Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии управления процессами структурообразования при высокоинтенсивном лазерном компактировании ультрадисперсных порошковых смесей

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Продолжительность работ
2009 - 2010, 12 мес.
Бюджетные средства
2,11 млн
Внебюджетные средства
0 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
20.07.2009 - 30.09.2009
1. Наименование разрабатываемой продукции
Физико-математическая модель процесса структурообразования, включающая в рассмотрение все основные физические факторы и процессы, присутствующие при высокоскоростном спекании порошков.
Технология лазерного компактирования порошков на основе железа и редкоземельных металлов, включающая композиционные порошки, состоящие из компонентов с различными теплофизическими свойствами.
2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. В процессе работы на первом этапе проводились работы по подготовке и диспергированию материалов, разработке и изготовлению вакуумной камеры, формулировке уравнений модели фазовых превращений многокомпонентной системы в процессе её импульсного нагрева и последующего охлаждения, подготовке материалов статьи.
В результате проведенных работ получены методом механоактивации в вибромельницах ультрадисперсные наноструктурные порошковые смеси систем Fe-Ni, Fe-Ni-C, Fe-C, Fe-C-Cu с различными фракционным и химическим составами. В качестве основы использовались порошки карбонильного железа. Никель наносился на поверхность частиц порошка методом химического осаждения, при этом толщина наносимого слоя варьировалась от 10 до 100 нм. Изготовленная вакуумная камера позволяет откачивать рабочее пространство до давления 10^-2 мм.рт.ст. с возможностью напуска защитной атмосферы (аргон, азот, водород) с парциальными давлениями от 2 до 10^3 Па. Анализ модели фазового поля позволил впервые сформулировать уравнения для трехкомпонентной системы (Fe-C-Cu, Fe-Ni-C сплавы) при их превращениях в присутствии трех фаз (газообразной, твердой и жидкой). В результате получена система, включающая уравнения: баланса химических компонентов; атомных потоков; кинетических коэффициентов переноса; свободной энергии Гиббса трехкомпонентной системы; кинетики превращения фаз. Система уравнений является основой для создания модели, описывающей разномасштабные процессы теплопереноса и структурообразования в многокомпонентной, многофазной системе при затвердевании с отклонением от локального равновесия.
Полученные результаты исследований создают условия для успешного достижения заявленной цели при реализации научно-исследовательских работ на последующих этапах. По результатам исследований подготовлена и представлена в редакцию журнала Физика металлов и металловедение статья, принятая к опубликованию ориентировочно в 5 номере (том 108) журнала.
2.2. Технология химического осаждения никеля на поверхности ультрадисперсных порошков железа позволила впервые получить оригинальное наноструктурное состояние – наноструктурные частицы железа в никелевой оболочке толщиной от 10 до 100 нм. Технология лазерного высокоскоростного компактирования порошкового материала позволяет получать оригинальные функциональные материалы в метастабильном состоянии с сохранением наноструктурных свойств исходного порошка. На данном этапе впервые записаны уравнения модели фазового поля с учетом формализма расширенной необратимой термодинамики, которые необходимы для реализации будет впервые компьютерной модели обработки тонкого порошкового слоя лазерным лучом. Модель фазового поля в настоящее время является наиболее современной и адекватной теорией кристаллизации, активно развиваемой учеными в западных университетах. Работы под руководством приглашенных исследователей позволяют сократить отставание российской науки в данной области и создавать актуальный научно-технический продукт.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе. Особенностью разработок являются уникальная технология подготовки метастабильных материалов и использование модели фазового поля для описания процессов в многокомпонентной, многофазной среде.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на первом этапе отсутствуют.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов.
Результаты проекта могут применяться при создании и оптимизации процессов лазерного спекания в высокотехнологичных процессах нанесения защитных, механопрочностных и химически инертных покрытий. В частности, они могут быть использованы Сарапульским электроконденсаторным заводом «Элеконд» и Ижевским механическим заводом «Байкал». Потенциальными потребителями научного результата проекта выступают другие предприятия России, выпускающие аналогичную продукцию.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Опытно-конструкторские работы по внедрению результатов НИР запланированы на 4 этапе. В настоящее время осуществляется подготовка к внедрению результатов НИР в образовательный процесс.
3.3. В работах по реализации задач проекта в настоящей момент заняты два студента и один аспирант. На следующем этапе планируется привлекать еще 2 студентов, что превысит заданные показатели по программе. На эти два вакантных места объявлен конкурсный отбор из числа студентов физического факультета 3 и 4 курсов. Зарегистрировано 10 претендентов, активно ведущих подготовку по направлениям теоретическая и экспериментальная физика. Таким образом, реализация Программы активно привлекает в работу молодые кадры и несет важнейшую социальную функцию – подготовку и закрепление талантливой молодёжи в образовании.

4. Выводы
Задачи, поставленные на первом этапе НИР, выполнены полностью и соответствуют с научно-техническому заданию. Научно-технический уровень выполненной НИР соответствует лучшим достижениям мировой науки в данной области и позволяет преодолеть значительное отставание от западных коллег в теории фазового поля и новых метастабильных материалов.
Развернуть
2
01.10.2009 - 10.12.2009
На втором этапе проекта проводились следующие работы. Создание модели, описывающей разномасштабные процессы теплопереноса и структурообразования в многокомпонентной, многофазной системе при затвердевании с отклонением от локального равновесия в процессе импульсного нагрева и последующего охлаждения, на основе метода фазового поля. Реализация численной модели термофизических расчетов на основе конечно-разностной аппроксимации уравнений модели двухфазной зоны с применением адаптивной вычислительной схемы. Проведение тестовых численных вычислений модулем термофизических расчетов для пористой порошковой среды среды и сопоставление результатов вычислений с известными аналитическими решениями (задача Стефана) в 1D и 2D пространстве. Изготовление опытных образцов методом лазерного высокоскоростного компактирования наноструктурных материалов, подготовленных на первом этапе проекта. Проведение научного семинара. Подготовка материалов статьи.
Для адекватного математического описания процессов были определены теплофизические параметры порошкового слоя и установлены технологические режимы обработки с использованием калориметрирования лазерной установки методом анализа нагрева черного тела с известными теплофизическими характеристиками.
При описании процессов затвердевания и теплопереноса в проекте применен метод многомасштабного моделирования, при котором для каждого пространственного уровня протекающих в системе физических явлений выделяется отдельная группа параметров, управляющая поведением системы на этом уровне.
Показано, что уравнение теплопроводности в системе с фазовыми переходами при лазерном нагреве может быть сведено к тепловому уравнению модели двухфазной зоны. Математическая модель была реализована в коммерческом вычислительном пакете Comsol MultiPhysics, предназначенном для решения фундаментально-ориентированных инженерных задач. Нестационарное уравнение теплопроводности для поставленной краевой задачи было реализовано средствами Comsol по методу конечных элементов.
Используя формализм модели фазового поля, получены основные уравнения переноса и кинетики неизотермического фазового превращения во многокомпонентной и многофазной системе. Для вывода основных уравнений определены функционал энтропии и свободные энергии Гиббса для локально равновесных (медленных) и локально неравновесных (высокоскоростных) многофазных переходов. Совместно с выбранными начальными и граничными условиями полученные уравнения переноса и кинетики применяются для постановки задачи о лазерном плавлении и перекристаллизации как одиночных наночастиц, так и связанных систем наночастиц. Получена формулировка задачи для совместной геометрии наночастиц из системы железо-углерод и медь.
Все численные модели в Comsol были протестированы сопоставлением с известными аналитическими решениями с различными видами граничных условий.
Методом лазерного высокоскоростного компактирования получены образцы в виде поверхностных покрытий на подложке одинаковой для всех образцов толщиной 0,6 мм из механоактивированных наноструктурных порошков тантала и порошковых смесей систем Fe-Ni, Fe-Ni-C, Fe-C, Fe-C-Cu с различными химическими составами. В целях исключения окисления материалов в процессе лазерной обработки рабочее пространство откачивалось до давления 10-2 мм.рт.ст. После достижения форвакуума включался режим дросселирования, заключающийся в одновременном осуществлении откачки и продувки аргоном, что позволяет исключить попадание кислорода в зону обработки. Полученные образцы пассивировались гептаном.
Результаты исследований докладывались на расширенном научном семинаре физико-энергетического факультета университета с участием приглашенного исследователя. Выполнение второго этапа проекта является основой успешного достижения заявленной цели при реализации научно-исследовательских работ проекта. По результатам исследований подготовлены материалы статьи, которые будут представлены для опубликования в высокорейтинговом западном журнале.
Технология лазерного высокоскоростного компактирования порошкового материала позволяет избежать недостатков, присущих SLS-технологиям. Благодаря этому появилась возможность получать оригинальные функциональные материалы в метастабильном состоянии с сохранением наноструктурных свойств исходного порошка. Впервые получены уравнения неизотермической модели фазовых превращений для многокомпонентных и многофазных систем в условиях лазерной скоростной обработки, которые при численной реализации на следующем этапе позволят моделировать неравновесные структурно-фазовые превращения. Применение модели фазового поля позволила успешно использовать современные мировые разработки для решения задач проекта.
Особенностью разработок являются уникальная технология подготовки и компактирования метастабильных материалов и использование модели фазового поля для описания процессов в многокомпонентной, многофазной среде.
Объекты интеллектуальной собственности, созданные на первом этапе отсутствуют.
Результаты проекта могут применяться при создании и оптимизации процессов лазерного спекания в высокотехнологичных процессах нанесения защитных, механопрочностных и химически инертных покрытий. В частности, они могут быть использованы Сарапульским электроконденсаторным заводом «Элеконд» и Ижевским механическим заводом «Байкал». Потенциальными потребителями научного результата проекта выступают другие предприятия России, выпускающие аналогичную продукцию.
Опытно-конструкторские работы по внедрению результатов НИР запланированы на 4 этапе. Результаты НИР внедрены в образовательный процесс и входят в учебную программу бакалавриата и магистратуры. Подготовка учебного пособия запланирована на 3 этап.
В работах по реализации задач проекта в настоящий момент заняты четыре студента и два аспиранта. Таким образом, реализация Программы активно привлекает в работу молодые кадры и несет важнейшую социальную функцию – подготовку и закрепление талантливой молодёжи в образовании.
Развернуть
3
10.01.2010 - 31.03.2010
Для успешной реализации цели проекта проводились следующие работы. Создание компьютерного пакета программ, описывающего разномасштабные процессы теплопереноса и структурообразования в многокомпонентной, многофазной системе при затвердевании с отклонением от локального равновесия в процессе импульсного нагрева и последующего охлаждения. Исследование пористости, локального распределения химических элементов и структурно-фазового состава поверхностных покрытий, полученных методом лазерного высокоскоростного спекания ультрадисперсных механоактивированных порошков систем Fe-C, Fe-Ni, Fe-C-Cu, Fe-C-Ni. Исследование зависимости механических свойств от структуры и химического состава поверхностных покрытий. Проведение патентных исследований. Подготовка материалов статьи.
Компьютерная реализация математической модели, сформулированной на втором этапе проекта, осуществлена с использованием коммерческого пакета инженерно-физических расчетов Comsol Multiphysics. Создан пакет прикладных программ, позволяющий как моделировать процессы теплопереноса при лазерном высокоскоростном спекании слоя порошка, нанесённого на подложку, так и моделировать процессы кристаллического структурообразования в процессе плавления нанокомпозитных частиц ультрадисперсного порошка. Особенностью пакета программ является моделирование процессов, происходящих с высокими скоростями фазовых переходов, при которых существенным является отклонение от локального равновесия на границах фаз. Полученный под руководством приглашенного исследователя результат обладает научной новизной мирового уровня. Достоинством пакета программ является универсальность в моделировании процессов, происходящих при высокоэнергетическом воздействии на любую многофазную и многокомпонентную систему, для которой известны термофизические константы и функционал свободной энергии.
Для выявления механизмов структурообразования проведены структурные исследований образцов. Определены состав и количество фаз спеченных слоев, в том числе пассивирующих окисных пленок, измерено локальное распределение химических элементов по поверхности и глубине слоя. Исследована пористость слоёв. Эти характеристики определялись для выяснения условий формирования субмикронных пор, а также для сравнения с теоретической моделью. Для адекватной оценки структуры проведено сопоставление результатов нескольких методов исследований: рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, Оже-спектроскопии, рентгеновской дифракции, растровой электронной микроскопии и металлографического анализа. Показано, что структура слоев, полученных лазерным высокоскоростным спеканием, представляет собой уникальную систему связанных микро- и нанопор с удельной поверхностью до 80 м2/г. По результатам оптимизации процесса получены рекомендации для достижения заданной пористости слоев.
Проведены исследования по изучению зависимости механических свойств от параметров структуры спеченных слоев из порошковых смесей на основе железа. Показано, что аномально высокая износостойкость и высокое значение пути до схватывания определяются достижением метастабильного наноструктурного состояния поверхностных слоев и оптимальной пористостью образцов.
По результатам патентных исследований сделан вывод о новизне метода лазерного высокоскоростного спекания ультрадисперсных порошков и в настоящее время подготовленная заявка на патент проходит стадию экспертизы.
Результаты исследований докладывались на расширенном научном семинаре физико-энергетического факультета университета. Выполнение третьего этапа проекта является основой успешного достижения заявленной цели при реализации научно-исследовательских работ. По результатам исследований подготовлены материалы статьи, которые будут представлены для опубликования в высокорейтинговом западном журнале.
Развернуть
4
01.04.2010 - 30.07.2010
4.1. Сравнение результатов
теоретического моделирования с
данными натурного эксперимента,
формулировка методики
теоретического прогнозирования
механизмов структурообразования
при лазерном спекании
4.2. Сопоставление основных
характеристик формируемой
структуры, анализ кинетики и
условий формирования метастабильных фаз
4.3. Изготовление опытных танталовых конденсаторов
4.4. Измерение удельной электроемкости конденсаторов,
токов утечки и предельно допустимой нагрузки
4.5. Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс
4.6. Проведение научного семинара
4.7. Подготовка научно-методических материалов для написания статьи по результатам этапа
4.8 Подготовка итогового отчета и
проектной документации
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.5 Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей
Тема
Исследование путей создания материалов на основе фуллеренов и углеродных нанотрубок для управления фотофизическими процессами в лазерных системах
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
3
Тема
Разработка наноструктурированных твердых сплавов с твердостью свыше 2100 кг/мм2 высокоэнергетическими методами синтеза и компактирования
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
3 млн
Количество заявок
3
Тема
Конструкционные стали с ультрадисперсной и наноструктурой, методы их получения и обработки
Продолжительность работ
2007 - 2008, 18 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
10
Тема
Получение наноструктурированных поверхностей металлов под воздействием импульса лазерного излучения путем контролируемого создания околокритического состояния металла в квазиизохорном процессе.
Продолжительность работ
2008, 2 мес.
Бюджетные средства
2,5 млн
Количество заявок
2
Тема
Исследование и разработка акустооптических устройств управления лазерным излучением в информационно-телекоммуникационных системах.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1