Создание триботехнических материалов и покрытий нового поколения на основе интеллектуальной (цифровой) технологии синтеза. Этап 3

По результатам проведенных методических и модельных оценок в качестве высокоэнтропийных систем для формирования покрытий были выбраны: Ме-Ti-Zr-Nb-Hf и Cr-Mn-Fe-Co-Ni. Покрытия осаждались на подложку из стали 40ХН2МА. Нанесение экспериментальных покрытий осуществлялось с помощью вакуумной установки BRV600. По установленным и предварительно оптимизированным режимам были синтезированы покрытия ВЭС систем CrTiZrNbHf, (CrTiZrNbHf)N методом трехкатодного дугового напыления, и CuCrMnFeCoNi магнетронным испарением мишени эквиатомного состава с различными вариантами подслоя и толщины. Выполнена систематическая аттестация образцов с синтезированными покрытиями ВЭС, включающая полный комплекс металлофизических исследований, механических испытаний методом непрерывного индентирования и трибологических испытаний на машине трения. Это позволило дополнить созданную базу экспериментальных данных покрытиями ВЭС для последующего её использования в машинном обучении. По результатам наполнения базы данных была построена зонная структурная диаграмма Мовчана-Демчишина-Торнтона для покрытий CrTiZrNbHf, а также получены аппроксимационные зависимости всех физико-механических характеристик от напряжения смещения для покрытий CrTiZrNbHf и от давления азота в рабочей камере для покрытий (CrTiZrNbHf)N. Было проведено исследование стабильности структурного состояния высокоэнтропийных сплавов TiZrNbVHf, CrMnFeCoNi, эквиатомного элементного состава на основе моделирования их термодинамических и механических характеристик. Расчет показал, что соединения TiZrNbVHf, CrMnFeCoNi удовлетворяют критериям высокоэнтропийных однофазных систем и относятся к твердым растворам или фазам с аморфной структурой. Расчеты термодинамической стабильности прогнозируемых решеток показали, что при температурах ниже 1200К сплавы TiZrNbVHf, CrMnFeCoNi квазистабильны и что эквиатомный 4-х элементный сплав TiZrNbHf оказывается более стабильным по сравнению с 5-ти элементными соединениями. Эти результаты позволили скорректировать первоначальный выбор многокомпонентных систем для проведения экспериментальных работ, взяв за основу для покрытий ВЭС систему TiZrNbHf, не содержащую ванадия. Было проведено моделирование поведения покрытий в условиях работы нагруженных трибосопряжений. Построено аналитико-численное решение динамической контактной задачи о колебаниях жесткого штампа на полуограниченном слое, обладающем микроструктурой, при учете трения в области контакта. Расчеты проводились для механических характеристик высокоэнтропийных покрытий системы CrTiZrNbHf. На основании анализа данных численных экспериментов получены аналитические зависимости, показывающие, что наибольшее влияние на распределение напряжений в области контакта оказывают относительная толщина слоя, частота вибрации и коэффициент трения. Было проведено моделирование методом конечных элементов процесса индентирования при учете многофазности среды, что, позволило прогнозировать твердость получаемого покрытия, при учете возможного нарушения адгезии покрытия к подложке. Проведена серия численных экспериментов для однородных и многофазных покрытий при изменении атомарного (весового) состава покрытия и его механических характеристик. В результате построены диаграммы индентирования для системы «покрытие-подложка» при изменении состава фаз покрытия. В процессе поиска оптимальных дескрипторов уменьшение размерности данных применялось для коэффициента трения и для кривых индентирования. Уменьшение размерности последних осуществлялось с помощью численного моделирования. Для достижения максимального качества аппроксимации был использован метод адаптивного сэмплинга. Результаты вычисления твёрдости однослойного покрытия по обучающей выборке показали, что наибольшее влияние на твёрдость оказывают модуль Юнга материала и его предел текучести, в то время как коэффициент Пуассона практически не влияет на результат моделирования. Было проведено обучение алгоритма ExtraTrees для решения обратной задачи – предсказание параметров материала покрытия по кривой индентирования. Наилучшее качество предсказания достигается для модуля Юнга и составляет более 99%, в то время как для коэффициента Пуассона качество предсказания составило около 64%. Численное моделирование процесса напыления покрытия ВЭС системы CrMnFeCoNi на поверхность железа было выполнено методами классической молекулярной динамики с помощью программного пакета LAMMPS. В качестве потенциала межатомных взаимодействий был использован потенциал meam для высокоэнтропийных сплавов. Снимки структуры выводились на монитор каждые 100 шагов расчета в формате xyz. Кроме того, каждые 100 шагов выводились и основные параметры расчёта: шаг, количество атомов в ячейке, температура, давление, энергии взаимодействий. В процессе работы были построены и изучены функции радиального распределения атомов в контексте расчета высокоэнтропийных сплавов. Они позволили получить представления о структуре и динамике атомов в системе CrMnFeCoNi - организация системы в виде ближнего порядка однородного сплава без признаков сегрегации отдельных фаз. Поиск алгоритма решения обратной задачи выполнялся в несколько этапов. На первом шаге стандартные модели машинного обучения ExtraTrees и Multilayer Perceptron (MLP) были натренированы для решения прямой задачи предсказания трибологических свойств по дескрипторам объекта. На втором шаге обученные модели использовались в качестве отображений из пространства дескрипторов в пространство целевых признаков. На заключительном этапе исследований была разработана процедура оценки величины отклонения значений целевого признака (коэффициента трения) от заданного значения при изменении значений дескрипторов. Показано, что нейросетевой алгоритм MLP дает более ясную (наглядную и точную) картину оценки отклонений, чем тепловые карты, построенные для модели ExtraTrees. Разработанный алгоритм решения обратной задачи был протестирован на выборке синтезированных вакуумных ионно-плазменных углеродных покрытий (DLC). В качестве дескрипторов выступали рабочее давление в камере, величина подачи азота в камеру, подаваемый на индукционные катушки ток, время нанесения покрытия. В качестве выходного параметра модели выступало значение коэффициента трения покрытия, На первом шаге для аппроксимации зависимости коэффициента трения от экспериментальных параметров были применены три алгоритма: линейный алгоритм гребневой регрессии Ridge, ансамблевый алгоритм рандомизированных деревьев ExtraTrees и полносвязная нейронная сеть – многослойный перцептрон (MLP). На втором шаге были построены двухпараметрические цветовые (тепловые) карты распределения коэффициента трения, предсказанные натренированными алгоритмами машинного обучения. На третьем шаге была выполнена верификация разработанного алгоритма, то есть продемонстрировано соответствие модельного метода его экспериментальному прототипу. Сравнительный анализ модельных и экспериментальных данных показал, что соответствие между ними наблюдается в области малых значений параметров из исследованных вариационных интервалов, причем, только для модели ExtraTrees. Таким образом, разработанный алгоритм поиска дескрипторов исследуемого объекта для получения заданных трибологических характеристик при относительно небольшом объеме выборки является валидным при условии использования натренированного алгоритма машинного обучения ExtraTrees. Был изготовлен трибологический комплекса для проведения испытаний в широком диапазоне температур, оснащенный системой управления сервоприводами, измерительным устройством и программным обеспечением с графическим интерфейсом пользователя. Подготовлено 11 публикаций в индексируемых изданиях. Выполнена апробация технологии нанесения разработанных покрытий на трущиеся поверхности элементов фрикционного демпфера низкоамплитудных колебаний самолета для ФАУ ЦАГИ. По результатам оформлен РИД на полезную модель.