Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание электронно-лучевых вневакуумных систем с плазменным эмиттером и разработка на их основе пучковых технологий получения композиционных нанопорошков для электронно - лучевой наплавки износо- коррозионно- и жаростойких покрытий и конструирования трехмерных изделий методами послойного спекания.

Номер контракта: 14.577.21.0018

Руководитель: Ремпе Николай Гербертович

Должность: профессор кафедры физики

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
плазменная электронная пушка, плазменный эмиттер, электронно-оптическая система, электронный пучок, яркость электронного пучка, электрический пробой, ионизация газа, транспортировка электронного пучка, перепад давления, поток газа, газодинамическое окно, плазменное окно, система дифференциальной откачки, вневакуумные технологии, нанопорошки, электронно-лучевая наплавка, послойное спекание порошков.

Цель проекта:
Цели проекта: - создание высокоэффективного конкурентоспособного промышленного оборудование – устройство вывода сфокусированных пучков в атмосферу на основе плазменного эмиттера; - создание на базе разработанного устройства основ новых эффективных вневакуумных технологий производства нанопорошков, получение износо- коррозионно- и жаростойких покрытий методами электронно-лучевой наплавки порошков, создание основ новых вневакуумных электронно-лучевых технологий конструирования трехмерных изделий методами послойной электронно-лучевой наплавки. Задачи проекта: 1. Научные: - исследования высоковольтной эмиссии электронов из плазмы в газонаполненный промежуток с высоким градиентом электрического поля; изучение особенностей и условий формирования электронного пучка в электронно-оптической системе с плазменным эмиттером в условиях повышенного давления газа; - изучение методов и подходов к созданию систем транспортировки электронного пучка, сформированного высоковольтной пушкой с плазменным эмиттером, в газ атмосферного давления. 2. Технические: - создание энергоэффективного вневакуумного электронно-лучевого устройства на основе пушки с плазменным эмиттером; создание универсального экспериментального стенда для исследований и отработки режимов работы в вакууме и атмосфере электронно-лучевого оборудования и проведения технологических экспериментов; разработка алгоритмов управления параметрами и режимами работы вневакуумного электронно-лучевого устройства, обеспечивающих автоматизацию технологических экспериментов; 3. Технологические: - разработка основ вневакуумной электронно-лучевой технологии получения композиционных нанопорошков; - разработка основ вневакуумной электронно-лучевой технологии наплавки износо-коррозионно- и жаростойких покрытий; - разработка основ вневакуумной электронно-лучевой технологи создания трехмерных изделий методами послойного спекания порошковых материалов.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта к настоящему времени получены следующие научно-технические результаты:
а) выполнены обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающие научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта;
б) проведены расчеты, выполнено компьютерное моделирование условий формирования высоковольтного электронного пучка в пушке с плазменным эмиттером, условий течения газа и распределения давления в системе дифференциальной откачки, а также генерации плазмы;
в) выполнены экспериментальные исследования процессов и условий формирования электронного пучка макетом высоковольтной пушки с плазменным эмиттером, условий течения газа и распределения давления в макете системы дифференциальной откачки, а также генерации плазмы, процессов и условий транспортировки электронного пучка в областях с различным давлением системы дифференциальной откачки;
г) создано оборудование:
- макет разрядной камеры макета высоковольтной пушки с плазменным эмиттером.
- макет высоковольтной пушки с плазменным эмиттером.
- макет системы дифференциальной откачки.
- макет устройства вывода электронного пучка в атмосферу на основе плазменного эмиттера.

На заключительных этапах проекта запланированы следующие научно-технические и технологические эксперименты:
а) эксперименты по наработке образцов композиционных нанопорошков, по наплавке экспериментальных образцов износо-, коррозионно- и жаростойких покрытий (в том числе, на конструкционные стали) и формированию экспериментальных образцов трёхмерных изделий;
б) исследования по созданию алгоритмов управления параметрами и режимами работы макета устройства вывода электронного пучка в область с атмосферным давлением на основе плазменного эмиттера, обеспечивающие автоматизацию процессов проведения технологических экспериментов.

Технические параметры созданного оборудования:
- макет высоковольтной пушки с плазменным эмиттером генерирует сфокусированный пучок с энергией электронов не менее 120 кэВ;
- рабочий диапазон тока пучка макета высоковольтной пушки с плазменным эмиттером: 1 ÷ 200 мА;
- макет системы дифференциальной откачки обеспечивает транспортировку электронного пучка от давления не менее 0,001 мм рт.ст. в плазменном эмиттере до атмосферного с коэффициентом токопрохождения не менее 80%;
- макет устройства вывода электронного пучка на основе плазменного эмиттера имеет КПД не менее 70%;
- рабочий диапазон напуска газа (воздух) в разрядную камеру макета высоковольтной пушки с плазменным эмиттером: 10 ÷ 20 куб.см·атм/ч.
- диапазон температур эксплуатации макета устройства вывода электронного пучка в область с атмосферным давлением на основе плазменного эмиттера: +15 ÷ +30°С;
- электронный пучок транспортируется в области с атмосферным давлением на расстояние не менее 1 см.

В 2016 г. предполагается выполнить технологические эксперименты по получению нанопорошков, наплавке покрытий и созданию трехмерных изделий со следующими параметрами и характеристиками:
Технические характеристики нарабатываемых нанопорошков:
- тип нарабатываемых нанопорошков: ZnO (оксид цинка), Zn (цинк);
- характерный размер наночастиц: не более 100 нм;
- удельная поверхность: не более 40 м2/г;
- наработка: не менее 4 г/ч.
Параметры покрытий:
- наплавляемый коррозионностойкий материал: карбид титана, карбид хрома;
- твердость покрытий (Износостойкость покрытия) при плотности мощности в пучке не более 105 Вт/см2: не менее 45 HRC;
- микротвердость покрытий: не менее 1000 кг/мм2;
- ширина диффузионной зоны: не менее 100 мкм;
- коррозионная стойкость покрытий должна соответствовать ГОСТ 9.908-85;
- жаростойкость покрытий должна соответствовать ГОСТ 9.312-89.
Технические характеристики трехмерных изделий:
- материал изделия: алюминий, нержавеющая сталь;
- мощность электронного пучка: не более 20 кВт;
- толщина наплавляемого слоя: не более 0.2 мм;
- размеры получаемого изделия (ШхВхГ): не менее 50х10х50 мм;
- время процесса выращивания изделия: не более 30 мин.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Получены следующие основные научные и научно-технические прикладные результаты:
- впервые созданы основы теории высоковольтной эмиссии электронов из плазмы в газонаполненный промежуток с высоким градиентом электрического поля;
- изучены вопросы взаимодействия интенсивных электронных пучков с плазмой в плазмонаполненных каналах транспортировки пучков в область с атмосферным давлением;
- впервые создана электронно-лучевая вневакуумная система с плазменным эмиттером для
технологического применения, являющаяся конечным техническим продуктом проекта.

На заключительных этапах проекта предполагается выполнить следующие основные работы:
- реализовать на основе созданных систем с плазменным эмиттером технологии получения электронно-лучевыми методами композиционных нанопорошков в газе промежуточного давления и в атмосфере;
- разработать технологии создания вне вакуума методами электронно-лучевой наплавки износо-
коррозионно- и жаростойких покрытий, в том числе с использованием получаемых порошков;
- впервые разработать общие принципы вневакуумных технологий создания трехмерных изделий
методами послойного спекания порошковых материалов.
В процессе реализации проекта для получения научных и научно-технических результатов использованы современные методы и аппаратура диагностики плазмы и электронных пучков, выполнено компьютерное моделирование процессов в газо- и плазмонаполненных каналах транспортировки электронных пучков с применением современных вычислительных комплексов и компьютерных программ.
За счет средств проекта выполнены все научные эксперименты и модельные расчеты, разработаны и изготовлены макеты электронно-лучевые вневакуумные системы с плазменным эмиттером, источников электропитания, часть диагностической аппаратуры.
Заявленные результаты по проекту достигаются путем выполнения работ, определенных техническим заданием и планом-графиком к проекту. Ограничения и риски в настоящее время не определены.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Устройство вывода электронного пучка в область с атмосферным давлением на основе плазменного эмиттера предназначено:
l) для применения в индустрии получения нанопорошков;
2) для сварки и резки металлов в машиностроении, авиастроении, ядерной промышленности, металлургии и других производствах;
3) для применения в технологии вневакуумной электронно-лучевой наплавки износо- коррозионно- и жаростойких покрытий на различные, в том числе конструкционные стали;
4) для технологий создания трехмерных изделий методами послойного спекания порошковых материалов вне вакуума.

Основными потенциальными потребителями созданного устройства являются предприятия:
- машиностроения (в т.ч. предприятия авиа-, судо- и автомобилестроения);
- атомной энергетики;
- производители установок для электронно-лучевой сварки (резки, наплавки);
- научно-исследовательские организации, деятельность которых связана с исследованием пылевой плазмы,
газовых струй (потоков), отработкой технологий сварки и резки, использованием нанопрошков.
В качестве примера потенциальных потребителей можно указать следующие организации:
- Perndorfer Maschinenbau KG (Кальхам, Австрия);
- ARCAM AB (Мёльндаль, Швеция);
- TWI (Кембридж, Англия);
- Pro-beam AG & Co. KGaA(Мюнхен, Германия);
- Steigerwald Strahltechnik GmbH (Майзах, Германия);
- University of Hannover (Ганновер, Германия);
- PTR Präzisionstechnik GmbH (Майнталь/Дорнигхайм, Германия);
- ОАО «НИТИ «Прогресс» (Ижевск);
- ОАО «НТЦ «Электромеханика» (Ржев);
- Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск);
- Институт экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН (Москва);
- ФГУП ГНЦ РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований», (Троицк);
- ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт материалов» (Санкт-Петербург).
В рамках действующего проекта развивается международное сотрудничество с University of Hannover (Ганновер, Германия). В частности, используется инфраструктура университета для выполнения отдельных исследований и испытания элементов создаваемой аппаратуры. Совместные публикации с сотрудниками этого университета способствуют популяризации полученных результатов.

Текущие результаты проекта:
К настоящему времени получены следующие основные научные и научно-технические прикладные результаты:
- созданы основы теории высоковольтной эмиссии электронов из плазмы в газонаполненный промежуток с высоким градиентом электрического поля;
- изучены вопросы взаимодействия интенсивных электронных пучков с плазмой в плазмонаполненных каналах транспортировки пучков в область с атмосферным давлением;
- создан макет электронно-лучевой вневакуумной системы с плазменным эмиттером для технологического применения.