Технологии и разработки СО РАН

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ ИМЕНИ С. А. ХРИСТИАНОВИЧА СО РАН

KHRISTIANOVICH INSTITUTE OF THEORETICAL AND APPLIED MECHANICS SB RAS

Директор — чл.корр. РАН, профессор, д. ф.м. н. Шиплюк Александр Николаевич
Ученый секретарь — к. ф.м. н. Кратова Юлия Владимировна

Director of the Institute — Professor Alexander N. Shiplyuk, Corresponding member of RAS, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics)
Scientific Secretary — Yulia V. Kratova, Ph. D. (Physics and Mathematics)

Плазменное оборудование и технологии напыления, обработки и синтеза различных,
в т. ч. нано- и субмикроразмерных, порошковых материалов

Аннотация. Предлагаются оборудование и технологии плазменного напыления, обработки и синтеза различных порошковых материалов. Разработана линейка высокоэффективных плазмотронов.
Описание. Разработана линейка высокоэффективных плазмотронов с межэлектродной вставкой (МЭВ) номинальной мощностью 10, 50 и 100 кВт.
Тепловой КПД — до 80 %. Ток дуги — не более 250 A. Рабочие газы — воздух, аргон, азот, гелий, водород и их смеси. Возможность изменения в широком диапазоне расхода рабочих газов позволяет генерировать плазменные струи, истекающие в квазиламинарном, переходном и турбулентном режимах, что обеспечивает обработку, напыление и синтез различных, в т. ч. нано- и субмикроразмерных, порошковых материалов.
Разработана технология получения уникального поликристаллического порошка корунда с размером частиц 40 – 250 мкм и удельной поверхностью 150  200 м2 / г. Данный порошок и изделия, синтезированные на его основе, перспективны для применения в катализе.

Инновационные аспекты:
• возможность работы с турбулентной и ламинарной струей плазмы позволяет наносить порошковые покрытия и обрабатывать любые порошковые материалы (металлические, керамические, композиционные и т. д.);
• высокая плотность мощности теплового потока от ламинарной струи в обрабатываемый материал позволяет использовать разработанные плазмотроны для: оплавления покрытий с целью повышения их адгезии и когезии и уменьшения пористости; получения микросферических, в том числе полых, порошков различных тугоплавких материалов до 20 кг / ч;
• возможность использования воздуха наряду с любыми технически чистыми рабочими газами (аргоном, азотом, гелием, природным газом и их смесями), что существенно сокращает срок окупаемости технологического оборудования;
• возможность использования в составе плазменной установки серийных отечественных источников электропитания типа АПР-402, АПР-404 и т. п.

Дополнительная информация на сайте http://www.itam.nsc.ru.

Текущая стадия развития. Начальная стадия производства (внедрение на малом отечественном предприятии; использование плазмотрона зарубежной фирмой для обработки поверхности ламинарной плазменной струей — лицензионное соглашение на ноу-хау, Япония, 2009 г.).
Права интеллектуальной собственности. Патент РФ выдан в 2010 г.; охраняется ноу-хау — многоцелевой плазмотрон МЭВ.
Тип требующегося сотрудничества. Инвестиционный договор для коммерциализации разработок (организации производства); поставка полнокомплектного оборудования и необходимых технологий под ключ.

PLASMA EQUIPMENT AND TECHNOLOGIES OF SPRAYING,
TREATMENT AND SYNTHESIS OF VARIOUS POWDER MATERIALS INCLUDING
THE NANO- AND SUB-MICRO-SIZED ONES

Abstract. We offer the equipment and technologies of plasma spraying, treatment and synthesis of various powder materials. We elaborated a line of highly efficient plasma torches with interelectronic piece (IEP) with nominal rating power 10, 50 and 100 kW.
Description. We elaborated a line of highly efficient plasma torches.
The thermal efficiency is up to 80 %. The arc current is not more than 250 A. The plasma-forming gases are oxygen, argon, nitrogen, azoth, helium, hydrogenium and their mixtures. The possibility to vary the consumption of working gases in a wide range allows generating gas jets discharging in quasilaminar, transitional and turbulent modes, ensures treating, spraying and synthesizing various materials including the nano- and sub micro- ones.
We elaborated the technology for obtaining unique polycristal corundum powder with particles size 40 – 250 µm and specific surface 150 – 200 m2 / g. This powder and the article synthesized at its base are long-raged to be used in catalysis.

Innovative aspects:
• possibility to work with turbulent and laminar plasma jet allows to spray the powder coatings and to treat any powder materials (metallic, ceramic, composite, etc.);
• high density of heat flow power from the laminar jet into the material treated allows using the elaborated plasma torches for: fusing coatings in order to improve their adhesion and cohesion and to reduce the porosity; obtaining micro-spherical powders, including the hollow ones, for various high-melting materials up to 20 kg / h;
• possibility to use oxygen along with any technical pure working gases (argon, nitrogen, helium, natural gas and their mixtures), that reduces significantly the pay-off period.;
• possibility to use serial national electric power sources in plasma plant.

Additional information is available on website http://www.itam.nsc.ru

Current stage of development. The initial production stage (implementation at a small national enterprise; usage of the plasma torch by a foreign company to treat the surface by the laminar plasma jet) — license agreement for know-how, Japan, 2009.
Intellectual property rights. The patent is issued in RF in 2010, covering the know-how — multipurpose plasma torch IEP.
Type of required cooperation. The investment contract to commercialize the elaborations (organize production); supplying complete equipment and technologies needed «turn-key-ready».

Мембранно-сорбционная технология извлечения гелия
из природного газа
с одновременной его осушкой

Аннотация. Разработана технология извлечения гелия из природного газа на месторождениях с низким содержанием гелия.
Описание. Извлечение гелия из природного газа основано на свойстве селективной проницаемости микросфер (ценосфер) по отношению к легким газам. Помещенные в поток природного газа микросферы поглощают гелий, а другие газы остаются в потоке. За счет использования композитного сорбента, содержащего микросферы или ценосферы и влагопоглотитель, предлагаемая технология обеспечивает одновременно процессы извлечения гелия и осушки природного газа.

Технология получения композитного сорбента разработана ИТПМ СО РАН совместно с ИППУ СО РАН и ИХХТ СО РАН.

Инновационные аспекты:
• низкая энерго- и капиталоемкость процесса по сравнению с криогенной технологией;
• возможность встраивания технологии в существующий процесс извлечения гелия из природного газа;
• высокая гидростатическая прочность микросфер к большим давлениям;
• получение гелиевого концентрата с содержанием гелия до 98 % (содержание гелия зависит от параметров используемых компрессоров);
• использование композитного сорбента обеспечивает осуществление одновременного процесса извлечения гелия и осушки природного газа;
• технология устойчива к загрязненным потокам.

Дополнительная информация на сайте http://www.itam.nsc.ru

Текущая стадия развития. Изготовлена пилотная крупномасштабная установка извлечения гелия из природного газа (объем реактора 0,4 м3, объем баллонов 800 литров, рабочее давление 10 МПа).
Права интеллектуальной собственности. Патент РФ выдан в 2014 г.
Тип требующегося сотрудничества. Инвестиционный договор для коммерциализации разработок (организации производства); проведение совместных научно-технических исследований, разработка технологии под условия заказчика.

MEMBRANE-SORPTION TECHNOLOGY OF HELIUM RECOVERY FROM NATURAL GAS WITH SIMULTANEOUS DRYING

Abstract. The technology of helium recovery from natural gas at gas fields poor in helium was elaborated.
Description. Recovering helium from natural gas is based on the property of selective permeability of microspheres (cenospheres) relative to light gases. The microspheres placed into the flow of the natural gas absorb helium; the other gases remain in the flow. The technology suggested allows recovering helium simultaneously with drying the natural gas by the means of application of composite sorbent containing the microspheres or cenospheres and pseudo-boehmite.

The technology for obtaining the composite sorbent is elaborated by the ITAM SB RAS in collaboration with the IHCP SB RAS and ICCT SB RAS.

Innovative aspects:
• low energy consumption and capital intensity in comparison with cryogen technology;
• possibility to incorporate the technology into the existing process of natural gas recovering;
• high hydrostatic durability of microspheres relative to high pressures;
• obtaining helium concentrate with helium content up to 98 % (helium content depends on parameters of the compressors used);
• using the composite sorbent allows simultaneous helium recovering and natural gas drying;
• technology is resistant to polluted flows.

Additional information is available on website http://www.itam.nsc.ru

Current stage of development. The pilot large-scale plant to recover helium from the natural gas was produced (reactor volume is 0.4 m3, vessels volume is 800 l, operating pressure is 10 MPa).
Intellectual property rights. The patent is issued in RF in 2014.
Type of required cooperation: organizing common science-technical researches, investment contract for elaboration commercialization (production organization), elaborating the technology according to the client conditions.

Плазменные технологии и оборудование для напыления порошковых материалов

Аннотация. Разработаны и применяются электродуговые плазмотроны с секционированной межэлектродной вставкой мощностью от 10 до 100 кВт. Предлагаются технология и плазменное оборудование (полнокомплектная промышленная установка «Термоплазма 50 – 01») для напыления порошковых материалов.
Области применения: размерное восстановление и упрочнение деталей; коррозионно-, абразивно- и кавитационностойкие покрытия; термобарьерные и жаростойкие покрытия из керамических материалов с повышенной адгезией.
Описание. Установка разработана на базе электродугового плазмотрона ПНК-50 (номинальная мощность 50 кВт). Плазмотрон рассчитан на работу в турбулентном, переходном и ламинарном режимах истечения плазменных струй, что позволяет наносить покрытия из любых порошковых материалов (металлических, керамических, композиционных и т. д.). Плазменное напыление позволяет наносить покрытия с минимальным припуском на обработку (точность по толщине покрытия до 0,05 мм) и минимальным нагревом основы (до 150 °С). Отработаны режимы напыления, позволяющие наносить покрытия, в том числе твердые (HRС > 60), толщиной более 12 мм и пористостью менее 1 %.

Инновационные аспекты предложения:
• возможность работы в турбулентном, переходном и ламинарном режимах истечения плазменных струй, что позволяет наносить покрытия из любых порошковых материалов (металлических, керамических, композиционных и т. д.);
• высокие значения удельной энтальпии плазмы и плотности мощности теплового потока от ламинарной струи плазмы в обрабатываемый материал, что позволяет использовать его для поверхностной закалки и сфероидизации порошков тугоплавких материалов;
• использование в качестве плазмообразующего газа воздуха, наряду с любыми технически чистыми газами, существенно сокращает срок окупаемости технологического оборудования;
• оснащение плазмотрона узлом кольцевого ввода порошковых материалов с их газодинамической фокусировкой позволило увеличить, по сравнению с традиционным точечным вводом, эффективность нагрева и ускорения порошка в несколько раз.
Текущая стадия развития. Промышленное применение нашего плазменного оборудования:
ОАО Тураевское машиностроительное конструкторское бюро «Союз» (Корпорация «Тактическое ракетное вооружение»); Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань; ООО «Сибэлектротерм», Новосибирск; ООО НПК «Трибоника», Нижний Новгород; ООО «Уралинтех», Екатеринбург; ООО «Карбопроцесс», Москва; ОАО «ЦНИИ материалов», Санкт-Петербург; ТОО «Ремплазма», Петропавловск, Казахстан.
Права интеллектуальной собственности. Получено 2 патента в РФ.
Тип требующегося сотрудничества. Инвестиционный договор для коммерциализации разработок (организации производства); поставка оборудования; разработка и передача технологий под условия заказчика; электродуговые плазмотроны мощностью от 10 до 100 кВт; установки плазменного напыления порошковых материалов мощностью до 100 кВт; обучение операторов плазменного напыления.

Дополнительная информация на сайте http://www.itam.nsc.ru

TECHNOLOGIES AND EQUIPMENT FOR PLASMA SPRAYING  
AND BUILDING-UP BY POWDER MATERIALS

Abstract. Electro-arc plasma torches with partitioned inter-electrode bloc with power from 10 to 100 kW are elaborated and applied. We suggest the technology and plasma-equipment (complete industrial scale plant «Thermoplasma 50 – 01») for spaying powder materials. The scope of use: dimensional reconstruction and hardening of parts; corrosion, abrasive, cavitation-resistant coatings; thermal barrier and heat-resisting coating from ceramic materials with elevated adhesion.
Description. The plant design is based on the arc plasma-torch (nominal power 50 kW). The plasma torch is designed for operating in turbulent, transition and laminar modes of plasma jets flow, that allows spraying coatings from any powder materials (metallic, ceramic, composite, etc.) Plasma spraying allows spraying coatings with minimal excessive uncut material (the accuracy of the coating thickness is up to 0. 05 mm) and minimal heating of the base (up to 150 °С). We tuned the modes of spraying, which allows making hard coatings (HRС > 60), with thickness more than 12 mm and porosity less than 1 %.

Innovative aspects:
possibility of operation in turbulent, transition and laminar modes of plasma jets flow, that allows spraying coatings from any powder materials (metallic, ceramic, composite, etc.);
high values of plasma specific enthalpy and power density of heat flow from the laminar jet into the material treated, which allows using it for surface hardening and spheroidizing the powders from heat-resistant-materials;
possibility to use air as plasma-supporting gas along with any technically pure gases, that reduce the pay back period of the technological equipment;
instrumenting the plasma torch by the circular input of powder materials with their gas-dynamic focusing resulting in increasing the efficiency of heating and powder acceleration several folds in comparison with traditional point input.
Current stage of development. Industrial application of our plasma equipment:
JSCoTurayevsk engineering construction department «Soyuz» (Corporation «Tactile missile munitions»); Kazan (Privoljsky) Federal University, Kazan; LLC «Sibelectroterm», Novosibirsk; LLC NPK «Tribonika», Nijny Novgorod; LLC «Uralintech», Ekaterinburg; LLC «Carboprocess», Moscow; JSCo «CSRI of Materials», Saint-Petersburg; LLP «Remplasma», Petropavlovsk, Kazakhstan.
Intellectual property rights. Two patents are issued in RF.
Type of required cooperation: elaborating technologies according to customers’ conditions; delivering plasma equipment; electro-arc plasma torches with power from 10 to 100 kW; plasma spraying units with power up to 100 kW.

Additional information is available on website http://www.itam.nsc.ru

Нанотехнологии в микро- и макрометаллургических процессах

Аннотация. Предлагается способ повышения качества металлов и сплавов с помощью наноразмерных порошковых модификаторов (НМ), который заключается в целенаправленном активном воздействии на жидкие металлы и сплавы в стадии их кристаллизации. Применение НМ в макро- и микрометаллургических процессах приводит к измельчению структурных составляющих затвердевших сплавов и повышению их механических и физико-химических свойств.
Описание. Сущность способа заключается в целенаправленном активном воздействии на жидкие металлы и сплавы в стадии их кристаллизации. В расплав вводится специальная добавка — активированный нанодисперсный порошок тугоплавких соединений. В результате этого в расплаве формируется гетерогенная система в виде суспензии с частицами размером 0,05 – 0,1 мкм, равномерно распределенными по объему расплава, хорошо им смачиваемыми и служащими центрами кристаллизации.

Влияние наномодификаторов (НМ) на свойства соединения при лазерной сварке металлов

Улучшается качество соединения (морфология и структура шва), существенно возрастают его механические характеристики (прочность на разрыв, предел текучести, относительное удлинение).

Инновационные аспекты предложения. Принципиальная новизна данного способа состоит в применении нанодисперсных тугоплавких соединений, ранее для подобных целей не использовавшихся.
Конкурентная способность продукции из модифицированных металлов и сплавов заключается в использовании небольшого количества (менее 0,05 % по массе) и дешевизне керамических нанопорошков, по сравнению с легирующими элементами (ванадий, молибден и др.), применяемыми в настоящее время. Реализация этого способа модифицирования позволит достигнуть значительной экономии остродефицитных легирующих элементов. Эффективность же их воздействия на свойства литого металла превосходит, например, действие РЗМ в 1,5 – 2 раза при значительно более низкой стоимости и массе расходуемого материала. НМ применяется и в других микро- и макрометаллургических процессах, например, при лазерной обработке поверхности металлов, плазменном напылении, при модифицировании отливок и слитков.
Текущая стадия развития. Промышленное освоение технологии модифицирования НМ проводилось на Омском моторостроительном производственном объединении им. П. И. Баранова, Кировском заводе (г. Санкт-Петербург) и др. В настоящее время научно-исследовательские разработки проходят отработку технологических принципов модифицирования стали и сплавов в производственных условиях на предприятиях России (ОАО «Завод Труд», г. Новосибирск, ОАО «ЗСМК», г. Новокузнецк, Лазерный Инновационный Центр ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск), в научно-исследовательских учреждениях Болгарии и Китая.
Права интеллектуальной собственности. Получены патенты РФ в 1998, 2009, 2010 годах.
Тип требующегося сотрудничества. Проведение совместных исследований по применению НМ, услуги по реализации технологии, инвестиционный договор для коммерциализации разработки, лицензионное соглашение.

Дополнительная информация на сайте http://www.itam.nsc.ru

NANOTECHNOLOGIES IN MICRO- AND MACROMETALLURGICAL PROCESSES

Abstract. We suggested a new technological method of improving the mean of nanopowder modifiers (NM) was elaborated. The method is based on active targeted influence on liquid metals and alloys at the crystallization stage. Applying the NM in macro- and micro- metallurgical process results by pulverization of structural components of the alloys hardened, and improving their mechanical and physico-chemical characteristics.
Description. The quality of junction (seal morphology and structure) is improved, its mechanic characteristics (breaking strength, yield limit, relative elongation) are significantly increased
Innovation aspects. A key novelty of the present method is applying nanodispersed high-melting compounds, which were not used before for such aims.
The competitive ability of the articles produced from the modified metals et alloys is to apply not large quality (less than 0.05 % by weight) and cheap ceramic nanopowders in comparison with alloying elements (vanadium, molybdenum and others) used actually. Realizing such a method of modification allows important saving of alloying elements being in a very short supply. The efficiency of their influence on the characteristics of the cast metal overcomes, for example, the influence of earth metals 1.5 – 2 fold at really lower cost and weight of the material consummated. The NM is applied as well for micro-metallurgical processes, for example for laser treatments of metals, plasma spraying.
Current stage of development. Commercial development of the technology of NM modification was done at the Omsk Baranov Motorbuilding Production Association, at the Kirovsky factory (Saint-Petersburg), etc. Currently the science-research elaborations are at the development testing of technological principals of steal and alloys modification in production conditions at the enterprises of Russia (JSC «Zavod Trud», Novosibirsk, JSC «ZSMK», Novokuznetsk) in science-research institutions of Bulgaria and China.
Intellectual property rights. The patent is issued in RF in 1998, 2009, 2010.
Type of required cooperation. Carrying out common researches on NM application, services to realize the technology, investment contracts for commercial production, licensing agreement.

Additional information is available at the site http://www.itam.nsc.ru