Этап 4
Резюме проекта, выполненного в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» по этапу № 4/итоговый
Номер Соглашения Электронного бюджета: 075-15-2019-014, 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. Разработка и вывод на рынок технологии мирового уровня, предназначенной для получения теплозащитных покрытий на поршнях двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Покрытия должны обладать более высокими, по сравнению с известными мировыми аналогами, показателями по тепловой защите, адгезионной прочности и 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.
2. Основные результаты проекта
На 1-м этапе проекта были получены следующие результаты:
1.1. На основе проведенного анализа современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему тепловой защиты поршней ДВС и результатов патентных исследований, было установлено, что одним из самых эффективных способов тепловой защиты поршней является технология микродугового оксидирования (МДО). При помощи технологии МДО можно формировать керамическое покрытие, характеризующееся низким коэффициентом теплопроводности и высокой адгезией к подложке из алюминиевого сплава. МДО-слой обладает значительным потенциалом для использования его в качестве тепловой защиты поршней ДВС.
1.2. Проведено обоснование и выбор основных направлений дальнейших исследований технологии МДО. Выбор направления исследований сделан с учетом того, что основная масса поршневых алюминиевых сплавов является высококремнистыми, а сплав поршней, используемых Индустриальным партнером, является заэвтектическим с содержанием кремния более 25-26%. Был сделан вывод, что для получения качественного МДО-покрытия на алюминиево-кремниевых сплавах необходимо обратить особое внимание при дальнейших исследованиях на:
- предварительную термическую обработку сплава
- концентрацию электролита;
- электрические параметры процесса МДО.
1.3. Проведен выбор перечня экспериментальных сплавов. Выбор был сделан на основе анализа нормативной и методической литературы, в которой описывается перечень алюминиевых сплавов, традиционно применяемых для изготовления поршней.
1.4 Разработан Акт согласования требований, предъявляемых к поршню с теплозащитным покрытием, а также к разрабатываемой технологии и оборудованию с предприятием - Индустриальным партнером.
1.5 Индустриальным партнером проекта разработано техническое задание на проведение опытно-технологических работ для разработки технологии по созданию теплозащитных покрытий методом МДО-слоя на поршнях.
На 2-м Этапе проекта разработаны:
1. 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.
2. 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.
3. Была разработана конструкторская документация на лабораторные образцы.
4. 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).
5. На основе данных, полученных на лабораторных образах была разработана технология для МДО-покрытия макетов поршней.
6. Разработана конструкторская документация на макеты поршней и приспособление для обработки макетов МДО.
7. Изготовлены макеты поршней и приспособление.
8. Разработана технология МДО для получения теплозащитных покрытий.
9. Разработана конструкторская документация на приспособление для обработки днищ поршней методом МДО с целью создания теплозащитного покрытия.
10. Изготовлено приспособление для обработки поршней МДО.
11. Разработано техническое задание и конструкторская документация на экспериментальную установку МДО.
12. Изготовлена экспериментальная установка МДО.
При выполнении 3 Этапа проекта получены следующие результаты:
1.Введена в эксплуатацию экспериментальная установка МДО.
2.Исследованы МДО-слои, полученные на образцах опытной партии поршней.
3.Подготовлены и проведены моторные испытания поршней с МДО, для чего разработана программа и методика моторных испытаний поршней с МДО-покрытием. По результатам моторных испытаний разработаны рекомендации по корректировки технологического процесс МДО-поршней.
4.Разработано техническое задание, конструкторская документация, изготовлен и испытан прототип установки МДО для серийного производства поршней.
5.Разработано техническое задание, конструкторская документация, изготовлен и испытан прототип приспособления для обработки поршней методом МДО в условиях серийного производства.
6.Проведены исследования и разработана технологическая инструкция по обеспечению долговечности электролита.
7.Разработана технология МДО для обработки поршней в серийном производстве.
8.Разработаны рекомендации по организации финишной обработки поверхности после МДО в серийном производстве.
9.Проведены приемочные испытания опытной партии поршней с теплозащитным МДО-слоем.
10. Выполнены патентные исследования по темам:
1) «Многоместное устройство для формирования теплозащитного покрытия на поршнях двигателей внутреннего сгорания методом микродугового оксидирования»;
2) «Автоматизированная система информационного обеспечения планирования эксперимента вида 23»;
3) «Расчет поршня с МДО-покрытием».
1.В результате выполнения ПНИ впервые в мировой практике получено качественное теплозащитное МДО-покрытие на высококремнистом алюминиевом сплаве (с содержанием Si более 25%) толщиной более 200 мкм и с коэффициентом теплопроводности ~ 1,1 Вт/(м*К).
2.Полученное МДО-покрытие имеет коррозионную стойкость в 1-7 раз больше, чем у исходного поршневого сплава в зависимости от режима обработки.
3.Разработана технология МДО поршней двигателя РМЗ-550 (551) с соответствующей технологической документацией.
4.Разработаны и изготовлены две установки микродугового оксидирования, в т.ч. прототип установки для серийной обработки поршней.
5.Экспериментально определены закономерности влияния режимов МДО на толщину, пористость; коррозионную стойкость и теплофизические свойства покрытий, сформированных на сплавах АК4-1, АК12 и AlSi25CuNiMg (М244). Установлено влияние Si в алюминиевых сплавах на теплофизические свойства МДО-покрытий. Все вышеперечисленные результаты получены впервые. На основании полученных результатов определены оптимальные, с точки зрения целей проекта, режимы МДО.
6. Получены значения коэффициентов теплопроводности МДО-слоев, сформированных на алюминиевых сплавов с различным содержанием кремния. 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%.
7.Разработанное МДО-покрытие показало свою высокую работоспособность в качестве теплозащитного покрытия в ходе проведенных моторных испытаний. Это позволило двигателю функционировать на режимах, на которых ранее наблюдались прогары поршней.
8.При проведении приемочных испытаний обнаружено, что основные эксплуатационные характеристики двигателя не ухудшились, а на ряде режимов работы двигателя было зафиксировано их улучшение. Это направление требует дальнейших исследований.
3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки
Получены:
1. Патент на полезную модель №187636 от 14.03.2019 «Устройство для обработки днища поршня двигателя внутреннего сгорания микродуговым оксидированием», РФ
2. Патент на изобретение № 2694441 от 15.07.2019 «Способ получения толстослойных теплозащитных покрытий методом микродугового оксидирования на высококремнистом алюминиевом сплаве», РФ
3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019662301 от 20.09.2019 "Автоматизированная система информационного обеспечения планирования эксперимента вида 23", РФ.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019664795 от 13.11.2019 "Расчет поршня с МДОпокрытием", РФ. Поданы:
5. Патент на полезную модель № 195260 от 21.01.2020 "Многоместное устройство для формирования теплозащитного покрытия на поршнях двигателей внутреннего сгорания методом микродугового оксидирования", РФ.
4. Назначение и область применения результатов проекта
1) Область применения результатов, полученных при выполнении проекта довольно обширны - прежде всего, это двигатели внутреннего сгорания, которые широко используются на различных видах транспорта, в том числе и в малой авиации, а также в военной и сельскохозяйственной технике. Кроме этого полученные результаты могут быть использованы для создания теплозащитных покрытий на деталях газотурбинных двигателей.
2) Современная ситуация в области двигателестроения такова, что имеется существенная зависимость от зарубежных производителей деталей и узлов, которые применяются в российской технике. Такая ситуация требует активных работ в области импортозамещения. Правительством РФ принят комплекс программ для развития и поддержки поршневого двигателестроения: «Морской транспорт», «Внутренний водный транспорт», «Стимулирование развития российских организаций автомобилестроения», «Стимулирование обновления парка автотранспортных средств и спроса на новую автомобильную технику». Вышеперечисленные программы предусматривают пополнение и обновление техники, а это невозможно без разработки новых двигателей и совершенствования существующих. Работы данного проекта направлены на совершенствование современных двигателей внутреннего сгорания и вывод на мировой рынок новых образцов продукции, показатели которой превышают показатели мировых аналогов.
Результаты проекта могут быть использованы 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%. Также полученные результаты могут применяться на предприятиях, выпускающих детали из алюминиевых сплавов, требующих тепловой защиты поверхностей.
5. Эффекты от внедрения результатов проекта
Внедрения научных результатов, полученных при выполнении данного проекта, позволят повысить долговечность двигателей внутреннего сгорания снегоходов за счет повышения теплостойкости поршней. Следствием 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.
6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта
Для дальнейшей реализации результатов ПНИ предлагается два варианта:
1. Организация участка микродугового оксидирования поршней на территории предприятия Индустриального партнера с дальнейшим обучением персонала и передачей соответствующих компетенций.
2. Организация совместного с Индустриальным партнером предприятия в форме общества с ограниченной ответственностью, которое будет осуществлять микродуговое оксидирование поршней для нужд Индустриального партнера. Выбор какого-либо из вышеперечисленных вариантов будет основан на результатах последующих договоренностей с Индустриальным партнером.
7. Наличие соисполнителей
В качестве соисполнителей в 2017 и 2018 привлекались сотрудники ФГБОУ ВО "Тольяттинский государственный университет".
