СОДЕРЖАНИЕ

Воздействие потоков энергии на материалы

В. В. Мелюков, В. А. Козлов, А. Е. Максимов

Применение оптимального управления при определении режима обработки материалов

концентрированными потоками энергии: краткий обзор.....................................................................................................5

Приведен анализ подходов и путей определения режима обработки (механической, локальной термической, сварки, термической резки и т. д.). Показано, что задача определения режима обработки по своей постановке является обратной, характеризующейся нарушением причинно-следственной связи, присущей реальному тепловому процессу. Более эффективными методами решения обратных задач являются методы и принципы теории оптимального управления. Первые задачи оптимального управления тепловыми процессами обработки материалов концентрированными потоками энергии были поставлены и решены в 1976 году в Институте металлургии имени А.А. Байкова Академии наук СССР как одномерные задачи теплопроводности. Двух и трехмерные задачи оптимального управления были поставлены позднее и решены с использованием тех же методов теории оптимального управления системами с распределенными параметрами. Применение принципов оптимального управления и возможностей современной вычислительной техники позволяют сократить количество натурных экспериментов при определении режима обработки и повысить эффективность разрабатываемых технологических процессов.

Ключевые слова: оптимальное управление, режим обработки, концентрированный источник энергии, обратная задача, принцип максимума, метод моментов.

DOI: 10.30791/0015-3214-2023-4-5-17

Плазмохимические способы получения и обработки материалов

Г. В. Потемкин, А. Е.Лигачев, М. В.Жидков

Свойства мощного ионного пучка с энергией частиц до 1 МэВ, получаемого из плазмы,

созданной высоковольтным импульсом на графитовом катоде .........................................................................................18

Изложены особенности способа генерации парогазовой плазмы и характеристики мощного ионного пучка (МИП), получаемого в вакуумном диоде типа ТЕМП-4 с графитовым катодом при работе в двухимпульсном режиме. Формирующийся многокомпонентный МИП обладает наносекундной длительностью, максимальной энергией ионов до 1 МэВ, плотностью потока частиц на поверхности ~ 10¹³ ион/см² и плотностью мощности на поверхности образцов до 10⁷ Вт/см² , что обеспечивает модификацию поверхностей конструкционных материалов. Материалы публикуются в рамках научной дискуссии. Авторы приглашают исследователей генерации мощных пучков негазовых ионов и процессов пучковой модификации твердофазных материалов к обсуждению тематики данной статьи.

Ключевые слова: наносекундный высоковольтный импульс, мощный ионный пучок, поверхностная обработка.

DOI: 10.30791/0015-3214-2023-4-18-31

А. В. Терентьев, Ю. В. Благовещенский, Н. В. Исаева, Е. А. Ланцев, К. Е. Сметанина,

А. А. Мурашов, А. В. Нохрин, М. С. Болдин, В. Н. Чувильдеев, Г. В. Щербак

Исследование фазового состава и микроструктуры сложного карбида (Ti, W)C,

полученного электроимпульсным плазменным спеканием порошков WC и TiC..................................................................32

Продемонстрирована возможность низкотемпературного in-situ синтеза (Ti, W)C с использованием плазмохимических нанопорошков WC и промышленных микронных порошков TiC. Спекание/синтез WC – (25, 50, 75) масс. % TiC осуществлен методом электроимпульсного (“искрового”) плазменного спекания (ЭИПС) путем нагрева порошков в вакууме со скоростью 50 °С/мин, в условиях приложения напряжения 70 МПа, до температуры более 1200 °С. Установлено, что наиболее эффективно синтез протекает в нанопорошках с добавкой 50 и 75 масс. % TiC. Показано, что совместное применение технологии плазмохимического синтеза нанопорошков и метода ЭИПС позволяет получать мелкозернистые (с размером зерна менее 1 мкм) образцы с повышенной плотностью и удовлетворительными механическими свойствами (твердость по Виккерсу 17 – 18 ГПа, минимальный коэффициент трещиностойкости по Палмквисту ~ 3 МПа·м^1/2).

Ключевые слова: карбид вольфрама, карбид титана, керамика, электроимпульсное плазменное спекание, диффузия, твердость.

DOI: 10.30791/0015-3214-2023-4-32-46

Функциональные покрытия и обработка поверхности

Д. А. Романов, К. В. Соснин, С. Ю. Пронин, В. В. Почетуха, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов

Структура и свойства биоинертного покрытия Mo – Nb, сформированного

на медицинском сплаве Titanium Grade 5 электровзрывным методом...............................................................................47

Предпринята попытка решить проблему создания покрытия для имплантата, обладающего лучшей биологической совместимостью, чем медицинский титановый сплав Titanium Grade 5. Электровзрывным методом на медицинском сплаве Titanium Grade 5 получено покрытие состава Mo – Nb, сформированное в результате одновременного электрического взрыва фольг из молибдена и ниобия. Выполнен комплекс исследований, позволяющий установить структуру, фазовый состав и свойства созданных покрытий. Показано, что твёрдость поверхностного слоя покрытия на 60 %, а модуль Юнга на 43 % превышают соответствующие характеристики сплава Titanium Grade 5. Толщина слоя с высокими (относительно подложки) значениями твердости и модуля Юнга достигает 80 мкм. Установлено, что параметр износа покрытия в 1,8 раза, а коэффициент трения покрытия в 1,6 раза выше параметра износа и коэффициента трения подложки. Определено, что в поверхностном слое, наряду с атомами покрытия присутствуют атомы Al, Ti, V, O и C, что свидетельствует о легировании покрытия атомами подложки. Выявлено расслоение покрытия по элементному составу: верхняя часть покрытия обогащена атомами ниобия, а нижняя — атомами молибдена. Показано, что покрытие имеет поликристаллическую структуру, сформированную твердым раствором на основе молибдена. В объеме и по границам зерен присутствуют включения второй фазы состава a-Ti, Nb, Mo₉Ti₄ и NbTi₄ различной формы и размеров. Исследования фазового состава не выявили соединений на основе ванадия и алюминия, которые снижают биосовместимость покрытий. Установленные фазы содержат только молибден, ниобий и титан, являющиеся биоинертными, что позволяет прогнозировать более высокую биосовместимость по сравнению с медицинским сплавом Titanium Grade 5. Рекомендовано использовать полученные покрытия для дальнейших клинических испытаний.

Ключевые слова: покрытие Mo – Nb, электровзрывной метод, структура, микротвердость, износостойкость.

DOI: 10.30791/0015-3214-2023-4-47-64

Композиционные материалы

Ф. Ф. Галиев, И. В. Сайков, В. Д. Бербенцев, А. Е. Сычёв, Г. Р. Нигматулина, М. И. Алымов

Механические свойства композитных стержней, полученных горячей газовой экструзией смеси

порошков никеля и алюминия в стальной оболочке...............................................................................................................65

Определено влияние параметров горячей газовой экструзии (ГГЭ) на фазовый состав и механические свойства композиционных стержней, состоящих из сердечника с продуктами реакции порошковой смеси Ni – Al и стальной оболочки, при комнатной температуре. Композиционные стержни получены при трех режимах ГГЭ, определяющихся температурой начала процесса экструзии и давлением газа в камере с исходными материалами. Исследован фазовый состав полученных материалов. Обнаружено, что при более высоких температурах начала ГГЭ и, соответственно, низких давлениях газа полнота реакции порошковой смеси повышается, а при наиболее низкой температуре начала ГГЭ (при более высоком давлении газа) остаются непрореагировавшие частицы никеля и алюминия. Испытания на трехточечный изгиб показали, что предел текучести композиционного стержня, в сердцевине которого содержатся пластичные включения исходных никеля и алюминия, выше предела текучести стального стержня. Зафиксировано, что стержни с наибольшей полнотой реакции обладают самой высокой микротвердостью.

Ключевые слова: экструзия, горячая газовая экструзия, интерметаллид, алюминиды никеля, Ni – Al, трехточечный изгиб, предел текучести, микротвердость.

DOI: 10.30791/0015-3214-2023-4-65-73

Новые методы обработки и получения материалов с заданными свойствами

А. А. Николаев, Д. Е. Кирпичёв, С. М. Муромский, А. В. Николаев, О. А. Овчинникова, Т. Н. Пенкина

Плавка кварц-лейкоксенового концентрата при рассредоточенном дуговом нагреве......................................................74

Исследована сепарация оксидов титана и кремния в расплаве кварц-лейкоксенового концентрата Ярегского месторождения при рассредоточенном дуговом нагреве. Плавка концентрата осуществлена в аргоне при атмосферном давлении и постоянном токе в графитовом тигле при мощности дуги ≈ 25 кВт. Тигель с материалом служил анодом зажигаемой дуги. Рассредоточение дугового нагрева осуществляли путём наложения осевого магнитного поля, при котором на поверхности материала формировалось диффузное анодное пятно с плотностью тока 8 А/см² . Определены вольтамперные параметры рассредоточенной дуги. В результате плавки получен оксидный слиток, состоящий из двух фаз, одна из которых обогащена оксидом титаном, другая — оксидом кремния, но вследствие высокой скорости охлаждения расплава сепарация оксидов произошла не полностью. Испарение происходило конгруэнтно, несмотря на низкую плотность тока в пятне нагрева. Малолетучий оксид титана испарялся вместе с летучим оксидом кремния благодаря высокой температуре зеркала ванны. Конденсация испарившегося материала происходила селективно. На охлаждаемых поверхностях в окрестности тигля образовался конденсат в виде порошка с удельной поверхностью 120 м² /г и практически полностью состоящий из SiO₂ , а испарившийся TiO₂ удалился с отходящим газом.

Ключевые слова: плазма, дуга, расплав, кварц-лейкоксен, оксид, испарение.

DOI: 10.30791/0015-3214-2023-4-74-81