются на поверхности деталей в плоскости контакта с заплечиком инструмента. Тепловая мощность генерируется как в области, примыкающей непосредственно к узкому пину, так и под относительно широким заплечиком. Соотношение мощностей, выделяемых непосредственно в области контактов с образцом пина и заплечика составляет примерно w=0,3. Изложен метод приближенного определения геометрических параметров наплыва от высоты h и длины l в зависимости от глубины внедрения и проведены опыты по индентированию образцов технического пластелина индентором, имеющим форму параболоида вращения с замером h и l и усилия давления. Проверялась согласованность теоретически полученных данных с экспериментальными. Исследуется трение и износ технически чистого титана Grade 4 в ультрамелкозернистом состоянии при комнатной температуре в условиях фреттинга - высоких частотах и минимальных амплитудах смещения. В композиционной керамике Al2O3 + графен изучается роль добавок графена. Проведены экспериментальные исследования следующих свойств: трибологических, при комнатной и повышенных температурах (износостойкость и коэффициент трения); механических, в зависимости от глубины вдавливания индентора (микро и нанотвердость, модуль Юнга, трещиностойкость), а также характер разрушения композита при сжатии. Продолжены работы по установлению особенностей и механизма электропластического эффекта при растяжении титана и его сплавов, и растяжению, изгибу дуплексной стали. Предложен метод диагностики абразивной стойкости материалов, заключающийся в высокоскоростном соударении частиц с исследуемой поверхностью. Представлена схема реализации метода. Приведены результаты экспериментальных исследований, в том числе изображения продиагностированных образцов и их поверхности со следами взаимодействия с абразивно-жидкостным потоком. Обоснованы феноменологические 6 представления о характере эрозии различных материалов в результате их взаимодействия с абразивно-жидкостным потоком. Сделаны выводы о возможности использования разработанного метода в машиностроении и смежных областях. РАЗДЕЛ 2 Объектом исследования является смазка тяжелонагруженных узлов трения современных машин и механизмов. Цель работы – повышение смазочной способности масел для обеспечения энерго- и ресурсосбережения, в частности – для экономии невозобновляемых природных ресурсов и снижения нежелательного воздействия смазочных сред на экологию. В данном разделе отчёта рассматриваются следующие методы повышения трибологических характеристик смазочных материалов при трении в режиме граничной смазки – путём применения присадок к этим смазочным материалам (в частности – геомодификаторов трения), а применительно к пластичным смазкам – также путём оптимизации составов загустителя и наполнителей и присадок для конкретных условий функционирования этих смазок), и путём обеспечения модификации поверхностей трения, позволяющей повысить уровень взаимодействия с активными компонентами смазочных материалов (в данном случае – использование алмазоподобных покрытий, в частности – покрытий легированным монокристаллическим углеродом). На базе полученных экспериментальных данных уточнена тройная диаграмма для оценки возможных областей существования алмазоподобных фаз в координатах Sp1Sp2Sp3 позволяющая установить область существования покрытий стальных деталей монокристаллическим углеродом. Экспериментально установлено оптимальное по смазочной способности сочетание силикагелевого загустителя, наполнителей и присадок к смазкам для применения в условиях высоких температур, агрессивных средах и в ядерных реакторах, а также применительно к солидолам установлено что введение полимочевины в их состав позволяет использовать их в тропических условиях Вьетнама. Разработан метод определения зависимостей силы трения от времени («кривые ИМАШ РАН»), и модернизирована машины трения XG, оценен вклад отдельных составляющих общего момента сил трения смазываемого радиального подшипника качения. РАЗДЕЛ 3. Объектом исследования являются поверхности трения высокооборотных подшипников скольжения, функциональные свойства которых зависят от качества поверхностных слоев. Цель работы – проведение трибологических модельных испытаний перспективных антифрикционных материалов с различным набором регулярного рельефа на одной из поверхностей трения для оценки их способности эффективно работать в условиях высоких скоростей в жидкой среде и выдать рекомендации по применению материалов и конструкций поверхностей трения в упорных подшипниках главных циркуляционных насосов атомных электростанций (ГЦН АЭС). В работе показано, что перспективными материалами для работы в высокооборотных жидкостных подшипниках скольжения являются металлические, керамические и металлокерамические материалы в компактном виде и в виде покрытий.. Для эффективного создания гидродинамического клина используют разделение поверхности трения на отдельные сегменты с различными механизмами их крепления и создают отдельные «карманы» и углубления на поверхности трения. В работе показано, что перспективно применение текстуры в виде спиральных канавок или в виде набора локальных углублений. 7 РАЗДЕЛ 4 Объектом исследования являются пары трения механизмов авиационно- космической техники, работающие в условиях высоких температур. Цель работы – улучшить антифрикционные свойства углерод-углеродного композиционного материала путем разработки модификаторов трения и технологии их нанесения на поверхности трения. В процессе работы созданы модификаторы трения для углеродных композитов позволяющие обеспечить работу узлов трения в условиях высоких температур при трении по стали 40Х13. Экспериментально подтверждено достижение коэффициента трения менее 0.2. Установлено, что модификаторы поверхности трения материала «Арголон-2D» улучшают антифрикционные свойства, уменьшают значение коэффициента трения. В диапазоне температур 20...500 °С более эффективными являются модификаторы ПТФЭ, Se-ПТФЭ, SnSe-ПТФЭ, InSb-Se-ПТФЭ, которые обеспечивают значения коэффициента трения в диапазоне 0,07...0,20. Применительно к узлам трения, предназначенных для работы на поверхности Венеры, показано, что коэффициент трения при скорости 0,16 м/с и температуре 500 °С изменяется в диапазоне 0,07...0,11. Коэффициент трения модифицированной поверхности «Арголон-2D» + InSb-ПТФЭ в 4,3 раза меньше, чем материала «Арголон-2D». Выполнены исследования многокомпонентных покрытий с добавками микро и нано карбидов, полученные аддитивными лазерными технологиями. Определены триботехнические характеристики: коэффициенты трения, интенсивности изнашивания и параметры задиростойкости покрытий. В процессе работы проводились лабораторные испытания пар трения при нормальных условиях. В результате исследования установлены закономерности снижения интенсивности изнашивания, коэффициентов трения и повышения нагрузки заедания наплавленных покрытий. Определены основные направления экспериментальных модельных фреттинг- износа соединения деталей в авиационной и космической технике. РАЗДЕЛ 5 В работе проведены исследования трибологических свойств пластичных смазочных материалов при работе в условиях, приближенных к космическим (раздел 5.1). Разработали испытательное оборудование и методику испытаний пластичных смазочных материалов для оценки относительного ресурса и коэффициента трения при работе в нормальных климатических условиях и в вакууме при повышенной температуре. Провели испытания образцов отечественных и зарубежных пластичных смазочных материалов. Определили относительных ресурс смазок при работе в различных условиях. Наблюдали существенное снижение ресурса при переходе от нормальных условий к космическим. Изучили (раздел 5.2) возможность применения полимеров для 3D-печати для изготовления узлов трения, работающих в космосе. Провели трибологические испытания образцов полимеров, изготовленных при помощи аддитивных технологий. Оценили ресурс и трибологические свойства материалов в вакууме и при повышенной температуре. Приведены трибологические характеристики алмазоподобных покрытий (раздел 5.3), нанесенных различными методами и легированных молибденом, вольфрамом и хромом. На основании полученных результатов покрытия, легированные хромом, рекомендованы для дальнейшего исследования с целью практического применения в узлах трения, работающих без смазки при больших контактных давлениях.