Научные разработки:

1. Разработан процесс производства изделий газотехнического назначения. Опубликовано в каталоге выставки «Брюссель – Эврика - 2003» г. Брюссель, 2003. Official catalogue 52nd World Exhibition of Innovation Research and New Technology , “Brussels Eureka 2003”, 11.11.2003 – 16.11.2003. P. 307.

2. Разработан процесс литья с импульсным наложением давления. Опубликовано в каталоге «Международный салон инноваций» г. Женева, 2005 г. Official catalogue 33e Salon International Des Inventions, Des Techniques Et Produits Nouveaux Geneve, 6-10 Avril 2005, Geneve Palexpo, p 196.

3. Установлены закономерности сжимаемости расплавов под давлением. Опубликовано в журнале «Мехатроника, автоматизация, управление» №10, 2003, с.8-14.

4. Разработаны основы теории кристаллизации металлов и сплавов в условиях наложения давления высокого давления. Опубликовано в монографии «Теория, технология и автоматизация литья с наложением давления», Москва, Новые технологии, 2004 – 200с.

5. Разработаны научные основы формирования структуры и свойств из сильнонеравновесных состояний, индуцированных лазерным излучением и наложением давления. Опубликовано в сборнике Трудов научно-технической конференции с международным участием «Перспективы развития лазерных технологий » – М.: Новые технологии, 2005. – С.23-25.

6. Разработан новый метод, получивший название "Метод исследования функционально-физических связей" и позволяющий эффективно находить качественно новые технические решения. На базе данного метода, например, в робототехнике были разработаны принципиально новые цикловые приводы с улучшением на порядок таких показателей как быстродействие, точность и энергозатраты[1].

Способ управления процессом кристаллизации и устройство для его осуществления.

Изобретение относится к металлургии. Устройство содержит вакуумную индукционную печь, цилиндрический контейнер и гидравлический пресс. Пресс состоит из двух гидроцилиндров, расположенных соосно с контейнером и развивающих каждый усилие 0,3 МН, гидроцилиндра замыкания с усилием 3 МН, мультипликатора и клапана высокого давления. Пресс-плунжеры цилиндров установлены с возможностью встречного перемещения. Жидкий металл, находящийся при температуре выше ликвидуса на 150-200°С, заливают в вакуумируемый контейнер - кристаллизатор из вакуумной камеры. Величина вакуума в контейнере составляет 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст. На кристаллизующийся металл накладывают давление пресс-плунжерами и повышают его со скоростью более 40 МПа/с до величины 300-400 МПа. После сжатия металла на 10% повышают давление с той же скоростью до величины более 500 МПа и дополнительно уплотняют металл на 2,4-2,8%. Изостатическое сжатие металла осуществляют до тех пор, пока металл не охладится до 100-150°С. Термодинамические параметры способа обеспечивают формирование фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и ассоциаций, что определяет получение слитков с механическими свойствами, не уступающими и превосходящими свойства проката, кованных и штампованных заготовок.

Предполагаемый способ управления кристаллизацией, основан на впервые установленной авторами неизвестной ранее закономерности влияния давления на жидкий металл (т.е. на металл, который находится в состоянии, когда межатомные взаимодействия в большей степени имеют вероятностный - статистический характер), которое приводит к увеличению коэффициента сжимаемости, связанного с образованием кластеров жидкой фазы за счет сравнительно легкого сближения атомов на расстояние, соизмеримое с амплитудой колебания атомов относительно исходного положения. Сближения атомов в жидком металле на расстояния, при которых их взаимодействия, диффузия, расслоение, взаимное скольжение существенным образом изменяются (по аналогии с термической закалкой на мартенсит) и формирование структуры под давлением происходит из сильно неравновесного состояния. Увеличение давления и уменьшения объема металла, связаны с улучшением процесса кристаллизации тем, что сохраняющиеся в жидкой фазе кластеры, к моменту начала кристаллизации и в процессе кристаллизации занимают в пространстве положение и ориентацию, способствующие процессу кристаллизации. При этом, сопровождаемое выделением скрытой теплоты кристаллизации, направленно на формирование дополнительных межатомных связей, приводящих к образованию нано структур.

Предлагаемый способ позволяет осуществлять управление кристаллизацией расплава, наложением изостатического давления более 500 МПа на весь объем кристаллизующегося металла и удержать его вплоть до температуры охлаждения 150-200 по Цельсию. Способ, за счет изостатического сжатия жидкого металла, позволяет производить манипуляцию атомами в расплавленном состоянии, когда кристаллическая решетка разрушена, а во взаимном расположении атомов нет закономерности. Основные особенности такого взаимодействия формируются уже в расплаве, что приводит к возникновению в расплаве химического ближнего порядка определенного типа, который контролирует возможность выделения наноразмерных аморфных и квазикристаллических фаз. Причинно-следственная связь повышенного уровня физико-механических свойств состоит в том, что полученное состояние жидкого металла наследуются твердым состоянием и металл становится наноструктурированным материалом, упрочненным аморфными и квазикристаллическими фазами. Свойства таких материалов значительно превышают величины, полученные на сплавах по традиционной металлургической технологии, а, следовательно, изменяются технологические и эксплуатационные свойства изделий.

В предлагаемом способе давление используется как фактор термодинамического параметра, который, как и температура определяет состав фаз в неравновесных условиях и влияет на фазовые превращения и структуру в твердом состоянии при изменении скорости наложения давления. То есть наложение изостатического давления является фактором воздействия, определяющего множество вариантов технологических параметров, приводящих к образованию наноструктурных материалов.

Формирование фрагментов наноструктуры может быть достигнуто, в соответствии с данной заявкой, в условиях всестороннего сжатия при температуре выше температуры начала кристаллизации, когда атомы утрачивают характерную для них диффузионную подвижность и способность формировать равновесные фазы, отличающиеся по составу и строению кристаллической решетки. Такое состояние может быть достигнуто, если такие параметры процесса, как перегрев жидкого металла над температурой ликвидус, скорость нарастания давления, величина давления, накладываемого на жидкий металл, степень изостатического сжатия жидкого металла до начала кристаллизации подобраны предварительно опытным путем и обеспечивают необходимое сближение атомов до начала кристаллизации; во время кристаллизации требуется дополнительная изостатическое сжатие металла для компенсации усадки, давление при этом необходимо увеличивать и не снимать с прессующих плунжеров, пока температура отливки не понизится до 100-150 град. по Цельсию.

В отличие от машин для литья под давлением, где последовательность срабатывания механизмов жестко регламентирована, при осуществлении процесса с помощью устройства, представляющего собой автоматизированный перепрограммируемый комплекс па базе гидравлического пресса, имеется возможность изменять порядок включения механизмов и время их функционирования и таким образом, управлять изменением того или иного параметра, в частности, давления, накладываемого на металл, с учетом влияния других параметров и внешних возмущений. Гидравлический пресс при этом представляет собой силовой агрегат из двух дополнительных гидроцилиндров, расположенных соосно с осью вращения кристаллизатора в горизонтальной плоскости пресса, и развивающих каждый в отдельности усилие 0,3 МН и рассчитанных на перемещение пресс-плунжеров на 125 мм, для непосредственного наложения давления на кристаллизующийся металл; а также, гидроцилиндра замыкания формы с мультипликатором давления и клапаном высокого давления, причем развиваемое гидроцилиндром усилие составляет - 3 МН, при ходе - 250 мм. Благодаря указанной выше компоновке удается осуществить двухстороннее сближение плунжеров, которое обеспечило эффективное изостатическое сжатие жидкого металла в кристаллизаторе, имеющем достаточно сложное по форме внутреннее пространство. Кроме того, такая конструкция пресса позволила скомпоновать все элементы автоматического перепрограммируемого комплекса таким образом, что обеспечивается удобство эксплуатации, обслуживания и ремонта. При этом горизонтальная ось пресса не зависит от уровня заливочной площадки, что позволяет производить заливку жидкого металла в кристаллизатор непосредственно из плавильной вакуумной - индукционной печи, через шлюзовую камеру.

Экспериментально было установлено, что для реализации поставленной задачи для заданного объема (2000 см3) пресс должен иметь следующие параметры, которые приведены в таблице 1.

Таблица 1.
Параметры	Значение
Диаметр отливки, мм	90
Высота отливки, мм	200
Диаметр прессующих плунжеров, мм	30
Ход правого прессующего плунжера, мм	150
Ход левого прессующего плунжера, мм	125
Ход гидроцилиндра мультипликатора, мм	250
Рабочее усилие гидроцилиндра, для наложения давления, МН	0,3
Усилие запирания формы, МН	3
Ход плиты, необходимый для раскрытия формы, мм	250
Число гидроцилиндров	4
Расположение гидроцилиндров	Навстречу друг другу соосно оси вращения кристаллизатора.

Экспериментально установлено, что наличие двух дополнительных гидроцилиндров, запрессованных один в неподвижные плиты и через гидроцилиндр прессования соединенных с подвижной плитой пресса, позволяет на любом отрезке в пределах 250 мм развивать усилие 3 МН. С этим усилием производится всестороннее изостатическое сжатие жидкого металла до 10 мм, что соответствует ходу штока мультипликатора равному 250 мм. Это создает условия для достаточно широкого диапазона варьирования кинематическими и силовыми параметрами. При этом гидроцилиндры унифицированы по внутреннему диаметру, который составляет 200 мм. Таким образом, ход поршня мультипликатора и ход силового штока гидроцилиндра равны 250 мм, при соотношении площадей поршня и штока мультипликатора 1:10, так что давление на поршень гидроцилиндра при давлении в гидросистеме равном 10…50 МПа, составляет 100…500 МПа, соответственно. Для удержания этого давления дополнительный гидроцилиндр запрессован в неподвижную плиту.

По результаты анализа структуры слитка сплава В 95, выполненного с помощью растровой электронной микроскопии, установлено, что структура сплава полученного по предлагаемому способу (фиг.5) представляет собой твердый раствор упрочненный квазикристаллами (A16Mn, A181Mn19) с размером менее 100 нм.

ФИГ.5

 При этом сплав имеет более высокую плотность, и более высокий уровень механических свойств (Таблица 2).

Таблица 2.
Марка сплава	Способ	Свойства
Твердость, HV	σВ, МПа	Модуль Юнга, (Е), ГПа	Плотность, г/см2
В 95	известный	140	600	72,00	2,85
предлагаемый	180	710	96,00	2,98

По результатам испытаний разгонных дисков, полученных с использованием предлагаемого способа твердость сплава увеличилась до 270 единиц против 125, а предел прочности достиг уровня 610 МПа, против 390 МПа. По результаты анализа структуры металла, изученного методом просвечивающей микроскопии, установлено, что структура сплава полученного по предлагаемому способу (фиг.6) представляет собой твердый раствор, содержащий аморфные частицы фосфористой меди равномерно распределенные по зерну и представляющие собой многоугольные частицы светлого света размером менее 100 нм.

Как видно из приведенных примеров и подтверждено результатами производственных испытаний, предлагаемый способ и устройство для его осуществления по сравнению с известными, включая прототип позволяет управлять кристаллизацией с целью получение более высокого уровня механических свойств слитков /изделий путем формирования фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и ассоциаций. Для его осуществление используется наложение изостатического давления более 500 МПа на весь объем кристаллизующегося метала вплоть до температуры охлаждения 150-200°С.

Новый способ является универсальным, так как пригоден для управления кристаллизацией жидкого металла сплавов различных систем. Видами положительного эффекта, производными от достигнутого технического решения является:

- улучшению качества целевого продукта в отношении однородности структуры сплавов, повышения уровня механических свойств сплавов;

- формирование фрагментов наноструктуры из отдельных атомов и ассоциаций, с изменением микроструктуры целевого продукта;

- технологический процесс, в котором давление эффективно используется для управления кристаллизацией;

- принципиальные подходы к теоретическому обоснованию режимов наложения давления на расплав непосредственно по фронту кристаллизации

- приемы передачи механической энергии на кристаллизующийся металл, отработаны принципы проектирования, изготовления и использования соответствующего оборудования и оснастки.

1. Способ управления процессом кристаллизации металла, включающий нагрев металла до температуры выше ликвидуса, заливку жидкого металла в вакуумируемый кристаллизатор из вакуумной камеры, наложение давления на жидкий кристаллизующийся металл, уплотнение металла и выдержку под давлением, отличающийся тем, что кристаллизатор вакуумируют до величины 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст., металл нагревают до температуры на 150-200°С выше ликвидуса, давление прилагают с его повышением со скоростью >40 МПа/с до величины 300-400 МПа, после сжатия металла на 10% повышают давление с той же скоростью до величины более 500 МПа и дополнительно уплотняют металл на 2,4-2,8%, при этом выдержку металла под давлением осуществляют до момента, когда металл охладится до 100-150°С.

2. Устройство для управления процессом кристаллизации металла, содержащее вакуумную индукционную печь с разрежением 1·10-5 мм рт.ст., цилиндрический контейнер с горизонтальным расположением оси, вакуумируемый до 0,2-0,3·10-5 мм рт.ст., гидравлический пресс, состоящий из двух гидроцилиндров, расположенных соосно с контейнером и развивающих каждый в отдельности усилие 0,3 МН, рассчитанное на перемещение пресс-плунжеров на 125 мм, гидроцилиндра замыкания, развивающего усилие 3 МН при ходе 250 мм, мультипликатора давления и клапана высокого давления, при этом пресс-плунжеры установлены с возможностью встречного перемещения вдоль оси контейнера для наложения давления на кристаллизующийся металл и всестороннего сжатия металла, выбираемого программой с учетом конкретных особенностей сплава и формы изделия и обеспечивающего уплотнение расплава металла на 12,4-12,8% при давлении более 500 Мпа[2].