Важные научные достижения лаборатории № 6 
«Физики многофазных сред»

2002 год

Впервые построена статистическая модель адгезионного взаимодействия частиц при высокоскоростном ударе о преграду, позволившая объяснить явление холодного газодинамического напыления. Для частиц алюминия различных размеров получены зависимости от скорости удара энергии адгезии и упругой энергии. Показано, что вероятность закрепления частиц алюминия на подложке максимальна для частиц размером 20 - 50 мкм.
При построении статистической модели процесс адгезионного взаимодействия частицы с преградой при газодинамическом напылении моделировался на основе упрощений реальных физических процессов. Исследования показали, что существует определенный размер частиц, при котором скорость удара, необходимая для закрепления их с заданным уровнем вероятности минимальна. На рис. 1 приведены результаты расчета для уровней вероятности 0,1, 0,5, и 0,9. Видно, что кривые имеют ярко выраженный минимум, определяющий наиболее выгодные параметры частиц для достижения заданного уровня вероятности закрепления. На рис. 2 приведены кривые зависимости коэффициента напыления от скорости частиц для полидисперсных порошков алюминия АСД1 (dm≈30 мкм)  и АСД4 (dm≈25 мкм).
 r01.png r02.png  
 Рис. 1 Зависимость скорости удара частиц при заданном уровне вероятности закрепления от диаметра частиц Рис. 2 Зависимость коэффициента напыления различных фракций алюминия от скорости

Предложенная эмпирическая статистическая модель позволяет качественно объяснить явление холодного газодинамического напыления при высокоскоростном ударе частиц о преграду.

2005 год

Методом холодного газодинамического напыления из нанокомпозиционных порошков, произведенных механическим измельчением, получены наноструктурные композиционные TiB2Cu покрытия. Покрытие представляет собой структуру из взаимопроникающих каркасов высокопроводящих фаз меди и диборида титана, что обеспечивает его механические и электрические свойства. Общий вид покрытия (поперечный шлиф) показан на рисунке.

r03.png

Общий вид (поперечное сечение) TiB2-43vol.%Cu покрытия ХГН.

Несмотря на высокое содержание керамической фазы (диборида титана) и большого различия в пластичности фаз, покрытия обладали малой пористостью и состояли из хорошо упакованных в слое порошковых частиц. Из-за низких температур напыления структура нанокомпозитного материала была полностью сохранена. Исследования показали, что такие покрытия очень перспективны для практического использования, так как обладают высокой электропроводностью и электроэрозионной стойкостью в сильноточных разрядах. Это открывает перспективы для создания технологий получения изделий с уникальными свойствами из нанокомпозитных материалов нового поколения.

2007 год

Впервые предложено газодинамическое конструирование трехмерных пространственных структур с помощью холодного газодинамического напыления (ХГН).
Формирование трехмерных пространственных структур осуществляется с помощью создания устойчивых вихревых образований в сверхзвуковой части сопла, которые изменяют распределение концентрации дисперсной фазы в двухфазном потоке по сечению сопла и, тем самым, обеспечивают заданную форму напыляемого пятна на подложке до получения требуемой трехмерной структуры. Вихревые образования внутри сопла могут создаваться с помощью воздействия на поток как раздельно, так и совместно различных возмущающих газодинамических факторов: закрутка потока на входе в сопло, вдув в сопло через пористый насадок на срезе сопла или через продольные щели (пропилы) вблизи среза сопла и др.
Показано, что вихревые структуры при натекании на напыляемую поверхность, способствуют разрушению ударной волны (сжатого слоя) и, следовательно, улучшают процесс напыления.
Примеры получения некоторых трехмерных структур при ХГН с вариацией возмущающих факторов и, соответственно, вихревых образований в сопле (напылялся медный порошок на стальную подложку) представлены на фотографиях.

r04.png

r05.png

2008 год

Для нанесения многокомпонентных покрытий в оптимальном режиме для всех компонентов смеси впервые разработана и реализована схема соплового узла, позволяющая формировать металлокерамические смеси непосредственно в тракте сопла. 

Как правило, композитные покрытия наносятся путем напыления заранее приготовленных смесей. В этом случае частицы всех компонентов смеси достигают скоростей и температур, которые могут являться эффективными для напыления одного компонента смеси, но неэффективными для напыления другого. Наиболее эффективным будет являться способ нанесения многокомпонентных покрытий, в котором удастся реализовать нагрев и ускорение каждого компонента смеси в диапазоне необходимых ему температур и скоростей. Один из вариантов реализации такого способа – раздельное инжектирование каждого компонента смеси в разные области потока газа. Схема соплового узла, позволяющего реализовать раздельное инжектирование компонентов смеси представлена на рис. 1

r06.png

Рис. 1 Схема соплового узла с двумя точками ввода порошка

В случае инжекции порошка меди в первую (дозвуковая область), а алюминия во вторую точку ввода (сверхзвуковая область), их параметры при вылете из сопла отличаются друг от друга и являются оптимальными для каждого компонента.

Данный сопловой узел позволяет также наносить металлокерамические покрытия. В этом случае в первую точку ввода инжектируются частицы металла, а во вторую точку ввода – порошок керамики. Такой ввод керамики в сверхзвуковую область за критическим сечением позволяет избежать эрозии стенок сопла в критическом сечении. Примеры напыленных композитных покрытий представлены на рис. 2.

r07.png

Рис. 2 Примеры многокомпонетных покрытий : a – Al+Cu+SiC; b – Al+Ti; c – Al+Cu

2011 год

В результате проведенного численного и экспериментального моделирования сварки взрывом предложено одно из возможных объяснений проблемы волнообразования при сварке взрывом металлических пластин, поставленной М.А. Лаврентьевым еще в        60 –х годах прошлого века. Показано, что образование волн происходит в окрестности точки контакта пластин в области повышенного давления и обусловлено автоколебаниями точек приложения сил от верхней и нижней пластины при их соударении. Результат получен совместно  с  ИМ СО РАН и ИГиЛ СО РАН. 

На приведенных ниже рисунках представлены картины косого соударения металлических пластин, полученные: а - в численном расчете методом Годунова по релаксационной модели Максвелла, б - методом молекулярной динамики на основе многочастичного ЕАМ потенциала, в - в эксперименте – методом импульсной рентгенографии. Видно (см. рис. а - г), что зарождение волн происходит в области повышенного давления в окрестности точки контакта (выделена на рис. г штриховой линией) и связано со смещением точек приложения сил, совпадающих с точками растекания струй (в выделенной области металл ведет себя как вязкая жидкость). В дальнейшем эти точки периодически меняются местами, создавая волны, которые «замораживаются» после выхода из выделенной области, где материал ведет себя уже упругим образом. 

r08.png

r09.png

2012 год

Впервые для высокопроизводительного нанесения защитного покрытия методом холодного газодинамического напыления (ХГН) на внутреннюю поверхность цилиндрических труб предложено радиальное сверхзвуковое сопло, позволяющее исключить вращение трубы.

Расчет скорости соударения частиц алюминия различного диаметра при использовании такого сопла показал, что оптимальный размер частиц, при котором удается получить максимальную скорость удара и, соответственно, эффективность напыления, находится в диапазоне 5 – 10 мкм.

На рисунке показан экспериментальный образец, полученный при использовании радиального сопла с диаметром критического сечения 18 мм, диаметром выходного 72 мм, длиной сверхзвукового участка 27 мм. Порошок алюминия (10 – 40 мкм) напылялся на внутреннюю поверхность трубы при использовании закрученного течения.

r10.png

Образец трубы с внутренним диаметром 80 мм с покрытием из алюминия. 

p0 = 1,5 МПа, Т0 = 200°С, генератор закрутки с 32 тангенциальными отверстиями диаметром 1,5 мм.