Разработка физических основ комплексного электронно-ионно-плазменного инжиниринга поверхности материалов и изделий.

Целенаправленное конструирование поверхности материалов и изделий с использованием современных электронно-ионно-плазменных методов остается актуальной задачей, т.к. ее решение позволяет создавать функциональные слои и покрытия, существенно повышающие физико-механические и, соответственно, эксплуатационные характеристики деталей машин и механизмов, инструмента и других изделий, увеличивая их срок службы в экстремальных условиях эксплуатации и приводя, таким образом, к энерго- и ресурсосбережению. Проект направлен на решение комплексной задачи, фундаментальной составляющей которой является разработка физических основ технологии электронно-ионно-плазменного инжиниринга поверхности материалов и изделий, осуществляемого в едином вакуумном цикле с использованием созданного авторами проекта уникального электрофизического оборудования. Актуальность проблемы обусловлена необходимостью разработки технологии кардинальной модификации структуры и свойств поверхностных слоев металлов и сплавов, работающих в тяжелых условиях (пары трения высоконагруженных механизмов, работающих в условиях температурных градиентов и присутствия агрессивных сред, обрабатывающий инструмент, ответственные детали авиакосмической отрасли и др.). В качестве объекта модифицирования будет использован, модельный материал, а именно, технически чистый алюминий марки А7, срок службы поверхности которого планируется кратно увеличить, а выявленные закономерности такого увеличения транслировать на широко использующиеся в промышленности легкие алюминиевые сплавы. Суть разрабатываемого в предлагаемом проекте метода, определяющего его научную новизну и практическую значимость, а также неразрывную связь с грантом РНФ (проект №14-29-00091), заключается в формировании в едином вакуумном цикле градиентных нанофазных поверхностных слоев, сочетающих упрочненный подслой толщиной порядка 10 мкм, сформированный путем электронно-пучкового миксинга металлических пленок Ti и Cu с поверхностным слоем подложки (Al), газофазное насыщение модифицированного поверхностного слоя элементами внедрения (азот), синтез относительно толстых (> 6 мкм) защитных моно- и многослойных покрытий на основе TiCuN ионно-плазменными методами на подложку, модифицированную высокоинтенсивным импульсным электронным пучком с целью увеличения сил адгезии системы «покрытие/подложка», и формирования поверхностных систем «подложка – модифицированный, путем легирования, поверхностный сплав – твердое (сверхтвердое) покрытие на основе TiCuN» с прогнозируемыми функциональными свойствами. Очевидно, что ресурс износостойкости у качественных толстых покрытий (~ 10 мкм) выше, чем у тонких (~ 0,1-1 мкм). Однако получение относительно толстых (> 6 мкм) ионно-плазменных покрытий является трудно выполнимой задачей инженерии поверхности главным образом из-за того, что с ростом толщины покрытия величина сжимающих напряжений возрастает и может достичь пределов прочности материала, приводя к его разрушению. С использованием разработанной и созданной в рамках Проекта 2014 электронно-ионно-плазменной установки «КОМПЛЕКС» становится возможным получение моно- и многослойных твердых и сверхтвердых (≥ 40 ГПа) нитридных покрытий на подложках из материала с отличающимся, от покрытий, элементным составом путем создания градиентного высокоадгезионного переходного слоя, полученного с использованием электронно-пучкового воздействия, ионного азотирования и нанесения одноэлементных покрытий на подложку, а также релаксации сжимающих напряжений в формируемом толстом покрытии путем импульсного электронно-пучкового воздействия на него или создания многослойной структуры покрытий. Предлагаемая и изучаемая в данном проекте методика электронно-ионно-плазменного инжиниринга, а именно электронно-пучковое выглаживание и ионно-плазменное легирование поверхности, будет применена в качестве финишной обработки материалов и изделий, изготовленных методом аддитивного производства, для уменьшения их шероховатости и пористости, что является весьма актуальной задачей, решение которой позволит расширить круг применения аддитивных технологий. Изучение и решение вышеперечисленных проблем невозможно без модернизации действующего и создания нового ионно-плазменного оборудования, что также является одной из задач заявляемого проекта. На основе результатов исследований планируется создать лабораторную установку для изучения и реализации предлагаемого авторами проекта нового электронно-ионного метода азотирования (элионное азотирование) поверхности материалов, отличающегося минимальным растравливанием азотируемого слоя, т.е. низким уровнем шероховатости модифицированной таким образом поверхности, что часто является решающим фактором при выборе метода финишной обработки поверхности детали или изделия. На основе изучения физических процессов зажигания и горения импульсных дуговых разрядов низкого давления, а также генерации ими эмиссионной плазмы будет проведена глубокая модернизация электронно-пучкового оборудования с целью повышения его основных параметров. Это, в свою очередь, позволит проводить материаловедческие исследования в диапазоне ранее не достигавшихся экспериментальных условий и получать результаты мирового уровня новизны. В совокупности изложенное выше подтверждает актуальность, научную новизну и практическую значимость предлагаемого проекта, а также его неразрывную связь с грантом РНФ (проект №14-29-00091).