Роскосмос

Формирование структуры материалов в неравновесных физико-химических процессах 1(14)

УДК 620.19

Мысливец Е.А., Журавлев А.Ю.

Myslivets E.A., Zhuravlev A.Y.

Формирование структуры материалов в неравновесных физико-химических процессах

Formation of the Materials Structure in Non-Equilibrium Physical-Chemical Processes

В работе представлены результаты управления физико-химическими процессами для получения изделий из материалов с заданными свойствами и гомогенным распределением свойств по объему изделия для многостадийных термически активируемых процессов.

The paper presents the results of physical-chemical processes management to obtain products of tailored materials and homogeneous distribution of properties over the volume of the product for multistage thermally-activated processes.

Ключевые слова: физико-химические процессы, неравновесные системы, материалы с заданными свойствами, самостабилизирующаяся структура.

Keywords: physical-chemical processes, non-equilibrium systems, tailored materials, self-stabilizing structure.

Введение

Управление физико-химическими процессами для получения изделий и материалов с заданными свойствами и гомогенным распределением свойств по объему детали было и остается актуальной задачей любого технологического процесса. Особенно актуальной она становится для многостадийных термически активируемых процессов, таких как сварка, литье, различные виды химико-термической обработки, нанесение покрытий жидкофазным плазменным и другими методами.

Новые экспериментальные исследования в технологических процессах предполагают рассмотрение фазового перехода как единый гомогенный и гетерофазный процесс с дополнительными факторами, связанными с воздействиями различных физических полей (температурных, гравитационных, акустических и т.д.) [1–4].

Анализ

К проведенной работе привлечена обширная информационная база, включающая теоретические построения и экспериментальные результаты, данные отечественных и зарубежных публикаций, материалы дискуссий по проблемам ультразвукового воздействия на расплавленные металлы.

Все реальные процессы – нелинейны. Нелинейность физико-химических процессов является основной движущей силой развития новых исследований в кинетике фазовых переходов. Особое внимание уделяется стационарно-неравновесному состоянию открытых физико-химических систем, в которых энтропия достигает минимальных значений. Определяется суть и необходимость иерархического системного анализа неравновесных физико-химических процессов[1–3].

Трудность управления неравновесными физико-химическими процессами в масштабах реального промышленного производства усугубляется практически невозможностью их локального контроля и влияния. Известно, что свойства готовых изделий при их изготовлении формируются в зависимости от внутреннего состояния материала, в том числе и превращением тепла и различных видов энергии. Однако в производственной практике данный факт учитывается слабо, а изолированное рассмотрение процессов формирования свойств изделий может привести к фатальным ошибкам при реализации технологических процессов.

Целью исследований является обобщение регулятивных эффектов ультразвукового воздействия через среды, претерпевающие фазовые переходы. Задачами исследований были и остаются апробации на действующих предприятиях простой и малозатратной технологии регулирования структуры и физико-механических свойств металлов и сплавов в технологических процессах без изменения штатного оборудования.

Экспериментальные исследования

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить резонансный характер воздействия ультразвуковых волн на физико-химические процессы, в которых происходят гетерофазные превращения и фазовые переходы, причем эффект наблюдается в интервале радиочастот. При этом управление свойствами получаемых материалов с помощью ультразвукового воздействия на кристаллизующийся металл является одной из актуальных тем материаловедения.

Распространение в проходящей через метастабильное состояние конденсированной фазе (между жидкой и кристаллизующейся) акустических колебаний малой мощности создает физические эффекты, а при использовании таких эффектов возникают реальные предпосылки для улучшения качества изделий.

Из [4,5] известно, что излучение радиоволнового диапазона должно резонансно поглощаться конденсирующей средой, и воздействие маломощного излучения радиоволнового диапазона может проявляться в изменении свойств материала, претерпевающего фазовые переходы. Другими словами, с помощью излучения радиоволнового диапазона можно регулировать структуру материала и все структурозависимые свойства.

Генератор импульсов тока для излучения радиоволнового диапазона, имеющий электрическую колебательную мощность не более 15ВА, представляет собой бокс с индикаторами параметров и выходными клеммами для подключения петли антенны-медиатора (рис.1). Антенна-медиатор представляет собой одножильный провод, обычно титановый, диаметром не более 2 мм. Длина провода не превосходит нескольких метров, и он гальванически замыкает выход генератора импульсов тока на корпус, представляя короткозамкнутую петлю магнитного диполя. Для стендовых испытаний к петле жестко крепятся один или несколько пружинных зажимов. Генератор устанавливается вблизи технологической зоны регулирования, его корпус заземляется согласно принятым нормам. Существуют несколько вариантов для воздействия на кристаллизующийся расплав:

  1. Петля антенны вводится в механический контакт с жидкой средой (с помощью зажимов).
  2. Петля антенны разрывается; в разрыв вводится электропроводный элемент конструкции, с помощью которого будет осуществляться воздействие (это может быть металлическая форма кристаллизатора, арматурная сетка и т.д.).
  3. Петля антенны жестко соединяется с монолитным акустическим проводником (волноводом), изготовленным из металла.

Опробованы второй и третий из указанных вариантов.

               

Рис. 1. Ультразвуковой генератор УЗГ1-0,01/950 в работе, подключенный к вакуумной индукционной установке «Кристаллизатор-105» (АО «Композит»), во время вакуумной плавки

После включения аппаратуры в технологическую схему никакого специального и квалифицированного надзора, кроме обычно предусматриваемого в технологических картах, не требуется. Уровень электромагнитных помех от антенны сопоставим с естественным фоном промышленного электрооборудования.

Во ФГУП «НПО «Техномаш» разработаны технология и оборудование для осуществления управлением структурообразованием в кристаллизующихся жаропрочных сплавах и высоколегированных сталях слабым акустическим воздействием за счет примыкающей к кристаллизующейся отливке гальванической петли-антенны, на которую от генератора подаются слабые импульсы тока. Акустические волны беспрепятственно распространяются в расплаве и ускоряют процесс кристаллизации. Частота следования электромагнитных импульсов, подаваемых в петлю, лежит в радиодиапазоне до тысячи килогерц и определяется экспериментально по максимальной эффективности.

Применение волновой акустической обработки расплава, к примеру, сплава ЖС3-ДК, с помощью генератора УЗГ1-0,01/950 (рис.1), изготовленного ФГУП «ВНИИТВЧ» по техническому заданию ФГУП «НПО «Техномаш», позволяет получить гарантированное улучшение структуры металла (рис. 2) и существенное повышение прочностных и пластических характеристик металла – прочности на 7–10%, предела текучести – на 46 %,а пластичности – в 1,8–2 раза.

а)              б)

Рис. 2. Макроструктура сплава ЖС3ДК: а) в исходном литом состоянии; б) после резонансно-акустического воздействия 1000КГц при кристаллизации

На рис. 2 приведены снимки отливок после штатного режима и с использованием акустического воздействия в процессе кристаллизации. Невооруженным взглядом можно выявить различия, то есть резонансный режим фонового акустического воздействия обеспечивает большую макроскопическую однородность структуры.

Выводы

Более детальный анализ показал преимущество резонансного режима фонового акустического воздействия перед штатным режимом. Сегодня накоплен обширный экспериментальный материал [6], не вызывающий сомнений в возможности влияния акустического воздействия на неравновесные физико-химические процессы, и, в конечном счете, формировании требуемой структуры материала.

Библиографический список

  1. Фомин В.П. Влияние механических воздействий на формирование свойств многокомпонентных систем / Научный центр нелинейной волновой механики и технологии. – М. Наука, 2004. – 82 с.
  2. Бибиков А.М., Халтурин И.П., Зарембо В.И. Управление структурообразованием и свойствами литых материалов слабым акустическим воздействием / Литейное производство. – 2009. – №5. – С. 12–14.
  3. Физико-химическая механика дисперсных структур / Под ред. Н.Н. Круглицкого – Киев. – Наук.Думка, 1976. – 193 с.
  4. Зарембо В.И. Фоновое резонансно-акустическое управление гетерофазными процессами / Теоретические основы химической технологии.– 2006. – Т.40, №5. – С.520–532.
  5. Поезжалов В.М. Кинетика электромагнитного излучения, сопровождающего массовую кристаллизацию / В.М. Поезжалов// Тезисы доклада IХ научной конференции по росту кристаллов. – М. – 2000. – 368 с.
  6. Способ модифицирования сталей и сплавов: пат. 2454466 РФ: МПК С21С 5/52 С21С 7/06 / Котов А.Н., Кривенко Г.Г., Мысливец Е.А., Чепурин А.В., Денисов В.Н.; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПО «Техномаш». – № 2010153410/02; заявл. 28.12.2010; опубл. 27.06.2012. – 4 с: ил.

Мысливец Елена Александровна – ведущий инженер-технолог ФГУП «НПО «Техномаш» им. С.А. Афанасьева. Тел. :8(495) 689-97-11. E-mail: myslivets@tmnpo.ru / Myslivets Elena Aleksandrovna – Leading Process Engineer of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.: 8(495) 689-97-11. E-mail: myslivets@tmnpo.ru

Журавлёв Алексей Юрьевич – начальник отделения технологий заготовительного производства ФГУП «НПО «Техномаш». Тел.: 8 (495) 689-96-90. E-mail: A.Zhuravlev@tmnpo.ru / Zhuravlev Aleksey Yurevich - Head of Blank Production Technologies Division of FSUE «NPO «Technomac». Tel.: 8(495) 689-96-90. E-mail: A.Zhuravlev@tmnpo.ru