| Аннотация |
В настоящее время к изделиям ответственного назначения из металлов и сплавов непрерывно предъявляются все более высокие требования по механическим и эксплуатационным характеристикам, точности размеров, коэффициенту использования материала, а к технологическим процессам – требования по повышению энергоэффективности, производительности, снижению доли брака. В совокупности указанные характеристики определяют себестоимость конечного изделия и конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках. Для достижения этих целей в современном производстве необходимо развивать новые адекватные численные и аналитические модели процессов получения материалов и изделий, основанные на ясных физических представлениях. Эти модели необходимы на всех этапах производства: получение материала из жидкого состояния, термическая обработка в твёрдом состоянии, обработка давлением и изготовление готовых изделий.
1. Так, развитие аддитивных технологий (АТ), в частности подразумевает расширение номенклатуры материалов, в том числе металлических, применяемых для изготовления деталей конструкций методами 3D-печати. Существенным отличием от традиционной металлургии является то, что среди технологических параметров плавки отсутствует температура. Вместо этого оперируют такими понятиями как напряжение, сила тока электронного пучка или мощность лазерного излучения, шаг штриховки, время сканирования и т.д. Совокупность этих параметров пересчётом переводят в единицы погонной энергии (предлагаются также термины энерговложение, тепловложение), т.е. энергии, приходящейся на 1 мм порошка или проволоки. В то же время отмечается разница в структуре образцов одного и того же материала, полученного при разном энерговложении. Изменения связывают со скоростью кристаллизации и разной температурой нагрева расплавленного слоя порошка или проволоки. Последний аспект логично сравнивать с известными исследованиями влияния высокотемпературной обработки расплавов (ВТОР) на их структурно-фазовое состояние после кристаллизации. Здесь распространены представления о кластерной модели металлических жидкостей. Она заключается в представлении расплава как набора кластеров, состоящих из ограниченного количества атомов (до нескольких тысяч), с характерным ближним порядком, разделённых хаотически расположенными атомами. Количество, размер и структура кластеров зависят от химического состава сплава и температуры перегрева расплава над температурой ликвидус. Считается, что измельчение кластеров, достигаемое при нагреве до (1,2–1,6)Тпл, приводит расплав в «однородное» состояние и при последующей кристаллизации обеспечивает более высокий комплекс свойств по сравнению с металлом, закристаллизованным без ВТОР. Однако такие температуры перегрева расплавов при традиционном литье являются нетехнологичными. Вариантами, где реализуются перегревы на 200–400 градусов выше температуры ликвидуса, являются аддитивные технологии, сварка, наплавка. В этих случаях возможно максимально использовать потенциал ВТОР для получения оптимальной структуры и свойств металлических материалов. Актуальной задачей является применение кластерной теории жидкостей для объяснения особенностей структур образцов металлических материалов, полученных по разным режимам АТ. Это позволит научно обоснованно назначать режимы 3D-печати различных сплавов для получения изделий без макроскопических дефектов (поры, непроплавы, трещины и т.п.). Но провести прямое сравнение режимов ВТОР и АТ затруднительно, поскольку при обсуждении ВТОР исследователи строят температурные зависимости структурно-чувствительных свойств расплавов, и говорят о конкретных температурах, когда в расплаве происходят изменения кластерной структуры. В случае аддитивных технологий температура в явном виде не определяется. Поэтому для того, чтобы решить научную проблему распространения представлений о кластерной модели расплавов на процессы, реализующиеся в АТ необходимо предварительно решить задачу о пересчёте энерговложения в температуры для каждого материала. Для материалов магнитопроводов трансформаторов тока, ВТОР можно применять и без использования АТ: это позволяет достичь магнитной проницаемости не менее 600 тыс. при коэрцитивной силе не более 15 А/м, что необходимо для многих современных приборов.
2. Для описания и проектирования процессов термической обработки металлических материалов и изделий в твёрдом состоянии необходимы модели кинетики фазовых превращений, протекающих в материалах. К сожалению, к настоящему времени имеются лишь частные модели превращений, обладающие рядом недостатков. В частности, при описании кинетики превращения при постоянной температуре традиционно используется подход Колмогорова, Аврами и др. (известный как КДМА). Однако есть много как экспериментальных свидетельств, так и отдельных теоретических моделей, указывающих на его неточность в области больших долей превращения. Здесь часто наблюдается его более сильное замедление, чем предсказывают формулы КДМА, а иногда даже полная остановка прежде исчезновения исходной фазы. Это может быть следствием как особенностей исходной структуры (например, ограниченным числом мест зарождения), так и действием факторов, возникающих уже в ходе превращения (например, изменением химического состава или плотности дефектов в исходной фазе). С другой стороны, при некоторых видах превращений (например, мартенситном) наблюдаются явления автокатализа: возникновение кристаллов новой фазы стимулирует зарождение новых её кристаллов. Назрела необходимость создания нового подхода, обобщающего теорию КДМА на случай действия подобных факторов. В предельных переходах при малых долях превращения он должен давать результаты, аналогичные КДМА, а при больших — аналогичные существующим частным моделям при соответствующих предположениях о зарождении и росте новой фазы. Этот новый общий подход можно будет затем адаптировать к отдельным видам превращений (в частности, происходящих в легированных сталях). Это позволит построить модели для прогнозирования кинетики этих превращений, обладающие более высокой точностью, чем используемые в большинстве современных программных пакетов модели, основанные на теории КДМА.
3. Для расширения возможностей управления технологическими процессами обработки металлов давлением необходимо создавать и верифицировать компьютерные модели (цифровые двойники), построенные с учетом реологических, пластических, тепловых и т.п. характеристик реальных металлов и сплавов. Их задачей является создание новых и оптимизация действующих технологических процессов производства продукции ответственного назначения для снижения доли брака, повышения выхода годного и точности размеров, снижения энерогосиловых параметров, рециклинга материалов и др.
Наконец, развитие технологий создания новых материалов с одной стороны и углубление знаний о их поведении в условиях электромагнитного, температурного и механического воздействия с другой ставят задачи и по разработке адекватных математических моделей устройств, в состав которых входят такие материалы. Прогнозируемые электрофизические характеристики новых материалов позволяют с оптимизмом смотреть на перспективу создания устройств и систем, обладающих определенными конкурентными преимуществами. В частности, большой интерес представляет разработка миниатюрных сенсоров, использующих в своем составе структурированные метаматериалы, структура которых в требуемом частотном диапазоне позволяет достичь эффектов сверхчувствительности, и использовать для их создания аддитивные технологии соединения магнитодиэлектрических и проводящих сред. С другой стороны, для ряда задач актуальной является разработка технологий и аппаратуры для формирования повышенной интенсивности поля в заданной области с высоким температурным градиентом для управляемого воздействия на идентифицированные или фантомные объекты для перспективных устройств синтеза композитных материалов и средств гипертермии. Решить подобную задачу можно с применением адаптивных и согласованных со средой объекта излучающих элементов, формирующих необходимые энергетические, поляризационные и фазовые характеристики электромагнитного поля. Актуальной задачей остается прогнозирование параметров разрабатываемых устройств на основе создания адекватных математических моделей и программных комплексов на их базе.
Другой актуальной для решения задачей является разработка математических моделей когнитивных радиоэлектронных комплексов и обеспечивающих их работоспособность формируемых и обрабатываемых сигналов, гарантирующих функционирование объекта в условиях неопределенности электромагнитного воздействия и множественности шумовых источников. Основными источниками информации автономно функционирующих объектов является мультиспектральная картина внешней среды, сформированная как самим объектом, так и полученная по помехоустойчивым каналам связи извне, например, полученная космическими аппаратами. Адаптивные алгоритмы формирования и обработки мультиспектральных снимков, обеспечивающих однозначность и высокую точность позиционирования объектов, актуальны для развития систем радиовидения. Дополнительной проблемой, актуальной для решения, являются спонтанные возмущения среды распространения волновых потоков, влияющих на точностные характеристики позиционирования. Прогнозирование таких возмущений актуально как для самих автономных объектов, так и для радиолокационных и радионавигационных систем.
Таким образом, решаемые в проекте проблемы и задачи являются актуальными, так как направлены на разработку новых материалов и способов их конструирования, а также на повышение энергоэффективности производства изделий из металлических сплавов и применения устройств, содержащих композитные и структурированные материалы.
|
