6. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей синтеза и сфероидизации композитных порошков и холодного газодинамического напыления

Целью проекта является разработка физических основ нанесения функциональных металлических и композитных покрытий методом холодного газодинамического напыления, синтеза металлокерамических порошков, исследование свойств покрытий и математическое моделирование физических процессов при ХГН. Уровень предполагаемого научного результата сопоставим с мировым. Холодное газодинамическое напыление было открыто в ИТПМ СО РАН и с момента открытия проводятся его исследования, результаты которых известны мировому научному сообществу, опубликованы в высокорейтинговых для данной области науки изданиях, таких как Surf. And Coat. Technol., J. of Thermal Spray Technol. и др. Участники проекта являются признанными специалистами в области физики многофазных сред, холодного газодинамического напыления (ХГН) в России и за рубежом. Предполагаемые научные результаты исследований: - Впервые будут получены ХГН покрытия, содержащие в своем объеме ультрадисперсные частицы тугоплавкого модификатора TiN, который повлияет на физические и коррозионные свойства материала. Будет установлено влияние способов подготовки порошка и последующей высокоэнергетической обработки (электронным пучком/плазменной струей) ХГН покрытий на их микроструктуру, физические и коррозионные свойства. Будет изучено влияние предварительной высокоэнергетической тепловой обработки композиционных частиц, как на процесс их напыления, так и на свойства полученных покрытий. Полученные данные могут быть использованы при создании различных функциональных ХГН покрытий. - Впервые методом ХГН будут получены композиционные покрытия Cu-TiC и выявлены особенности изменения структуры покрытия Cu-TiC в зависимости от параметров напыления. Будут получены зависимости микротвердости, трибологических и электропроводящих свойств композиционных ХГН-покрытий Cu-TiC от размера упрочняющих частиц карбида титана. Полученные результаты позволят прогнозировать и управлять процессом создания металлокерамических электропроводящих ХГН-покрытий на основе меди, упрочненных керамическими частицами. - Впервые будет исследовано в условиях ХГН натекание струи под углом в широком диапазоне параметров (по размерам и материалам подложки, температуре торможения и др.). Планируется численный расчет и теневая визуализация натекания. Впервые будут получены результаты по влиянию скоса в маске в виде щели с сужением к подложке и несоосности сопла и цилиндрической апертуры отверстий в маске. Полученные результаты могут быть использованы при разработке аддитивных технологий. - Впервые на основе проведенных экспериментов будет выяснено влияние продольных вихрей, возникающих в сверхзвуковом потоке на процессы напыления покрытия методом ХГН. Результаты будут использованы для численного моделирования с целью оптимизации процесса нанесения покрытия методом ХГН. Будет спроектирована и создана установка для экспериментальных исследований осесимметричных струйных сверхзвуковых течений при ХГН, на внешней образующей поверхности которых сформирован слой парных контрвращающихся вихрей. Будут получены экспериментальные результаты о влиянии вихревой пелены на стабилизацию течения и геометрические и газодинамические параметры струй, с целью улучшения характеристик напыляемых защитных покрытий методом ХГН. - Впервые для условий ХГН будут получены результаты численного моделирования течения в сверхзвуковой струе, истекающей из радиального сопла и канала с учетом образования продольных вихрей. Впервые методом молекулярной динамики будут промоделированы процессы, протекающие при образовании интерметаллидных наночастиц и их соударение с преградой для условий ХГН. Это позволит определить прочность химической связи, возникающей между частицей и преградой. Впервые для условий ХГН, методом гладких частиц (SPH), с учетом пластической деформации и теплопроводности, будут решены задачи о соударении композитных и интерметаллидных микрочастиц с преградой, что позволит получить условия на скорость соударения и температуру микрочастиц для создания интерметаллидных покрытий при ХГН. Сравнение результатов расчетов для микро- и наночастиц позволит оценить влияние масштабного фактора на процессы, протекающие при соударении на атомном и макроскопическом уровнях. Результатом работы по проекту будет отработка методов получения металлокерамических порошков, исследования кинетики формирования ХГН покрытий и их свойств. Результаты, полученные при решении отдельных задач, в дальнейшем будут служить основой разработки современных технологий нанесения функциональных покрытий и высокопроизводительного оборудования ХГН.