ИСТИНА

В проекте намечено разработать методы получения адгезионно-прочных многослойных нано- и микро-кристаллических алмазных покрытий на карбид-вольфрамовых сплавах для создания сверхтвердого инструмента с повышенными износостойкостью и низким коэффициентом трения для высокоточной механической обработки высокоабразивных металломатричных (ММК) и углепластиковых (УУК) композитов. Алмазный инструмент такого типа совершенно необходим для прецизионной обработки (точения, резания) современных композитных материалов, так как их высокая прочность, анизотропия и неоднородность строения приводят к значительным трудностям при изготовлении деталей даже простейшей формы. Актуальность задачи обусловлена, с одной стороны, востребованностью в износостойком инструменте с алмазными покрытиями, который не производится в России, и, с другой стороны, недостаточным развитием методов синтеза таких покрытий на твердосплавных подложках. Так, одной из фундаментальный проблем является каталитическое действие кобальта в сплаве, приводящее к образованию графита вместо алмаза при осаждении последнего из газовой фазы. Решение задачи позволит, во-первых, обрабатывать высокоабразивные композиты с необходимой точностью, во-вторых, применять сухие резку и точение (экологически чистые), в-третьих, за счет радикально повышенной износостойкости обрабатывать в одном цикле (без замены инструмента) крупногабаритные детали из «трудных» материалов. В проекте планируется развить комплексный подход для создания новой архитектуры покрытия с двумя ключевыми элементами: пред-обработкой поверхности твердого сплава и блокирования диффузии кобальта градиентным барьерным слоем (или, альтернативно, ионной имплантаций для связывания кобальта), и последующим нанесением алмазного покрытия с управляемым размером кристаллитов в двух типах реакторов: с СВЧ плазмой и термической активации смесей метан-водород-азот. Будут исследованы (а) способы нанесения и свойства различных вариантов барьерных слоев между алмазом и подложкой, (б) методы создания центров кристаллизации алмаза на барьерном слое, (в) процессы осаждения однослойных, и многослойных алмазных покрытий, с программируемым изменением размера зерна, (г) коэффициент трения и износостойкость покрытий, (д) механизмы разрушения покрытий под нагрузкой. На каждом шаге будет проводиться детальный материаловедческий анализ для корректировки технологических процессов. Важное значение будут иметь структурная модуляция алмазного покрытия за счет чередования нанокристаллических (размер зерна порядка 10-30 нм) и микрокристаллических (размер зерна до 1 мкм) слоев алмаза, что позволит повысить прочность на изгиб и снизить напряжения и шероховатость поверхности покрытия. Ставится задача реализации как резких интерфейсов между слоями, так и размытых, градиентных границ. Элементы новизны состоят также в создании разделяющего алмазное покрытие и твердый сплав барьерного слоя не с однородной, а с градиентной структурой (за счет магнетронного осаждения слоев карбидообразущих металлов в сочетании с ионной имплантации из плазмы. Новым подходом будет имплантация ионов (Si, Тi…) в кобальт для его пассивации. Полученные результаты создадут научную основу для технологии инструмента с алмазными покрытиями.

В ходе выполнения проекта будут получены результаты важные как в научном, так и в технологическом аспекте. Методами химического осаждения в двух типах реакторов: с активацией газа (метан-водород-азот) СВЧ плазмой и на горячей нити, будут получены адгезионно-прочные износостойкие алмазные покрытия на твердом сплаве WC-Co инструментального назначения. С применением ионной имплантации и ионно-плазменного нанесения барьерных слоев будет повышена адгезия алмазных покрытий к твердому сплаву, изучен механизм упрочнения. Будут найдены режимы осаждения алмазных слоев с заданной нано- или микрокристаллической структурой, а также мультислойных и градиентных покрытий с низкой шероховатостью и механической прочностью. Микроструктура, распределение напряжений, твердость, для различных вариантов покрытий будет детально исследована современными методами физического материаловедения. Будут изготовлены экспериментальные образцы инструмента (режущие вставки, фрезы, сверла) с конформным мультислойным алмазным покрытием, необходимые для эффективной высокоточной обработки композиционных материалов. В результате испытаний резанием металло-матричных и углерод-углеродных композитов будет изучен износ инструмента с алмазным покрытием, получены сведения о его абразивной стойкости. Таким образом, в рамках задачи «Разработка оборудования и технологий синтеза многофункциональных покрытий» выполнение проекта внесет вклад в решение конкретной задачи по разработке технологии алмазных покрытий для твердосплавного инструмента, отсутствующей в настоящее время в России. Полученные результаты - сверхтвердые алмазные покрытия с оптимальной архитектурой на твердосплавном инструменте, данные о структуре и свойствах покрытий, и характеристики по адгезии и износостойкости, будут соответствовать мировому уровню работ в этой области. Инструмент такового типа, взамен импортного, найдет важную нишу в обрабатывающей промышленности ввиду быстрого расширения областей применений композиционных материалов в машиностроении, аэрокосмической, автомобильной промышленности. Кроме того, алмазный инструмент позволит проводить сухую обработку материалов, без использования СОЖ, способствуя повышению экологической безопасности.