Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты» запатентовали способ для совершенствования конструкций конденсаторных установок микродугового оксидирования.
При поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения проекта «Фундаментальные основы цифрового двойника технологического процесса формирования оксидных покрытий с заданными свойствами методом микродугового оксидирования» учеными создан рабочий образец устройства.
Конденсаторные установки микродугового оксидирования используют для покрытия изделий из вентильных металлов и сплавов. Изделия с подобными покрытиями применяются в машиностроении, приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности. Поясним, вентильные металлы — это металлы, пропускающие ток только в одном направлении. К широко применяемым в промышленности металлам относятся: алюминий, титан, магний.
Формируют оксидный слой при таком способе в гальванической ячейке — это емкость, заполненная электролитом. Как правило, в нее помещают электроды (анод и катод). Переключая ток в ячейке, подается необходимое напряжение. В результате получается материал с нужным покрытием.
«Процесс протекает на переменном токе при высоком напряжении (до 1000 В) и плотностях тока до 50 А/дм2», — рассказала об особенностях процесса д-р техн. наук, профессор, завкафедрой «Информационно-измерительная техника и метрология» ПГУ Екатерина Печерская.
При таком процессе при анодном (положительном) полупериоде технологического тока происходит рост покрытия, а в катодный (отрицательный) полупериод — его растворение. Варьирование соотношений анодного и катодного тока позволяет управлять свойствами оксидных покрытий: их пористостью, твердостью. Например, покрытия на имплантатах из титана должны обладать определенной пористостью. Она способствует лучшей биосовместимости костной ткани и имплантата. Детали для машиностроительной или авиационно-космической отрасли должны быть, напротив, с высокой твердостью и устойчивостью к агрессивным средам. Поэтому важно при процессе их покрытия свести пористость к минимуму.
«Отличительной особенностью процесса микродугового оксидирования является наличие микродуговых разрядов, возникающих на поверхности анода. Под действием этих разрядов происходит фазовый переход сформированного аморфного оксида алюминия в кристаллический (корунд), который придает покрытию специальные свойства», — поясняет Екатерина Печерская.
Способов известно много, но они имеют ряд недостатков. К примеру, многие ограничивают возможность управления технологиями нанесения покрытия или режим оксидирования (создание пленки на поверхности изделия) задается однократно и не меняется вплоть до его окончания.
«Наш способ может быть использован для совершенствования конструкции конденсаторных установок микродугового оксидирования. Мы значительно повысим гибкость управления технологическим процессом. Это отразится на итоговом результате — улучшится качество оксидных керамикоподобных покрытий на поверхности вентильных металлов и сплавов», — поделилась Екатерина Печерская.
Предложенная конденсаторная установка микродугового оксидирования состоит из источника питания с двумя клеммами (зажимами для соединения электрических проводов с приборами) и гальванической ячейки (ванна с электролитом, в которую помещены два электрода — анод и катод). Установка оснащена блоком управления. Уникальность изобретения заключается в новом схемотехническом решении и способе осуществления регулировки силы тока.
«Регулировка силы тока осуществляется путем переключения конденсаторов токоограничительных модулей прерывисто в двоичном коде в момент перехода напряжения питания через ноль. А регулировка соотношения анодной и катодной составляющих тока производится созданием дополнительной нагрузки с помощью электронного компонента, переключающегося в режиме широтно-импульсной модуляции (при воздействии последовательности прямоугольных импульсов фиксированной частоты и амплитуды, но переменной скважности)», — поделилась Екатерина Печерская.
Благодаря исследованию научного коллектива ПГУ стало возможным менять напряжение подаваемого тока во время нанесения покрытия без отключения источника питания и расширить возможности управления конденсаторной установкой микродугового оксидирования. Это открывает новые возможности в изготовлении деталей с необходимым покрытием.
Инновационный продукт — автоматизированная интеллектуальная система для синтеза покрытий с заданными свойствами может найти применения в различных областях промышленности. Стоит отметить, что ее стоимость в несколько раз дешевле зарубежных аналогов.
Цена установок зависит от требуемой мощности источника технологического тока, от степени их автоматизации, оснащенности интеллектуальной системой для поддержки принятия решений по выбору технологических параметров для получения необходимого продукта. «Например, стоимость небольшого макета установки составляет порядка 150 тысяч рублей. Зарубежные аналоги могут стоить на несколько порядков выше», — рассказала Екатерина Печерская.
Разработчик также добавила, что ПГУ готов сотрудничать с промышленными предприятиями по разработке автоматизированных систем микродугового оксидирования в зависимости от конкретных их требований.
Работа по проекту Минобрнауки России продолжается, завершить его реализацию планируется в 2025 году.
