Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Выполненные в отчетном периоде работы 1. Изучено влияние защитного газа на течение плазмы электрической дуги и расплавленного металла. Для изучения влияние защитного газа на течение плазмы электрической дуги и расплавленного металла использовали метод высокоскоростной видеосъемки. 2. Исследованы неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, Марангони и магнитно-гидродиномической неустойчивости в наноразмерном диапазоне длин волн на поверхности капли жидкого электродного металла для формирования капель микро- и наноразмеров. Определены условия возникновения микронеровностей на капле жидкого металла при воздействие неустойцивости Кельвина-Гельмгольца. Исследовано совместное влияние неустойчивостей Кельвина-Гельмгольца и магнитно-гидродиномической неустойчивости на образование микронеровностей на капле жидкого металла. 3. Разработаны математические модели магнитно-гидродинамической неустойчивости для формирования микро- и нанокапель из слоя расплавленного поверхностного слоя электрода на основе развития неустойчивости Релея – Плато с учетом вязкости в коротко-волновом приближении. 4. Создан модуль расчета плазмы в пакете Comsol-Phisics. Полученные научные результаты 1. Установлено, что защитный газ и его давление влияют на течение плазмы электрической дуги и формирование капли. При увеличение давления защитного газа изменяется время образования и отрыва капли, чем выше давление газа, тем капля имеет меньший объем. Аргон, гелий и углекислый газ по разному оказывают влияние на течение плазмы электрической дуги, длину дуги, формирование и отрыв капли. Изменяя газовый состав и давление газа можно управлять процессом формирования капли и длиной дуги. А размер сформированной капли будет определять размер полученного в последствие порошка. Также в процессе моделирования и экспериментальных исследований было установлено, что оптимальной газовой средой для получения порошков будет является инертная среда, т.е. использование в качестве газа аргона или гелия. 2. На основании анализа литературных источников и предыдущих исследований авторов проекта следует, что радиальное растекание тока приводит к формированию вблизи электрода, как в плазме, так и в слое расплавленного металла вихревых зон, обусловленных электровихревым течений. При значении тока выше критического (которое зависит от геометрии электрода) вихревая зона становится неустойчивости, что в свою очередь приводит к вытягиванию цилиндрической струи. Развитие неустойчивостей различного вида на поверхности этой струи приводит к формированию микро и нанокапель, чему посвящен следующая задача 3.2. 3. Для получения потока частиц реализована идея воздействия на плавящийся электрод высокочастотного импульсного воздействия частотой 2,5-25 МГц. Высокочастотное импульсное воздействие обеспечивает необходимые условия для отрыва капель до формирования цилиндрической струи. 4. Получено упрощенное новое дисперсионное уравнение для коротковолновых возмущений на границе двух вязко-потенциальных жидкостей в цилиндрической геометрии, позволяющее расчитывать зависимость декремента от волнового числа в коротковолновом диапазоне. На примере систем «вода / воздух», «глицерин / воздух», «сталь / аргон» получены и проанализированы зависимости деремента (скорости роста) от волнового числа. Установлено, что в случае системы железо/аргон наблюдаются два максимума этой зависимости. Длина волны, на которую приходится первый максимум, входит в миллиметровый диапазон, а второй максимум приходится на длину волны микрометрового диапазона. Определен диапазон скоростей жидкости и газа, при которых реализуется микрометровый диапазон длин волн возмущений поверхности жидкости. Показано, что для достижения данного диапазона необходимо, чтобы диаметр струи был на порядок меньше диаметра столба воздуха. Для системы вода/воздух микрометровый диапазон достигается при скоростях газа w02 > 60 м/с и жидкости w01 < 1 m/s. Диаметр столба воздуха должен быть в 5 раз больше диаметра столба жидкости. При изучении НКГ в системе железо/аргон установлено, что для реализации данного диапазона необходимы скорости газа w02 > 100 м/с и жидкости w01 ≈ 1 m/s, при этом диаметр струи жидкости должен быть много меньше диаметра столба воздуха. В виду большой динамической вязкости глицерина, для достижения микрометрового диапазона длин волн скорость воздуха должна быть w02 > 500 м/с. 5. Определены условия возникновение и развитие на поверхности жидкого металла тонких жидких прослоек с поверхностно-периодическим рельефом (микроволны) микро– и нанометрового диапазона, возникающего при подаче металлических проволок в зону гетерогенной плазмы электрической дуги в условиях действия неустойчивостей Кельвина-Гельмгольца и термокапиллярной неустойчивости (Марангони). При использовании рабочего элемента формирующего необходимые направления движения плазменных потоков совместно с высокочастотным (ультразвуковым) воздействием, возникает дополнительное магнитно-гидродинамическое воздействие ориентированных плазменных потоков на тонкую прослойку жидкого металла, что позволит получить поток микро-и нанокапель на подложку (мишень). 6. Для силы тока 100А и для 300А сила Лоренца не оказывает никакого влияния на гидродинамику неустойчивости. При скоростях ~6 м/с поверхность устойчива и тока 300 А недостаточно для формирования неустойчивости. Для развития МГД неустойчивости необходимы силы тока порядка 1000 А. Расчеты с тонким слоем (10 мкм) показали, что основную роль в разрушении струи на капли играет - возмущение коэффициента поверхностного натяжения, т.е. термокапиллярный эффект. Исходя из этого результата в дальнейшем при создании исполнительного оборудования необходимо вводить импульсное питание плазмотрона. И дополнить исследования по влиянию амплитудного изменения силы Лоренца на развития МГД. 7. Получено дисперсионное уравнение для МГД неустойчивости в коротковолновом диапазоне длин волн для цилиндрической геометрии. Полученное уравнение позволяет провести параметрический анализ МГД неустойчивости. 8. Установлено, что для значений сил тока менее 1000 А роль МГД-неустойчивости в формировании капель несущественна. Основную роль играют неустойчивости Кельвина-Гельмгольца и Рэлея-Плато, а для струй малого диаметра порядка 10 мкм – термокапиллярная неустойчивость. При скоростях обтекающего газа более ~6 м/с поверхность расплава неустойчива, что приводит к образования капель микроразмерного диапазона. 9. Наложение высокочастотного импульсного воздействия необходимо для формирования эффекта отрыва микронеровностей с поверхности жидкого торца анода. Регулировка частоты будет создавать условия резонанса, при котором произойдет совпадение частоты продольных колебаний твердой части металла анода с собственной частотой колебаний микронеровностей на жидком торце анода. 10. Создан модуль расчета плазмы, позволяющий варьировать параметры на входе плазмотрона и получать оптимальные параметры на выходе из плазмотрона. Созданный модуль позволит моделировать различные процессы, происходящие внутри плазматрона и на его выходе. Использование пакета для параметрического анализа условий формирования и переноса капель. Для управления размерами частиц создана математическая модель, в которую следующие параметры: материал электрода, его размер, характеристики защитного газа, силу тока, скорость подачи проволоки. Меняя входные параметры (материал электрода и диаметр, силу тока, скорость движения плазменных потоков) получим математическую модель, которая позволит управлять размерами полученных частиц.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Выполненные в отчетном периоде работы 1. Получены результаты моделирования перехода упругой волны из твердой в жидкую фазу, для изучения резонансных явлений, связанных с формированием неустойчивости жидкости в нано- и микродиапазоне. 2. Разработан модуль расчета течения в поверхностных слоях электродов, основанный на рассмотрении процессов расплавления и течения расплавленного материала электрода, формирование капель и жидкой струи из микрокапель. 3. Разработан алгоритм управления и проект конструкции исполнительного оборудования, реализующую исследуемый процесс генерации капель микро- и наноразмерного диапазона. 4. Разработаны методы управления процессами поддержания и генерации плазменных потоков в исполнительном оборудовании. 5. Разработана методика определения наиболее рациональных режимов работы исполнительного оборудования для формирования потока микро- и нанокапель. Полученные научные результаты 1. При диаметре стержня 1,2 мм и частотах n < 5,3 МГц система может рассматриваться как длинный тонкий стержень, а параметры волнового процесса достаточно точно определяются по (3.1.36), (3.1.39), а при частотах n > 53 МГц система может рассматриваться как сплошная среда, а параметры волнового процесса достаточно точно определяются по (3.1.34), (3.1.35), (3.1.38). 2. При диаметре стержня 1,2 мм и частотах 5,3 < n < 53 МГц параметры волнового процесса должны определяться численными методами или по эмпирическим зависимостям. 3. При заданных условиях мощность рассеивания энергии с поверхности стержня составляет от 0,1 до 0,8% от общей мощности акустического потока. 4. При заданных условиях амплитуду колебаний можно считать постоянной по всей длине стержня. 5. Мощность, рассеиваемая с поверхности стержня, будет составлять доли процента от общей рассеиваемой мощности. При предварительных расчетах можно пренебречь потерями мощности на пути от источника колебаний до капли. 6. В капле будет иметь место распространение продольных и поверхностных волн. 7. При заданных условиях формирование поверхностных волн определяется силами поверхностного натяжения, а влиянием гравитации и размерами капли можно пренебречь. 8. Длины поверхностных волн на поверхности капли несоизмеримо малы по сравнению с размерами капли и лежат в диапазоне 11,3<λ<52,5 мкм, что приведет к возникновению интерференции волн на поверхности капли, и возможен резонанс. 9. Мощность, рассеиваемая с поверхности капли прямо пропорциональна квадратам частоты и амплитуды колебаний, прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна корню квадратному из термодинамической температуры газа вокруг капли. 10. При мощности рассеивания более 1Вт возможен отрыв микрокапель с поверхности капли, при этом размер микрокапель будет соизмерим с длиной поверхностной волны. 11. При частотах n > 100 МГц размер капель будет меньше 1 мкм, при условии, что мощность рассеивания превысит 10 Вт. 12. Разработан модуль расчета течения в поверхностных слоях электродов, основанный на рассмотрении процессов расплавления и течения расплавленного материала электрода, формирование капель и жидкой струи из микрокапель. Созданный модуль позволяет моделировать температурные и скоростные параметры, происходящие внутри плазматрона и на его выходе. Использование пакета для параметрического анализа условий расплавления и течения расплавленного материала электрода. Для управления формирования капель и жидкой струе из микрокапель создана математическая модель, в которую входят следующие параметры: материал электрода, его размер, характеристики защитного газа, сила тока, скорость и расход газа. Меняя входные параметры (расход газа, время, силу тока, давление, скорость) получим математическую модель, которая позволит управлять размерами полученных частиц. 13. Разработан алгоритм управления исполнительным оборудованием, реализующем процесс генерации капель микро- и наноразмерного диапазона. Таким образом, система управления лабораторной установкой в автоматическом режиме регулирует четыре основных параметра: частота ультразвуковых колебаний, сила тока в плазмотроне, длина дугового промежутка и рабочая температура в сопле. Варьируя данные параметры, происходит регулирование размера получаемых частиц. Разработанная экспериментальная установка позволяет использовать проволоки различного химического состава и диаметра. 14. Разработана и спроектирована конструкция исполнительного оборудования, реализующая исследуемый процесс генерации капель микро- и наноразмерного диапазона. Изготовлено сопло плазмотрона формирующее необходимые направления плазменных потоков для образования на поверхности капли жидкого металла микронеровностей под действием исследуемых неустойчивостей. 15. Математическое моделирование показало, что для систем дуговых плазмотронов с плавящимся анодом необходимо устанавливать комбинированную систему стабилизации: газовую и магнитную. 16. В связи с эффектом шунтирования при питании дуги с плавящимся анодом плазмоторнона от источника питания с падающей вольт-амперной характеристикой требуется автоматическая стабилизация напряжения дуги. В проекте это будет осуществляться за счет автоматического управления скорости подачи проволоки по каналам обратной связи (по напряжению). 17. На основе полнофакторного эксперимента разработана методика определения рациональных режимов работы исполнительного оборудования для формирования потока микро- и нанокапель. 18. Разработана методика исследования и изучения процесса образования и отрыва от капли расплавленного металла микронеровностей. 19. Разработана система синхронизации видеокамеры и CuBr-лазера, основанная на работе блока синхронизации и видеокамеры подключенные между собой по оптоволоконному кабелю. Блок синхронизации позволяет регулировать: длительность частоты, длительность импульса, задержка импульса, делитель частоты выходных каналов.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Выполненные в отчетном периоде работы 1. Получен диапазон рабочих параметров и режимов исполнительного оборудования. 2. Разработана программа управления лабораторной установкой. 3. Разработана технология получения металлических частиц нано- и микродиапазон. Полученные научные результаты 1. Установлено, что введение в рабочую зону аргона или гелия и проволок различного химического состава, позволяет получать микронеровности, образованные и оторванные с капли расплавленного металла различного размера. При введении аргона микронеровности приобретают более вытянутую форму, что способствует лучшему отрыву от проволоки. При обработке результатов экспериментальных исследований параметров образования и отрыва микронеровностей с поверхности капли расплавленного металла определялись геометрические параметры. 2. Экспериментальным путем установлено оптимальное расстояние от выхода плазмы из сопла плазмотрона до проволоки (l, мм), оно равно 1-4 мм. При изготовлении плазмотрона расстояние l принято 3 мм. Данное расстояние позволяет мгновенный переход дежурной дуги в основную. 3. Экспериментальным путем установлено оптимальное расстояние от проволоки до сопла Лаваля (L, мм), оно равно 40-45 мм. При изготовлении плазмотрона расстояние L принято 45 мм. Данное расстояние позволяет формировать необходимые направления плазменных потоков для образования на поверхности капли жидкого металла микронеровностей и уменьшать размер частицы до нанодиапазона. 4. Отработаны и скорректированы режимы получения порошков в лабораторных условиях. Лабораторные экспериментальные исследования позволили определить оптимальные режимы для проволок различного химического состава (Св-08Г2С, диаметром 1,2 мм, OK Autrod 347Si диаметром 0,8 мм, ML 1070 диаметром 1,2 мм, ML CuSi3 диаметром 1 мм, ВТ1-00 диаметром 1,2 мм). Диапазон параметров и режимов исполнительного оборудования: Сила тока 40-80А; давление плазмообразующего газа 0,6-0,8 атм., скорость подачи проволоки 20-80 мм/с, частота ультразвуковых колебаний 50МГц и 100МГц. 5. Экспериментально установлена возможность получения порошков разработанным способом. Однако разработанная конструкция сопла плазматрона наиболее оптимально подходит для металлов с пониженной жидкотекучестью (проволока из низкоуглеродистой стали, высоколегированной аустенитной стали). Конструкция и геометрические параметры разработанного сопла плазмотрона позволяет формировать для данных материалов необходимые направления плазменных потоков для образования на поверхности капли жидкого металла микронеровностей. Порошки, полученные из стальных проволок имеют правильную форму и размер 50-100 мкм. Для получения порошков нанодиапазона необходимо в нижнем корпусе сопла плазмотрона размещать сопло Лаваля. Частицы порошков, которые изготовлены из металлов с повышенной жидкотекучестью (алюминия, титана, меди) имеют не правильную форму и размер 100-500 мкм. Для стабилизации формы и размера частиц необходимо изменить угол α, диаметр входного и выходного отверстия газового канала разработанного плазмотрона. 6. Разработан специализированный аппаратно-программный комплекс для получения металлических частиц нано-и микродиапазона со встроенной автоматической защитой от нештатных ситуаций, позволяющий управлять основными характеристиками процесса и мониторинга физических параметров, а также обеспечивать заданные параметры силы тока, скорости подачи проволоки, давление плазмообразующего газа и характеристики получаемого готового продукта. 7. Разработан способ получения порошков нано- и микродиапазона. Способ основан на воздействии на материал вихревых плазменных потоков гетерогенной плазмы и синхронизированного высокочастотного воздействия на электрод. Формирование порошков происходит из отдельных частиц, нагретых и ускоренных с помощью высокотемпературной газовой струи – плазмы. Ёё получают в специальном оригинальном генераторе плазмы вдуванием плазмообразующего инертного газа в электрическую дугу, образующуюся между двумя электродами. На основе этого способа разработана лабораторная установка, которая позволяет управлять параметрами технологического процесса и, соответственно, свойствами получаемых нанопорошков и отработан технологический процесс получения порошков нано- и микродиапазона. Данная технология позволяет получать широкую гамму нанопорошков различных металлов и сплавов, которые могут быть изготовлены в виде проволоки. По данной технологии в качестве инструмента для получения порошков применяется сварочная проволока. Во-первых она обеспечивает одинаковый химический состав по всей длине, это позволяет получать порошки того химического состава, который не обходим. Во-вторых на рынке сварочная проволока представлена в широком разнообразии как по химическому составу, так и по диаметру. 8. Установлена возможность получения порошков различного размера и химического состава данным способом по разработанной технологии. Конструкция исполнительного оборудования, реализующая исследуемый процесс генерации капель микро- и наноразмерного диапазона наиболее оптимально подходит для стальных проволок. Изготовленное сопло плазмотрона формирует необходимые направления плазменных потоков для образования на поверхности капли жидкого металла из стальной проволоки микронеровностей. Для того, что бы получать порошки правильной формы из других металлов необходимо корректировать конструктивные особенности сопла плахмотрона и размеры газового канала, в котором образуется плазма. Данные параметры необходимо корректировать в зависимости от физических, механических свойств и химического состава металлов. 9. Порошки, полученные по разработанной технологии, возможно, использовать в трех направлениях: при плазменном напылении – частицы порошка должны иметь форму сферы и размер 100-300 мкм., в аддитивном производстве – частицы порошка должны иметь форму сферы и размер 20-30 мкм., в сварочном производстве (модифицирование наплавленного металла)– частицы порошка должны иметь форму сферы и размер 10-20 мкм.