В Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (КнАГТУ) проводятся вычислительные исследования прочностных характеристик композитных сверхпрочных материалов, применяемых в современной механообработке.

В современном машиностроении широко применяют высокоскоростную механообработку, высокоточную суперфинишную механообработку, многокоординатную обработку сложных поверхностей, обработку в агрессивных средах, и т.п..

Здесь необходим современный универсальный механообрабатывающий инструмент, позволяющий проводить все виды обработки с требуемым качеством, скоростью и минимальным износом. Такую возможность предоставляет инструмент, оснащенный сменными неперетачиваемыми режущими пластинами с многослойными упрочняющими нанопокрытиями.

Рис. Нанопокрытия на подложке из WC/Co

В КнАГТУ развито научно-исследовательское направление моделирования механообрабатывающего инструмента на основе наноструктурированных режущих пластин на основе подложки из карбида вольфрама в кобальтовой связке с многослойными нанопокрытиями из TiC, TiN, Al2O3, AlTiN и т.д..

Нанесенные в заданной последовательности при заданных толщинах многослойные нанопокрытия обеспечивают оптимальную прочность сцепки с подложкой, минимальную адгезию с обрабатываемым материалом, оптимальный теплоотвод в процессе механообработки и увеличивают общие прочностные и термодинамические свойства механообрабатывающего инструмента.

Рис. Материалы упрочняющих покрытий

При разработке современного наноструктурированного механообрабатывающего инструмента с заданными функциональными свойствами путем математического моделировании, и в частности, твердосплавной режущей пластинки с многослойными нанопокрытиями необходимо использовать квантовую механику и её основные подходы.

При моделировании наноструктур с заданными функциональными свойствами, и общей атомной сборки инструмента необходимо учитывать вклад каждого атома. Эта задача сейчас успешно решается путем квантово-механического математического моделирования из первых принципов (ab initio), на основе теории функционала электронной плотности (ТФП).

Последовательность построения мат. модели режущего инструмента

Задача осложняется тем, что если в традиционных металлических материалах положение атомов в узлах кристаллической решётки определено, т.е. существует обычная повторяемость или простая трансляция элементарной ячейки, то в сложной наноструктуре (как твердосплавная подложка), и на границе наноструктур (как в случае с покрытиями) организацию атомов сложно определить и задать. Поэтому возникает вопрос: каковы принципы организации взаимодействий последовательностей расположения атомов в наноструктуре и её пространственные конфигурации для обеспечения заданных функциональных свойств?

Существует ряд методов оптимизации пространственной организации наноструктур при расчёте минимума энергии межатомных связей в структуре. Однако в силу указанных требований, т.е. необходимости точного определения выгодного, с точки зрения энергетического состояния, координат каждого атома, существующие программные продукты, оказываются достаточно эффективными при первопринципном математической моделировании сборки наноструктур достаточно большого порядка (10²^-10³^ атомов). Кроме того, в силу прогресса в вычислительной технике и распараллеливании вычислений, становится возможным на основе расчёта множеств эффективных энергетических состояний при релаксации (атомарных конфигураций с минимальной энергией) прогнозировать функциональные свойства наноструктур. В этой связи предлагаются новые подходы и методики к прогнозированию функциональных свойств наноструктур и их дальнейшему эмпирическому обоснованию.

Разработаны и численно реализованы эффективные методы моделирования наноструктур на основе теории функционала электронной плотности (ТФП, англ. DTF). Согласно ТФП, все электронные свойства системы, включая энергию, могут быть получены из распределения электронной плотности (без знания волновых функций).

В программном коде ПО AbInit, используется реализация ТФП на основе метода псевдопотенциалов, позволяющего заменить часть базисных функций на некоторый эффективный потенциал. Такая замена производится автоматически при расчёте. От пользователя требуется выбрать псевдопотенциалы требуемых атомов. Мы используем псевдопотенциалы, предлагаемыме по умолчанию в этом ПО.

Полная энергия, электронная структура и механические свойства наноструктур были рассчитаны с помощью Abinit, который используется нами для расчетов объемных материалов, поверхностей и кластеров, включая, в частности, наночастицы тугоплавких металлов, интерметаллидов и их соединений.

При расчетах влияния упрочняющих примесей на карбид и нитрид титана нами использовались элементарные ячейки размером 4х4х4, достаточно большие для изучения влияния примесей (Nb, V, Mo, Ta, Zr) на свойства TiC и TiN в массиве (примесь составила около 1.5%).

Рис. Построение энергетических зависимостей для супер-ячейки объемного нитрида титана для нахождения модуля упругости по методу Бирч-Мурнагана, примесь ниобий Nb, B = 792 ГПа.

Упрочнение примесями переходных металлов показало достаточно высокую эффективность, в особенности танталом Ta (прочность возросла на 29% для TiN и на 42% для TiC) и ниобием Nb (прочность возросла на 28% для TiN и на 41% для TiC). В тоже время самым энергетически выгодным состоянием обладают составы с примесью хрома при сохранении значительного упрочнения(для нитрида титана+хром Etot = – 186.68 при B = 772 GPa, для карбида титана+хром Etot = –128,17 при B = 686 GPa).

Работа в данном направлении продолжается.