Резюме проекта

 

Номер Соглашения Электронного бюджета: 075-02-2018-1072, Внутренний номер соглашения 14.574.21.0161

 

Тема: «Исследование теплофизических свойств наноструктурных композиционных покрытий и разработка технологии и образцов оборудования для создания теплостойких поршней двигателей транспортных средств.»

 

Приоритетное направление: Индустрия наносистем (ИН)

 

Критическая технология: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов

 

Период выполнения: 26.09.2017 – 30.06.2020

 

Плановое финансирование проекта: 60.00 млн. руб.

 

Бюджетные средства 30.00 млн. руб.,

 

Внебюджетные средства 30.00 млн. руб.

 

Получатель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"

 

Индустриальный партнер: Акционерное общество "Русская механика"

 

Ключевые слова: Двигатель внутреннего сгорания, микродуговое оксидирование, надежность, теплозащита, поршень, теплонапряженность, малая авиация, транспорт, цилиндропоршневая группа, технология, теплозащитное покрытие, наноструктурное композиционное покрытие

 

1. Цель проекта

 

1) Ключевым узлом современного транспорта на настоящий момент являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Повыше ние надежности ДВС, будет во многом способствовать повышению надежности транспортных средств. Работоспособность ДВС во многом зависит от ключевой детали - поршня. Поршни во время работы подвержены воздействию высоких температурных (до 450 С) и механических нагрузок. Поверхность поршня постоянно контактирует с коррозионно-агрессивными веществами: топливом, моторным маслом, отработавшими газами. В результате поршни довольно часто выходят из строя, что приводит к серьезной поломке всего двигателя. Наиболее опасным разрушением поршня является прогар его днища. Бороться с прогаром поршней можно двумя способами: либо изготавливать поршни из специальных теплостойких сплавов, что обычно вызывает увеличение стоимости поршня, либо использовать теплозащитные покрытия. Теплозащитные покрытия должны удовлетворять следующим требованиям: иметь низкую теплопроводность, высокую коррозионную стойкость, достаточную толщину и хорошую адгезию к поверхности поршня, т.е. не отслаиваться и не разрушаться несмотря на циклическое градиентное воздействие высоких температур и давления. Полностью решить эту проблему к настоящему моменту не удалось: практически все известные теплозащитные покрытия для поршней не выдерживают тепловых и механических нагрузок, отслаиваются и разрушаются, что ведет к поломке поршня и двигателя. Данную сложную научно-техническую задачу можно решить путем формирования на днище поршней ДВС теплозащитных покрытий, используя технологию микродугового оксидирования (МДО). Такие покрытия представляют собой керамику. По своему составу покрытия представляют смесь высокотемпературных оксидов, а по структуре – модифицированные поверхностные слои с высокой пористостью (до 14-18%). В результате такого состава и структуры МДО-покрытия характеризуются низкой теплопроводностью, достаточно высокой коррозионной стойкостью и высокой адгезией. Эти покрытия по своим свойствам практически идеально подходят для использования в ДВС, в том числе и для теплозащиты поршней. Но технология МДО при производстве двигателей используется крайне редко, так как поведения формируемых покрытий в условиях ДВС изучено недостаточно, отсутствуют исследования свойств покрытий на высококремнистых сплавах, из которых обычно изготавливаются поршни, сложностью получения МДО-покрытий на высококремнистых сплавах. На ликвидацию этого пробела и направлен данный проект.

 

2) Для решения вышеперечисленных проблем были сформулированы основные цели проекта.

 

1. Разработка и вывод на рынок технологии мирового уровня, предназначенной для получения теплозащитных покрытий на поршнях двигателей внутреннего сгорания. Покрытия должны обладать более высокими, по сравнению с известными мировыми аналогами, показателями адгезионной прочности, коррозионной стойкости и применимы для широкого спектра алюминиевых сплавов, применяемых при производстве поршней.

 

2. Получение значимых научных результатов, позволяющих в дальнейшем распространить разработанные решения на другие детали и изделия из алюминиевых сплавов, требующие защиты от воздействия высоких температур, и тем самым переходить к созданию новых видов научно-технической продукции.

 

Планируемые к получению в период выполнения данного проекта научные результаты будут реализованы на поршнях двигателей РМЗ-550, выпускаемых предприятием – Индустриальным партнером проекта: АО «Русская механика».

 

2. Основные результаты проекта

 

В период 2-го Этапа проекта разработаны: Программа экспериментальных исследований и Методики исследования лабораторных образов. На лабораторных образцах из поршневых сплавов (АК4-1, АК12, AlSi25CuNiMg) сформированы МДО-покрытия. Эти покрытия исследованы по толщине, пористости, микротвердости, коррозионной стойкости. Все вышеперечисленные исследования выполнены по плану полного факторного эксперимента и в результате обработки данных получены уравнения регрессии, показывающие влияние режимов процесса МДО на толщину, пористость и коррозионную стойкость покрытий. У трех МДО-покрытий, отобранных по результатам вышеприведенных испытаний на образцах из каждого сплава, исследованы теплофизические свойства: коэффициент теплопроводности и теплоемкость. Установлено влияние количества Si в алюминиевом сплаве на теплофизические свойства МДО-покрытий, а именно: при повышении доли кремния в сплаве уменьшается коэффициент теплопроводности покрытия и увеличивается теплоемкость. Для проведения перечисленных работ была разработана конструкторская документация на лабораторные образцы. Разработана методика, алгоритм и проведено математическое моделирование влияния покрытия на тепловое состояние двигателя. Результаты этих работ показали, что для получения необходимых теплозащитных свойств на поршне, покрытие должно иметь толщину более 100-150 мкм и коэффициент теплопроводности менее 1,5 Вт/(м К). На основе данных, полученных на лабораторных образах была разработана технология для МДО-покрытия макетов поршней. Была разработана конструкторская документация на макеты поршней и приспособление для обработки макетов МДО, а также изготовлены макеты поршней и приспособление. Исследования МДО-покрытий на макетах поршней позволили разработать технологию МДО для получения теплозащитных покрытий. Кроме этого была разработана конструкторская документация и изготовлено приспособление для обработки поршней МДО и экспериментальная установка МДО.

 

1) В результате выполнения 2-го этапа проекта удалось получить качественное теплозащитное МДО-покрытие на высококремнистом алюминиевом сплаве (с содержанием Si более 25%) и доработать технологию МДО сначала на макетах поршней, а затем и на поршнях двигателя РМЗ-550.

 

2) Получен комплекс уравнений регрессии, показывающий влияние режимов МДО на толщину, пористость, микротвердость и коррозионную стойкость покрытий, сформированных на сплавах АК4-1, АК12 и AlSi25CuNiMg. Установлено влияние Si в алюминиевых сплавах на теплофизические свойства МДО-покрытий. Все вышеперечисленные результаты получены впервые.

 

3) Все работы проведены в соответствии с План-графиком и соответствуют техническом заданию проекта, а именно п. 3.12, 3.15,

 

4) В научной литературе мирового уровня в области исследования коэффициента теплопроводности МДО-покрытий известны результаты, приведенные в работах Curran, J.A. The Thermal Conductivity of Plasma Electrolytic Oxide Coatings on Aluminium and Magnesium / J.A. Curran, T.W. Clyne // Surface & Coatings Technology. – 2005. – № 199. – Р. 177-183. и Curran,J. A. Thermal and mechanical properties of plasma electrolytic oxide coatings : This dissertation is submitted for the degree of Doctor of Philosophy /James A. Curran. - Cambridge, 2006. – 167 р. В этих работах установлен коэффициент теплопроводности МДО-покрытия на сплаве 2011 (сплав системы Al-Cu), значение которого составляет примерно 0,5 - 1,6 Вт/(м К). Результаты, которые были получены в настоящем проекте: на сплаве АК4-1 - коэффициент теплопроводности МДО-покрытия примерно 4 Вт/(м К), на сплаве АК12 – примерно 2,25 Вт/(м К) и на сплаве AlSi25CuNiMg – примерно 1,0 Вт/(м К). Таким образом полученные результаты на уровне порядка величин близки к данным мирового уровня. Но при этом удалось добиться повышения точности измерений до 5% по сравнению с мировыми аналогами, которые имеют погрешность до 50%.

 

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

 

1) Изобретение заявка № 2018127073 от 23.07.2018 "Устройство для обработки днища поршня двигателя внутреннего сгорания микродуговым оксидированием", РФ

 

2) Изобретение заявка № 2018135146 от 04.10.2018 "Способ получения толстослойных теплозащитных покрытий методом микродугового оксидирования на высококремнистом алюминиевом сплаве", РФ

 

4. Назначение и область применения результатов проекта

 

1) Области применения полученных результатов достаточно широки – начиная от использования в двигателях внутреннего сгорания, которые широко применяются на автомобильном и железнодорожном транспорте, а также в малой авиации (на вертолетах и легких самолетах), военной и сельскохозяйственной технике, заканчивая повышением теплозащитных свойств любых деталей, выполненных из алюминиевых сплавов. Примером таких деталей могут быть лопатки компрессоров и турбин.

 

2) На настоящий момент ситуация в российском двигателестроении такова, что наблюдается значительная зависимость от зарубежных деталей и запасных частей. Это порождает зависимость от зарубежных поставщиков и необходимость активных работ в области импортозамещения. Для решения этой проблемы Правительством РФ принят комплекс программ, направленных на развитие поршневого двигателестроения: «Морской транспорт», «Внутренний водный транспорт», «Стимулированиеразвития российских организаций автомобилестроения», «Стимулирование обновления парка автотранспортных средств и спроса на новую автомобильную технику». Все эти программы предусматривают пополнение и обновление техники, что, невозможно без разработки новых двигателей и совершенствования существующих. В этой области можно использовать результаты данного проекта.

 

3) В результате выполнения проекта методом микродугового оксидирования впервые удалось создать керамическое наноструктурное покрытие на образцах высококремнистого сплава с содержанием Si более 25% и разработать способ получения толстослойных покрытий методом МДО на алюминиевом сплаве с содержанием Si более 25%;

 

До настоящего момента не опубликовано ни одной научной работы, где бы описывались подобные результаты. Полученные результаты позволят использовать технологию МДО практически для всего спектра алюминиево-кремниевых сплавов с содержанием Si от 4 до 25%.

 

В перспективе результаты 2-го Этапа проекта могут использоваться при производстве поршней совместно с чешскими и австрийскими компаниями, которые на настоящий момент изготавливают поршни снегоходов двигателей РМЗ-550 и РМЗ-551 из алюминиевого сплава с содержанием Si более 25%.

 

5. Эффекты от внедрения результатов проекта

 

В результате внедрения научных результатов, которые будут получены при выполнении данного проекта, ожидается увеличение долговечности двигателей внутреннего сгорания снегоходов за счет повышения надежности их поршней.

 

Последствием этого может стать экологический эффект, связанный с продолжительностью срока службы двигателей и снижением количества утилизируемых двигателей, а также связанный со снижением токсичности отработавших газов за счет каталитического эффекта МДО-покрытия. Результаты, полученные на 2-м этапе проекта, не подлежат внедрению, а предполагают дальнейшую отработку и доработку их на 3-м этапе.

 

6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

 

Предполагается, что результаты проекта будут коммерциализированы предприятием – Индустриальным партнером – АО "Русская механика" самостоятельно по окончании проекта. Предварительные расчеты показали, что стоимость поршней после внедрения технологии теплозащитных покрытий, увеличится не более чем на 5 %, что является приемлемым с точки зрения потребителей. Коммерциализация результатов 2-го этапа не предусмотрена.

 

7. Наличие соисполнителей

 

Соисполнитель проекта – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет». Соисполнитель привлекался в течение трех месяцев исполнения работ на 2-м этапе проекта (с 23.08.2017 по 01.12.2017).