Разработка технологии электроимпульсного плазменного спекания твердосплавных

заготовок износостойкого инструмента для обработки вязких конструкционных материалов

авиационного назначения

Нохрин Алексей Владимировичзав. лабораторией Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета им. Н.И.

Лобачевского

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Краткое описание проектаНаименование проекта Организация серийного производства металлообрабатывающего

инструмента на основе композиционных износостойких наноматериалов, позволяющих проводить обработку вязких материалов при высоких скоростях резания (ID 2089)

Цели проекта Создание производства наноструктурного твердосплавного инструмента, обеспечивающего повышение износостойкости не менее чем 1.5 раза при металлообработке вязких конструкционных материалов авиационного назначения (в первую очередь – титановых сплавов, а также жаропрочных сплавов и коррозионно-стойких сталей), обладающего более низкой стоимостью (на 15-20%) по сравнению с используемым в настоящее время зарубежным импортным металлообрабатывающим инструментом.

Продукция проекта Износостойкий монолитный осевой твердосплавный инструмент с нанокомпозиционными покрытиями (I этап)

Износостойкий корпусной инструмент со сменными режущими пластинами из наноструктурных твердых сплавов с многофункциональными нанокомпозиционными покрытиями (II этап)

Заявитель проекта ОАО «Комсомольск-на-Амуре объединенное авиационное предприятие им. Ю.А. Гагарина» (ОАО КНААПО, входит в состав ОАО «Компания Сухой»)

Участники проекта ОАО «Роснано» ОАО «КНААПО» (ННГУ, НПФ «Элан-Практик», ИМЕТ РАН – разработчики технологии)

Финансовые показатели Инвестиции ОАО «Роснано» 879 млн. рублей Инвестиции ОАО «КНААПО»/ ОАО «Компания Сухой»: 879 млн. рублей (из них 400 млн.

руб. – инфраструктурные вложения и интеллектуальная собственность). Выручка на 5-ый год реализации проекта: 2.6 млрд. рублей

Статус проекта Одобрен Научно-техническим советом ОАО «Роснано» Находится на согласовании в финансовом комитете ОАО «Компания Сухой» для

включения в программу инновационного развития Авиационного холдинга «Объединенная авиастроительная компания»

ОАО «Комсомольск-на-Амуре объединенное авиационное предприятие им. Ю.А. Гагарина» (ОАО «КнААПО»)

Потребности ОАО КНААПО в металлообрабатывающем твердосплавном инструменте для выполнения к 2018 году программы по боевым и гражданским самолетам:• около 100 тыс. штук/год монолитного осевого инструмента;• около 1 млн. штук/год сменных режущих пластин для корпусного инструмента.

Потребность в инструменте на единицу самолета:• более 12.5 тыс. единиц инструмента при производстве SSJ-100;• более 7.2 тыс. единиц инструмента при производстве Су-27.

Научно-технические проблемы• стоимость покупного (импортного) твердосплавного инструмента высока, а его износостойкость при обработке вязких титановых сплавов недостаточна.• неудовлетворительная стойкость отечественного твердосплавного инструмента при высокоскоростном резании титана .

Нанопорошки (30-80 нм) карбида вольфрама и WC-Co, полученные методом плазмохимического синтеза на установке ИМЕТ РАН

Технология плазмохимического синтеза нанопорошков карбида вольфрама

Технология спекания нанопорошков – технология высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания под давлением (аналог «Spark Plasma Sintering»)

Схематическое изображение процесса высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания

Технология ЭИПС (в иностранной литературе «Spark Plasma Sintering») – нагрев образца и пресс-формы пропусканием последовательности миллисекундных импульсов постоянного электрического тока большой мощности

Место процесса ЭИПС среди других технологий порошковой металлургии

ЭИПС (аналог «Spark Plasma Sintering»)

Характеристики лабораторной установки «DR. SINTER model SPS-625 Spark Plasma Sintering System»:- ток до 5000 А, длительность импульса 3.3 мс- давление до 100 МПа;- скорость нагрева до 2500 оС/мин;- температура спекания до 2500 оС;- вакуум или инертный газ;- сверхпрецизионный дилатометр для контроля усадки в «он-лайн» режиме.

Структура нанодисперсного твердого сплава WC-10%-1%VC, полученного методом ЭИКД

Технология спекания нанопорошков – технология высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания под давлением (аналог «Spark Plasma Sintering»)

Сравнительный анализ физико-механических свойств твердых сплавов WC-Co

Материал Размер зерна, нм

ТвердостьHv, ГПа

ТрещиностойкостьK1c, МПам1/2

WC (НИФТИ ННГУ) [1]100-150 30-31 6.3-6.7

100 34 4.5-5.0WC [2] - 24 5.5-6.0WC [3] 300-500 26.2 6.6

WC-8Co-1TaC (НИФТИ ННГУ) [1] 100-150 19.4-21.0 8-9WC-10Co-1VC (НИФТИ ННГУ) 150 16.9-17.1 12.6-13.0

WC-11Co [4] 230 20.3 13.5WC-12Co [4] 800 14.5 10.9

WC-12Co-1VC [4] 470 15.7 11.4WC-10Co-0.8VC [4] <100 18.9 11.5

WC-10Co [4] 350 18.0 12.0Отечественные сплавы [5, 6] 1000-3000 10.5-14.0 7-9

[1] Чувильдеев В.Н. и др. // ДАН, 2011, т. 436, №5, с. 623-626[2] Baek E.R. a.o. // Proc. 16th Plansee Seminar, 2006, HM10, pp.277-286 [3] Jinfeng Zhao a.o. // Intern. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2009, v.27, iss.1, p.130-139[4] Z. Zak Fang a.o. // Intern. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2009, v.27, iss.2, p.288-299[5] Панов В.С. и др. Технология и свойства спеченных твердых сплавов. М.: МИСИС, 2004, 464 с.[6] Лаптев А.В. Твердые сплавы. В кн. «Неорганическое материаловедение». Т.2, кн.2. Киев: Наукова Думка, 2008, с. 379-392

Технология спекания нанопорошков – технология высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания под давлением (аналог «Spark Plasma Sintering»)

Автоматизированная линия для «Spark Plasma Sintering» (проект «SPS SYNTEX INC.»)

SPS -7.40MK-V

SPS -9.40 Dr.SINTER ROBO Series

Технология спекания нанопорошков – технология высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания под давлением (аналог «Spark Plasma Sintering»)

Рынок

Основным потребителем продукции проекта является ОАО «КнААПО» (ОАО «Объединенная авиастроительная компания»).

Потенциальные потребители - предприятия ГК «РОСАТОМ» в Нижегородской области (ОАО «ОКБМ Африкантов», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», ФГУП «НИИИС» и др.);- Технопарки Росатом-Роснано - программа инновационного развития ГК «Росатом»;- Малое инновационное предприятие при ННГУ в соответствии с 217-ФЗ – налоговые льготы.

Крупные машиностроительные предприятия Нижегородской области, активно использующие твердосплавный инструмент для обработки вязких конструкционных материалов авиационного назначения (ОАО «Русполимет», ОАО «Нижегородский завод Сокол», ОАО «Гидромаш», ОАО «Нормаль» и др.).

Преимущества: более низкая стоимость (на 15-30%) по сравнению с традиционно используемым в настоящее время металлообрабатывающим инструментом импортного производства. Основные конкуренты: Sandvik Coromant (Швеция), Iscar (Израиль), Kennametal-Hertel (США), Mitsubishi (Япония) и др.

Перспективы развития

Разработка технологии создания функционально-градиентных материалов на основе системы WC-Co:

- сверхтвердая поверхность (обеденная кобальтом);

- вязкая сердцевина.

Разработка технологии создания наноструктурного керамического инструмента (высокоскоростная чистовая и получистовая обработка)

- композиционные керамики на основе оксида алюминия (до 600-800 оС);

- композиционные керамики на основе нитрида кремния (до 1100-1350 оС);

- композиционные керамики на основе карбонитрида титана (до 1500-1700 оС).