При добыче и транспортировке нефти и газа арматура трубопроводов испытывает воздействие агрессивных сред, углеводородов, давления и низких температур. В этих условиях к качеству металла должны предъявляться жесткие требования по прочности, герметичности, сопротивлению коррозии. Корпусные детали имеют в своей конструкции сопряжение тонких и толстых стенок и характеризуются высоким уровнем усадочных дефектов, в частности рыхлоты и пористости. Метод «проб и ошибок», часто применяемый на литейных предприятиях России при разработке технологии приводит к отрицательным результатам. При этом выявлению механизмов образования усадочных дефектов не уделяется должного внимания, хотя существует множество работ по видам дефектов

иметодов борьбы с ними [1], поэтому данная работа является актуальной. Устранение литейных дефектов невозможно без анализа влияющих на их образование факторов. Этими факторами (при литье в песчано-глинистые формы) могут быть состояние литейной формы, составы формовочных и стержневых смесей, конструкция отливки, марка выплавляемого сплава и условия его плавки, температура заливки металла и условия охлаждения отливки в форме. Для того, чтобы не нарушить производственный цикл необходимо оперативно выяснять причины образования литейных дефектов и вносить необходимые технологические коррективы. Современный подход к разработке технологического процесса получения качественных отливок основан на интенсивном использовании компьютерной техники и инновационных технологий. Для реализации такого подхода в работе использована СКМ ЛП LVMF low, которая позволяет провести анализ влияния множества технологических факторов на качество литья за короткий промежуток времени

ивыявить некоторые механизмы их образования,

[2]. Цель данной работы – изучение температурно-фазовых полей в отливке на этапе затвердевания, моделирование процессов образования усадочных дефектов в металле, установление закономерностей образования пористости и рыхлоты посредством LVM Flow,

разработка оптимальных способов борьбы с пористостью.

Для достижения данной цели поставлены следующие задачи: 1) построение в СADсистеме объемной 3-d модели корпусной отливки способом литья в ПГФ;2)построение сетки конечных разностей с применением LVMFlow ;3) изучение динамики развития затвердевания и выявление мест залегания дефектов усадочной природы посредством моделирования;4) по результатам анализа разработать технологические рекомендации по совершенствованию технологии изготовления отливки и исключения выявленных

затвердевания в прибыльной и подприбыльной

производстве в филиале ФГУП «ГКНПЦ ИМ. М.В. Хруничева» и имеет массу 36 кг, осуществляли с применением системы LVM Flow. Отливку выбрали для исследований в связи с тем, что во время механической обработки проявляется брак в виде усадочной пористости. Формировалась 3-d модель отливки вместе с ЛПС в Soliworks 2013, 3-d-модели литниковой системы, прибылей и стержня. Затем они были конвертируемы в необходимый формат LVM Flow, рисунок 2. При моделировании процессов затвердевания отливки задавались следующие начальные условия: температура заливки – 1620 °С, в качестве формовочной и стержневой смеси использовалась жидкостекольная смесь ФС ПСС с начальной температурой 20 °С, формовка – ручная, в двух горизонтальных полуформах по разъему, расчет велся при размере ячейки 7,00 мм, граничные условия – излучение в среду с температурой 20 °С кроме верхней плоскости формы, вид литья – гравитационное (заливка из ковша или печи), время заливки расплава в форму

– 12 с.

Рис. 1. Деталь «корпус запирающего винта»

Рис. 2. 3-d модель отливки с ЛПС

В конструкции отливки можно выделить один массивный пояс, в месте его сопряжения с основной стенкой наблюдается два тепловых узла и чтобы избежать возникновения усадочных дефектов необходимо установить прибыли. Моделирование процесса затвердевания подтверждает наличие тепловых узлов и визуализирует местоположение усадочных дефектов в отливке. В отливке проявляются недопустимые усадочные дефекты в виде закрытой и открытых усадочных раковин и микропористости, что подтверждает информацию о браке. Рассмотрим причины, влияющие на образование дефектов. Как видно из рисунка 3, закрытая усадочная раковина располагается над стержнем, под прибылью. Значение усадки для данного расчетного узла достигает 35 %, что является недопустимым, так как в этом месте происходит соединение детали и она испытывает напряжения, рисунок 3. На рисунке 4 показано развитие процесса затвердевания за определенные промежутки времени

а) б)

Рис. 3. Распределение усадки(а) и пористости (б) в теле отливки

Рис. 4. Этапы затвердевания отливки, для каждого этапа приведено время затвердевания и количество жидкой фазы, %

О характере развития процесса затвердевания металла в отливке (считается, что гидродинамические процессы к этому моменту

полностью завершены) можно судить по цветовой шкале рисунка 4. Исходя из этого можно сделать вывод, что затвердевание развивается в соответствии с законом х= К· 0,5 . На основе анализа результатов численного моделирования процесса затвердевания и распределения жидкого металла в сечении отливки (где были установлены виртуальные температурные датчики) построены кинетические зависимости жидкого, двухфазного и твердого металла от времени в прибыли, отливке и на границе прибыль-отливка ( рисунок 5).

Рис. 5. Изменение доли жидкого, двухфазного и твердого металла в отливке

Анализируя графики для датчиков № 1, 2, 4, видно, что металл в точке 3, соответствующей месту под стержнем затвердевает быстрее, чем в точках 1 и 2, а расплав в точке 1, находящейся в прибыли затвердевает наиболее медленно. Таким образом, для данного теплового узла соблюдается принцип направленного затвердевания, то есть затвердевание происходит снизу вверх, что соответствует условию получения плотной структуры. Из анализа кривых охлаждения для точек 4, 5, 6 и 7 (рисунок 5) можно сделать вывод об отсутствии направленности затвердевания в данном термическом узле снизу вверх из-за того, что металл в точке 5 остывает намного интенсивнее, чем во всем остальных точках рассматриваемого узла (точки 4, 6 и 7). Следствием такого распределения температур является разрыв питания в подприбыльной области во время затвердевания расплава, то есть металл в нижней части прибыли затвердевает быстрее, чем под прибылью и в ее верхней части. В результате прекращения питания на одном из этапов затвердевания под прибылью образуется закрытая усадочная раковина. Таким образом, установлено, что возможной причиной образования усадочных дефектов в отливке является нарушение принципа направленного затвердевания из-за преждевременного затвердевания металла в прибыли и нарушения питания отливки. Ставилась задача – установить влияние (на уровне) прогноза ширины двухфазной зоны затвердевающего металла на образование пористости. Для ее решения использовали модель предложенную Тихомировым М.Д., предполагающую наличие в интервале затвердевания трех критических точек, соответствующих доле : жидкого металла в начале линейной усадки Кв, при прекращении гравитационного течения Кп и при полном перекрытии междендридных каналов Кн. В программе LVMFlow им соответствует «порог

инструменту относятся сверла, плашки, метчики, резцы и т. д., которые необходимы как для работы промышленного оборудования, так в быту. Каждый вид режущего инструмента имеет свое назначение и сферу применения, а выбирать нужный в той или иной ситуации стоит в зависимости от его основных свойств и возможностей.

Под изнашиванием режущего инструмента, а конкретно резцов, понимается разрушение его контактных поверхностей в результате трения стружки о переднюю поверхность резца и его задних поверхностей о заготовку.

На рис.1 показаны изменения углов резца в зависимости от его износа.

Рис.1. Изменения углов резца в зависимости от его износа

Изменение переднего углаγn вследствие образования лунки на передней поверхности резца у режущей кромки и изменение заднего угла αизмиз-за износа задней поверхности. Передний угол в процессе резания постоянно увеличивается, а задний угол уменьшается, увеличивая площадь поверхности контакта резца с поверхностью резания.

Физические процессы, протекающие при изнашивании инструмента, аналогичны трению и изнашиванию трущихся пар, но они происходят обычно при очень большом давлении, больших скоростях и высокой температуре. Трущиеся поверхности при этом беспрерывно обновляются.

Износ режущего инструмента по своему характеру отличается от изнашивания деталей машин, так как зона резания, в которой находится инструмент, обуславливается высокой химической чистотой трущихся поверхностей, а также высокими давлением и температурой в зоне соприкосновения.

Процесс износа инструмента, при технологическом резании металлов, включает в себя абразивный, диффузионный и адгезионный виды

разрушения рабочей кромки. Влияние каждого из видов износа зависит от характерных свойств материала инструмента, заготовки, а также условий обработки, одним из которых является скорость резания.

При анализе технологии улучшения характеристик режущего инструмента, технология плазменного напыления оказалась наиболее перспективна, менее энергоёмка и относительно недорогой технологией нанесения покрытий. Изучение данной технологии позволят получить высококачественные покрытия с повышенными эксплуатационными показателями, что позволит увеличить ресурс как режущего инструмента, так и механизма в целом, с возможностью более рационально, применять дорогостоящие материалы[1]. На рис. 2 показан схема наносимого плазменного покрытия.

Рис.2. Схема наносимого плазменного покрытия

Известны случаи, которые в полной мере описывают преимущества плазменного напыления перед остальными способами улучшения характеристик режущего инструмента.

Так, например, новое оборудование и инструмент позволили изготавливать винты ШВП, представленной на рис.3, с качеством поверхности Ra 0,4 мкм, твердостью 42-46 HRC, при твердости свыше 46 HRC. Но режущий инструмент не обеспечит возможным протекания процесса резания, что приведет к строгому ограничению по твердости. Так же большой долей обрабатываемых на предприятии материалов является нержавейка, алюминий и его сплавы. Встает вопрос о переходе на отечественный инструмент, относительно

недорогой и оптимальный из быстрорежущих сталей[2].

Рис.3. Шарико-винтовая передача Также известен другой случай, случившийся

на одном из производств, где встал вопрос о возможности применения плазменного напыления.

В процессе освоения шарико-винтовой передачи возникла техническая проблема. Материал винта сталь 03Х11Н10М2, максимально возможная твердость, у которой, после термической обработки, 42…46 HRC. Технология предусматривает термообработку, после чего спец-резцом нарезается винтовая канавка с чистотой поверхности Ra 0,4, но не достигается необходимая твердость 62…65 HRC. Данная марка стали предусматривает упрочнение поверхности азотированием, что позволяет достичь заданной твердости. После азотирования на пробной партии винтов было выявлено значительно ухудшение качества поверхности (шероховатости Ra 1,6). Твердость вала составляла 67…69 HRC при твердости шарика 62…65 HRC. Так же в процессе азотирования наблюдался отпуск, что обусловлено технологией, где процесс протекает при 500°С. В итоге был получен вал с мягкой сердцевиной и твердой коркой. Все это повлияло и на усталостную прочность винта. Несоответствие заложенной в КД качества поверхности и микротвердости привело к заеданию механизма при работе, ухудшение плавности хода. По причине неровностей на поверхности и превышения твердости, наблюдался повышенный износ шариков и локальные вырывы металла с поверхности, что категорически не допустимо в ШВП [3].

Плазменное напыление применимо к режущему инструменту позволит:

-повысить стойкость инструмента;

-повысить температурную стойкость;

-расширение диапазона применения.

Все эти факторы, позволяют, применяя различные напыления достигать требуемых характеристик режущего инструмента.

Для выбора материала напыления как для инструмента, так и для поверхностей изготавливаемых деталей, возможно использование следующего подбора материала по функциональному назначению покрытий, приведенного в таблице. [4].

Затронутая научная тема по нанесению плазменных покрытий на режущий инструмент с целью повышения его износостойкости, весьма сложна для понимания как будущим специалистам в данной сфере, так и инженерам, сталкивающимся сданным вопросом.

Современная концепция высшего профессионального образования требует качественной подготовки специалистов инженеров, соответствовавших новым требованиям, предъявляемым к современной профессиональной деятельности. Для повышения профессиональной компетенции будущих специалистов необходимо реализовать главные идеи реформирования высшего образования, одним из направлений которого, является внедрение в образовательный процесс информационных технологий.

Будущие специалисты должны видеть и понимать практическую значимость изучаемого материала для своей профессиональной деятельности в последующем, работая с информационными системами, формируя качества и углубляя знания по дисциплине, необходимые при работе на производстве, учиться понимать информационную культуру, все это должно осуществляться с высокой степенью наглядности и информатизации[5].

Все чаще мы слышим такие слова, как трехмерная графика, виртуальная реальность, смысл

которых уже понятен многим.Исследуя современный рынок труда, студенты и квалифицированные инженеры могут видеть, что знания в области трехмерного моделирования и графики являются востребованными у работодателей, в частности в машиностроительной и аэрокосмической отраслях.

На сегодняшний день создано и доступно в общем пользовании обширное количество разнообразных программ по 3Dмоделированию[6].В связи с этим предлагается применять в процессе обучения и освоения сложных научных и производственных материалов технологию дополненной реальности. Она позволяет визуализировать предлагаемые для обучения технологии и конструкции, в частности режущий инструмент. Это позволит в значительной мере снизить номенклатуру наглядных средств обучения и существенно обогатить подачу учебного материала.

Был разработан программный комплекс с применением технологии дополненной реальности со следующей схемой работы: к цифровой камере подносят маркер с информацией о той или иной конструкции, полученный видеосигнал отправляется на компьютер, который обрабатывается и дополняется трехмерным виртуальным изображением. Схема работы программного комплекса с дополненной реальностью представлен на рис.4.

Рис.4. Схема работы программного комплекса с дополненной реальностью

Данную программную разработку возможно использовать для всех видов технических наук. Помимо обучающей функции дополненная реальность может послужить для любого производства неотъемлемой частью при разработке и визуальном понимании выпускаемого продукта.

Возможность данного программного продукта производить чтение с запрограммированных маркеров с 3D-моделями даёт перспективу в выпуске целых сборники и каталогов по любой технической продукции и тем самым поднимать производство совершенно на иной уровень развития. Принцип работы по воспроизведению и изучению 3D-модели продукта или механизма на экране персонального компьютера с помощью маркера, вэб-камеры и представлен на рис.5.

Рис.5. Принцип работы программного продукта с дополненной реальностью

Разработанная программа предназначена для обучения и представления технической составляющей режущих инструментов, машиностроительных и авиационных механизмов. Так, например, первый пробный запуск данной программы был осуществлен с 3D-модель сконструированного буксировщика [7].На рис. 6 представлена визуализация 3D-модели буксира.

Рис.6. Визуализация 3D-модели буксира Программа позволяет усовершенствовать

процесс понимания конструкций и механизмов, в частности режущего инструмента с нанесенным покрытие. Она была разработана в интегрированной среде разработки приложений Unity 3D и может выполняться на персональных компьютерах типа Pentium-150 и выше под управлением 64-битной операционной системы семейства Windows.

Перспективы данного программного продукта следующие:

1)Выход на новый уровень обучения будущих инженеров различных специальностей.

2)Внедрение программы во все виды производства для повышения инструкций по эксплуатации и использования готовых продуктов.

3)Повышение интереса к Российскому

производству у иностранных инвесторов. На основе вышесказанного можно сделать

вывод. На данный момент плазменное напыление - это прогрессивный метод и его целесообразно использовать для развития предприятия. Применение этой технологии не только к деталям, но и к режущему инструменту позволит сократить расходы на приобретение дорогостоящего специнструмента, а также использовать менее дорогостоящие материалы. А для лучшего восприятия и понимания вопроса о режущих инструментах и наносимых на него покрытий стоит использовать программный комплекс с дополненной реальностью, который в полной мере охватит визуальную, схематичную и составную часть вопроса.

Аммиак, как известно, относится к аварийно химически опасным веществам. В связи с тем, что он на сегодняшний день является практически основным хладагентом холодильных установок, используемых на больших и малых пищевых предприятиях, то проблема улавливания его в вентиляционных выбросах является достаточно актуальной. Для поглощения аммиака используют сорбенты – пористые материалы с высокоразвитой поверхностью. Одним из таких материалов является алюмогель.

Алюмогель в зависимости от предварительной обработки может быть кислым, щелочным и нейтральным. Так как аммиак проявляет основный характер и может вступать во взаимодействие с поверхностными кислотными центрами, поэтому, чтобы увеличить поглотительную способность алюмогеля, его надо перевести в кислую форму.

Целью работы явилось исследование влияния кислотной активации алюмогеля на поглотительные свойства по отношению к аммиаку и выявление оптимальных условий обработки сорбента.

потенциометрическое титрование водной суспензии [1]. Измерение рН осуществляли с помощью

Рис.1. Кривая потенциометрического титрования водной суспензии исходного алюмогеля

Чтобы выбрать подходящую концентрацию кислоты для пропитки сорбента, сняли зависимость адсорбции аммиака от концентрации кислоты при пропитке в течение 6 часов (рис.3). Анализ кривой показывает, что наибольшая адсорбция аммиака наблюдается после обработки сорбента 0,5 н. раствором соляной кислоты.

Для этой концентрации раствора HCl провели кинетические исследования зависимости адсорбции аммиака от времени пропитки [4], на основании

а, мг / г

200

160

120

80

40

0

Концентрация HCl, н

Рис. 3. Зависимость адсорбции аммиака от концентрации HCl (время импрегнирования

6 часов)

Таким образом, установлено, что наилучшие условия поглощения аммиака алюмогелем выполняются после обработки сорбента 0,5 н HCl в течение 6 часов.

Рис. 4 . Объединенный график потенциометрических кривых исследуемых суспензий алюмогеля:

ряд 1 – исходный алюмогель; ряд 2 – обработка 0,1 н раствором HCl; ряд 3 – обработка 0,5 н раствором HCl; ряд 4 – обработка 1 н раствором HCl

Далее было исследовано состояние поверхности алюмогеля, полученного в результате пропитки растворами HCl, с привлечением электрохимического метода – гетерогенного потенциометрического титрования.

рН

10

8

6

4

2

0

концентрация HCl

Рис. 5. Функциональная зависимость изоэлектрических (ИЭТ) точек суспензий алюмогеля от концентрации соляной кислоты

Результаты опытов приведены на рис. 4. На основании этого графика построили зависимость значений рН, соответствующих изоэлектрическим точкам, от концентрации соляной кислоты (рис. 5).

Проанализировав данные электрохимических исследований (рис. 4 и рис.5) , можно заключить, что они полностью согласуются с результатами исследования адсорбции (рис. 2, 3) Кроме того, удалось уточнить концентрацию кислоты, выше которой адсорбция не возрастает (рис.5), т.е. концентрация активных кислотных центров на поверхности сорбента увеличивается лишь до концентрации раствора HCl, равной 0,5 н .

Таким образом, на основании результатов данного исследования можно утверждать, что кислотное активирование алюмогеля приводит к возрастанию поглощения аммиака за счет увеличения на его поверхности кислотных центров.

Литература

1.А.Н. Чеботарев. Кислотно-основные свойства оксидов алюминия различных типов [Текст] / Чеботарев А.Н., Щербакова Т.М, Курта Е.Н., Трущ Е.В. // Вестник Одесск. Нац. ун-та, т. 11, № 2, 2006.-С.112-119.

2.Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники [Текст]: монография / Н.В. Кельцев.– М.: Химия. – 1981, 592 с.

3.Рабинович В.А. Краткий химический справочник [Текст]: / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. – С.- Пб.: Химия.- 1997, 392 с.

4.Горшунова В.П. Влияние кислотной обработки активного оксида алюминия на его поглотительные свойства [Текст] / Горшунова В.П., Иванова Д.Э. // Матлы Межд. н.-пр. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Фундаментальные и прикладные исследования в области химии и экологии.- 2015.- Курск, КЮЗ гос. ун-т, С.214-216.

Введение

Процессы электропереноса в широкозонных оксидных полупроводниках ZnO и In2O3 подробно изучены в многочисленных работах [1-3]. Причиной пристального интереса к проводимости данных оксидных соединений является использование их в качестве активной среды в резистивных газовых датчиках. Однако, несмотря на многолетние исследования процессов электронного транспорта в оксидах ZnO и In2O3, всеобъемлющего описания механизмов переноса заряда в данных соединениях не существует. Это связано с большим числом одновременно реализуемых процессов электропереноса в материале.

Для практического применения оксидов ZnO и In2O3 важно получить структуру с возможно большим вкладом в процесс проводимости мелких электронных состояний связанных с адсорбцией различных газов. Газы адсорбируются на поверхности образцов и по границам раздела кристаллитов оксидов. По этой причине наиболее перспективно в плане применения выглядят нанокристаллические тонкопленочные образцы.

Исходя из приведенных выше представлений, целью данной работы является изучение механизмов электропереноса в гомогенных ZnO, In2O3 и многослойных (In2O3/ZnO)83 пленках, полученных методом ионно-лучевого распыления и влияние на проводимость тер-мической обработки образцов.

Образцы и методика эксперимента

Исследуемые образцы были синтезированы методом ионно-лучевого распыления [4]. Использовались мишени состава In2O3 и ZnO, полученные по керамической технологии. Между мишенью и подложкодержателем устанавливался V-образный экран, что позволяло плавно изменять толщину пленки, полученной в одном технологическом цикле. При получении пленок (In2O3/ZnO)83 распылялись независимо две мишени, и подложка при вращении занимала позицию осаждения одной из фаз многослойной структуры. За время напыления были проведены 83 цикла напыления бислоев (In2O3/ZnO). Применение данной технологии позволило получить пленки In2O3 и ZnO толщиной, меняющейся от 0,03 мкм до 0,12 мкм и многослойную пленку (In2O3/ZnO)83, в которой эффективная толщина слов

варьировалась от 0,43 нм до 1,68 нм для In2O3 и от

0,57 нм до 1,56 нм для ZnO.

Температурные зависимости сопротивления

(R) измерялись на пленках методом вольтметраамперметра на постоянном токе в гелиевом криостате. Величина сопротивления и температуры автоматически фиксировалась на ПК с использованием оригинальной программы.

Отжиги образцов проводились в вакууме при давлении не выше 1∙10-5 Торр.

Результаты и их обсуждения

Для определения механизмов проводимости в исследуемых образцах были измерены температурные зависимости сопротивления пленок в исходном состоянии и подвергнутых термической обработке.

Рис.1. Температурные зависимости сопротивления пленок ZnO различных толщин: а, в – толщина 0,066 мкм в исходном состоянии, б, г – толщина 0,125 мкм после термической обработки 748 К в течение 30 мин

На рис. 1 представлены температурные зависимости сопротивления R(T) для пленок ZnO различной толщины в исходном состоянии и после термической обработки. Во всем температурном диапазоне 77-300 К наблюдается монотонное уменьшение проводимости с понижением температуры. Это обычное поведение R(T) полупроводниковых пленок. Если проводимость определяется термоактивированными переходами носителей заряда в зону проводимости, то зависимость должна иметь линейный характер в координатах lnR от 1/T.

Как мы видим из графиков рисунка 1(а, б), такого поведения не наблюдается во всем температурном диапазоне. Возможно, в данном температурном интервале реализуются как минимум два термоактивированных процесса электронного переноса, имеющие различные энергии активации.

Возможен также случай, когда процесс термоактивированной проводимости реализуется в высокотемпературной области (Ea = 0,023 эВ в исходном состоянии и Ea = 0,15 эВ – после термической обработки), а в низкотемпературной проводимость осуществляется путем туннелирования электрона между дефектами из одного локализованного состояния в другое. Тогда в зависимости от соотношения энергии kT и ширины энергетического распределения локализованных состояний возможны либо прыжки с переменной длиной прыжка (зависимость в координатах lnR от 1/T1/4), либо неупругое резонансное туннелирование между ближайшими соседями(зависимость в координатах lnR от 1/T1/2). Анализ зависимостей R(T) в данных координатах для пленок ZnO (рис.1в, г) выявил температурный диапазон

77-125 K, где хорошо выполняется зависимость lnR

~ 1/T1/4 .

Иные зависимости R(T) наблюдаются для пленок In2O3 и (In2O3/ZnO)83 (рис. 2). Здесь имеются температурные интервалы, где сопротивление повышается с увеличением температуры. Такие зависимости свойственны для вырожденных полупроводников. В низкотемпературном интервале, как правило, зависимость R(T) полупроводниковая. Обнаружено, что низких температурах выполняется зависимость R(T) ~ lnТ.

Рис.2. Температурные зависимости сопротивления пленок а – In2O3 толщиной 0,11 мкм; б – (In2O3/ZnO)83 толщиной

0,28 мкм;

1 – в исходном состоянии; 2 – после термической обработки 748 К в течение 30 минут; 3 – после термической обработки 873 К в течение 30 минут

Такие зависимости можно объяснить тем, что в вырожденных полупроводниках, когда длины неупругого рассеивания электронов больше расстояния между упругими столкновениями носителя заряда, наблюдается эффект слабой локализации электронов [5]. В тонких пленках могут реализоваться трех- и двухмерные случаи состояния электронного газа. Изменение проводимости ∆σ (квантовая по-

правка) при слабой локализации при этом следует законам:

3D:

(1)

2D:

(2)

где τφ и τ – времена релаксации для упругого и неупругого рассеяния электронов, l – длина свободного пробега электрона, Lφ – длины неупругого взаимодействия электрона.

Согласно выражениям (1) и (2) изменение проводимости при эффекте слабой локализации для двухмерного случая пропорционально lnLφ, а так как Lφ~ TS (S – показатель степени), то ln∆σ ~ T. Поэтому на пленках квантовая поправка всегда проявляется в виде специфической зависимости ∆R ~ lnТ. Критерием перехода от 3D к 2D конфигурации является условие h ≈ Lφ. Кроме того, при приложении магнитного поля слабая локализация электронов проводимости снимается. Как следствие, в образцах наблюдается отрицательный магниторезистивный эффект.

Заключение

Проведенные исследования показали, что в пленках ZnO, полученных ионно-лучевым распылением, температурные зависимости сопротивления в интервале температур 77-293 К можно описать двумя механизмами электропереноса. В области низких температур реализуется прыжковый механизм проводимости. В области температур, близких к комнатной, — термоактивированная проводимость с мелких электронных уровней. В пленках In2O3 и (In2O3/ZnO)83 выявлена слабая электронная локализация.

Литература

1.King P. D. C. Conductivity in transparent oxide semiconductors / P. D. King, T. D. Veal // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2011. – V. 23. – P. 17.

2.Zhu Y. Transparent and conductive indium doped cadmium oxide thin films prepared by pulsed filtered cathodic arc deposition / Y Zhu, RJ Mendelsberg, J Zhu, J Han, A Anders // Applied Surface Science. – 2013. – V. 265. - P. 738-744.

3.Ilican S. Electrical Conductivity, Optical and Structural Properties of Indium-Doped ZnO Nanofiber Thin Film Deposited by Spray Pyrolysis Method / S. Ilican, Y.Caglar, M. Caglar, F. Yakuphanoglu // Physica

E:Low-Dimensional Systems and Nanostructures. – V. 35. - P. 131-138.

4.Kalinin Yu.E. Electrical properties and giant magnetoresistance of CoFeB-SiO2 amorphous granular composites / Yu.E. Kalinin, A.V. Sitnikov, O.V. Stognei, I.V. Zolotukhin, P.V Neretin // Mat. Scien. and Engin. - 2001. - A304-306. - P. 941-945.

5.Гантмахер В. Ф., Электроны в неупорядоченных средах - Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2005.

Введение

При разработке новых турбин для турбонасосных агрегатов (ТНА) ЖРД, работающих на экологически чистом топливе, возникает необходимость предотвращать окисление материала лопаток турбин, сохранять их прочность при высоких рабочих температурах и, по-возможности, уменьшать значение температуры лопаток турбины, относительно температуры газового потока. В авиационной промышленности для этой цели используются жаростойкие и термозащитные покрытия из стабилизированного диоксида циркония.[1,2]. Перспективным вариантом представляется использование наноструктурированного диоксида циркония в качестве защитного и жаростойкого покрытия лопаток ТНА ЖРД. Во-первых, переход к наноструктурированному покрытию должен привести к улучшению его механических свойств, в частности, твердости и прочности, в соответствии с эмпирическим законом Холла-Петча [3]. Во-вторых, наличие большой объемной доли границ зерен должно привести к уменьшению фононной теплопроводности, что является существенным положительным фактором. Кроме того, наличие стабилизованной высокотемпературной фазы в покрытии должно препятствовать процессам рекристаллизации структуры при высоких температурах.

В данной работе представлены результаты исследования структуры и микротвердости наноструктурированных покрытий из стабилизированного диоксида циркония, полученного в различных технологических условиях.

Образцы и методика эксперимента

Для получения наноструктурированных покрытий ZrO2 использовался метод магнетронного высокочастотного (МВЧ) распыления мишени, изготовленной по керамической технологии. В качестве подложек использовались пластины из чистого никеля (20х7х3 мм), для последующего исследования термоциклических свойств покрытий, и пластины из аморфного стекла (20х10х3 мм) для исследований структуры покрытия. В каждом напылении применялись оба типа подложек, то есть образцы покрытий получались одновременно на стекле и на металле.

Исследование структуры полученных покрытий осуществлялось с помощью дифрактометра

D2 PHASER фирмы BRUKER в Cu K излучении в геометрии съемки Брега - Брентано. Размер кристаллитов определялся по формуле Шеррера [4] с использованием стандартного лицензионного приложения к дифрактометру «Eva», количественное соотношение фаз рассчитывалось с применением лицензионного пакета программ «Topaz». Для рентгеноструктурных исследований преимущественно использовались образцы на стеклянных подложках. Элементный состав полученных покрытий исследовался с помощью электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа на сканирующем рентгеновском микроанализаторе JXA-840.

Определение микротвердости покрытия производилось методом индентирования с помощью микротвердомера ПМТ-3М. Индентирование осуществлялось алмазной пирамидой Кнупа.

Результаты и их обсуждения

На рисунках 1 и 2 изображены рентгенограммы покрытий, полученных с помощью реактивного МВЧ напыления при различном парциальном давлении кислорода (от 0,23 до 0,65 Па) и расстоянии мишень-подложка - 30 мм. При сравнительно низком парциальном давлении кислорода (0,23 Па, рис. 3) преобладающей фазой является тетрагональная фаза, а основные отражения от кристаллографических плоскостей наблюдаются в интервале углов 34 о - 37о (от плоскостей семейств (200) и (002)). При увеличении парциального давления кислорода (0,35 Па и выше) возрастает содержание моноклинной фазы, а также значительно возрастает интенсивность отражений от плоскостей семейства (111) для обеих фаз. Наблюдаемые изменения вида рентгенограмм связаны с концентрацией кислорода в материале. При его недостатке в покрытии преимущественно формируется неравновесная тетрагональная структура. По всей видимости, при недостатке кислорода в решетке ZrO2 происходит образование кислородных вакансий, что приводит к расширению кислородной позиции и способствует созданию устойчивой флюоритовой структуры в широком интервале температур. Иными словами, в этом случае происходит стабилизация высокотемпературной тетрагональной фазы. Недостаток

кислорода приводит к тому, что его атомы полностью заполняют лишь, условно говоря, «внешние плоскости» элементарных ячеек диоксида – отсюда и наличие только пиков (200) и (002). Если кислорода в рабочем газе при напылении в избытке – формируется стехиометричное покрытие, содержащее большую объемную долю стабильной, моноклинной фазы и дающее пики от всех кристаллографических плоскостей на рентгенограмме. Очевидно, что рентгенограмма покрытия, нанесенного при большом парциальном давлении кислорода (0.65 Па) и содержащая пики от всех основных плоскостей это рентгенограмма от равновесной и стехиометричной структуры (рис. 2).

Парциальное давление кислорода в камере не только влияет на соотношение равновесной (m) и неравновесной (t) фаз, но и на средний размер зерен в этих фазах. Во-первых, увеличение парциального давления кислорода приводит к возрастанию в покрытии объемной доли равновесной моноклинной фазы и снижению метастабильной - тетрагональной, соответственно. По-всей видимости, когда давление

кислорода составляет 0,42 Па и выше, происходит формирование стехиометричного покрытия – для интервала давлений кислорода 0,42 – 0,65 Па соотношение фаз практически не меняется. Во-вторых, независимо от давления кислорода и соотношения между фазами покрытия оказываются наноструктурированными (размер зёрен фаз не превышает 100 нм). Более того, увеличение парциального давления кислорода приводит к уменьшению среднего размера зерна. Этот эффект явно выражен для сравнительно небольших значений давления (0,23, 0,35 Па) и слабо выражен при более высоких давлениях. Предположительно, это может быть связано с тем, что атомы кислорода (осаждаемые из мишени и адсорбирующиеся из газовой фазы), являясь избыточными при высоких давлениях, могут скапливаться на поверхности растущих зерен и выступать в качестве своеобразного барьера для их дальнейшего роста.

Заключение

Метод магнетронного высокочастотного распыления керамических мишеней из диоксида циркония стабилизированного гафнием и иттрием позволяет получать наноструктурированные покрытия со средним размером зерна 20 – 60 нм, представляющие собой смесь двух модификаций диоксида циркония: моноклинной и тетрагональной. Изменение давления рабочего газа в камере при нанесении покрытий, а также изменение парциального давления кислорода, позволяет влиять на объемное соотношение фаз в получаемом материале.

Литература

1.Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления ГТД // ВИАМ. 2012. 206070. С.1720.

2.Ю.А.Тамарин, Е.Б.Качанов Электрон- но-лучевая технология нанесения теплозащитных покрытий // Новые технологические процессы и надежность ГТД – ЦИАМ. 2008. вып. 7. С.144-158.

3.H.W. Song, S.R. Guo, Z.Q. Hu A coherent polycrystal model for the inverse Hall-Petch relation in nanocrystalline materials // Nanostruct. Mater. 1999. v.

11.№ 2. pp. 203−210.

4.Z.E. Sánchez-Hernándeza,b, M.A. Domínguez-Crespoa, A.M. Torres-Huertaa, E. OnofreBustamantea, J. Andraca Adamec, H. DorantesRosalesd Improvement of adhesion and barrier properties of biomedical stainless steel by deposition of YSZ coatings using RF magnetron sputtering // Materials characterization. 2014. v. 91. pp. 50 – 57

Рис. 1. Петли гистерезиса фольг Fe78P20Si2 прошедших обработку: а) термическая обработка; б) фотонная обработка

Рис. 2. Зависимость коэрцитивной силы сплава Fe78P20Si2от: а) - температуры отжига; б) – дозы облучения

Рис. 3. Рентгеновскиедифрактограммы фольг Fe78P20Si2, прошедших термическую и фотонную обработку

На рис. 3 приведены рентгеновские дифрактограммыфольг Fe78P20Si2, характеризующие последовательность фазовых превращений в процессе ТО и ФО, которые приводят к изменениям магнитных свойств. При максимальной температур отжига (550 °С), структура сплава

сохраняет аморфную матрицу и фазы Fe3P, Fe5SiP и

Fe.

Анализ подобных зависимостей для сплава 71КНСР показал, что значения аналогичных величин, характеристических параметров, составляют 500 - 550°С и 30 – 40 Дж/см2 , соответственно.

Рис. 4. Петли гистерезиса фольг71КНСР, прошедших обработку: а) термическая обработка; б) фотонная обработка

Рис. 5. Зависимость коэрцитивной силы сплава 71КНСР от а) температуры отжига б)дозы облучения

Рис. 6. Рентгеновские дифрактограммы фольг 71КНСР, прошедших термическую обработку

На рис. 6 приведена рентгеновская дифрактограмма фольги 71КНСР, характеризующая последовательность фазовых превращений в процессе ТО, которые приводят к изменениям магнитных свойств.При максимальной температуре отжига (600 °С), структура сплава представляет собой сочетание фаз Ni2Si, Co2B, Co.

Установлено также, что по сравнению с закаленным состоянием, у отожженных и облученных образцов наблюдается уширение петли гистерезиса, и изменение значения намагниченности насыщения.

Литература 1.О.К. Белоусов, Н.А. Палий, В.Т.

Заболотный. К вопросу о максимальной прочности металлов и сплавов в кристаллическом, аморфном и нанокристаллическом состояниях / Металлы, 2011, №1, с.39-

2., С.В. Канныкин, Т.Н. Ильинова, А.В. Боряк, В.В. Вавилова. Кристаллизация и изменение твердости аморфного сплава FE78P24SI2 при кратковременной фотонной обработке / V Всероссийская конференция по наноматериалам «НАНО 2013», ЗВЕНИГОРОД, 2013. - С.129-130.

Инновационная организационная культура – это система распространенных на предприятии норм и ценностей, которая обеспечивает высокий уровень восприятия, инициации и реализации инноваций [1].

Также под инновационной культурой организации понимают восприимчивость людей к новым идеям, их готовность и способность поддерживать и реализовывать новации и, как следствие, это знания, умения и опыт целенаправленной подготовки, комплексного внедрения и всестороннего освоения новаций на предприятии [2].

Для успешного формирования инновационной организационной культуры на предприятии необходимо использовать системный подход. Система инновационной организационной культуры предполагает последовательное построение трех взаимосвязанных подсистем: функциональной, элементной (ресурсной) и организационной (структурной).

Функциональная подсистема осуществляет определение основных функций системы инновационной организационной культуры и состава функций-задач, а также построение дерева функций.

Элементная подсистема предусматривает выделение в системе необходимых для реализации функций-задач элементов, а также соответствующего элементного (ресурсного) обеспечения.

Организационная подсистема предусматривает создание структуры системы управления формированием инновационной организационной культуры и разработку механизма реализации ее функций, а также установление связей и отношений между элементами [3, 7]. Модель системы инновационной организационной культуры согласно системному подходу приведена на рисунке.

При внедрении системы инновационной организационной культуры целесообразно использовать методологию структурного анализа и проектирования SADT (акроним от англ. Structured Analysis and Design Technique), которое наглядно отображает процесс формирования инновационной организационной культуры, необходимые ресурсы, исполнителей и конечный результат каждого этапа проектирования. Функциональная модель системы инновационной организационной культуры включает такие подсистемы, как создание системы, планирование и организация ее внедрения, непосредственно внедрение системы инновационной культуры и дальнейший контроль.

На этапе создания системы инновационной организационной культуры осуществляются следующие работы:

-анализ внешней и внутренней среды предприятия (SWOT-анализ, PEST-анализ, анализ существующей культуры организации);

-разработка культуры труда и производства (концепция бережливого производства, система менеджмента качества, автономное обслуживание рабочих мест, система мотивации, социальное развитие персонала);

-разработка системы знаний (создание условий для профессионального роста работников, для повышения творческой активности, для разработки и реализации инновационных предложений).

На этапе планирования разрабатывается план внедрения системы инновационной организационной культуры, то есть определяется потребность в персонале, составляется график работ, организуется документооборот, а также определяются основные показатели эффективности системы инновационной организационной культуры.

-формирование трудовой культуры

-формирование производственной культуры

-предоставление условий для постоянной разработки и внедрения инноваций, проведения научных исследований, разработок

-предоставление условий для профессии-онального роста сотруд-ников, повышения квалификации, образования

-обеспечение творческой активности персонала

-исполнители

-правовые ресурсы

-информационные ресурсы

-финансовые ресурсы

-технические ресурсы

-руководитель бюро по формированию инновационной организацион-ной культуры

-бюро по формированию инновационной организационной культуры

Организация внедрения системы инновационной культуры предполагает выбор метода внедрения и согласование сроков внедрения системы.

Далее осуществляется внедрение системы инновационной организационной культуры и проводится оптимизация всех процессов.

Завершается внедрение системы инновационной культуры контролем показателей эффективности и составлением соответствующей отчетности.

Далее строится первый уровень SADTмодели, где процессом выступает внедрение системы инновационной культуры, на входе находится потребность в системе и различные виды ресурсов, на выходе – внедренная система, исполнителями являются специалисты маркетингового отдела, отдела труда и заработной платы (ОТЗ), отдела кадров, плановоэкономического отдела (ПЭО) и др., а регулирование производится на основе Трудового кодекса Российской Федерации (ТК РФ), трудовых норм и нормативов, должностных инструкций и пр.

На втором уровне производится декомпозиция блока первого уровня по функциональным подсистемам, которые также детализируются на третьем уровне SADT-модели.

Например, блок «Создание системы инновационной организационной культуры» декомпозируется на анализ внешней и внутренней среды, разработку плана по формированию системы знаний, разработку плана по формированию культуры труда и производства.

Эффективным инструментом при формировании инновационной организационной

культуры является система кайдзен-предложений, т.е. идей по улучшению любых аспектов труда и производства.

Деятельность по разработке и внедрению кайдзен-предложений включает несколько этапов:

-предложение подаётся на бланке определённого формата;

-к рассмотрению принимаются все без исключения предложения;

-предложение направляется руководителю структурного подразделения, которого оно касается. Руководитель или эксперт этого подразделения пишет своё заключение — стоит или не стоит внедрять;

-автор предложения, принятого к внедрению, получает благодарственное письмо;

-за каждое принятое к внедрению предложение автор (или коллектив авторов) получает премию;

-если принимается решение о внедрении эффективного технического новшества, то опыт распространяется на всех аналогичных участках компании [4, 5].

Для формирования инновационной культуры предприятия я предлагаю внедрить метод функционально-стоимостного анализа.

Фукционально-стоимостный анализ (ФСА) – метод технико-экономического системного исследования объекта, направленный на оптимизацию соотношения между их потребительскими свойствами и затратами на проявление этих свойств [6].

Производство (АП, также AM от англ. additive manufacturing) представляет собой класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы путем последовательного (послойного) нанесения материала в противоположность так называемому вычитающему производству (например, традиционной механической обработке). Детали изготавливаются непосредственно по компьютерной 3D-модели, виртуально нарезанной на тонкие слои, которая передается в АП-систему для послойного формирования конечного изделия. Данные технологии позволяют быстро наладить производство продукции и запасных частей, которые либо не могут быть изготовлены с помощью традиционных технологий, либо требуются в малых объемах. Сложная конфигурация, которую нельзя получить механической обработкой, может быть легко воспроизведена селективным нанесением материала.

В аддитивных процессах с использованием металлов детали формируются путем последовательной послойной наплавки или спекания металлического порошка, что позволяет изготавливать детали точной или близкой к заданной формы без инструментальной оснастки, с минимальной последующей механической обработкой либо вообще без нее.

Сегодня в машиностроении наиболее популярны технологии SLA и SLS (и их разновидности), как технологии, позволяющие получить наилучшую точность и имеющие разнообразные сферы применения.

Селективное лазерное спекание (SLS, Selective Laser Sintering) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS, Direct Metal Laser Sintering)

подразумевает спекание порошковых материалов с помощью лазера. В процессе изготовления изделия применяется тонкий порошок, который равномерно распределяется валиком по подставке устройства и выборочно сканируется по контуру лазером мощностью 25-100 Вт. Толщина слоя, как правило, не превышает 100 мкм. Время засветки каждой частицы лазерным пучком находится в пределах от 0,5 до 25 мс [1]. При этом для достаточно быстрого спекания необходимо частичное или полное расплавление частиц порошка. Процесс не требует

построения поддерживающих структур, поскольку нерасплавленный порошок сам служит опорой для модели, а термические напряжения снижаются путем нагрева емкости с порошком. Процесс DMLS требует использования связующих веществ с температурой плавления ниже, чем у основного металлического компонента (полимерные порошки, металлические порошки с более низкой точкой плавления и т.п.). Особое внимание уделяется развитию технологий DMF – Direct Metal Fabrication

(рис. 1), т.е. непосредственному «выращиванию», при котором металлический порошок подается в рабочую зону напрямую через систему подачи газа.

Рис. 1. Технологии DMF – Direct Metal Fabrication

Наибольший интерес к «непосредственному выращиванию» металлических изделий проявляют в аэрокосмической промышленности, энергетическом машиностроении и ряде других отраслей (рис. 2).

По заявлению К. Фурстосс, руководителя группы производства и технологии материалов компании General Electric, через 10 лет примерно половина деталей энергетических турбин и авиационных двигателей будет изготавливаться с помощью AM-технологий.

Мотивирующим фактором здесь является, в первую очередь, экономическая целесообразность. Совместное исследование European Aeronautic Defense and Space Company (Бристоль, Великобритания) и EOS Innovation Center (Уорвик,

Великобритания) показало, что экономия сырья при АП может достигать 75 % [1].

Рис. 2. Детали авиационных двигателей, полученные методом прямого лазерного выращивания

В профессиональном языке авиастроителей есть фразеологизм «buy-to-fly ratio», который можно перевести как «отношение того, что купил, к тому, что полетело», т.е. сколько материала было куплено и сколько реально «полетело» в качестве детали в составе самолёта. По разным данным, это отношение составляет 15:1 или даже 20:1 для сложных деталей. Использование АП позволяет свести этот показатель до 1,5 – 2,0:1 [2].

Кроме того, прямое лазерное выращивание позволяет значительно увеличить производительность. Например, корпус камеры сгорания для небольшого газотурбинного двигателя можно вырастить с нуля за три часа, в то время как при использовании традиционных технологий на это уйдет около двух недель, при этом конструктор мгновенно видит результаты конструирования и может быстро вносить в них изменения. Процесс проектирования и создания новой техники посредством данной технологии повышается в десятки раз [3].

Так, например, использование АМ-технологий для восстановления турбинных лопаток приводит к экономии 6297 долл. с каждой детали, что дает экономию около 1,5 млн. долл. в год. Восстановление торцов лопаток в двигателе AV8B, изготовленных из титанового сплава Ti-6Al-4V, позволяет сэкономить 715 тыс. долл. в год. Компания BeAM, производитель оборудования по технологии CLAD, занимается также восстановлением пяти видов деталей для газотурбинных двигателей Prau & Wtihney, увеличивая срок их службы с 10 тыс. до 60 тыс. часов. Таким образом уже восстановлено более 600 деталей, при этом экономия достигает десятикратной величины от стоимости детали. Следует отметить, что неаддитивным способом восстановить эти детали невозможно [1].

NASA, перейдя на аддитивное производство жаропрочных инжекторов для ракетных двигателей, сократило время изготовления с шести месяцев до трех недель и снизило затраты с 10 тыс. до 5 тыс. долл. на каждую деталь [1].

Новейший авиадвигатель LEAP, разрабатываемый совместно General Electric Aviation и Snecma, будет впервые оснащен топливными форсунками, изготавливаемыми

методом послойного синтеза из порошкового сплава Co-Cr. Вместо 20 сваренных деталей будет изготавливаться одна, на 25 % легче и в 5 раз более прочная [4].

В2014 г. компания SpaceX провела успешные испытания двигателя малой тяги с камерой сгорания, изготовленной методом DMLS для разрабатываемого космического корабля Dragon V2».

Компания Boeing установила компоненты, изготовленные из термопластика по процессу SLS, на гражданских самолетах серий 737, 747 и 777 и использовала несколько сотен таких деталей на самолете 787-й серии. В дополнение к этому множество SLS-деталей установлено на нескольких версиях военных самолетов, таких как самолет дальнего воздушного радиолокационного обнаружения и управления, модели C-40, AWACS и Р-8. Еще одним примером может служить трубопровод охлаждения (система контроля состояния среды) на истребителе F/A-18E/F Super Hornet, разработанном компанией Boeing для ВМС США. Технология SLS позволила инженерам объединить различные каналы в единые детали, встроить в них механизмы крепления и сократить общее число компонентов, что в итоге привело к снижению веса самолета, упрощению процесса сборки и его сокращению во времени.

Вавтомобилестроении АП связано преимущественно с автоспортом. Примером использования АП в автомобилестроении может служить изготовление 100 крышек омывателя фар для Lamborghini Gallardo, выполненное компанией

CRP Technologies с помощью SLS-обработки материала с наполнением из углеродных волокон. Компания Daimler AG (Штутгарт, Германия) в партнерстве с Concept laser и Фраунгоферовским институтом лазерных технологий заменила дорогостоящие и длительные процессы литья в кокиль и в песчаные формы, применявшиеся для изготовления крупных функциональных металлических частей, АМ-процессом, позволившим оптимизировать геометрию деталей и добиться снижения веса.

Грядущие перспективы применения АМтехнологий в автомобильной промышленности продемонстрировала компания Local Motors, которая с помощью 3D-печати изготовила первый пригодный для поездок автомобиль под названием Stratf. Этот двухместный электрокар был впервые официально представлен публике в сентябре 2014 г.

вЧикаго. Stratf состоит всего из 49 деталей, включая напечатанный на 3D-принтере корпус, в то время как типичный промышленный автомобиль имеет в составе несколько тысяч деталей. Печать автомобиля из термопластика, усиленного углеродными волокнами, с помощью лазерной системы заняла примерно 44 часа. Автомобиль способен разгоняться до скорости 40 миль в час и проезжать на одной зарядке до 120 миль. Продажи Stratf могут начаться в 2016 г., а его цена составит

18-34 тыс. долл. [1].

Не отстает от общемировых тенденций и аддитивное производство в России. Генеральный директор Всероссийского научноисследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) Е. Н. Каблов отметил, что «несмотря на все сложности, у отечественной науки и промышленности есть все предпосылки для развития данного направления». В частности, он привел в пример ВИАМ, где создано аддитивное производство полного цикла, а также рассказал об успешной кооперации ВИАМ, ИПЛИТ РАН и СПбПУ по разработке аддитивных технологий для изготовления и ремонта деталей газотурбинных двигателей. Кроме того, ВИАМ впервые в России изготовил по аддитивной технологии с применением отечественной металлопорошковой композиции деталь перспективного авиационного двигателя ПД-14. ФГУП «ВИАМ» разработал, изготовил и провёл успешные испытания порошка сплава ЭП648, который удовлетворяет всем техническим требованиям для получения деталей методом селективного лазерного синтеза (SLS). Отработанный режим сплавления порошка сплава ЭП648 обеспечивает получение плотных деталей со средней объемной долей пористости 0,07 %, что соответствует лучшим результатам работ с порошками импортного производства. По отработанной технологии SLS из ЭП648 были получены опытные образцы деталей камеры сгорания перспективного двигателя ПД-14 [4, 5].

«Мы смогли изготовить завихритель фронтового устройства камеры сгорания, которая в полном объеме отвечает требованиям конструкторской документации, - заявил Е. Н. Каблов, - цикл изготовления деталей методом селективного лазерного сплавления в среднем в 10 раз меньше, чем по технологии литья по выплавляемым моделям». Эта работа была выполнена с ОАО «Авиадвигатель» [4].

Российская компания ОАО «НИАТ НТК» успешно провела работы по замене сварных топливных форсунок авиационного двигателя на «выращенные» из никелевого сплава CL 100NB. Результат – значительно снижен процент брака, масса изделия уменьшена на 17 % [2].

С 2008 г. «НЦ Керамические двигатели им. А. М. Бойко» применяет аддитивные технологии селективного лазерного сплавления для изготовления из безусадочных металлокерамических порошков легких неохлаждаемых керамических газотурбинных двигателей мощностью 200-2000 Вт (начальная температура рабочего тела 1350 °С, КПД 42-46 %) (рис. 3). Разработана программа по созданию таких двигателей с более высокой температурой рабочего тела [4].

На базе нового завода «Воронежсельмаш» открыт крупнейший в России «Центр аддитивных технологий» коллективного пользования (рис. 4), который включает ряд направлений деятельности: производство учебных 3D принтеров «Альфа», 3D сканирование и моделирование, производство

фотополимерных пластиковых и гипсовокомпозитных изделий, вакуумное литье полимеров, производство методом селективного плавления металла, инжиниринг и обучение. В демонстрационном центре по зарубежному оборудованию представлены 10 основных технологий аддитивного производства [5].

Рис.3. Металлокерамический воздухоподогреватель газотурбинного керамического двигателя

Центр готов выступать как технологический и производственный партнер по отечественным и зарубежным материалам и отработке технологий построения изделий.

Рис. 4. Воронежский центр аддитивных технологий

Центры аддитивных технологий работают и на базе технических университетов МГТУ «Станкин», МГТУ им. Н. Э. Баумана, ФГУП НАМИ, СПбПУ, участвуя в разработке оборудования и технологий.

Институт лазерных и сварочных технологий (ИЛиСТ) сегодня реализует проект «Создание технологии высокоскоростного изготовления деталей и компонентов авиационных двигателей методами гетерофазной порошковой металлургии», направленный на разработку технологии прямого лазерного выращивания изделий из порошковых металлических материалов и оборудования для её реализации, которые должны позволить многократно повысить скорость изготовления изделий из жаропрочных сплавов. Разрабатываемая технология производительнее технологий послойного синтеза в десятки раз, обеспечивает получение изделий с механическими характеристиками на уровне деформируемых сплавов и не требует последующего газостатирования. Контролируемое плавление

частиц порошка в поле лазерного излучения обеспечивается совмещением газопорошковой струи с лазерным лучом. При этом частицы остаются в двухфазном состоянии, то есть будут частично жидкими и частично твердыми. После кристаллизации такой материал будет иметь структуру с мелким зерном, которая является залогом высокого уровня механических свойств [3].

В ИЛиСТ СПбПУ представлена первая, не имеющая аналогов в мире, отечественная установка для прямого лазерного выращивания (рис. 5), которая используется как для дальнейшего исследования данной аддитивной технологии, так и для производства компонентов авиационных двигателей. Возможность перемещения технологической головки относительно изделия с помощью роботизированных манипуляторов, а также высокая производительность процесса, позволяет выращивать крупногабаритные изделия (рис. 6).

«Это тот редкий случай, когда промышленный запрос существует еще до того, как разработана технология. Мы работаем по прямому заказу отечественной промышленности, а именно «Объединенной двигателестроительной корпорации». Поддержку оказывает и Министерство образования и науки РФ как проекту государственного значения», – отмечает директор Института лазерных и сварочных технологий Г.А. Туричин.

На выставке «Металлообработка – 2015» были представлены образцы, полученные методом прямого лазерного выращивания на разработанном в ИЛиСТ экспериментальном технологическом комплексе (рис. 7).

Рис. 5. Экспериментальный технологический комплекс прямого лазерного выращивания

Рис. 6. Процесс изготовления детали авиационного двигателя на установке ИЛиСТ СПбПУ

Технология дает возможность комбинации нескольких газопорошковых струй и подачи различных материалов в зону выращивания, создавая тем самым изделия с градиентными свойствами, то есть одна часть детали может быть коррозионностойкой, а другая – жаростойкой. Тем самым значительно расширяются возможности конструкторов при разработке техники нового поколения [3].

Рис. 7. Образцы, полученные прямым лазерным выращиванием, ИЛиСТ СПбПУ

В Московском центре лазерных технологий (МЦЛТ) создан пятикоординатный комплекс для выращивания деталей методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов.

Среди отечественных разработчиков материалов следует отметить «ВИЛС», СПбПУ, ОАО «Композит», ЦНИИ КМ «Прометей». Среди разработчиков оборудования: НИАТ, «Алексинский химический комбинат», «Электромеханика».

Достигнутый прогресс уже сегодня позволяет получать высокое и даже сверхвысокое качество. Так благодаря технологии микростереолитографии детали получают прочнее в 400 раз по сравнению с традиционными методами производства [5].

Литература 1. Новые производственные технологии: публичный

аналитический доклад. – М.: Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2015. – с. 109 – 146.

2. Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении / М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш / пособие для инженеров. – М. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» 2015. 220 с.

3. Прямое лазерное выращивание – новейшая технология СПбПУ. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.spbstu.ru/media/news/nauka_i_innovatsii/direct- laser-growing-latest-technology-spbpu/

4. Суммируя усилия. // РИТМ. Металлообработка. Машиностроение. – 2015. – №5 (103). – с. 10 – 12.

5. Игнатов А.Г. Российские лазерные технологии: состояние и перспективы приме-нения / А.Г. Игнатов // РИТМ Машиностроения. – 2016. – №1. – с. 38. 12.