Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Расширенный поиск
Том 63, № 3 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.29235/1561-8358-2018-63-3

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯ

263-270 156
Аннотация

Рассмотрен один из подходов к моделированию процесса смешивания полидисперсных порошков, включающих три основные фракции различных размеров, форма которых приближается к сферической. Такой подход позволяет снизить материальные издержки на стадии разработки технологических процессов смешивания благодаря уменьшению количества проводимых экспериментов. Для получения наиболее равномерного смешивания при минимальном времени технологического процесса в основу разрабатываемой модели положена целевая функция за определенное число итераций смешивания композиции получения требуемой плотности (максимально возможной) упаковки смешиваемых частиц твердой фазы.

С целью разработки модели процесса смешивания использовался один из эвристических алгоритмов – метод отжига метала. В качестве представительного элемента модели принята элементарная ячейка в виде гексогонально плотно упакованных частиц вокруг одной, введенной в состав композиционного материала (в небольшом количестве, от 5 до 15 %) в качестве модификатора. Модель формализована с условием усреднения размеров частиц в пределах каждой из фракций, а также морфологии их поверхности. Количество итераций переупаковки частиц рассчитывается по вероятности получения минимального объема пустот в составе представительного элемента и равномерности распределения модифицирующего элемента.

Сопоставление значений, полученных в ходе моделирования, с измеренными значениями результатов перемешивания на конкретном смесителе позволят сформировать шкалу соответствия результатов моделирования режимам работы технологического оборудования. Это обеспечит возможность прогнозирования целесообразных режимов смешивания еще на этапе разработки технологического процесса при колебаниях характеристик поставляемого сырья и тем самым создать методологические основы для формирования системы управления качеством изготовления гетерогенного композиционного материала. Модель может быть адаптирована для полидисперсных порошков с содержанием более трех основных фракций.

271-279 188
Аннотация

Проведено исследование структуры и микротвердости алюминиевого сплава с добавками наноструктурного кубического нитрида бора (cBN) после обработки в условиях высоких давлений и температур. В качестве наполнителя применяли наноструктурный порошок сBN с размером первичных частиц в пределах 50–200 нм. Для повышения химического сродства наноструктурного cBN к алюминиевой матрице проведено предварительное химико-термическое модифицирование наноструктурного cBN, заключавшееся в его высокотемпературной обработке (отжиге) в диапазоне температур 750–950 °С в среде алюмосодержащих соединений. Показано, что модифицирование наноструктурного нитрида бора алюминием способствует прочности удержания наполнителя в алюминиевой матрице. При этом увеличение в шихте концентрации наполнителя BN от 1,5 до 5 мас.%, а также повышение температуры обработки при фиксированном давлении способствует возрастанию микротвердости материала в 1,5– 2 раза по сравнению с базовым алюминиевым сплавом без добавок модификатора. Повышение концентрации BN  до 5 мас.% приводит к увеличению в материале доли более мелких конгломератов частиц (1–5 мкм), уменьшению размеров крупных включений до 10–20 мкм, при этом распределение включений из частиц BN в алюминиевой матрице более равномерное по сравнению с материалом, содержащим 1,5 мас.% cBN. С ростом температуры до 1000 оС в материале происходит рекристаллизация cBN в агрегатах с образованием его отдельных монокристаллических (поликристаллических) частиц размерами 1–10 мкм, обладающих огранкой, характерной для микрочастиц cBN.

280-289 196
Аннотация

С использованием гибридного метода катодно­дугового (PVD) и химического (CVD) осаждения из газовой фазы разработан новый тип покрытий с большим содержанием sp2­химически связанных атомов углерода, способных эффективно поглощать видимое оптическое излучение.

Аморфный тонкопленочный углеродный материал является перспективным для нанесения поглощающих антибликовых покрытий на корпусные детали фотоприемников оптического излучения, работающих в открытом космосе. Гибридный метод позволяет получать сильнопоглощающие покрытия, обладающие также высокими механическими и трибологическими свойствами и способные выдерживать термоциклирование от + 150 до – 100 °С.

Проведено исследование оптических характеристик АПУ покрытий в зависимости от содержания sp2­связанных атомов углерода. Полученный комбинированным способом физического и химического осаждения АПУ в виде тонких слоев позволяет достичь достаточно высокого поглощения и низкого отражения при сравнительно малой толщине покрытия (a ~ 105 см–1). Установлено, что антибликовые свойства таких покрытий зависят от условий его получения, и прежде всего – от давления газа углеводородов.

290-296 150
Аннотация

Исследования направлены на получение перспективных для бессвинцовой пайки легкоплавких сплавов в виде фольги с однородным распределением дисперсных составляющих. Представлены результаты изучения структуры и свойств сплава In – 42 ат.% Sn, полученного методом сверхбыстрой закалки из расплава при скорости охлаждения расплава порядка 105 К/с. Рентгеноструктурные исследования показали, что быстрозатвердевшая фольга состоит из соединения InSn4 (γ-фаза) и соединения In3Sn (β-фаза), что соответствует равновесной диаграмме состояния. По экспериментальным данным, полученным методом дифракции отраженных электронов (ДОЭ), определены параметры фаз с использованием метода случайных секущих: объемная доля фаз, средняя длина хорд случайных секущих на выделениях каждой из фаз, удельная поверхность межфазной границы. Микроструктура и распределение компонент изучались с помощью растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального анализа. Вид микроструктуры существенно различается для стороны, прилегающей к кристаллизатору, и свободно затвердевающей. Методом ДОЭ установлено, что сплав In – 42 ат.% Sn, полученный высокоскоростной кристаллизацией, состоит из основной β-фазы и дисперсной γ-фазы, имеющих микрокристаллическую структуру с размером зерен, не превышающим 2 мкм. Методом обратных полюсных фигур изучена текстура обеих фаз, составляющих полученные поликристаллические сплавы. Проведены исследования механических свойств как сразу после изготовления фольги, так и после старения и отжига. Показано, что увеличение микротвердости сплава при старении и отжиге обусловлено изменением параметров зеренной структуры.

МАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКА

297-306 99
Аннотация

Использование переменных профилей в машиностроении является наиболее эффективным способом уменьшения металлоемкости и повышения эксплуатационных характеристик, повышения ресурса, надежности машин и механизмов, позволяет снизить затраты на их производство, ремонт и эксплуатацию. Целью представленной работы является систематизация заготовок машиностроительных производств, получаемых методом пластической деформации, и разработка на основе анализа проектирования и эксплуатации общих принципов концепции создания станов штучной периодической прокатки. Выделены три основных класса профилей, отличающиеся типом исходной заготовки: полосовые, фасонные и трубные периодические заготовки. Все эти типы заготовок можно использовать в качестве полуфабрикатов для производства основных деталей подвески и ходовой части автомобилей. Полосовые заготовки широко применяются при изготовлении упругих элементов подвески, трубчатые – для производства полых корпусных деталей с повышенными требованиями к прочности и жесткости, в частности, картера ведущего моста, полуосей автомобилей и прицепов, корпусов реактивных двигателей, фасонные периодические профили различных форм – в качестве заготовок под горячую объемную штамповку. Представлены созданные под руководством или при непосредственном участии автора станы и автоматические линии для прокатки заготовок малолистовых рессор, подрессорников, направляющих опор пневмоподвески, вальцовки заготовок балки передней оси, изготовления защитных элементов и полуосей сельскохозяйственной техники. Сформулированы общие требования к деформационному оборудованию машиностроительных производств. Обосновано использование индукционного нагрева и высокотемпературной термомеханической обработки. Не рекомендуется изменять направление движения заготовки в технологической цепочке. В качестве силового привода оборудования предложено принимать электромеханические, а не гидравлические системы. Рекомендовано предпочесть отдельные приводы для каждого рабочего органа оборудования.

ЭНЕРГЕТИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕН

307-317 126
Аннотация

Выполнено экспериментальное исследование радиальных распределений тангенциальной и продольной скоростей воздуха, а также полного и статического давления в вихревой зоне циклонно-слоевой камеры диаметром 0,21 м. Эксперименты проведены при различных режимных (доля донного дутья, общий объемный расход воздуха) и геометрических (диаметр и форма выходного отверстия) параметрах камеры, а также при наличии неподвижного или кипящего слоя зернистого материала. Проведено исследование влияния неизотермичности донного и тангенциального дутья на характер распределения скоростей и давления в вихревой зоне циклонно-слоевой камеры. Установлено влияние температуры донного дутья на продольную скорость воздуха в центральной части вихревой зоны камеры. Показано, что размер диаметра выходного отверстия существенно влияет на величину давления в камере. Продольная скорость в центральной части камеры практически не зависит от формы выходного отверстия. Установлено, что наличие кипящего слоя оказывает влияние на аэродинамику вихревой зоны циклонно- слоевой камеры. В присутствии кипящего слоя имеет место нарушение автомодельности распределения безразмерных аэродинамических характеристик вихревой зоны. Полученные экспериментальные данные обобщены в рамках теории подобия с использованием безразмерной величины, характеризующей аэродинамику неоднородного кипящего слоя, – числа Фруда (Fr). Использование Fr позволяет исследовать влияние аэродинамики кипящего слоя на особенность распределения скорости воздуха и давления в вихревой зоне, а также учитывает влияние такого важного фактора, как доля донного дутья.

318-332 131
Аннотация
Представлен алгоритм нахождения полиномиальных решений краевых задач нестационарной теплопроводности с переменным во времени граничным условием второго рода для тел плоской геометрии, а также с цилиндрической и сферической симметрией. Данный алгоритм основан на введении в рассмотрение граничных характеристик в виде определенного набора из k-кратных производных и n-кратных интегралов от заданной в виде граничного условия временной функции теплового потока на поверхности тела. Отдельно рассмотрены две стадии процесса: 1 – температурный фронт не достигает центра симметрии тела; 2 – температурный фронт достигает центра симметрии тела и прогрев происходит по всему сечению. На примерах симметричного нагрева протяженной пластины с постоянным и переменным тепловым потоком продемонстрирована очень высокая точность предложенного подхода на основе интегрального метода граничных характеристик (ИМГХ). По сравнению с методом дополнительных граничных условий предложенный метод ИМГХ позволяет уменьшить относительную ошибку аппроксимации (при одинаковых степенях полиномов N) на три-пять порядков и более, доводя ее до пренебрежимо малых величин (0,00028 % при N = 11; 0,000025 % при N = 14). Установлено, что с каждым последующим приближением (посредством добавления в полином трех степеней) для первой стадии процесса аппроксимационная ошибка снижается на порядок. Для второй стадии процесса описан эффективный алгоритм нахождения собственных значений краевой задачи теплопроводности, связанный с введением в рассмотрение дополнительной функции, соответствующей наибольшей по порядку величины граничной интегральной характеристике. Это позволяет перевести получаемое на основе ИМГХ интегро-дифференциальное уравнение в обыкновенное дифференциальное уравнение с нулевыми начальными условиями. Проведенные расчеты температуры в центре симметрии пластины подтвердили исключительно высокую аппроксимационную точность предложенного подхода.
333-341 101
Аннотация

Приведен анализ решения дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности для неограниченной пластины при теплообмене ее поверхностей с окружающей средой по закону Ньютона при постоянной температуре среды. Для использования результатов решений уравнений в процессах сушки тонких плоских материалов проведено исследование зависимости коэффициентов переноса от температуры и влагосодержания. В результате изучения и анализа ряда литературных источников с высокой достоверностью установлены закономерности изменения коэффициентов теплопереноса в процессе сушки. Исследования сушки тонких влажных пластин из белых и красных глин с известными коэффициентами переноса показали, что при малых значениях теплообменного критерия Био и малых градиентах температур по сечению тонкого материала использование результатов решений уравнений теплопереноса дает вполне удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных значений температур и длительности сушки. Установлено, что при малых числах Био главным фактором является внешний тепломассообмен поверхности материала с окружающей средой и скорость сушки слабо зависит от внутреннего массопереноса. Показано, что использование численных методов решения дифференциальных уравнений возможно с разной степенью приближенности только при точных и достоверных зависимостях коэффициентов переноса от влагосодержания и температуры. Для ряда материалов с известными коэффициентами переноса использование в расчетах аналитических методов представляет значительный интерес и сближает теорию с практикой сушки.

342-350 111
Аннотация

Приводится анализ энергетических характеристик промышленного оборудования – установок ионного азотирования, с различным исполнением вакуумных камер – с горячими и холодными стенками. Приведены результаты расчетов и экспериментальных исследований теплового баланса системы «садка – стенка камеры» при проведении процесса плазменного азотирования на установках промышленного типа. Рассмотрено влияние количества теплозащитных экранов в установках с холодными стенками на температуру внутреннего экрана и мощность тепловых потерь при разогреве садки деталей и ее изотермической выдержке. Показано существенное влияние геометрии разрядной камеры на величину мощности разряда, необходимой для разогрева садки и ее выдержки при определенной температуре – чем меньше геометрические размеры камеры (диаметр и высота), тем меньшая мощность тлеющего разряда нужна для обеспечения необходимой температуры садки. Показано, что при достаточном удалении садки деталей от стенок камеры, падение напряжения на остове тлеющего разряда может составлять десятки вольт, что приводит к снижению катодного падения потенциала и, соответственно, к увеличению электрической мощности, необходимой для поддержания требуемой температуры садки по сравнению с садкой, максимально приближенной к стенкам камеры. Это приводит к тому, что при более плотной загрузке требуется меньший удельный расход электроэнергии для обеспечения необходимой глубины азотированного слоя; при этом удельные энергозатраты при температуре садки 525–530 °С составляют величину 0,6–1,6 кВт·ч/кг в зависимости от степени загрузки камеры. Показано, что при ионном азотировании давление рабочего газа должно быть таким, чтобы обес печивалась аномальность тлеющего разряда, то есть свечением разряда должна быть охвачена вся площадь катода- садки.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

351-357 156
Аннотация

В настоящее время технология алмазного лезвийного точения с наноразмерной шероховатостью широко используется при изготовлении металлооптических изделий, прежде всего зеркал-отражателей для «транcпортировки» мощных лазерных энергетических потоков. Оптимальным материалом для зеркал-отражателей представляется алюминиевый сплав АМг2, на чистоту поверхности которого при суперфинишной обработке алмазным точением влияет качество предварительной механо-термической обработки. Целью работы являлось улучшение оптических характеристик зеркал-отражателей с высокой лучевой прочностью путем совершенствования технологии изготовления и контроля качества.

Предварительная механическая обработка поверхности твердосплавным резцом и финишная обработка алмазным резцом (с радиусом закругления лезвия менее 0,05 мкм) проводились на прецизионном токарном станке модели МК 6501 с вертикальным расположением шпинделя на воздушном подшипнике. Термическая обработка осуществлялась в лабораторной электропечи марки SNOL 58/350. Были апробированы различные режимы предварительной термической обработки, обработки твердосплавным резцом и финишной обработки алмазным резцом подложек (20×20×7 мм3). Анализ состояния поверхности проводился с использованием микротвердомера ПМТ-3, атомно-силового микроскопа (АСМ) SolverPro P47 и экспериментальной установки зондовой электрометрии. Контроль электрофизических параметров поверхности осуществлялся путем регистрации распределения работы выхода электрона (РВЭ) по контактной разности потенциалов с обработкой микропроцессорным измерительным преобразователем электростатических потенциалов. Регистрируемые изменения РВЭ характеризуют физико-химические и механические параметры поверхности зеркал и указывают на наличие различного типа и природы дефектов.

Модифицированная предварительная механо-термическая обработка позволила улучшить чистоту обработки поверхности подложек. Финишная наноразмерная алмазная лезвийная обработка, включающая полное удаление нарушенного предыдущими операциями поверхностного слоя материала, приводила к максимально возможному повышению качества поверхности по параметру однородности распределения ее электрофизических свойств. В результате по значениям РВЭ и их изменениям контролировалось достижение заданных эксплуатационных характеристик поверхности изделий для оптимизации технологических режимов обработки в соответствии с функциональными назначениями формируемых приборов и устройств.

Разработаны методики повышения эффективности наноразмерной алмазной лезвийной обработки и проведения исследований электрофизических свойств поверхности по контролю дефектов при изготовлении металлических зеркал-отражателей с высокой отражательной способностью и лучевой прочностью для работы в экстремальных условиях.

358-367 126
Аннотация

Приводятся результаты расчетов нелинейной модели перестраиваемого по частоте гиротрона на конусообразном волноводе и основной волне TE01. Показано, что диапазон перестройки может достигать 2,8 %. Чтобы расширить данную полосу, необходимо удлинить конусообразную часть волновода без изменения угла увеличения радиуса волновода.

Волновой КПД расширяющегося вдоль оси волновода составляет 21 % на рабочей частоте 10 ГГц. Чтобы достичь данных показателей, необходимо электромагнит гиротрона разделить на две части – основной электромагнит и вспомогательный, который имеет ограниченную длину и может перемещаться вдоль волновода. Второй магнит можно выполнить в виде набора отдельных электромагнитов ограниченной длины. Набор электромагнитов должен заполнять всю длину конусообразного волновода. Выполнение данного условия позволит перемещать резонансное магнитостатическое поле вдоль волновода путем переключения тока в катушках указанного набора электромагнитов, что позволит исключить механическое перемещение вспомогательного электромагнита. На частоте 200 ГГц волновой КПД уменьшается до 15 %, при этом омические потери в стенках волновода составляют 3 % от мощности электронного потока.

Была исследована зависимость КПД гиротрона от начального углового разброса скоростей электронов, сделан вывод о том, что начальный угловой разброс скоростей электронов очень слабо влияет на КПД перестраиваемого гиротрона.

Волновой КПД сужающегося по длине волновода может достигать 29 % на частоте 200 ГГц, омические потери в стенках медного волновода составляют 4 % от мощности электронного потока. Расчеты показали, что гиротронная лампа обратной волны с сужающимся вдоль оси волноводом более эффективна, чем вариант гиротронной лампы бегущей волны. Однако в обоих вариантах синхронное значение магнитостатического поля должно смещаться вдоль оси в зависимости от требуемой рабочей частоты, иначе происходит или перегруппировка электронного потока, или обратная отдача энергии высокочастотным полем электронному потоку.

368-380 114
Аннотация

Рассмотрен подход к решению проблемы устойчивости и управляемости беспилотного летательного аппарата (БЛА) с неизвестными аэродинамическими характеристиками путем компьютерного моделирования полета БЛА по заданному маршруту в реальной стандартной атмосфере. При разработке требуемой компьютерной модели учитывался опыт реальных полетов различных бесплотных летательных аппаратов в реальной атмосфере по заданной траектории с поворотными пунктами маршрута. Для этого в модель введены пять систем автоматического управления с автопилотом, которые обеспечивают устойчивость и управляемость полета БЛА. В состав систем управления кроме автопилота и планера БЛА включены фильтр Калмана и бесплатформенная инерциальная навигационная система. Выбор оптимальной структуры и параметров систем управления модели определялся реальными техническими решениями разрабатываемых БЛА. Созданные замкнутые контуры систем управления модели основываются на уравнениях с учетом формирования аэродинамических сил и моментов, модели стандартной атмосферы, схемы формирования маршрута и системы автоматического управления с автопилотом. Анализ устойчивости и управляемости такой модели проводился на основе теории систем автоматического управления с графическим построением логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАХ) и фазово-частотной характеристики (ФЧХ). Для оценки динамических и флуктационных ошибок систем управления модель представлена в виде стохастической дифференциальной системы управления с фильтром Калмана и бесплатформенной инерциальной навигационной системой в кватернионах. Анализ результатов компьютерного моделирования показал, что фильтр Калмана производит оценку измеряемых параметров с подавлением шумов до 10 дБ. Бесплатформенная инерциальная навигационная система влияет на общую динамику системы управления при ее оценке устойчивости и управляемости. Изменение полосы системы управления за счет внешних возмущений на БЛА может привести к потере устойчивости, для сохранения которой желательно использовать робастный автопилот.

УЧЕНЫЕ БЕЛАРУСИ



ISSN 1561-8358 (Print)
ISSN 2524-244X (Online)