Сверхтвёрдые наноструктурные покрытия с повышенной усталостной прочностью и регулируемым уровнем макронапряжений на основе керамикометаллических систем с ограниченной растворимостью компонентов

Будут выполнены исследования по разработке сверхтвердых керамикометаллических покрытий состава Ti-Al-N, Ti-Al-Mo, Ti-Cr-N (керамическая фаза) / Ni, Cu (металлическая фаза) с регулируемым уровнем макронапряжений и повышенной усталостной прочностью. В осаждаемых покрытиях будет направленно формироваться многослойная структура с последовательной укладкой слоев керамической и металлической фаз и однородная структура с равномерным распределением керамических нанокристаллитов в металлической матрице. Нитридная составляющая будет формироваться на основе сложных многокомпонентных соединений с введением в состав бинарного нитрида титана алюминия и хрома, обеспечивающих формирование высокого уровня микродеформаций кристаллической решетки, дополнительно повышающих прочность. Сопутствующим эффектом в разрабатываемых керамикометаллических покрытиях будут их улучшенные трибологические свойства за счёт того, что пластичная металлическая фаза покрытий окажет смазывающий эффект при трении, который будет проявляться в большей степени при повышенных температурах. В ходе выполнения проекта будет разработана модель роста керамикометаллических покрытий, основанная на численном интегрирование процессов осаждения, диффузии и испарения адатомов на поверхности растущего покрытия методом кинетического Монте-Карло (kMC), где в качестве параметров взаимодействия атомов будут использованы энергии связи пар Me-MeN, Me-Me и MeN-MeN. Для расчётов данных энергий будет разработан программный набор, расширяющий функциональные возможности программы с открытым исходным кодом Cp2k, основанной на методе теории функционала плотностей (DFT). Будет разработана модель массопереноса плазмы от испарителей заданного состава до поверхности образцов, планетарно вращающихся в камере установки PVD с заданными геометрическими параметрами. Данные расчёты будут проводиться путём численного интегрирования методом пробной частицы с использованием модифицированного потенциала взаимодействия Борна-Майера в приближении «квази»-жёстких сфер. По результатам расчётов компьютерной модели для разных составов будут установлены структурные параметры покрытий и влияние металлических модифицирующих компонентов на структуру покрытий. На основе данных результатов, методом молекулярной динамики (MD) будут изучены механизмы релаксирующего влияния металлических модифицирующих компонентов на макронапряжения, возникающие при формировании сверхтвёрдых керамикометаллических наноструктурных покрытий. Экспериментально будут установлены закономерности формирования структуры керамикометаллических покрытий разной архитектуры, особенности структуро- и фазообразования и концентрационно-энергетические параметры формирования покрытий с заданным уровнем макронапряжений в условиях ионно-плазменного осаждения, определены оптимальные условия формирования керамикометаллических покрытий с минимальным уровнем макронапряжений, характеризующиеся сверхтвёрдостью и повышенной по сравнения с керамическими покрытиями вязкостью разрушения, установлены параметрические зависимости влияния макронапряжений на функциональные свойства покрытий: твёрдость, модуль упругости, вязкость разрушения, износостойкость, термическую стабильность, стойкость к воздействию агрессивных сред. Результатом выполнения предлагаемой НИР явится теоретическое обоснование принципов создания сверхтвёрдых наноструктурных покрытий с регулируемым уровнем макронапряжений и повышенным значением усталостной прочности за счёт модифицирования состава керамических покрытий введением металлических компонентов, не взаимодействующих с азотом и имеющих ограниченную растворимость с нитридной фазой покрытия, разработанные составы и технологические процессы их получения. А также программный комплекс, предназначенный для моделирования структуры таких покрытий и изучения их свойств.