Тема 4-13. Фундаментальные и прикладные исследования процессов трения, изнашивания и смазки, обеспечивающие повышение эффективности тяжелонагруженных узлов трения транспортной и авиакосмической техники

Цели: - Исследование работоспособности материалов торцовых уплотнений на основе углеродных волокон при криогенных температурах. - Исследование влияния внешних условий и микроструктуры титановых сплавов на фреттинг-износ. - Электропластический эффект в моно- и поликристаллах при растяжении и изгибе. - Моделирование температуры и силы трения усталостного изнашивания в условиях фреттинга, возникающего при циклических колебаниях. - Разработка полимерматричных композитов на основе термостойких полимеров с различными типами наполнителей для антифрикционных применений и исследование их физико-механических и трибологических свойств. - Моделирование процессов контактного взаимодействия. - Исследование трибологических и прочностных характеристик топокомпозитов - Создание пары трения для обеспечения работы узлов трения в условиях открытой атмосферы Венеры (шарниры антенн, привода КА). - Повышение ресурса работы узлов трения прецизионных станков. - Повышение надежности крепежных соединений в перспективных авиадвигателях (замки турбинных лопаток из углеродных композитов. - Повышение ресурса механизмов, работающих в космосе. - Исследование структуры, механических и трибологических характеристик алмазоподобных покрытий, легированных вольфрамом и молибденом, в зависимости от технологии нанесения. - Изучение фреттинг-износа труб в местах контакта с трубной перегородкой, выявление факторов, влияющих на величину износа и механизм изнашивания. - Проведение вычислительных процедур в области физико-математического моделирования аддитивных технологий, проектирования и обоснования конструктивных параметров изделий машиностроения. - Исследование свойств материалов, полученных методом селективного лазерного плавления и спекания для формирования информационно-методического сопровождения исследований и расчетов по внедрению аддитивных технологий в машиностроительные производства. Задачи: - Необходимо разработать экспериментальное оборудование для проведения испытаний образцов полимерных материалов на основе углеродных волокон при температуре -196°С на воздухе. Разработать методику испытаний и определить предельную несущую способность полимерного материала. - Исследование влияния структурного измельчения на фреттинг-износ в титановых сплавах. Исследование влияния соотношения амплитуды смещения и размера зоны контакта на фреттинг-износ технически чистого титана. Сравнение электропластического эффекта в моно- и поликристалле алюминия при растяжении. - Особенности механизма электропластического эффекта при воздействии одиночных импульсов и многоимпульсного тока при разных схемах деформации. - Фундаментальное исследование модели усталостного изнашивания в условиях фреттинга на контактах при циклических колебаниях. - Работа включает обоснование выбора матрицы композиционного материала и используемых добавок, разработку методики получения порошковых композиций заданного состава, исследование свойств полученных порошковых композиций, разработку методики и режимов получения объёмных образцов полимерных композиционных материалов, получение образцов полимерных композиционных материалов по заданному режиму, исследование физико-химических и трибологических свойств полученных полимерных композиционных материалов. - Разработка новых покрытий и топокомпозитов с высокими прочностными параметрами. - Разработка теории и установление закономерностей контактного взаимодействия, внешнего трения и износа узлов изделий машиностроения, повышение долговечности. - Этот этап предполагает модернизацию испытательного оборудования и проведение экспериментов по определению антифрикционности пары трения сталь 2Х13-керамика ЧСЦ в условиях температур 300-600 С в среде углекислого газа. - В области исследования износостойких покрытий наплавленных лазером преполагается синтез нового типа покрытий содержащих наночастицы карбидов. Проблема потлучения качественных покрытий является н асовременном этапе ключевой для широкомасщтабного освоения аддитивных лазерных технологий. - В области испытаний на фреттинг-износ предполагается модернизация оборудования для обеспечения проведения испытаний углеродных композитов в условиях высоких температур, для прогнозирования надежности крепления в замках турбинных лопаток для авиадвигателей нового поколения. - Планируются экспериментальные работы с пластичными смазочными материалами в условиях атмосферы, вакуума, повышенных температур. Будут определены относительный ресурс, смазочная способность пластичных смазочных материалов для работы в космосе. - Необходимо провести выбор условий формирования покрытий, обеспечивающих оптимальные трибологические свойства, способствующие повышению надежности и долговечности тяжело нагруженных трибосопряжений при сухом трении и трении со смазкой. - Необходимо определить механизм контактного повреждения материала элементов труб и характеристики кинетики разрушения при модельных испытаниях. - Необходимо разработать методики расчета, проектирования и моделирования работы изделий машиностроения с реализацией в программных средах с учетом проектирования режимов их изготовления на современных промышленных 3,4 и/или 5 D-принтере аддитивными технологиями. - Основная задача состоит в разработке программы испытаний образцов на получение данных о физико-механических, химических, технологических и др. свойствах. Формирование структуры базы данных таких материалов. Предполагаемые результаты: - Будет разработан экспериментальный стенд для проведения испытаний образцов материалов, используемых при криогенных температурах до -196°С. Будут получены предельные значения нагрузки и скорости, обеспечивающие надежную работу торцовых материалов турбонасосных агрегатов. -. Уменьшение частоты и амплитуды смещения вызовет фреттинг- износ, превышающий таковой при обычном трении скольжения; переход от поликристаллической структуры к монокристаллу вызовет упрочнение вместо разупрочнения при введении одиночных импульсов тока. - Будет разработана расчетная модель, позволяющая учитывать влияние температуры и силы трения при усталостный износе деталей из-за фреттинга, которая позволит прогнозировать процесс изнашивание при выборе материалов. - Получение композиционных матералов, имеющих повышенные физико-механические и трибологические характеристики. - Будут разработаны расчетно-экспериментальные методы оценки адгезионной и когезионной прочности тонких покрытий топокомпозитов триботехнического назначения. Будут получены результаты, показывающие степень влияния материала покрытия и текстуры поверхностей трения на коэффициент трения и износостойкость упорных подшипников скольжения, работающих при высоких скоростях скольжения. - Будут сформулированы рекомендации по проектировании узлов трения предназначенных для работы в открытой атмосфере Венеры, которые планируется передать В АО НПО им. С.А. Лавочкина на основе заключенного соглашения о сотрудничестве №1/14-20 от 21.09.20. о проведении исследований возможностей применения (п.1.2.2.) "новых материалов для работы в атмосфере Венеры". В области лазерных покрытий ожидается получение образцов обеспечивающих значительный рост износостойкости поверхностей и передаче рекомендаций по применению покрытий заинтересованным организациям. В области высокотемпературного фреттинга предполагается совместно с ЦИАМ решить вопрос надежности крепления турбинных лопаток нового поколения изготовляемых из углеродного композита. - В результаты выполнения экспериментальных работ будут определены относительный ресурс и смазочная способность пластичных смазочных материалов для работы в космосе. Будут представлены результаты, показывающие степень влияния легирующих элементов на механические свойства алмазоподобных покрытий. Будут сделаны выводы о степени влияния динамических, технических и технологических параметров на степень изнашивания труб. - Будут разработаны расчетно-экспериментальные методы вычисления, проектирования и моделирования работы изделий машиностроения с учетом изменения их напряженно-деформированного состояния, трения и изнашивания. Также дальнейшее развитие получат аддитивные технологии композитов, пространственно-армированных много направленными непрерывными высокопрочными и высокомодульными волокнами, и матрицей. -Результатами проекта будет изготовление партии образцов из металлических и полимерных материалов, полученных методом селективного лазерного спекания/плавления; разработка структуры и пилотное наполнение базы данных материалов с последующим проведением испытаний образцов и представлением сравнительных результатов численных расчетов и экспериментальных исследований образцов, полученных методом аддитивного производства.