Уникальный способ от ПГУ усовершенствует изделия с покрытиями для медицины, машиностроения, авиации, приборостроения
Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета запатентовали способ для совершенствования конструкций конденсаторных установок микродугового оксидирования. Изобретение найдет широкое применение при развитии поверхности медицинских изделий и в производстве промышленных образцов с необходимыми покрытиями. Об этом сообщили на сайте национальныепроекты.рф.
Конденсаторные установки микродугового оксидирования используют для покрытия изделий из вентильных металлов и сплавов. Изделия с подобными покрытиями широко используются в машиностроении, приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности.
Формируют оксидный слой при таком способе в гальванической ячейке — это емкость, заполненная электролитом. Как правило, в нее помещают электроды (анод и катод). В зависимости от особенностей выбранного способа в ячейке переключают ток, подавая необходимое напряжение. В результате получается материал с нужным покрытием.
Сам процесс происходит следующим образом.
В емкость, заполненную электролитом, опускают два электрода (анод и катод). Обрабатываемая деталь из вентильного металла выступает анодом.
Поясним, вентильные металлы — это металлы, пропускающие ток только в одном направлении. К широко применяемым в промышленности металлам относятся: алюминий, титан, магний.
«Процесс протекает на переменном токе (синусоидальном или импульсном) при высоком напряжении (до 1000 В) и плотностях тока до 50 А/дм2», — рассказала об особенностях процесса Екатерина Печерская, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника и метрология» ПГУ.
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 и другими необходимыми свойствами.
Требования к таким свойствам диктуются областью применения изделий с покрытиями. Например, покрытия на имплантатах из титана должны обладать определенной пористостью. Она способствует лучшей биосовместимости костной ткани и имплантата. Последние широко применяются в стоматологии. Детали для машиностроительной или авиационно-космической отрасли должны обладать 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). Он придает покрытию специальные свойства», — поясняет Екатерина Печерская.
Способов известно много, но все они имеют ряд недостатков. К примеру, многие ограничивают возможность управления технологическим процессом нанесения покрытия или режим оксидирования (создание пленки на поверхности изделия) задается однократно и не меняется вплоть до его окончания.
Один из разработчиков способа от Пензенского госуниверситета Екатерина Печерская рассказала, что их предложение обходит недостатки существующих способов.
«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.
Благодаря исследованию научного коллектива ПГУ: д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационно-измерительная техника и метрология» Екатерина Печерская, зав. службой калибровки и ремонта, старший научный сотрудник кафедры Олег Карпанин, канд. техн. наук, доцент кафедры Павел Голубков, преподаватель СПО Андрей Максов, 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.
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 также блоком управления. Уникальность их 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.
Ученым удалось создать установку на кафедре «Информационно-измерительная техника и метрология» ПГУ при поддержке Минобрнауки России в рамках выполнения проекта «Фундаментальные основы цифрового двойника технологического процесса формирования оксидных покрытий с заданными свойствами методом микродугового оксидирования».
Инновационный продукт — автоматизированная интеллектуальная система для синтеза покрытий с заданными свойствами от ПГУ 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 ПГУ составляет порядка 150 тысяч рублей. Промышленно применяемые установки, в том числе зарубежные аналоги, могут иметь стоимость 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.