Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии имени академика Н. А. Ватолина Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии имени академика Н. А. Ватолина Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН)

Адрес: 620016, г. Екатеринбург,
ул. Амундсена, д. 101

Телефон: +7 (343) 267-91-24

Меню

Отдел материаловедения

Руководитель отдела д.ф.-м.н. Гельчинский Борис Рафаилович

brg47@list.ru

+7  (343) 267-89-14

+7 (343) 232-91-60 

В отдел входит три лаборатории:

  • Лаборатория порошковых и композиционных материалов
  • Лаборатория металлургических расплавов
  • Лаборатория высокоэнтропийных сплавов

Лаборатория порошковых и композиционных материалов

Заведующий лабораторией к.ф.-м.н. Крашанинин Владимир Александрович

krash_55@mail.ru

+7 (343) 267-88-97

+7 (343) 232-90-22

Основные направления исследований

  • Развитие теории и методов компьютерного моделирования металлургических расплавов, процессов получения нано- и микродисперсных порошков, новых материалов и защитных покрытий.
  • Разработка инновационных технологий получения микро — и наноразмерных металлических порошков, создание композиционных материалов на их основе.
  • Развитие методов плазменной модификации и напыления порошков, создание технологий получения антикоррозионных и противоизносных покрытий.

Фундаментальные исследования

Разработаны математическая и физическая модели процесса формирования наночастиц в насыщенной газовой фазе

В рамках многомасштабной модели осуществлён комплексный анализ параметров, оказывающих влияние на форму и размер металлических частиц в процессе газофазного синтеза, что позволило дать рекомендации по выбору параметров реактора и термодинамических условий для получения металлических нано- и микродисперсных частиц с заданными морфологическими характеристикам.

 

Публикации:

  1. A.G. Vorontsov, A. E. Korenchenko, B. R. Gelchinski Analysis of Stability of Small Metal Clusters during Metal Vapor Condensation // High Temperature, 2019, Vol. 57, No. 3, pp. 368–371. https://doi.org/10.1134/S0018151X19030180
  2. Yuryev A.A., Gelchinski B.R., Vatolin N.A.  Using the Ab Initio Molecular Dynamics Method for Simulating the Peculiarities in the Temperature Dependence of Liquid Bismuth Properties // Doklady Akademii Nauk. 2018. Vol. 479. No. 1, p. 21–24. https://doi.org/10.1134/S1028335818030047.

Разработана методика получения методами компьютерного моделирования данных о размерах устойчивых металлических зародышей от концентрации мономеров при различных температурах   

 

На примере меди изучена кинетика роста кластеров для ряда условий (температуры испарения металла, температуры охлаждения инертным газом, давления в системе, концентрации атомов металлов в паре). Получены данные о кинетике формирования металлических наночастиц из атомов (самосборка).

 

Публикации:

  1. Korenchenko A.E., Vorontsov A.G., Gelchinski B.R., Sannikov G.P. Statistical analysis of dimer formation in supersaturated metal vapor based on molecular dynamics simulation
     // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2018. V. 496. #4. P. 147–155. https://doi.org/10.1016/j.physa.2017.12.083
  2. А. Е. Коренченко, А. Г. Воронцов, Б. Р. Гельчинский, А.А. Жукова Определение радиусов малых кластеров меди на основе моделирования процесса газофазной конденсации // Теплофизика высоких температур, 2019. Т. 57. №. 2. С. 304–307.

https://doi.org/10.1134/S0040364419020078

Создана компьютерная модель, адекватно описывающая параметры плазменной струи действующего плазмотрона

    Для оптимизации конструкции плазмотронов, используемых для напыления защитных порошковых покрытий на детали машин и механизмов, разработана физическая модель плазменного потока с учетом геометрии внутреннего канала плазмотрона и предложена методика расчета газодинамических параметров плазменной струи.

 

Публикации:

  1. Okulov R.A., Sarsadskikh K.I., Ilinykh S.A., Zakharov M.N., The Influence of the Direction of the Channels of the Gas Swirlers on the Properties of the Flow of the Plasma Jet under Implementation Theoretical Basis and Technical Solutions for Recycling Technogenic Waste, KnE Materials Science, 2020, 6(1), 84–89. https://doi.org/10.18502/kms.v6i1.8048
  2. Okulov R.A., Sarsadskikh K.I., Ilinykh S.A., Zakharov M.N. Effect of the plasma-forming
    gas consumption on processes of plasma spray coating and metal powder production //Journal of
    Physics: Conference Series. 2019. P. 012058. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1281/1/012058
  3. Okulov R.A., Ilinykh S.A., Zakharov M.N., Akhmethin S.M., Mathematical Model of the Process of the Plasma Atomizing of the Rod Electrode to Produce of Titanium Powder, International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT), Samara, Russia, 2020, pp. 1-4, https://doi.org/10.1109/ITNT49337.2020.9253292

Прикладные разработки

Предложена технология плазменного напыления металлических порошков  и нанесения композиционных покрытий с лакокрасочными материалами (ЛКМ)

 

  1. ЦИНЭП+ПГ-19М-01+Cu;
  2. ЦИНЭП+AlПТ-Ю5Н;
  3. ЦИНЭП+AlZn;        
  4. ЦИНЭП+ПГ-10К-01

Здесь — ЦИНЭП – цинкнаполненная краска;

ПГ 19М-01 – порошок «алюминиевая бронза»,

осн. AlПТ-Ю5Н – порошок 95%Ni, 5%Al

ПГ-10К- 01 – порошок кобальтовый +Ni,Cr, B, Si

 

Разработаны многокомпонентные комбинированные покрытия на основе плазменного напыления порошков системы Zn-Ме (Ni-Al-Ti) с последующим нанесением на напыленный слой ЛКМ для уменьшения его пористости и усиления антикоррозионной защиты. Проведены испытания металлических образцов (сталь 3) с нанесенными на них покрытиями.

Установлено, что такие покрытия обладают более высокими защитными свойствами чем стандартные лакокрасочные материалы.

 

Публикации:

  1. Ильиных С.А., Чусов С.А., Крашанинин В.А., Гельчинский Б.Р. Технология получения многокомпонентных комбинированных покрытий системы Zn-Me (Ni-Al-Ti) методом плазменного напыления». 11-ая Китайская (Маньчжурская) Северная Международная научно-техническая выставка, (Маньчжурия, Китай). 04 -06 июля 2014. Диплом первой степени.
  2. Ильиных С.А., Крашанинин В.А., Гельчинский Б.Р. Технология получения многофункциональных композитных покрытий методом сверхзвукового плазменного напыления на цинксодержащие лакокрасочные поверхности XXI Международная выставка-конгресс ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ. ИНВЕСТИЦИИ (HI-TECH’2015) (25 – 27 марта 2015 года, Санкт-Петербург, Ленэкспо). Диплом 1 степени и Золотая медаль.
  3. Способ получения защитного покрытия Гельчинский Б. Р., Ильиных С. А., Крашанинин В. А., Криворогова А. С. Патент на изобретение 2741040 C1, 22.01.2021. Заявка № 2020120189 от 11.06.2020.

Разработана линейка плазменных установок мощностью 20-50-100 КВт

 

Плазменная установка МАК-100                                                                  Семейство плазмотронов

 

Флагман семейства — многофункциональная плазменная установка МАК-100 (МПУ МАК-100), позволяющая работать с дозвуковой и сверхзвуковой плазмой  Установка работает с дуговыми плазмотронами прямого и косвенного действия мощностью 20, 50, 100 КВт, что позволяет использовать ее для реализации нескольких плазменных технологий вместо создания отдельных специализированных комплексов под каждую из них.

 

Публикации:

  1. Оформлено Ноу-Хау: Гельчинский Б.Р., Ильиных С.А., Королев О.А., Крашанинин В.А, Окулов Р.А., Сарсадских К.И., Чусов С.А. НОУ-ХАУ «Универсальная плазменная установка МАК-100» (ФГБУН Институт металлургии УрО РАН) Приказ №7 от 15.02.2018.
  2. Сарсадских К.И., Ильиных С.А., Гельчинский Б.Р. Универсальная плазменная установка МАК-100. XXV Петербургская техническая ярмарка (HI-TECH’2018) (20-22 марта 2018 года, Санкт-Петербург). Диплом и Серебряная медаль.  

Программный комплекс «Кристаллизация стали в изложнице»

 

Комплекс предназначен для моделирования процесса кристаллизации слитков больших объемов и основан на физико-химической теории квазиравновесной двухфазной зоны, учитывающей химические взаимодействия компонентов расплава в процессе кристаллизации.

Внедрение:  ОАО «Чусовской металлургический завод», Пермский край.

 

Публикации:

Романов А.А., Крашанинин В.А., Ватолин Н.А., Александрова С.С Влияние диффузии на теплофизические процессы кристаллизации сплавов. Применение метода теплового потока к анализу экспериментальных кривых охлаждения сплавов//

Расплавы, 2004, №1, с. 14-1120.

Романов А.А., Крашанинин В.А., Ватолин Н.А., Залазинский Г.Г., Щенникова Т.Л. Особенности кристаллизации диспергированных железоуглеродистых расплавов//

Расплавы, 2004, №6, с. 3-11.

Лаборатория металлургических расплавов

Заведующий лабораторией д.х.н. Шубин Алексей Борисович

fortran@list.ru      

+7 (343) 267-89-51

+7 (343) 232-91-38

Основные направления исследований

  • Исследование микроструктуры и физико-химических свойств мультифазных сплавов и in-situ композитов на основе алюминия и меди, содержащих РЗМ и переходные металлы (Sc, Y, Ti, Zr, Hf и др.).
  • Исследование влияния обработки металлических расплавов низкочастотными акустическими колебаниями на структуру и свойства литых металлов и получение металлокомпозитов. Синтез материалов электротехнического назначения на основе меди и алюминия, включающих карбиды вольфрама, ниобия, хрома и других металлов.
  • Изучение межфазного взаимодействия и структурных преобразований в композиционных материалах при интенсивных механических и термических воздействиях на исходные расплавы и смеси компонентов.
  • Моделирование и экспериментальное исследование диффузии водорода в перспективных беспалладиевых мембранных сплавах на основе ванадия, ниобия и тантала.
  • Расчет энтальпий образования и термодинамических функций смешения металлических сплавов со слабым и сильным взаимодействием компонентов.
  • Исследование физико-химических процессов при синтезе диффузионно-твердеющих сплавов на основе галлия.
  • Изучение структурных, физических и физико-химических свойств (вязкость, плотность, поверхностное натяжение, электропроводность, спектры поглощения) оксидных и галогенидных расплавов, содержащих щелочные металлы, бор и редкоземельные элементы.

Фундаментальные исследования

Алюминиды в системах Al-РЗМ-переходный металл – синтез, структура и свойства

 

Исследовано влияние состава сплавов, перегрева расплава и других факторов на морфологию, состав и физико-химические свойства алюминидов в системах Al‒Sc‒Ti, Al‒Sc‒Zr, Al‒Sc‒Hf.

 

Частицы интерметаллидов Al-Sc-Ti. Внутреннее строение и распределение

элементов в радиальном сечении.

 

 

Публикации:

 

  1. E.A. Popova, P.V. Kotenkov, A.B. Shubin, I.O. Gilev. Formation of Metastable Aluminides in Al–Sc–Ti (Zr, Hf) Cast Alloys. 2019. Metals and Materials International. DOI: 10.1007/s12540-019-00397-x

 

  1. E. A. Popova, P. V. Kotenkov, A. B. Shubin. Formation of Aluminides with L12 Cubic Lattice in Alloys of the Al – Zr – Y and Al – Ti – Y systems // Metal Science and Heat Treatment. 2019. Vol. 60. Nos. 9 – 10. P. 566-570. DOI: 10.1007/s11041-019-00320-6

Физикохимия перспективных мембранных материалов для водородной энергетики

Проведен поиск и исследование широкого массива физико-химических свойств ванадиевых сплавов как новых мембранных материалов. Разработаны новые расчетные и экспериментальные методы оценки параметров диффузии при получении высокочистого водорода.

 

Мембранный материал из сплава Nb-Ti. Слева-фазовое строение. Справа-

микроструктура после длительной работы в атмосфере водорода.

 

Публикации:

  1. Y.V. Zaika, N. I. Sidorov, N. I. Rodchenkova. Aggregation of experiments for hydrogen permeability parameters estimation // International Journal of Hydrogen Energy. 2018. Vol.43. No 17. P.8333-8341. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.02.137

 

  1. I  S. Sipatov, N. I. Sidorov, S. A. Petrova, A. B. Shubin, E. A. Pastukhov, A. V. Fetisov, A. A. Esin and A. A. Vostryakov. Influence of Processing Techniques on the Surface Microstructure of V85Ni15 Membrane Alloy // Inorganic Materials. 2018. Vol. 54. No. 7. P. 645–651. DOI: 10.1134/S0020168518070178

Разработка и синтез новых металлических композитов электротехнического назначения

 

Проведен синтез, исследование структуры и физико-химических свойств новых перспективных металлокомпозитов на основе меди, включающих карбиды вольфрама, ниобия и хрома в качестве упрочняющих фаз. Изучены их прикладные характеристики — дугостойкость, прочностные свойства и электропроводность.

 

Микрокристаллы карбида вольфрама (слева). Фазовый состав

металлокомпозита медь-карбиды.

 

Публикации:

  1. S. Yu. Melchakov, L. E. Bodrova, E. Yu. Goyda, A. B. Shubin and P. A. Somov. Experimental Production of Cu–Cr–N Composite Alloys and Thermodynamic Modeling of Their Phase Composition // Inorganic Materials. Applied Research. 2019.V.10. No.6. P. 1357-1364. DOI: 10.1134/S2075113319060145
  2. L. E. Bodrova, S. Yu. Melchakov, A. B. Shubin, E. Yu. Goida and L. A. Marshuk. Synthesis of Cu–Cr Composite Alloys with a Layered Structure Featuring High Arc Resistance // Inorganic Materials: Applied Research. 2019. Vol. 10. No. 5. P. 1129–1134. DOI: 10.1134/S2075113319050034

Прикладные разработки

Новый антифрикционный материал на основе меди

 

Разработаны и изготовлены, методом накатки на стальную полосу нового порошкового высокоплотного антифрикционного слоя на основе меди, опытные образцы биметаллического вкладыша для двигателей внутреннего сгорания с высокими эксплуатационными характеристиками.

 

Публикации:

  1. Концевой Ю.В., Мейлах А.Г., Шубин А.Б., Котенков П.В. Антифрикционный порошковый материал на основе меди и способ его получения. Патент РФ 2677166. Опубл. 15.01.2019.

 

  1. Концевой Ю.В., Мейлах А.Г., Шубин А.Б., Гойда Э.Ю. Способ получения биметаллической полосы с антифрикционным порошковым покрытием на основе меди для подшипников скольжения. Патент РФ 2705486. Опубл. 07.11.2019.

Технология получения слоистых антикоррозионных композитов методом совместной прокатки литой стальной полосы и порошкового алюминия

Суть технологии состоит в плакировании стальной полосы порошковым алюминием. Основное отличие от известных технологий состоит в том, что порошок алюминия подается в воронку между поверхностью полосы и прокатного валка специальным дозатором барабанного типа. Новизна разработанной технологии заключается в способе подачи порошка в очаг деформации без использования какого либо носителя и в конструкции дозатора, обеспечивающего подачу порошка с заданной скоростью и равномерным распределением по полосе.

 

Публикации:

  1. Ватолин Н.А., Концевой Ю.В., Цхай Е.В. Способ покрытия стальной полосы алюминием. Патент РФ № 2081939. Опубл. 20.06.1997.

 

  1. Пастухов Э.А., Ватолин Н.А., Концевой Ю.В., Игнатьев И.Э. Патент РФ № 2182191. Опубл. 10.05.2002.

Технология получения слоистых антифрикционных композитов методом совместной прокатки литой полосы и антифрикционной порошковой шихты

Технологический процесс заключается в том, что на алюминированную полосу прокаткой наносят антифрикционный слой, используя для него смесь металлических порошков, и одновременно проводят термическую обработку непосредственно в очаге деформации за счет пропускания электротока между валками через полосу.

 

Публикации:

  1. Буланов В.Я., Пастухов Э.А., Игнатьев И.Э., Концевой Ю.В. Способ покрытия стальной полосы антифрикционной порошковой смесью Патент РФ № 2208660. Опубл. 20.07.2003.

Лаборатория высокоэнтропийных сплавов

Заведующий лабораторией к.ф.-м.н.

Дорошева Ирина Борисовна

Основные направления исследований

  • Развитие теории высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) и соединений переходных металлов IV-VI групп периодической таблицы им. Д.И. Менделеева.
  • Синтез высокоэнтропийных соединений с углеродом, азотом, кислородом и серой низкотемпературными и высокотемпературными методами. 
  • Анализ тонкой структуры и свойств высокоэнтропийных сплавов и соединений.

Ведущиеся фундаментальные исследования

Экспериментальный и теоретический, с привлечением компьютерного моделирования, поиск условий термодинамической и структурной стабильности ВЭС.

 

Парциальные парные корреляционные функции в расплаве ВЭС TiZrNbHfTa

 

а) Схема поиска высокоразмерного потенциала нейронной сети HDNNP

b) Общая схема атомной нейронной сети

 

Публикации:

  1. I.A. Balyakin, B.R. Gelchinski, A.A Rempel, Ab initio molecular dynamics study of TiZrNbHfTa and VZrMoHfW liquid alloys, Materials Today Communications, Volume 21, 2019, 100627, ISSN 2352-4928, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2019.100627.
  2. I.A. Balyakin, A.A. Yuryev, B.R. Gelchinski, A.A Rempel, Ab initio molecular dynamics and high-dimensional neural network potential study of VZrNbHfTa melt, Journal of Physics: Condensed Matter, 2020, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab6f87