Научное обоснование и реализация цифровых технологий низкотемпературного плазменного формирования композитных структур на поверхностях прецизионных геометрически сложных металлических изделий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00101

НазваниеНаучное обоснование и реализация цифровых технологий низкотемпературного плазменного формирования композитных структур на поверхностях прецизионных геометрически сложных металлических изделий

Руководитель Бржозовский Борис Максович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова сложнопрофильное прецизионное изделие, поверхностный слой, низкотемпературная плазма, нанокомпозитная структура, цифровая технология.

Код ГРНТИ55.21.99, 55.22.31, 55.03.05

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение актуальной научной проблемы (лежащей на стыке инженерных наук с физикой, химией и материаловедением) формирования композитных структур (нанокластеры в аморфной связке) в поверхностном слое сложнопрофильных деталей и изделий (в том числе малогабаритных прецизионных для аэрокосмической, военной техники, мехатроники, медицины и др.) из перспективных металлических материалов с помощью не имеющего аналогов метода низкотемпературной плазменной обработки, проводимой в электромагнитном (СВЧ) и электростатическом полях при давлении порядка 300 Па и обеспечивающей (в отличие от других известных методов поверхностной обработки) комплексное улучшение свойств поверхностного слоя (физико-механических и химических) при сохранении неизменными исходной геометрической и размерной точности изделий, и, как следствие, повышение их эксплуатационной надежности по параметрам долговечности (в том числе при работе в экстремальных условиях) и расширение областей практического применения. Научная значимость и актуальность заявленной проблемы обусловлена имеющимся в различных областях данными о том, что зачастую реальный ресурс современных изделий отличается в 2,5…5 раз в меньшую сторону от ресурса, требуемого по условиям их эффективной (в том числе оправданной экономически) эксплуатации. Это связано с тем, что еще на этапе проектирования изделия показатели ресурса определяются лишь с некоторой вероятностью гамма, выраженной в процентах (гамма-процентный ресурс и средний ресурс), по кривой его распределения. На значение ресурса влияет множество факторов, большинство из которых являются случайными. В результате значения показателей ресурса имеют разброс, поэтому идентифицировать кривую распределения можно либо предположительно, либо по статистическим данным, которые на этапе проектирования, особенно новых изделий, чаще всего отсутствуют. Изложенное означает, что для обеспечения заданных значений показателей ресурса необходимо использовать дополнительные методы технологического воздействия на изделие при изготовлении. Прежде всего, этому воздействию целесообразно подвергать поверхностный слой рабочей части изделия, от свойств которого ресурс зависит в наибольшей степени. При этом необходимо не столько повышать показатели, характеризующие свойства, сколько обеспечивать их длительное сохранение за счет поиска и создания условий, в которых формирование свойств будет целенаправленным. Одним из перспективных направлений целенаправленного изменения свойств поверхностного слоя изделий, прежде всего сложнопрофильных прецизионных, является воздействие на него комбинированным газовым разрядом низкотемпературной плазмы. В процессе воздействия происходит нагрев поверхностного слоя заряженными частицами плазмы до состояния расплава. Последующее резкое охлаждение в отсутствии плазмы стимулирует протекание в поверхностном слое процессов самосборки нанокластеров и формирования аморфной связки. Это придает поверхностному слою уникальные свойства, во-первых, созданием нанокомпозитной структуры, во-вторых, «залечиванием» поверхностных дефектов, прежде всего микротрещин, в-третьих, снижением высоты микронеровностей, что обеспечивает повышение показателей, характеризующих долговечность изделий. Однако материалы исследований, выполненных авторами Проекта по изучению воздействия комбинированного газового разряда низкотемпературной плазмы на поверхность металлических изделий (см. список публикаций авторов в Приложении к заявке, прикрепленном в п.4.13. Файл с дополнительной информацией 1), позволили установить, что оно в значительной степени зависит от исходных свойств поверхностного слоя изделия: физико-механических, химических и электрических, которые имеют значительный разброс по всем характеризующим их показателям. Назначение же режимных параметров низкотемпературной плазменной обработки производится на основании учета только физико-механических свойств поверхностного слоя, а также массовых и геометрических параметров изделия. Теоретическим обоснованием такой процедуры являются результаты оценочных расчетов взаимодействия плазмы и изделия, позволившие показать, что при любом сочетании режимных параметров количество теплоты, выделяющееся в поверхностном слое изделия за время обработки в среде определенного технологического газа превышает количество теплоты, необходимое для его расплавления. В то же время на практике имеют место ситуации, в которых при фиксированном сочетании режимных параметров поведение облака плазмы может провоцировать возникновение явлений (вплоть до нелинейных), связанных: – с пульсациями облака вокруг поверхности изделия; – с кратковременным или полным отрывом облака от поверхности изделия. В результате возникает разброс значений параметров, характеризующих сформированные свойства поверхностного слоя, даже при обработке однотипных изделий, что приводит к разбросу значений показателей их эксплуатационной надежности. Снижение величины разброса возможно на основе учета исходных химических и электрических свойств поверхностного слоя, поскольку их показатели либо непосредственно влияют на формирование показателей свойств поверхностного слоя по результатам воздействия на него низкотемпературной плазмы, либо отображают ход процесса формирования. Однако для учета названных свойств необходимо, прежде всего, оценить его эффективность теоретически, поскольку это определит, что для учета свойств необходимо сделать практически. В связи с этим, в рамках выполнения Проекта запланировано проведение исследований по трем основным направлениям. К задачам первого направления относится: – уточнение теоретического описания физических процессов, протекающих в комбинированном газовом разряде; – теоретическое и экспериментальное исследование протекающих в комбинированном газовом разряде нелинейных явлений; – математическое моделирование электрических процессов, сопровождающих формирование показателей свойств поверхностного слоя изделий; – разработка методики учета химических свойств поверхности изделия. Второе направление предполагает выполнение комплекса научно-практических работ и исследований, связанных с решением следующих задач: – оптимизация условий формирования комбинированного газового разряда низкотемпературной плазмы и его взаимодействия с поверхностью изделия за счет апробации управления электромагнитным и электростатическим полями; – реализация каналов для наблюдения за формированием и поведением облака плазмы по параметрам оптического сигнала, а также за процессом формирования композитной структуры по параметрам электрического сигнала; – реализация возможностей обработки в среде смеси технологических газов; – разработка методики оценки результатов формирования композитных структур на поверхностях прецизионных геометрически сложных металлических изделий. Решение этих задач позволит создать цифровые технологии низкотемпературного плазменного наноструктурирования, под которыми понимается совокупность процедур, позволяющих повысить эффективность управления оборудованием для низкотемпературной плазменной обработки за счет: – регистрации и обработки в режиме реального времени параметров сигналов, характеризующих состояние процесса воздействия плазмы на поверхность и его изменения под действием различных возмущений; – формирования и реализации управляющих воздействий, связанных с изменением значений режимных параметров, что позволит адаптировать состояние процесса обработки к действию возмущений или компенсировать его. Практически реализация технологий позволит обеспечить целенаправленное формирование свойств поверхностного слоя изделий за счет их стабилизации, легирования поверхностного слоя и/или создания в нем сложных химических структур без переноса вещества в вакууме. В рамках третьего направления предполагается решение задач оценки эксплуатационных возможностей синтезированных новых структур по параметрам долговечности на основе данных, полученных при проведении экспериментальных исследований поведения структур и производственных испытаний изделий, на рабочих поверхностях которых они сформированы. Таким образом, научная новизна проекта связана: – с развитием теоретического описания процессов, протекающих в комбинированном газовом разряде и поверхностном слое изделий; – с оптимизацией процесса синтеза композитных структур на рабочих поверхностях изделий, в том числе малогабаритных, конструктивными и технологическими методами; – с обоснованием условий, обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности изделий, в том числе малогабаритных из перспективных материалов, по параметрам долговечности, и вносит реальный вклад в решение проблемы создания цифровых технологий синтеза многофункциональных нанокомпозитных структур на поверхностях прецизионных геометрически сложных металлических изделий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Б.М. Бржозовский, М.Б. Бровкова, С.Г. Гестрин, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина Study of the properties of the asymmetric microwave low pressure gas discharge. Journal of Physics D: Applied Physics, V.52. №48. 11 pp. (год публикации - 2019)
10.1088/1361-6463/ab3ea7

2. Б.М. Бржозовский,М.Б. Бровкова, И.Ю. Гоц, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов Study of the low-temperature plasma treatment effect on the structure, physical and chemical surface characteristics of 40X13 steel. Heliyon, 5 (2019) e02388 (год публикации - 2019)
10.1016/j.heliyon.2019.e02388

3. Б.М. Бржозовский, Н.С. Азиков, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина Composite structure formation on the surfaces of geometrically complex products. Journal of Physics: Conference Series, 1281 (2019) 012006 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1281/1/012006

4. Б.М. Бржозовский, Азиков Н.С., Мартынов В.В., Зинина Е.П. Формирование композитных структур на поверхностях геометрически сложных изделий. Пленки и покрытия – 2019: труды 14-й Международной конференции. – Спб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2019. – 640 с., С.580-583. (год публикации - 2019)

5. И.Ю. Гоц, В.О. Лукьянова, Influence of the Introduction of Rare Earth Metal on the Strength of Aluminum Electrodes Inorganic Materials: Applied Research, Vol. 11, No. 5, pp. 1173-1179. (год публикации - 2020)
10.1134/S2075113320050123

6. М.Б. Бровкова, В.В. Мартынов, Е.С. Плешакова The Main Directions for Increasing the Tool Life of a Metal Cutting Tool with Modified Working Parts Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Vol.49, No. 2, pp.137-143. (год публикации - 2020)
10.3103/S1052618820020065

7. Б.М. Бржозовский, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов, А.В. Сусский Realization of electrical signal monitoring of metal surface modification by means of low-temperature plasma treatment Vibroengineering PROCEDIA, Vol. 32, 2020, p. 135-140. (год публикации - 2020)
10.21595/vp.2020.21382

8. Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, С.Ю. Молчанов, И.Ш. Бахтеев, А.А. Довгань Исследование распределения электрического поля в плазменной камере при щелевом вводе СВЧ энергии Успехи прикладной физики, Т.8, №3, с. 189-198. (год публикации - 2020)

9. В.О. Лукьянова, И.Ю. Гоц Исследование морфологии Al-Nd сплавов, полученных методом катодного внедрения для использования в ХИТ Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика, С. 149-150. (год публикации - 2020)

10. Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов Научные основы низкотемпературной плазменной модификации металлорежущих инструментов Фундаментальные основы физики, химии и механики наукоемких технологических систем формообразования и сборки изделий, С. 23-30. (год публикации - 2020)

11. В.О. Лукьянова, И.Ю. Гоц, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов Влияние режимов обработки низкотемпературной плазмой на физико-химические свойства стали Р6М5 Фундаментальные основы физики, химии и механики наукоемких технологических систем формообразования и сборки изделий, С. 143-148. (год публикации - 2020)

12. В.О. Лукьянова, И.Ю. Гоц Assessment of diffusion-kinetic and thermodynamic characteristics of Al-Pr-H alloy obtained by the method of cathodic incorporation 2020 4th Scientific School on Dynamics of Complex Networks and their Application in Intellectual Robotics (DCNAIR), Pp. 162-164. (год публикации - 2020)
10.1109/DCNAIR50402.2020.9216910

13. В.В. Мартынов, А.В. Сусский The results of modeling electrical processes in low-temperature plasma modification of metal surfaces 2020 4th Scientific School on Dynamics of Complex Networks and their Application in Intellectual Robotics (DCNAIR), Pp. 169-171. (год публикации - 2020)
10.1109/DCNAIR50402.2020.9216918

14. В.В. Мартынов, Б.М. Бржозовский, Е.П. Зинина, С.Ю. Молчанов Анализ процессов, формирующих нелинейное поведение низкотемпературной плазмы Перспективные направления развития финишных и виброволновых технологий, Сборник трудов научного семинара технологов-машиностроителей. - Ростов-на-Дону: ДГТУ. - 531 с. (С. 201-208). (год публикации - 2021)

15. В.О. Лукьянова, И.Ю. Гоц, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина Влияние режимов борирования сплава Д16 с последующей плазменной обработкой на морфологию и физико-химические свойства материалов Перспективные направления развития финишных и виброволновых технологий, Сборник трудов международного симпозиума технологов-машиностроителей. - Ростов-на-Дону: ДГТУ. - 531 с. (С. 172-177). (год публикации - 2021)

16. Мартынов В.В., Бржозовский Б.М., Азиков Н.С., Бровкова М.Б., Зинина Е.П. Low-temperature plasma technique for skin structure consolidation International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 117, issue 7-8, pp. 2387-2394. (год публикации - 2021)
10.1007/s00170-021-07041-2

17. Бржозовский Б.М., Бровкова М.Б., Гестрин С.Г., Зинина Е.П., Мартынов В.В. A study of anode area physical parameters of asymmetric combined gas discharge Heliyon, 7 (2021) e07006 8 pp. (год публикации - 2021)
10.1016/j.heliyon.2021.e07006

18. В.В. Мартынов, Б.М. Бржозовский, Е.П. Зинина, А.В. Сусский Substantiation of the technology for controlling the process of low-temperature plasma modification of metal product surface layer by the electrical signal parameters International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Volume 117, issue 7-8, pp. 2405-2419. (год публикации - 2021)
10.1007/s00170-021-07258-1

19. Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, С.С. Пермяков Управление процессом нагрева поверхности изделия при низкотемпературной плазменной обработке Пленки и покрытия-2021, Труды 15-й Международной конференции: СПб.:Изд-во ООО "РПК "АМИГО-ПРИНТ". - 436 с. (С. 360-363). (год публикации - 2021)

20. Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, С.С. Пермяков Surface heating control during low-temperature plasma treatment Journal of Physics: Conference Series, 1954 (2021) 012004 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/1954/1/012004

21. Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, Е.П. Зинина, А.В. Сусский Моделирование электрических процессов при низкотемпературной плазменной модификации поверхности металлических изделий Современные проблемы теплофизики и энергетики, Материалы III международной конференции. - М.:Издательство МЭИ. - 708 с. (С.335-336). (год публикации - 2020)

22. Б.М. Бржозовский, Е.П. Зинина, В.В. Мартынов Технология и результаты изучения взаимодействия поверхности с потоком заряженных частиц низкотемпературной плазмы Наукоёмкие технологии в машиностроении, №2 (152). С.20-27. (год публикации - 2024)
10.30987/2223-4608-2024-20-27

23. Е.П. Зинина, В.В. Мартынов Улучшение обрабатываемости материалов инструментом с наноструктурированными рабочими поверхностями Современные тенденции развития инструментальных систем и металлообрабатывающих комплексов: сборник трудов Всероссийской (национальной) научно-технической конференции. - Ростов-на-Дону: ДГТУ, С. 274-280. (год публикации - 2024)

Публикации