Комплекс уникальных электрофизических установок для эффективной электронно-ионно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий «УНИКУУМ» (УНУ «УНИКУУМ»)

Комплекс уникальных электрофизических установок, созданный в 2015 г. для эффективной электронно-ионно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий, включающий шесть вакуумных пучковых и плазменных установок «СОЛО», «ДУЭТ», «ТРИО», «ЭЛИОН», «КВИНТА» и «КОМПЛЕКС», каждая из которых по совокупности основных параметров и технологическим возможностям превосходит известные в мире установки такого класса.
Это достигается за счёт эффективного использования для генерации низкотемпературной плотной газовой и металлической плазмы новых форм как самостоятельных, так и несамостоятельных сильноточных разрядов низкого давления.
Однородная плазма, синтезированная в значительных ≥ 0,1 м³ вакуумных объёмах, используется как для непосредственной обработки поверхности (очистка, активация, азотирование, напыление покрытий), так и в качестве эффективного эмиттера электронов и ионов в источниках заряженных частиц.

Главные преимущества УНУ «УНИКУУМ»:

УНУ «УНИКУУМ» входит в перечень объектов Современной
исследовательской инфраструктуры Российской Федерации.

Наиболее значимые научные результаты исследований:

1. Впервые продемонстрирована возможность многократного повышения твердости (до 10 раз) и износостойкости (десятки раз) поверхности образцов силумина (сплав алюминий-кремний) эвтектического состава при облучении субмиллисекундным интенсивным электронным пучком системы «твердое покрытие ZrN/силумин». Синтезированная система перспективна для применения в двигателестроении.
2. Разработана методика и продемонстрирована возможность легирования титана кремнием с образованием многослойного композитного материала Ti (основа)/Ti₅Si₃ (поверхностный слой), представляющего особый интерес как высокотемпературный легкий материал вследствие формирования высокотемпературного (Т_пл = 2400 К) силицида титана состава Ti₅Si₃, синтезируемого в едином вакуумном цикле при воздействии высокоинтенсивного электронного пучка субмиллисекундной длительности на систему «пленка (кремний)/подложка (титан)», сформированную в результате распыления кремния пучком электронов.
3. Вакуумно-дуговым методом с плазменным ассистированием были получены сверхтвердые (до 52 ГПа) покрытия Ti-Cu-N, Ti-Al-N, Ti-Si-N, Ti-Cr-N с нанокристаллической структурой (d=5—20 нм) и низким коэффициентом трения (< 0.3). Исследования, проведенные с помощью рентгеноструктурного анализа с использованием синхротронного излучения in-situ, показали, что деградация многокомпонентных покрытий не начинается вплоть до температуры 800 °C. Исследования на износ покрытий показали, что нанесение на поверхность метчиков, изготовленных из быстрорежущей стали, с покрытием TiN/Ti-Cu-N общей толщиной 3 мкм позволило увеличить их срок службы, более чем в 4 раза.
4. Установлено, что облучение интенсивным импульсным электронным пучком (установка «СОЛО») поверхности образцов титанового сплава ВТ6, полученных методом селективного сплавления металлического порошка (размер частиц 40—100 мкм) в вакууме с помощью непрерывного электронного пучка (установка фирмы Arcam, Швеция), позволяет, вследствие сверхбыстрого плавления поверхностного слоя на глубину нескольких десятков микрометров за один импульс, многократно снизить, за счёт действия сил поверхностного натяжения расплава, пористость и шероховатость поверхностного слоя металлических изделий (шероховатость титанового сплава ВТ6 уменьшилась в ≈ 20 раз) и улучшить прочностные и усталостные свойства образцов.
   Разработанный метод может найти применение для финишной обработки поверхности металлических изделий различного назначения, полученных методом аддитивного производства, что расширит сферу их использования.
5. Установлено, что формирование поверхностных сплавов Al-Ti путем электродугового напыления в вакууме и последующего плавления системы «пленка (титан)/(алюминий) подложка» импульсным электронным пучком сопровождается формированием субмикро- и нанокристаллической структуры и многократным повышением твердости и износостойкости модифицированного слоя. Показано, что максимальные значения механических и трибологических свойств достигаются в условиях многоцикловой (20 циклов; толщина пленки титана 0,5 мкм в цикле) «напыление/облучение» обработки: твердость легированного слоя 2,3 ГПа, что превышает твердость поверхности алюминия марки А7 в ≥ 8,5 раз; коэффициент износа 3·10^-4 мм³/(Н·м), что меньше коэффициента износа (выше износостойкость) исходного алюминия в ≈ 50 раз. Это достигается при следующих параметрах облучения: 15 Дж/см², 50 мкс, 10 имп.; общая толщина упрочненного слоя составляет 60 мкм. Разрабатываемый метод поверхностного легирования алюминия и сплавов на его основе может найти применение при создании современной авиакосмической техники.
6. Показано, что поверхностное легирование керамики на основе диоксида циркония, широко применяемой в аэрокосмической (в качестве высокотемпературных коррозионностойких и теплозащитных покрытий) и военной технике (элементы прозрачной брони), медицине, энергетической промышленности (в качестве электролита для твердооксидных топливных элементов), осуществленное плавлением системы «пленка (Ti)/(ZrO₂+Y₂O₃-керамика) подложка» интенсивным импульсным электронным пучком, сопровождается легированием титаном слоя толщиной ≈18 мкм, формированием оксидов состава Ti₃O₅ и Y₂TiO₅, что приводит к пластификации поверхностного слоя керамики (повышению коэффициента текучести в 1,4 раза) и увеличению микротвёрдости модифицированного поверхностного слоя на ≈ 10 %.
   Исследованный метод модификации поверхности керамики на основе диоксида циркония может найти применение при создании современной авиакосмической техники.

Направления научных исследований, проводимых на УНУ «УНИКУУМ»:

Сведения о календарной загрузке научного оборудования:

Перечень оказываемых типовых услуг

Регламент доступа к УНУ "УНИКУУМ"

I. Порядок выполнения работ (оказания услуг) для проведения научных исследований и осуществления экспериментальных разработок в интересах третьих лиц

ИСЭ СО РАН предоставляет сторонним организациям возможность проведения научных исследований (получения услуг) на уникальных научных установках, входящих в УНУ «УНИКУУМ».

Предоставление услуг возможно как на возмездной, так и, при наличии договора (соглашения) о научном (научно-техническом) сотрудничестве, на безвозмездной основе.

Для получения услуги сторонняя организация направляет письмо с соответствующей просьбой на имя директора Института.

ИСЭ СО РАН в установленном порядке рассматривает поступившие обращения и информирует заявителя о возможности или невозможности оказания соответствующей услуги.

В случае выполнения работ (оказания услуг) на возмездной основе заключается договор , форма которого определяется и согласуется сторонами в установленном порядке.

По результатам выполнения работ (оказания услуг) составляется Акт оказанных услуг . III. Причины отклонения заявок на выполнение работ (оказание услуг)

Причинами отклонения заявок на выполнение работ (оказание услуг) могут являться:

• несоблюдение сотрудниками сторонних организаций требований правил по охране труда при эксплуатации электроустановок, правил радиационной безопасности и техники безопасности, а также правил внутреннего распорядка ИСЭ СО РАН;
• неактуальность (недостаточная научная обоснованность) предлагаемых работ;
• недостаточная или недостоверная информация об объектах исследования;
• техническая невозможность проведения работ на УНУ;
• опасность образцов (химическая, биологическая, радиационная) для работников Института или возможность повреждения УНУ при проведении работ;
• загруженность УНУ;
• техническое состояние УНУ (неисправность, профилактические работы, модернизация);
• уклонение заявителя от заключения договора оказания услуг, предоставления документов, предусмотренных настоящим Регламентом;
• несоответствие поданной заявки установленной форме и требованиям;
• отсутствие ссылки на использование УНУ ИСЭ СО РАН при публикации результатов работ, ранее проведенных на УНУ, либо не информирование работников ИСЭ СО РАН о подготовке и выходе таких публикаций.

Порядок расчета стоимости нестандартных услуг

Расчет стоимости нетиповых услуг осуществляется методом прямого калькулирования затрат.

Перечень имеющихся методик/методов выполнения измерений

1. Методика измерения распределения плотности энергии по сечению импульсного электронного пучка с помощью секционированного калориметра;
2. Методика зондовых измерений параметров плазмы разрядов низкого давления с помощью автоматизированной системы зондовых измерений;
3. Методика измерения вольтамперных характеристик разрядов низкого давления, функционирующих в значительных вакуумных объёмах.

Оборудование, входящее в состав УНУ «УНИКУУМ», является уникальным. Метрологическое обеспечение оборудования УНУ осуществляется на основе методик измерений, разработанных в ИСЭ СО РАН.

В соответствии с частью 3 статьи 1 Федерального закона №102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений», данные методики не относятся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений. На основании этого и в соответствии с пунктом 4.3 ГОСТ Р 8.563—2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений», данные методики не подлежат обязательной метрологической экспертизе, которую проводят государственные научные метрологические институты, соответственно, не требуется аттестация методик измерений, а также передача сведений в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений.

План работы УНУ

1. Исследование влияния электронно-пучкового воздействия на физико-механические свойства образцов из стали 30ХГСА с предварительно нанесенным покрытием из сплава Р2М9Ю.

2. Исследование основных характеристик и модернизация низкоэнергетичного ускорителя электронов.

3. Исследование влияния электронно-пучкового воздействия на физико-механические свойства высокоэнтропийных электровзрывных покрытий системы W-Mo-Cu-Ni-Ag, полученных на медных образцах.

4. Исследование влияния электронно-пучкового и ионно-плазменного воздействия на трибологические характеристики образцов меди с предварительно нанесенным электровзрывным способом покрытием системы Al2O3-Ag.

5. Разработка, изготовление, доставка, монтаж, пуско-наладочные работы вакуумной камеры с импульсным электрическим разрядником, ускоряющим соплом, оснасткой для фиксации обрабатываемого образца, держателем для фольги.

6. Исследование влияния электровзрывного легирования и электронно-пучкового воздействия на физико-механические свойства образцов из сплава Al-15%Si.

7. In situ методы синхротронных исследований многослойных функциональных структур с уникальными параметрами и свойствами, созданных пучково-плазменной инженерией поверхности.

8. Разработка научно-технологических режимов ионно-плазменного нанесения покрытий на основе AlMgB14 на твердосплавные токарные пластины и макетные образцы кинетических ударников.

9. Генерация радиально сходящегося электронного пучка в источнике с сеточным многодуговым плазменным катодом для всесторонней модификации поверхности металлических изделий сложной формы.

10. Научные основы генерации мегаваттных амплитудно- и широтно- модулированных электронных пучков субмиллисекундной длительности на основе источника с плазменным катодом для эффективной модификации поверхности металлов и сплавов.

11. Электронно-пучковая модификация поверхности металлических и металлокерамических материалов и изделий (полировка, упрочнение поверхности, повышение коррозионной стойкости), в том числе миксинг покрытий.

12. Обработка органических материалов и продуктов высокоэнергетичным (до 200 кэВ) импульсным электронным пучком.

13. Комплексная электронно-ионно-плазменная модификация поверхности металлических и металлокерамических материалов и изделий в едином вакуумном цикле.

14. Нанесение декоративных, износостойких, термобарьерных, антикоррозионных покрытий методом плазменно-ассистированного электродугового напыления, в том числе многокомпонентных и многослойных.

15. Азотирование титановых и стальных деталей в плазме несамостоятельного дугового разряда низкого давления.

16. Исследования режимов генерации однородной низкотемпературной плазмы в дуговых и тлеющих разрядах низкого давления.

Выполненные работы и услуги

ПЕРЕЧЕНЬ НИР, ВЫПОЛНЕННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УНУ «УНИКУУМ» В 2019 Г.:

Основные исполнители:

1. Грант РФФИ №19-48-700021-р_а «Импульсное электронно-пучковое полирование поверхности металлических изделий, изготавливаемых методом аддитивного производства» (2019-2020 гг.);
2. Грант РФФИ №19-08-00248-а «Принципы и процессы формирования электронно-ионно-плазменными методами термически стабильных слоев, содержащих нитриды и силициды тугоплавких металлов» (2019-2021);
3. Грант РФФИ №19-48-700010-р_а «Азотирование аустенитной стали: разработка физических основ комплексного электронно-ионно-плазменного метода» (2019-2021 гг.);
4. Грант РНФ №19-19-00183 «Разработка физических основ электронно-ионно-плазменного метода формирования борсодержащих слоев и покрытий» (2019-2021 гг.);
5. Грант РНФ №18-79-00011 «Закономерности и механизмы стабильной генерации и транспортировки широкого интенсивного субмиллисекундного электронного пучка при его отклонении от продольной оси источника с сетчатым плазменным катодом и плазменным анодом с открытой границей плазмы» (2018-2020 гг.);
6. Грант РНФ №18-79-10111 «Разработка научных основ создания многофазных градиентных, моно- и многослойных систем на основе Zr, Nb и их нитридов, формирующихся при контролируемом плазменно-ассистированном вакуумно-дуговом напылении функциональных покрытий» (2018-2021 гг.);
7. Грант РФФИ №18-42-703010-р_мол_а «Формирование и транспортировка интенсивного электронного пучка в источнике электронов с сетчатым плазменным катодом и предварительно созданным плазменным анодом с открытой границей плазмы» (2018-2019 гг.);
8. Грант РФФИ № 18-48-700016-р_а «Фундаментальные исследования плазменно-ассистированного синтеза многослойных износостойких покрытий на основе нитрида молибдена из газо-металлической плазмы дуговых разрядов низкого давления» (2018-2020 гг.);
9. Грант РФФИ №17-08-00627-а «Закономерности и механизмы формирования электрического пробоя высоковольтного ускоряющего промежутка в электродной системе ускорителя электронов с сетчатым плазменным катодом и выводом пучка большого сечения в атмосферу» (2017-2019 гг.);
10. Проект №МК-123.2019.2 по гранту Президента РФ «Генерация широких интенсивных электронных пучков с контролируемо изменяющейся мощностью в течение импульса субмиллисекундной длительности в источнике с сетчатым плазменным катодом» (2019-2020 гг.);
11. МН-5.8/1620 Стипендия Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам (Конкурс СП-2019), осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики – Москвин П.В. (2019-2021 гг.);
12. Грант РНФ № 17-19-01169 «Разработка научных основ экстремально высокодозовой имплантации ионов высокоинтенсивными пучками ионов низкой энергии» (2017-2019 гг.) (НИ ТПУ);
13. Грант РФФИ №19-52-04009-Бел_мол_а «Формирование высокопрочных приповерхностных слоев в заэвтектических силуминовых сплавах при электронно-ионно-плазменном воздействии» (2019-2020 гг.);
14. Грант РФФИ 19-08-00370-а «Создание научных основ формирования прочных износостойких поверхностных слоев сталей в газо-металлической плазме разрядов низкого давления» (2019-2021 гг.);
15. Грант РФФИ №19-08-00326-а «Механизмы поддержания разрядов низкого давления с полым катодом и полым анодом» (2019-2021 гг.);
16. Грант РФФИ № 18-08-00158-а «Закономерности и механизмы деформации в условиях ползучести в присутствии водорода гидридообразующих сплавов c модифицированной облучением пучком электронов поверхностью» (2018-2020 гг.) (ИФПМ СО РАН);
17. № ХД-203/19 между ИСЭ СО РАН и ООО "Керамик имплант", г. Новосибирск – НИОКР по теме: "Нанесение гидроксиапатита кольция (ГАП) на детали Заказчика с помощью ВЧ магнетронной распылительной системы". Период выполнения: 21.08.2019 – 15.11.2019.

Соисполнители:

1. Грант РНФ № 17-19-01169 «Разработка научных основ экстремально высокодозовой имплантации ионов высокоинтенсивными пучками ионов низкой энергии» (2017-2019 гг.) (НИ ТПУ);
2. Грант РФФИ № 16-08-00658_a «Исследование возможностей влияния на процесс плазмообразования на поверхности проводников в быстронарастающих мегагауссных магнитных полях» (2016-2018 гг.) (ОВПЭ, ИСЭ СО РАН);
3. Грант РФФИ № 18-08-00158-а «Закономерности и механизмы деформации в условиях ползучести в присутствии водорода гидридообразующих сплавов c модифицированной облучением пучком электронов поверхностью» (2018-2020 гг.) (ИФПМ СО РАН).

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛУГ, ОКАЗАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УНУ «УНИКУУМ» В 2019 Г.:

1. Договор № УА-1/19. Заказчик - ООО «Нефтепромремонт», Томск. «Оказание услуг по ионно-плазменному азотированию металлических деталей. Период выполнения: 25.01.2019-31.12.2019;
2. Договор № УА-2/19. Заказчик - ООО «Промышленная механика», Томск. «Оказание услуг по ионно-плазменному азотированию металлических деталей. Период выполнения: 01.02.2019-31.12.2019;
3. Договор № УА-3/19. Заказчик - ООО «ПК МИОН», Томск. «Оказание услуг по ионно-плазменному азотированию металлических деталей. Период выполнения: 11.02.2019-31.12.2019;
4. Договор № УА-4/19. Заказчик - ООО «ТРЭМ Инновации», Томск. «Оказание услуг по ионно-плазменному азотированию металлических деталей. Период выполнения: 15.04.2019-31.12.2019;
5. Проведение лабораторных работ и обучение студентов и магистрантов НИ ТГУ, НИ ТПУ.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УНУ В 2024 ГОДУ:

Документы

Приказ о создании УНУ УНИКУУМ (15 сентября 2015 г.)

Приказ о внесении изменений в приказ от 15 сентября 2015 г.

Положение об УНУ УНИКУУМ от 02.07.2020

Приказ о назначении руководителей работ и ответственных за отчётность
при использовании уникальных научных установок (№ 46 от 17.03.2025)

Проект договора на выполнение работ и оказания услуг для проведения научных исследований, а также осуществления экспериментальных разработок.

Форма заявки на выполнение работ и оказание услуг для проведения научных исследований, а также осуществления экспериментальных разработок.