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 19-19-00101

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

РуководительБржозовский Борис Максович, Доктор технических наук

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

Период выполнения при поддержке РНФ 2019 г. - 2021 г.  , продлен на 2022 - 2023. Карточка проекта продления (ссылка)

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 словасложнопрофильное прецизионное изделие, поверхностный слой, низкотемпературная плазма, нанокомпозитная структура, цифровая технология.

Код ГРНТИ55.21.99, 55.22.31, 55.03.05


СтатусУспешно завершен


 

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.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение задач, сформулированных в Проекте, ожидается получение следующих новых научных и практических результатов: – по 1 направлению: построение математической модели, основанной на уравнении диффузии заряженных частиц в электрическом поле, для более детального изучения физических процессов, происходящих в плазменном облаке вблизи поверхности обрабатываемого изделия; определение условий, при которых поведение плазменного облака становится нелинейным, вызывая переходы из одного устойчивого состояния в другое и, как следствие, изменение хода процесса формирования свойств поверхностного слоя изделий, а также сопровождающих его электрических процессов. Возможность эффективного практического использования результатов исследований по данному направлению связана с научным обоснованием условий, обеспечивающих целенаправленное формирование свойств поверхностного слоя высокоточных и прецизионных изделий за счет его наноструктурирования и создания в нем сложных химических соединений без переноса вещества в вакууме; – по 2 направлению: новые программно-технические решения и технологические приемы (цифровые технологии), обеспечивающие практическую реализацию условий целенаправленного формирования свойств поверхностного слоя высокоточных и прецизионных изделий; – по 3 направлению: получение данных для обоснования условий, в которых потенциальные возможности сформированных свойств поверхностного слоя будут использоваться в максимальной степени и на этой основе как стабильно обеспечивать требуемый уровень эксплуатационной надежности деталей и изделий, так и повышать его по параметрам долговечности. Таким образом, перспективы применения результатов выполнения Проекта связаны с созданием научно-технологического задела для синтеза композитных структур с нанодисперсно-упрочненной аморфной фазой на поверхностях геометрически сложных, высокоточных и прецизионных деталей и изделий, в том числе малогабаритных, функционирующих в различных условиях, в том числе экстремальных. Применение этих деталей и изделий позволит решить широкий класс прикладных задач в различных отраслях жизнедеятельности (авиация и космонавтика, машино- и приборостроение, медицина, охрана окружающей среды и др.), а полученные новые знания о процессах синтеза и функционирования наноструктурированных поверхностных слоев позволят сократить период вывода новой продукции на рынок нанотехнологий. Все это позволяет считать тематику исследований по Проекту соответствующей мировому уровню.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на научное обоснование условий, обеспечивающих расширение возможностей разработанного авторами способа формирования в поверхностном слое металлических изделий композитных структур воздействием на него низкотемпературной плазмы: уточнение теоретического описания физических процессов, протекающих в комбинированном СВЧ-газовом разряде, исследование электрических процессов, сопровождающих формирование показателей свойств поверхностного слоя изделий, реализация каналов обратной связи для наблюдения за формированием и поведением облака плазмы по параметрам оптического сигнала, а также за процессом формирования композитной структуры по параметрам электрического сигнала, разработка методики учета химических свойств поверхности изделия, создание нового способа изменения структуры поверхности перед плазменным воздействием. Проанализированы свойства асимметричного СВЧ газового разряда, возникающего вблизи поверхности обрабатываемого изделия в заполненной технологическим газом резонаторной камере. Получено дифференциальное уравнение и найдено его решение, описывающее процесс диффузии, сопровождающийся потерей энергии высокоэнергичными электронами. Определены условия, которые являются наиболее благоприятными для обработки поверхности изделия. Разработана модель электрической цепи «система формирования электромагнитного поля – плазма – поверхностный слой – изделие – система формирования электростатического поля» и выполнено исследование электрических процессов, сопровождающих взаимодействие плазмы с поверхностью изделия. Выявлены основные закономерности влияния режимных параметров (анодного тока магнетрона и подаваемого на изделие потенциала), параметров плазмы и характеристик поверхностного слоя изделия на параметры и поведение электрического сигнала. Показана возможность управления процессом взаимодействия плазмы с поверхностью изделия по параметрам электрического сигнала. Реализованы каналы обратной связи, позволяющие получать информацию о процессе формирования композитной структуры по параметрам оптического и электрического сигналов. Обоснована целесообразность наблюдения за процессом формирования композитной структуры с помощью электрического канала, т.е. в режиме on-line, и использования видеофайлов с оптическими сигналами для изучения поведения СВЧ-газового разряда в режиме off-line. Проведена проверка работоспособности каналов. Установлено, что оптические сигналы отражают правильность назначения уровня подводимой в рабочую камеру СВЧ энергии, степень поглощения которой плазмой определяет не только интенсивность ее свечения, но и результативность взаимодействия с поверхностью изделия. Электрические сигналы позволяют не только отображать состояние процесса взаимодействия плазмы с поверхностью изделия, но и достоверно фиксировать моменты возникновения его изменений под действием возмущений. Это делает возможным реализацию процедуры коррекции процесса обработки с целью его «приспособления» к действию возмущений. «Приспособление» осуществляется за счет внесения поправки в значение анодного тока магнетрона. Момент коррекции определяется на основе дополнительной регистрации сигналов о колебаниях анодного тока магнетрона с выхода устройства (ПИД-регулятора), которое используется для поддержания стабильным его заданного значения. В целом исследования по изучению свойств газового разряда и электрических сигналов позволили показать, во-первых, что процесс формирования композитной структуры можно оптимизировать, во-вторых, что им можно управлять. Достоверность этих положений была подтверждена практической реализацией наблюдения за процессом обработки реальных изделий, показавшей, что обработка с коррекцией анодного тока магнетрона позволила сформировать композитную структуру, приращение микротвердости поверхностного слоя которой в 1,35 раза большее, чем приращение микротвердости структуры, сформированную при обработке без коррекции. Проанализированы подходы и методы изучения свойств и поведения поверхности твердых тел. Установлено, что поверхность обладает индивидуальными свойствами и в различных условиях способна по-разному проявлять их, формируя пространственный заряд за счет тепловой эмиссии электронов, которые экранируют положительный фон поверхности металла, образуя вместе с ним двойной электрический слой. Показано, что выделить и оценить вклад исходных свойств поверхности можно методами электрохимии, измеряя электродный потенциал поверхности или исследуя явления смачивания и растекания помещенной на нее жидкости, которые обусловлены процессами молекулярного взаимодействия. В случае низкотемпературной плазменной обработки изучение возможно только с помощью подходов, которые позволяют имитировать процесс взаимодействия потока заряженных частиц плазмы с поверхностью таким образом, чтобы можно было, во-первых, наблюдать за ним, во-вторых, оценивать его результаты количественно. Обоснована возможность использования в качестве имитатора потока заряженных частиц водного раствора поваренной соли низкой концентрации. Проведены исследования по изучению взаимодействия потока заряженных частиц плазмы и его имитатора с поверхностью под влиянием потенциала электростатического поля. Установлено, что в обоих случаях потенциал усиливает адсорбционные процессы и активизирует протекание химических реакций, которые приводят к изменению концентраций в поверхностном слое основных элементов, встречающихся в плазме и образованию новых связей с поверхностными атомами с выделением энергии, которая, рассеиваясь, приводит к уплотнению поверхностного слоя. Максимальное уплотнение достигается при обеспечении высокой скорости образования отрицательных ионов и молекул и их максимальной концентрации на поверхности при минимальной десорбции поверхностных атомов. Оба условия зависят от исходных химических свойств поверхности, что означает, во-первых, необходимость их учета при назначении режимных параметров процесса низкотемпературной плазменной обработки, во-вторых, возможность их использования для оценивания эффективности результатов обработки. Показано, что наилучшим методом регистрации и оценивания химических свойств поверхности, интегрально отражающим и плотность, и химическую активность материала, является бестоковое определение ее стационарного потенциала по хроно-потенциометрическим кривым. Разработана методика регистрации химических свойств поверхности изделия потенциостатическим методом. Экспериментально зафиксирована и статистически достоверно подтверждена возможность формирования в поверхностном слое структур, свойства которых значимо отличаются от исходной металлической структуры и приближаются к свойствам композитных структур. Степень приближения определяется полнотой учета химических и физико-механических свойств исходной структуры при назначении режимных параметров (химической активности – при назначении подаваемого на изделие потенциала смещения, физико-механических – при назначении уровня подводимой к изделию СВЧ-мощности) и позволяет повышать показатели долговечности изделий за счет изменения лежащих в основе повышения физических механизмов. На примере образцов из стали 40Х13 показано, что учет исходных свойств позволяет повысить в 3 раза коррозионную стойкость за счет снижения скорости коррозии и коррозионных потерь. Разработан новый способ изменения структуры поверхности перед плазменным воздействием, основанный на методе катодного внедрения из водно-органического электролита нового состава, позволяющего вести процесс внедрения при комнатной температуре. Выполнены экспериментальные исследования способа, позволившие впервые внедрить титан в образцы из стали Р6М5, используемой для изготовления металлорежущего инструмента различного назначения. Проведена оценка эффективности полученных результатов. Установлено, что в оптимальных условиях, обеспечиваемых параметрами процессов электрохимического внедрения и низкотемпературной плазменной обработки, скорость внедрения титана в поверхность стальной подложки возрастает на порядок, формируемое покрытие имеет толщину до 20 мкм, размер зерен в покрытии уменьшается в 2,36 раза, микротвердость повышается, в среднем, в 1,43 раза. Выполнена практическая апробация способа при формировании титановых покрытий на образцах из стали 12Х18Н10Т, титанового сплава ВТ3-1, алюминиевого сплава Д16Т, а также на реальных изделиях: сверлах из стали Р6М5, фрезе из вольфрамокобальтового твердого сплава и лопатке турбины из титанового сплава ВТ3-1 для авиационного двигателя SaM146 самолета Sukhoi Superjet 100. По результатам эксплуатации фрезы в условиях реального производства при изготовлении деталей из стали 40Х зафиксировано повышение ее ресурса в 2,5 раза. Обоснована целесообразность разработки, разработана и изготовлена рабочая камера с коаксиальным вводом СВЧ энергии, позволяющая расширить возможности технологической установки в направлении обработки длинномерных изделий. Проведены первичные испытания камеры при обработке реального изделия длиной более 200 мм. По результатам эксплуатации в условиях реального производства зафиксировано повышение ресурса изделия в 2,0 раза. По материалам выполненных работ вышли публикации в интернет-газете «Газета.ru» (https://www.gazeta.ru/science/news/2019/10/23/n_13611950.shtml, http://rscf.ru/ru/node/rossiyskie-uchenye-pridumali-sposob-povysheniya-dolgovechnosti-metallicheskikh-izdeliy) и информационной системе о новостях науки и техники «Индикатор» (https://indicator.ru/engineering-science/priduman-sposob-povysheniya-dolgovechnosti-metallicheskikh-izdelii-27-10-2019.htm). В целом результаты выполнения проекта в 2019 году показали, что соблюдение условий для наиболее полной передачи энергии плазмы поверхности изделия, а также учет химических и электрических свойств поверхности позволяют определять оптимальные значения тока магнетрона и подаваемого на изделие потенциала, обеспечивая улучшение свойств поверхностного слоя и способствуя повышению ресурса изделий. Данные, полученные при эксплуатации изделий после низкотемпературной плазменной обработки в производственных условиях, это повышение подтвердили.

 

Публикации

1. 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)

2. 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) https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab3ea7

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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1281/1/012006

4. 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) https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e02388

5. Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, А.В. Сусский Программа обработки и моделирования данных об электрических сигналах -, 2019618726 (год публикации - )

6. - Российские ученые придумали способ повышения долговечности металлических изделий Газета.ru, 23 октября 2019 года, 16:25 (год публикации - )

7. - Придуман способ повышения долговечности металлических изделий Indicator, 27 октября 2019 года, 17:06 / Технические науки (год публикации - )

8. - Российские ученые придумали способ повышения долговечности металлических изделий Газета.ru, 28 октября 2019 года / Инженерные науки (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на дальнейшее изучение: – свойств слоистой структуры асимметричного комбинированного газового разряда низкотемпературной плазмы; – процессов взаимодействия разряда с поверхностью металлических изделий; – возможностей оптимизации взаимодействия электромагнитного и электростатического полей в ходе обработки изделий в камерах со щелевым и коаксиальным вводами СВЧ энергии; – способа формирования покрытий без переноса вещества в вакууме на изделиях из мягких металлических материалов; – условий, обеспечивающих получение в поверхностном слое изделий структур с наилучшими значениями параметров химических и физико-механических свойств; – технологических возможностей цилиндрических камер со щелевым и коаксиальным вводами СВЧ энергии. Исследована структура анодной области асимметричного комбинированного газового разряда низкотемпературной плазмы. Найдена оценка ширины этой области, совпавшая с размером светящейся области разряда. Получено аналитическое выражение для функции распределения электронов плазмы, находящейся в существующих в анодной области сильных электрических полях, которое, наряду с упругими столкновениями, учитывает их неупругие столкновения с атомами, существенные в области высоких энергий. Определена зависимость средней величины энергии от напряженности приложенного электрического поля, а также подвижность электронов в постоянном и СВЧ электрических полях и проводимость плазмы в зоне ускорения электронов. На основе результатов изучения совместного влияния на электроны постоянного и СВЧ полей и анализа семейства вольтамперных характеристик получены оценки параметров анодного слоя: амплитуд напряженности СВЧ поля, соответствующих различным уровням подводимой СВЧ-мощности; равновесного отрицательного плавающего потенциала, до которого изделие заряжается относительно плазмы; температуры и средней энергии электронов, удерживаемых вблизи поверхности изделия; концентрации ионов. Кроме этого установлено, что, во-первых, существует уровень СВЧ-мощности, формирующий оптимальную для обработки изделия среднюю энергию рождающихся в зоне ускорения электронов, во-вторых, подача на изделие постоянного положительного потенциала смещения позволяет регулировать величину отрицательного анодного падения напряжения, т.е., по сути, поток электронов, попадающих на поверхность изделия. На основе результатов сопоставительного анализа процессов, протекающих в асимметричном комбинированном газовом разряде низкотемпературной плазмы, с процессами, протекающими в идеальной плазме, а также сравнения вольтамперных характеристик доказано наличие у них существенных отличий, указывающих на возникновение при определенных условиях нелинейного поведения разряда. Основной причиной является нарушение квазинейтральности разряда в условиях изменения взаимодействия заряженных частиц с полями, определяемого состоянием процесса поступления на поверхность СВЧ энергии и знаком ее потенциала, а также местоположением частиц в разряде. Это позволяет рассматривать нелинейное поведение как критерий ухудшения взаимодействия электромагнитного и электростатического полей, поскольку практически его возникновение приводит к снижению эффективности низкотемпературных плазменных технологий. Проведен комплекс теоретических исследований по оценке возможностей оптимизации взаимодействия электромагнитного и электростатического полей за счет внесения изменений в значения режимных параметров, т.е. управления. Разработана технология управления, направленная на повышение эффективности процессов низкотемпературной плазменной обработки, за счет: – наблюдения за ходом обработки по сигналу о токе смещения, регистрируемом в цепи «плазма-изделие» для определения моментов реализации управления; – анализа сигнала о колебаниях анодного тока магнетрона для выбора режимного параметра, значение которого необходимо изменить; – комплексного оценивания результатов обработки для принятия обоснованного решения о целесообразности ее повторного проведения. Выполнены экспериментальные исследования по управлению при обработке образцов из конструкционных сталей различных марок в камерах со щелевым и коаксиальным вводами СВЧ энергии. Анализ полученных результатов позволил достоверно показать, что: – наилучшими вариантами управления являются постепенное уменьшение потенциала смещения, а также постепенное и мгновенное увеличение анодного тока магнетрона; – уменьшение потенциала обеспечивает увеличение стационарного потенциала поверхности, увеличение анодного тока магнетрона обеспечивает повышение степени уплотнения структуры поверхностного слоя. Достоверность результатов исследований подтверждена практической реализацией управления при обработке инструмента различного назначения для АО «Газэнергосервис» (г. Москва), и ЗАО ТЗС (г. Самара). Выполнен комплекс исследований по использованию разработанного авторами нового метода катодного внедрения из водно-органического электролита с последующим воздействием низкотемпературной плазмы для формирования покрытий на образцах из материалов на основе алюминиевой и титановой матриц без переноса вещества в вакууме. Исследована морфология сформированных покрытий и рассчитаны параметры, характеризующие их химические и физико-механические свойства. Установлено, что в оптимальных условиях, обеспечиваемых составом синтезированных электролитов и значениями режимных параметров: скорость внедрения европия, азота, бора и кремния в поверхность матрицы возрастает на порядок за счет смены лимитирующей стадии с диффузионной на рекомбинацию; формируемое покрытие имеет толщину от 8 до 40 мкм; размер зерен в покрытии уменьшается в 2,0 раза; микротвердость повышается, в среднем, в 1,5 раза; коэффициент трения снижается, в среднем, в 2,0 раза; повышается степень гидрофобности поверхности. В совокупности это позволяет прогнозировать увеличение срока службы изделий из алюминия и титана, широко применяемых в различных отраслях промышленности и медицине за счет повышения их износостойкости и коррозионной стойкости. Изучены возможности дальнейшего повышения эффективности технологий низкотемпературной плазменной обработки. Показано, что такие возможности существуют в рамках следующих направлений: – определение момента прекращения процесса нагрева изделия и его охлаждение при повышенном давлении в рабочей камере технологической установки с наблюдением за процессом охлаждения. В совокупности это позволяет получать наилучшую структуру измененного поверхностного слоя по критерию соотношения объемов, занимаемых в ней аморфной связкой и кластерами; – проведение обработки в среде смеси газов. Практическая апробация обработки (в смеси азота и аргона) реальных изделий – комплекта сверл из инструментальной стали Р6М5 – при сравнении ее результатов с результатами обработки аналогичного комплекта в среде одного газа (азота) показала, что обработка в смеси обеспечивает, с одной стороны, большее суммарное уплотнение поверхностного слоя, с другой сохранение в большей степени электронейтральности самой поверхности; – улучшение позиционирования изделия в камерах со щелевым и коаксиальным вводами СВЧ энергии. Разработан комплекс рекомендаций, позволяющих, в том числе проводить обработку изделий, имеющих большие диаметры (до 100 мм), и одновременную двухстороннюю обработку изделий небольшой длины (до 50 мм). Достоверность полученных результатов была подтверждена при обработке как образцов, так и реальных изделий (режущего и вырубного инструмента) из различных материалов; – проведение комбинированной обработки при щелевом и коаксиальном вводах СВЧ энергии. Апробация схемы такой обработки при различных вариантах управления взаимодействием электромагнитного и электростатического полей показала, что она способна обеспечивать, во-первых, большее упрочнение поверхностного слоя, во-вторых, его более равномерное уплотнение в ситуации, когда одновариантная обработка этого не обеспечивает даже при управлении взаимодействием электромагнитного и электростатического полей. Для практической реализации направлений проведена модернизация технологической установки в направлении, во-первых, создания второго канала ввода СВЧ энергии в рабочей камере и дополнительного канала для подачи в рабочую камеру второго технологического газа в газо-вакуумной системе, во-вторых, изготовления новой специальной оснастки. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение (цифровые технологии), позволяющие повышать не только эффективность процессов формирования композитных структур (катодного внедрения и низкотемпературной плазменной обработки) за счет управления их ходом, но и эффективность анализа результатов за счет оценки как качества измененного поверхностного слоя изделий, так и качества управления. С позиций современной классификации эти технологии могут быть отнесены к технологиям дополненной реальности, использование которых позволяет, с одной стороны, ускорять рабочие процессы, с другой повышать стабильность и безопасность эксплуатации изделий и объектов. О ходе и результатах выполнения работ по Проекту 14.01.2020 года в эфире телеканала Россия 1 вышел сюжет в передаче «Утро России»: https://russia.tv/video/show/brand_id/3838/episode_id/2237121/video_id/2261528/viewtype/picture/

 

Публикации

1. 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)

2. 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)

3. 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) https://doi.org/10.21595/vp.2020.21382

4. 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) https://doi.org/10.1109/DCNAIR50402.2020.9216918

5. 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) https://doi.org/10.1109/DCNAIR50402.2020.9216910

6. 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)

7. 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) https://doi.org/10.1134/S2075113320050123

8. 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) https://doi.org/10.3103/S1052618820020065

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. - Сюжет "Упрочнение металлов" в программе "Утро России" Телеканал Россия 1, 14.01.2020 года (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на оценку эксплуатационных возможностей изделий с наноструктурированным поверхностным слоем. Основным объектом исследований был инструмент различного целевого назначения, в частности, металлорежущий, поскольку условия его эксплуатации, близкие к экстремальным, влияют не только на износостойкость, но (в ряде случаев) и на коррозионную стойкость, делая актуальной задачу повышения его надежности. Основной целью исследований стало решение актуальной для практики проблемы, связанной с улучшением обрабатываемости материалов резанием по критерию повышения производительности. Поиск решения проводился с позиций наноструктурирования рабочей части инструмента воздействием низкотемпературной плазмы (в том числе с предварительным внедрением в нее различных легирующих элементов) и последующего изучения возможностей: – увеличения пройденного инструментом пути при резании и, как следствие, объема снятого металла; – стабилизации параметров точности обработки и, как следствие, повышения надежности выполняемого технологического процесса; – уменьшения числа переточек (или замен) инструмента и, как следствие, сокращения вспомогательного времени, связанного с наладкой оборудования. Исследования проводились в два этапа. На первом этапе в качестве объекта исследований были приняты широко применяемые для обработки различных материалов точением сменные многогранные твердосплавные пластины с многослойным CVD покрытием шведской фирмы Sandvik Coromant. В качестве обрабатываемых материалов использовались низколегированная конструкционная сталь 40Х и легированная коррозионностойкая сталь 20Х13. Количественный анализ результатов исследования, проведенный с помощью полученных для оценки и прогнозирования долговечности пластин и качества обработанной поверхности функциональных зависимостей (мультипликативных степенных моделей), позволил установить и зафиксировать следующее. 1. Обрабатываемость материалов инструментом, имеющим высокие исходные показатели долговечности, может быть улучшена за счет повышения по результатам низкотемпературного плазменного наноструктурирования уровня стабильности режущих свойств, которые оцениваются по сигналу термоЭДС, определяющему физико-механические свойства контактной пары «инструментальный материал – обрабатываемый материал», за счет либо снижения значений сигнала, либо сокращения их разброса, способствуя: а) повышению ресурса, в среднем, на 50…80 минут, и, как следствие, производительности обработки на 6,5…8,4%; б) устойчивой стабилизации качества обработанной поверхности: – изделий из конструкционной низколегированной стали – во всем диапазоне применяемых значений режимных параметров и термоэлектрических свойств; – изделий из легированной коррозионностойкой стали в фиксированном диапазоне значений режимных параметров и термоэлектрических свойств, т.е. повышению надежности технологических процессов механической обработки резанием. По результатам исследования сформулированы условия максимально эффективной эксплуатации высоконадежного инструмента с наноструктурированной рабочей частью: – выполнение чистовой обработки на повышенных скоростях резания для обеспечения максимальной производительности и наилучшего качества формируемой поверхности; – выполнение черновой обработки на малых скоростях резания для увеличения пути резания и объема снимаемого металла, которые могут использоваться при технологической подготовке производства изделий из легированных сталей для снижения временных и материальных затрат на ее проведение. На втором этапе объектом исследований стал отечественный инструмент (как из твердого сплава, так и из быстрорежущей стали) с наноструктурированной рабочей частью. Исследования выполнялись с целью оценки возможности замещения дорогостоящего импортного инструмента. Исследования твердосплавного инструмента (пластин, в том числе с внедренными в их поверхностный слой бором и бором в сочетании с хромом) проводились в ООО «ТОСС» (г. Саратов) при точении заготовок из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Исследования инструмента из быстрорежущей стали проводились в ООО «Сфера-Авиа» (г. Саратов) и заключались в сверлении отверстий при изготовлении реальных изделий из стали 30ХГСА сверлами из стали Р6М5: обычными и с наноструктурированной рабочей частью, в том числе с предварительно внедренным в ее поверхность нитридом титана. Анализ полученных результатов проводился с позиций изучения образовавшихся на рабочих поверхностях дефектов (микролокальных, микроповерхностных и макро). Результаты анализа: – показали, что поведение сформированной при наноструктурировании композитной структуры существенно отличается от поведения обычного материала, обеспечивая большую устойчивость к внешним воздействиям, и, как следствие, способствуя повышению ресурса инструмента (и, соответственно, производительности обработки) в реализуемых на производстве условиях эксплуатации от 2,0 до 4,0 раз; – позволили сформулировать условия, обеспечивающие улучшение обрабатываемости материалов отечественным наноструктурированным инструментом за счет, во-первых, формирования максимального по глубине и плотности наноструктурированного слоя (правильным подбором внедряемых в поверхностный слой легирующих элементов, режимных параметров процессов внедрения и наноструктурирования и варианта управления процессом наносруктурирования), во-вторых, снижения интенсивности возникновения и действия на слой растягивающих усилий как следствия протекающих на контактных поверхностях адгезионных процессов (правильным подбором значений режимных параметров при эксплуатации). Достоверность условий была подтверждена результатами сравнительных стойкостных испытаний отечественного (обычного и наноструктурированного) и импортного (обычного) твердосплавного инструмента (фрез) в стоматологической клинике «Кедр» (г. Саратов) при изготовлении изделий из титана. По материалам выполненных исследований проведено сравнение характеристик отечественного инструмента между собой, а также с характеристиками импортного твердосплавного инструмента (обычного и наноструктурированного), зафиксированными по результатам стойкостных испытаний в ООО «СЭПО-ЗЭМ» (г. Саратов) при изготовлении изделий из стали АРМКО (пластины и вставки) и фольгированного стеклотекстолита (сверла), ООО «Алви» (г. Саратов) при изготовлении изделий из стали 40Х13 (фрезы), ООО «Продмашкомплект» (г. Саратов) при изготовлении изделий из стали Ст.3 (пластины), ООО «Сфера-Авиа» (г. Саратов) при изготовлении изделий из стали 30ХГСА (фрезы) и полученными ранее в ОАО «Саратовский агрегатный завод» при изготовлении изделий из сталей 30ХГСА, 35ХГСЛ, 12Х2Н4А и 40Х (пластины, фрезы). Сравнение показало, что, во-первых, твердость отечественного наноструктурированного инструмента из инструментальной стали, в среднем, не уступает твердости отечественного инструмента из твердого сплава и обеспечивает повышение ресурса, в среднем, в 3,3 раза, во-вторых, твердость отечественного наноструктурированного инструмента из твердых сплавов, в среднем, превышает твердость импортного твердосплавного инструмента и обеспечивает повышение его ресурса, в среднем, в 3,1 раза. Проанализированы причины повышения твердости. Материалы выполненных исследований, а также исследований, ранее выполненных научным коллективом, позволили сформировать интерактивную базу данных, которая содержит информацию, необходимую для проведения процесса наноструктурирования. Рассмотрен пример использования базы при наноструктурировании пластин из твердого сплава ВК6-ОМ с покрытием TiN. Показано, что результаты наноструктурирования позволяют не только повышать ресурс, но и получать новые знания о лежащих в основе повышения механизмов, что является актуальным, поскольку преждевременный выход инструмента из строя: – приводит к значительным временным затратам на возобновление программы изготовления деталей; – снижает эффективность использования современного высокопроизводительного станочного оборудования особенно в условиях цифрового производства. В целом результаты выполнения работ по плану 2021 года, а также работ, выполненных в 2019 и 2020 годах, позволили: 1) считать созданным научно-технологический задел по синтезу композитных наноструктур на поверхностях геометрически сложных металлических изделий, поскольку с его помощью были получены новые знания о процессах синтеза и функционирования наноструктурированных поверхностных слоев. На основе этих знаний можно формировать такое комплексное воздействие на поверхностный слой изделий, которое, улучшая его морфологию, физико-механические и химические свойства: – обеспечивает повышение эксплуатационной надежности по параметрам долговечности; – способствует повышению эффективности реализуемых с помощью изделий технологических процессов, в частности, механической обработки металлов резанием по критерию роста ее производительности; 2) сделать вывод о том, что низкотемпературное плазменное наноструктурирование может успешно конкурировать с другими способами поверхностной упрочняющей обработки и создать методику, позволяющую проводить технико-экономическое обоснование конкурентоспособности установки и технологий низкотемпературного плазменного наноструктурирования. Методика базируется на расчете значений показателей надежности наноструктурированного изделия, которые должны обеспечивать его нормальное функционирование на весь период до достижения предельного состояния. Результаты расчета позволяют обоснованно подойти к оценке экономической эффективности низкотемпературного плазменного наноструктурирования (экономического эффекта и риска), а также уровня его конкурентоспособности, и на этой основе решать вопросы продвижения установки и технологий на внешний и внутренний рынки. Результаты выполнения работ по Проекту включены в сюжет “Огнеупорные материалы”, показанный на телеканале Россия 1 в передаче «Утро России» 26.10.2021 года: https://www.vesti.ru/video/2351384.

 

Публикации

1. 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) https://doi.org/10.30987/2223-4608-2024-20-27

2. 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)

3. 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) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1954/1/012004

4. 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) https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e07006

5. 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) https://doi.org/10.1007/s00170-021-07258-1

6. 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)

7. 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)

8. 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) https://doi.org/10.1007/s00170-021-07041-2

9. 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)

10. В.В. Мартынов, Б.М. Бржозовский, Е.П. Зинина Программа моделирования тепловых процессов при формировании композитной структуры в поверхностном слое металлических изделий воздействием низкотемпературной плазмы -, 2020662759 (год публикации - )

11. - Сюжет “Огнеупорные материалы”. Телеканал Россия 1., Программа «Утро России» от 26.10.2021 года. (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Практическое использование результатов проекта заключается в создании научно-технологического задела по синтезу композитных наноструктур на поверхностях геометрически сложных металлических изделий для работы на предприятиях различных отраслей экономики. Задел включает модернизированную технологическую установку, цифровые технологии и базу данных и позволяет сформировать такое воздействие на поверхностный слой изделий, которое обеспечивает повышение эксплуатационной надежности по параметрам долговечности и способствует повышению эффективности реализуемых с помощью изделий технологических процессов. Практическая реализация результатов проекта проведена: – в ООО «СЭПО-ЗЭМ» (г. Саратов), ООО «Алви» (г. Саратов), ООО «Продмашкомплект» (г. Саратов), ООО «Металлист» (г, Саратов), стоматологической клинике «Кедр» (г. Саратов), ЗАО ТЗА (г. Самара), ООО СамЗАС (г. Самара), ОДК «Сатурн» (г. Рыбинск) при механической обработке деталей из различных материалов импортным и отечественным наноструктурированным режущим инструментом из твердого сплава (пластины, вставки, сверла, фрезы), позволившей зафиксировать повышение производительности от 1,2 до 2,5 раз; – в ООО «Сфера-Авиа» (г. Саратов) при механической обработке деталей отечественным наноструктурированным инструмента из быстрорежущей стали (сверла), позволившей зафиксировать повышение производительности до 4,3 раза и показать возможность совершенствования применяемой технологии обработки в направлении дальнейшего повышения производительности, а также в ОАО «Газэнергосервис» (г. Москва) при механической обработке деталей наноструктурированным инструментом из быстрорежущей стали (пуансоны), позволившей зафиксировать повышение производительности до 2,0 раз.