О программе

 Аннотация

Целевая научно-техническая программа «Создание квазивысокоэнтропийного сплава с использованием казахстанского сырья и технологии производства прецизионных деталей на его основе».

Цель программы: Разработка состава квазивысокоэнтропийного сплава с использованием сырья казахстанского содержания и технологии производства прецизионных деталей на его основе длясреднего и тяжелого машиностроения.

Актуальность программы обусловлена следующим.

Большая часть прецизионных деталей среднего и тяжелого машиностроения (арматура газо- нефтепроводов, сменные детали насосов, металлургического оборудования, горных комбайнов и пр.)  в настоящее время в РК поставляются из-за рубежа, что ставит страну в экономическую зависимость. Между тем уровень развития металлургического и литейного производства РК позволяет производить собственные прецизионные детали из соответствующих материалов. Например, достаточно развит метод ЛВМ (литье по выплавляемым моделям) и метод ЛГМ (литье по газифицируемым моделям), которые позволяют получать фасонные детали высокой геометрической точности и чистотой поверхности. Очевидно, что развитие собственных технологий  производства прецизионных деталей является для РК актуальной задачей, имеющей стратегическое значение.

Вторым обстоятельством, обуславливающим актуальность данной программы является тот факт, что возможности улучшения существующих сплавов традиционными методами (легирование, термообработка, внепечная обработка) фактически исчерпаны. Между тем мировым трендом металловедения является создание нового класса сплавов, так называемых высокоэнтропийных сплавов (ВЭС). Интерес, проявленный к данным сплавам связан с возможностью получения эксплуатационных свойств более высокого уровня по сравнению с традиционными сплавами. Однако, несмотря на демонстрацию высоких эксплуатационных свойств, высокоэнтропийные сплавы не получили пока практического и промышленного применения, т.к. производство ВЭС является сложным и дорогим процессом. В данной программе предлагается создание квазивысокоэнтропийного сплава (КВЭС), т.е. сплава,  близкого по составу и свойствам к ВЭС, но более простого в производстве и, следовательно, имеющего более высокую коммерческую привлекательность.

Научная новизна программы. Основная научная идея программы заключается в разработке состава и технологии получения квазивысокоэнтропийного сплава на базе системы Fe-Cr-другие элементы, т.е. сплава, близкого по свойствам и структуре к высокоэнтропийному, но имеющему при этом коммерческую привлекательность и практическую применимость.

Разработка состава КВЭС заключается в научном обосновании состава сплава путем термодинамических расчетов, подборе шихты   с высоким казахстанским содержанием и разработке технологии выплавки.

Разработка технологии получения прецизионных деталей заключается в обосновании  и расчете технологических параметров процесса ЛВМ с использованием разработанного КВЭС.

Принципиальное отличие предлагаемой идеи. Существующих аналогов в РК на настоящий момент не имеется. Отличие от мировых аналогов заключается в использовании казахстанского сырья, что определяет совершенно новый фазовый состав сплава, его назначение (основные объекты - прецизионные детали оборудования горно-металлургического сектора). Использование казахстанского сырья, адаптация к уровню основных средств обуславливает коммерческую привлекательность разработанного КВЭС и технологии получения деталей на его основе.

Ожидаемым результатом в случае реализации разработанной технологии получения прецизионных деталей из нового КВЭС является увеличение срока эксплуатации в 1,5-2 раза по сравнению с существующими за счет улучшения специальных свойств сплава, таких как жаропрочность, износостойкость и др.

Основные подходы к проведению исследований заключаются в сборе и анализе информации, разработке гипотез механизмов упрочнения (улучшения) за счет внутреннего и внешнего воздействия и их экспериментальном подтверждении.

Для достижения результатов будут использованы современные методы исследования: электронная микроскопия, рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализы, методы определения твердости, прочности, износостойкости и жаропрочности.

Результаты лабораторных исследований будут проверены на производственных площадках. Для подтверждения объективности полученных результатов будут проведены независимые испытания в лабораториях Института металлургии Ж. Ламюра (Университет Лотарингии, Нанси, Франция), Вильнюсского технического университета Гедиминаса (Вильнюс, Литва), НИУ СПбПУ Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия). Все исследования будут проведены на безвозмездной основе в рамках соглашений о сотрудничестве между университетами.

Значимость программы. Разработка КВЭС и технологии производства прецизионных деталей на его основе для РК имеет стратегическое значение, т.к. позволит:

-во-первых, снизить долю импорта (прецизионные сменные детали среднего и тяжелого машиностроения) в этом сегменте экономики;

-во-вторых, позволит создать совершенно новый класс сплавов- сплавов с квазиэквиатомным составом, который обеспечит повышение уровня эксплуатационных свойств.  

Реализация данной программы способствует развитию субконтрактации – современного инструмента взаимодействия между крупным и малым бизнесом. В настоящее время данный сегмент в РК практически не развит, за исключением, отдельных примеров. Между тем, внедрение разработанной технологии позволит установить конкретные взаимосвязи между крупными производителями и малыми предприятиями, которые могут специализироваться на выпуске  продукции из КВЭС казахстанского содержания. Также разработка технологии будет способствовать расширению ассортимента производимых деталей, снижению доли импорта, созданию новых рабочих мест.

В ходе реализации программы будут получены новые данные о фазовом составе, механизме упрочнения, структуре КВЭС, будут получены зависимости между параметрами литья и базовыми механическими свойствами сплавов.

Новые знания будут способствовать развитию национальной школы металловедения и физики металлов, что выведет отечественную металлургическую науку на принципиально новый уровень.

Полученные результаты будут опубликованы в научно-технических изданиях согласно техническому заданию.

В результате реализации программы будут получены опытные образцы, охранные документы и техническая документация разработанной технологии, что позволит внедрить разработанную технологию и далее  коммерциализовать полученные результаты.

Актуальность программы подтверждается софинансированием программы одним из ведущих производителей горно-металлургического оборудования в Казахстане ТОО «Карагандинский машиностроительный завод им. Пархоменко».

 Пояснительная записка

2.1. Вводная часть.

Основная идея программы заключается в создании квазивысокоэнтропийного сплава (КВЭС) на базе  системы Fe-Cr-другие элементы и технологии получения прецизионных деталей на его основе. Под КВЭС подразумевается сплав близкий по свойствам и структуре к высокоэнтропийному, но имеющий при этом коммерческую привлекательность и практическую применимость.

Разработанный состав КВЭС будет иметь состав, близкий к эквиатомному, что обусловит его структуру: решетку типа ОЦК или ГЦК, где основной матричной фазой является твердый раствор замещения. Такая структура и специфичный фазовый состав обеспечивают более высокие эксплуатационные свойства, чем традиционные стали.

Разработка состава КВЭС заключается в научном обосновании состава сплава путем термодинамических расчетов, подборе шихты   с высоким казахстанским содержанием и разработке технологии выплавки.

Разработка технологии получения прецизионных деталей заключается в обосновании  и расчете технологических параметров процесса ЛВМ с использованием разработанного КВЭС.

Принципиальное отличие предлагаемой идеи заключается  в следующем. Существующих аналогов в РК на настоящий момент не имеется. Отличие от мировых аналогов заключается в использовании казахстанского сырья, что определяет совершенно новый фазовый состав сплава, его назначение (основные объекты - прецизионные детали оборудования горно-металлургического сектора). Использование казахстанского сырья, адаптация к уровню основных средств обуславливает коммерческую привлекательность разработанного КВЭС и технологии получения деталей на его основе.

Ожидаемым результатом в случае использования разработанной технологии получения прецизионных деталей из нового КВЭС является увеличение срока эксплуатации в 1,5-2 раза по сравнению с существующими за счет улучшения специальных свойств сплава, таких как жаропрочность, износостойкость и др.

2.2. Цель программы.

Разработка состава  квазивысокоэнтропийного  сплава (КВЭС) с использованием казахстанского сырья и технологии  производства  прецизионных деталей   на его основе для среднего и тяжелого машиностроения. 

2.3. Задачи программы.

1. Мониторинг казахстанского рынка с целью выявления наиболее востребованных прецизионных деталей оборудования для среднего и тяжелого машиностроения;

Решение данной задачи необходимо для определения наиболее распространенных марок сталей и сплавов, используемых для производства прецизионных деталей оборудования горно-металлургического сектора, и проблем при их выплавке и выбора метода литья с учетом наличия основных средств.

2. Научное обоснование состава КВЭС и выбор сырьевых баз казахстанского содержания для их производства;

Решение данной задачи необходимо для определения научно-обоснованного предварительного состава сплава с прогнозируемым комлпексом свойств.

3. Разработка состава  КВЭС на базе казахстанского сырья;

Решение данной задачи напрямую связана с предыдущей задачей и необходим для проведения опытных плавок.

4. Разработка и обеспечение логистических мероприятий для обеспечения эффективной связи сырьевые базы – подготовка сырья – производство сплава – обработка сплава;

Решение этой задачи необходимо для определения логистической цепочки реализации технологии.

5. Разработка технологии производства прецизионных деталей из КВЭС учетом уровня развития основных металлургических средств РК;

Решение этой задачи является ключевой и необходимо для определения базовых и экспериментальных исследований в лабораторных условиях и предварительной технологической карты.

6. Проведение промышленных испытаний, корректировка и внедрение разработанной технологии на предприятиях РК;

Решение данной задачи необходимо для получения результатов апробации разработанной технологии в производственных условиях. На базе полученных результатов будет проведена корректировка технологии.

7. Проведение рекламной кампании (публикации в СМИ, буклеты, проведение «круглых столов» разработанной технологии среди потенциальных потребителей.

Решение данной задачи необходимо для распространения разработанной технологии, поиска потенциальных партнеров для коммерциализации результатов программы.

8. Создание опытной продукции с улучшенными эксплуатационными свойствами на 15-20% и высокой долей казахстанского содержания (до 70%).

Решение данной задачи необходимо для подтверждения уникальных свойств опытного сплава и предлагаемой технологии. Также для определения о возможности внедрения разработанной технологии  в производство и проведения рекламной кампании и последующей возможной коммерциализации результатов программы.

 Научная новизна и значимость программы

1) Значительная часть деталей горно-металлургической и машиностроительной промышленности изготавливается из сложнолегированных сталей и сплавов [1]. Большая часть таких деталей работает в тяжелых условиях (высокие температуры, износ, длительные сроки эксплуатации и пр.). Соответственно, от используемых материалов требуются кроме базовых характеристик, высокие эксплуатационные и специальные свойства в зависимости от назначения деталей.

В настоящее время возможности получения и улучшения свойств сталей и сплавов  традиционными методами практически исчерпаны, введение дополнительных видов обработки требует значительных как временных, так и материальных инвестиций. В связи с этим современным трендом получения уникальных эксплуатационных свойств деталей является разработка нового класса сплавов, как КВЭС. В связи с этим большое количество [1-9] работ посвящено изучению фундаментальных задач нового вектора материаловедения. Можно выделить публикации, содержащие обзор проблем, связанных с особенностями  получения, исследования, особенностями структуры и свойств многокомпонентных систем.

Множество исследований [10-15] связано с поиском единых параметров, определяющих условия создания ВЭС, т.е. прогнозированием структурно-фазового состояния на основе различных систем, включающих такие элементы, как Al, Cr, Co, Fe, Ni и др. Состав высокоэнтропийного сплава определяет его свойства и возможное применение: как жаропрочный, износостойкий, термостойкий и др. Во всех работах отмечается, что ВЭС показывают уникальные свойства, превосходящие традиционные в своей области аналоги на 15-20%. Однако практически во всех исследованиях отмечается, что исследуемый высокоэнтропийный сплав пока не получил промышленного применения, т.к. его производство требует высокочистых шихтовых материалов, длительной технологии выплавки (многократный переплав в защитных средах или вакууме, лазерные технологии, плазменно-дуговой и высокотемпературный синтез), что определяет его высокую себестоимость.

В фундаментальных обзорах в данном направлении [16-18] на сегодняшний день исследовано порядка 200 ВЭСов в зависимости от их свойств и обоснованы будущие возможности развития и применения данных сплавов. В публикациях описаны проблемы с особенностями получения, исследования, структуры и свойств. Также, отмечается, что многие моменты поведения ВЭС, такие как поведение дислокаций при деформации, изменение текстуры, двойникование и т.д. требуют дальнейшего более глубокого изучения. Очевидно, что полученные новые знания о поведении ВЭС откроют новые возможности их применения в будущем.

В ряде работ [13,14,19] отмечается, что разработка ВЭС имеет практический интерес и требует дальнейшего развития исследований в этом направлении для решения фундаментальных задач как, прогнозирования диаграмм состояния многоэлементных систем, принципов и алгоритмов поиска новых сплавов, особенности термодинамики, структуры и стабильности ВЭС. При этом, представленные в литературе данные о строение многокомпонентных ВЭС, условии их стабильности, влияния параметров получения данных сплавов на структуру и свойства неоднозначны.

Основанием для предлагаемой технологии являются анализ исследований, проведенных в этом направлении [20-24], и собственные разработки, связанные с исследованием  и обработкой сложнолегированных многокомпонентных сплавов [25,26]. Авторами программы проводились исследования изучения структры и фазовых трансформаций в многокомпонентных системах. Полученные экспериментальные данные являются предпосылками для создания новых сплавов, близких по составу и свойствам к ВЭС.

Принципиальным отличием разработанного КВЭС от мировых аналогов заключается в использовании казахстанского сырья, что определяет совершенно новый фазовый состав сплава, его назначение (основные объекты - прецизионные детали оборудования горно-металлургического сектора). Использование казахстанского сырья, адаптация к уровню основных средств обуславливает коммерческую привлекательность разработанного КВЭС и технологии получения деталей на его основе.

Преимущество предлагаемой идеи данного проекта заключается в коммерческой привлекательности разработанных сплавов, относительная простота технологии их получения, адаптированная к уровню основных средств РК и их практическая применимость. Разработанная технология получения квазивысокоэнтропийных сплавов не потребует значительных инвестиций на приобретение основных средств, за счет использования сырья казахстанского содержания и применения упрощенного метода литья.

Термин «квази высокоэнтропийный» используется в данном случае, т.к. не предполагается выдерживание строго эквиатомного состава, характерного для ВЭС. Это позволит снизить требования по шихтовым материалам, упростить технологию получения. Исследованием свойств квази высокоэнтропийных сплавов занимались авторы работ [27,28], в которых показано, что свойства этих сплавов близки по свойствам дорогостоящих ВЭС, и превосходят свойства традиционных материалов этого направления в 7-10 раз. Авторы некоторых работ используют термин квази выскокоэнтропийный для получения  ВЭС с определенной трехмерной структурой, что позволяет получить превосходные характеристики при некотором отклонении от эквиатомного состава.

Для Казахстана данная программа является принципиально новым, т.к. практически нет работ, посвященных разработке КВЭС. Между тем этот вопрос является важным, т.к. позволит значительно повысить срок эксплуатации деталей, выплавляемых из опытного КВЭС, за счет улучшения как базовых, так и специальных свойств. Внедрение предлагаемой технологии не требует полной замены основных средств, по причине адаптации технологии к уровню средств РК.

2) Реализация программы направлена на решение основных задач, обозначенных в Стратегия «Казахстан - 2050». Задача, заключается в «…К 2050 году Казахстан должен полностью обновить свои производственные активы в соответствии с самыми новейшими технологическими стандартами. В самых конкурентоспособных отраслях нам нужно активно разрабатывать стратегии формирования новых рыночных ниш для отечественных производителей…». Горно-металлургическая отрасль является одной из ключевых отраслей экономики РК, доля оборудования и деталей горно-металлургического комплекса составляет почти 40% от всего объема машиностроительной продукции, потребляемой страной.

Между тем, Казахстан имеет все возможности для собственного производства квазивысокоэнтропийных сплавов. Реализация данной программы внесет вклад в развитие этого стратегически важного направления. Разработка предлагаемой технологии за счет повышения эксплуатационных свойства позволит увеличить производительность и сократить периоды простоя и расширить  собственное производство сменных деталей горно-металлургического оборудования.

Новые знания, полученные в ходе реализации программы, будут способствовать развитию отечественной металлургической науки в целом, что позволят развивать собственное производство КВЭС и снизить долю импорта в этом сегменте.

3) Разработка состава нового сплава класса КВЭС и технологии его получения обусловлена тем обстоятельством, что возможности улучшения эксплуатационных свойств в настоящее время практически исчерпаны. При этом практически все оборудование, используемое горно-металлургической промышленностью, работает в крайне тяжелых условиях, под действием абразивных и истирающих нагрузок, при высоких или повышенных температурах и в агрессивной среде.

Традиционными материалами для изготовления данного оборудования или деталей являются стали или сплавы, имеющие специальную направленность: жаропрочность, износостойкость и т.д. Улучшение свойств достигается за счет дополнительного легирования, модифицирования, термообработки. Все эти меры позволяют повысить свойства на 10-15% при некотором повышении себестоимости.

Таким образом, очевидно, что следующим шагом развития в этом направлении является создание новых сплавов с совершенно другим подходом. Такой альтернативой являются квази высокоэнтропийные сплавы (КВЭС), которые демонстрируют высокий уровень эксплуатационных свойств при относительно небольшом увеличении себестоимости в отличие от классических ВЭС.

Успешная реализация данного проекта позволит получить совершенно новые результаты и научные знания, которые будут в значительной мере определять тенденции развития современного металловедения.

4) Аналогов данной технологии в РК не имеется, т.к. практически отсутствуют исследования в данном направлении. Существующие аналоги - это разработки  России,  Китая, Украины, Японии и др., но промышленного применения предлагаемые ими ВЭС не получили, т.к. ориентированы на высокие технологии. В мире исследования по разработке квази высокоэнтропийных сплавов для получения уникальных свойств материалов является трендом. Однако надо отметить, что существующие исследования рассматривают высокоэнтропийные сплавы содержащие элементы с примерно равными эквимолярным содержанием. Данных о разработке квази высокоэнтропийных сплавов, а также конкретно предлагаемый нами упрощенной технологий в открытом доступе обнаружены не были.

Разработка данной технологии позволит повысить качество и эксплуатационные свойства прецизионных деталей с минимальными затратами, при этом специальные свойства улучшатся на 15-20%, что повысит конкурентоспособность собственной продукции в данном сегменте.

5) Существующих аналогов разрабатываемой технологии нет.

Преимуществами нового сплава по сравнению с существующими аналогами  являются:

-  более низкая себестоимость за счет использования казахстанского сырья;

- сбалансированный химический состав близкий к эквиатомному, что определяет уровень свойств сплава, сопоставимый с уровнем  свойств ВЭС;

- коммерческая привлекательность и практическая применимость. В настоящее время сплавы ВЭС не имеют практического применения из-за высокой себестоимости. Существующие квази ВЭС ориентированы, в основном, на повышении жаропрочности. Предлагаемый квази ВЭС  имеет более высокий уровень комплекса механических свойств,  кроме того обладает коррозионной стойкостью и износостойкостью, что определяет более широкий круг потребителей.

Целевыми рынками предлагаемой продукции являются предприятия металлургической и литейной специализации, но опосредованно, как потенциальные потребители готовой машиностроительной продукции, такие секторы как горнодобывающая, металлургическая, обогатительная, нефтяная и другие.

Разработанная технология может быть внедрена на любом предприятии данных секторов экономики независимо от географической принадлежности, формы собственности предприятия и объемов выпускаемой продукции. 

6) Конечным продуктом реализации программы являются опытные образцы сплава нового класса КВЭС  и технология их получения. Аналогов разрабатываемой технологии нет, опытные образцы будут иметь свойства на 15-20% выше, чем используемые в настоящее время. При этом себестоимость продукта по предварительным оценкам особо не вырастет за счет адаптированной технологии к уровню основных средств РК.

7) Заявитель имеет опыт работы в данном направлении. Коллектив авторов ранее занимался вопросами связанные с исследованием  и обработкой сложнолегированных сплавов, результаты исследований опубликованы в открытой печати. Полученные результаты взаимосвязаны с данной программой, т.к. позволяют использовать полученные знания при разработке последующих экспериментов. Ранее проведенные исследования заявителями создали предпосылки для создания новых сплавов, близких по составу и свойствам к ВЭС.