×
25.08.2017
217.015.a66a

Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике и машиностроении. Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины ионно-лучевым распылением включает обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при определенном химическом составе упомянутых фаз, при этом определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытие с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом и с изменением процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума, после чего определяют значения микротвердости полученного покрытия при заданном соотношении указанных фаз. На основании полученных данных создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение. Затем проводят тестирование полученной нейросетевой модели путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, факторов нейросетевой модели в виде экспериментально измеренных величин, включающих микротвердость металлического покрытия (Н), микротвердость керамического покрытия (Н) и концентрацию металлической фазы в композите (С) с последующим определением при помощи полученной нейросетовой модели ее выходного параметра в виде значения микротвердости нанокомпозитного покрытия (Н) и сравнением полученного теоретического значения с исходными экспериментальными данными. Затем вводят в упомянутую искусственную нейронную сеть значения микротвердости для металлической и керамической фаз без примесей и процентное соотношение упомянутых фаз в получаемом покрытии и при помощи искусственной нейронной сети определяют значение микротвердости получаемого нанокомпозитного покрытия металл-керамика при введенном соотношении металлической и керамической фаз. В частных случаях осуществления изобретения после сравнения полученного теоретического значения микротвердости нанокомпозитного покрытия (Н) с исходными экспериментальными данными проводят корректировку полученной нейросетевой модели. Обеспечивается повышенная износостойкость с одновременным снижением себестоимости покрытия и высокая стабильность определяемых параметров, используемых для нанесения покрытия. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в различных областях современной электроники, альтернативной энергетике, машиностроении и т.д.

Исследования последних лет показали, что материалы и покрытия с ультрамелкодисперсной структурой и наноструктурными упрочняющими элементами обладают улучшенными физико-химическими и механическими свойствами, поэтому в последние годы во всем мире проводятся работы по разработке способов получения материалов с наноструктурой.

Весьма перспективным направлением является применение не просто наноструктурированных материалов, а нанокомпозитных материалов, сочетающих в себе металлическую и керамическую фазы, характерные размеры которых составляют единицы - десятки нанометров. Механические свойства таких наноструктурированных материалов в значительной степени зависят от концентрационного соотношения между металлической и керамической фазами. Изменение концентрации одной из фаз в композите позволяет менять значение их механических характеристик в достаточно широких пределах. С другой стороны, для нахождения требуемого соотношения металлической и керамической фаз в покрытии, с целью получения заданных свойств, требуются значительные дорогостоящие экспериментальные работы, т.к. характеристики получаемого покрытия изменяются нелинейно, что приводит к значительным временным и материальным затратам.

Известен способ получения наноструктурного покрытия из композита металл-керамика состава (Co86Nb12Ta2)x(SiOn)100-x, включающий осаждение композита ионно-лучевым распылением с обеспечением образования гранул металлической фазы со средним диаметром 2-4 нм, изолированных сплошной керамической фазой, при этом концентрацию металлической фазы при распылении выбирают в пределах 20-40 ат. %. (Патент РФ №2515600, заявка №2011148577/02 от 29.11.2011, МПК: C23C 14/46, C23C 14/06, B82B 3/00 - прототип).

Основным недостатком данного способа является то, что, для нахождения требуемого соотношения металлической и керамической фаз в покрытии, с целью получения заданных свойств, требуются значительные дорогостоящие экспериментальные работы.

Данные обстоятельства обуславливают целесообразность применения методов обработки экспериментальных данных для построения экспериментальных факторных моделей, которые не раскрывают физической сущности явлений, но позволяют описывать и, самое главное, прогнозировать практически важные свойства материалов в некоторой ограниченной области факторного пространства.

Искусственные нейронные сети (ИНС) являются мощным и универсальным алгоритмом аппроксимации (см., например, Барский А.Б. Введение в нейронные сети, М.: Интернет-Университет информационных технологий, 2011; Калацкая Л.В., Новиков В.А., Садов В.С. Организация и обучение искусственных нейронных сетей: Экспериментальное учеб. пособие. - Минск: Изд-во БГУ, 2003. - 72 с. Галушкин А.И. Синтез многослойных систем распознавания образов. - М.: Энергия, 1974).

С одной стороны, искусственные нейронные сети слабочувствительны к структуре экспериментальных данных, а с другой - способны выявлять зависимости между входными и выходными данными, а также выполнять обобщение на основе сравнительно небольшого массива экспериментальных результатов. Нейросетевые алгоритмы способны аппроксимировать произвольную многофакторную зависимость с любой точностью при соответствующей регуляризации процедуры настройки параметров аппроксимационного уравнения. В случае успешного обучения такая сеть сможет вернуть верный результат на основании данных, которые отсутствовали в обучающей выборке, а также на основе неполных или частично искаженных данных. Вследствие этого нейронные сети можно рассматривать не только как инструмент аппроксимации, но и как способ прогнозирования физических свойств реальных объектов на основе экспериментальных данных.

Задачей предложенного технического решения является устранение лишних временных и материальных затрат посредством создания способа определения концентрации компонент в наноструктурном покрытии из гранулированного композита «металл-керамика», и получении собственно самого наноструктурного покрытия из гранулированного композита «металл-керамика», применение которого позволит обеспечить повышенную износостойкость и высокую стабильность параметров с одновременным снижением себестоимости.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины ионно-лучевым распылением, включающим обеспечение в получаемом покрытии необходимого процентного соотношения металлической и керамической фаз при их определенном химическом составе, согласно изобретению, сначала определяют значения микротвердости для металлического и керамического покрытий различного химического состава без примесей керамической или металлической фазы соответственно, затем получают покрытия с заданным химическим составом и заданным процентным соотношением указанных фаз с определенным шагом и с изменением процентного соотношения фаз металл-керамика в покрытии от нуля до максимума, после чего определяют значения микротвердости полученного покрытия при заданном соотношении указанных фаз, затем, на основании полученных данных, создают искусственную нейронную сеть, проводят ее обучение, после чего проводят тестирование полученной нейросетевой модели путем последовательного исключения из статистической выборки, которая использовалась для ее обучения, факторов нейросетевой модели в виде экспериментально измеренных величин, включающих микротвердость металлического покрытия (Нм), микротвердость керамического покрытия (Нк) и концентрацию металлической фазы в композите (Ск) с последующим определением при помощи полученной нейросетовой модели ее выходного параметра в виде значения микротвердости нанокомпозитного покрытия (Н) и сравнением полученного теоретического значения с исходными экспериментальными данными, затем вводят в упомянутую искусственную нейронную сеть значения микротвердости для металлической и керамической фаз без примесей и процентное соотношение упомянутых фаз в получаемом покрытии и при помощи искусственной нейронной сети определяют значение микротвердости получаемого нанокомпозитного покрытия металл-керамика при введенном соотношении металлической и керамической фаз.

В варианте применения способа, после сравнения полученного теоретического значения микротвердости нанокомпозитного покрытия (Н) с исходными экспериментальными данными, проводят корректировку полученной нейросетевой модели.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показаны концентрационные зависимости параметра, характеризующего механические свойства композитов CoFeZr-Al2O3, с указанием точек, полученных экспериментальными и аналитическими исследованиями, на фиг. 2 - зависимости для композитов Fe-Al2O3, на фиг. 3 - зависимости для композитов Fe-SiO2, на фиг. 4 - зависимости для композитов Co-CaF.

На всех фигурах показана концентрационная зависимость микротвердости композитов, измеренная методом Кнупа (символы) и полученная с помощью нейросетевой модели (линия).

Экспериментальные данные представляли собой результат исследования микротвердости нанокомпозитных покрытий металл-керамика, отличающихся друг от друга, как элементным составом, так и соотношением фаз. В качестве факторов модели приняты экспериментально измеренные величины: микротвердость чистого металлического покрытия (Нм), микротвердость чистого керамического покрытия (Нк) и концентрация металличекой фазы в композите (См), при этом в качестве выходного параметра модели используется значение микротвердости композитного покрытия (Н).

Все данные получены при исследовании нанокомпозитов, которые, в свою очередь, были получены по единой технологии, в одинаковых условиях на одном и том же оборудовании. Покрытия представляли собой тонкие пленки толщиной 5-7 мкм, нанесенные на поверхность полированных пластин СТ-50. Осаждение покрытий производилось с помощью метода ионно-лучевого распыления составных мишеней в атмосфере аргона и последующего осаждения выбитых атомов на поверхность подложки. Образование композитной структуры в напыляемых покрытиях происходило вследствие процессов самоорганизации. Наличие композитной структуры у исследованных покрытий непосредственно подтверждалось данными просвечивающей электронной микроскопии.

Для структурных исследований композиты наносились на монокристаллические подложки из NaCl с последующим отделением, а длительность процесса осаждения составляла несколько минут. Микротвердость композитных покрытий исследовалась методом индентирования алмазной пирамидкой. Поскольку толщина покрытий находилась в интервале 5-7 мкм, для измерений использовалась алмазная пирамидка Кнупа. Все измерения микротвердости проводились при одинаковой нагрузке на индентор, составлявшей 0.49 Н.

При помощи искусственной нейронной сети рассчитывали значения микротвердости получаемого нанокомпозитного покрытия металл-керамика при заданном соотношении металлической и керамической фаз, при этом, для формирования отображения Н=fNмкм), использовали

стандартную структуру многослойного персептрона и формировали персептрон, после чего выход сети рассчитывали по формуле: , при этом в качестве функции активации используют логистическую сигмоиду , где: после чего определяют выходы нейронов первого скрытого слоя следующим образом: , где:, затем входные переменные приводят в диапазон [0;1] согласно минимаксным формулам: x1=0.01⋅cм; х2=0.003636⋅Hм-2.090909; х3=0.00125⋅Нк-0.125, при этом выход сети связывают с искомой величиной Н соотношением: , где - значение порога активации i(j)-го нейрона k-го скрытого слоя нейронной сети; b0 - значение порога активации выходного нейрона сети; b -вектор порогов активации нейронов сети; см - концентрация металлической фазы в нанокомпозите, ат. %; ED - суммарная квадратическая ошибка обучения сети; Ew - сумма квадратов весов сети; fs - функция активации j-го нейрона - логистическая сигмоида; F - целевая функция обучения сети; Н - микротвердость композита с определенной концентрацией металлической фазы, ед. Кнупа; Нk и НM - микротвердость чистой керамической и металлической фазы соответственно, ед. Кнупа; К - энергетический фактор; q - количество нейронов в случае одного скрытого слоя многослойного персептрона; vi - вес нейрона выходного слоя, соответствующий i-му нейрону последнего скрытого слоя; vil - вес соединения i-го нейрона первого скрытого слоя с l-м входом; v - матрица весов соединений входных переменных и нейронов первого скрытого слоя; wji - нелинейно входящий в модель нейронной сети вес между j-м нейроном второго скрытого слоя и i-м нейроном первого скрытого слоя; w - матрица весов соединений нейронов первого и второго скрытых слоев персептрона; у - выходное значение нейронной сети, к - керамический; м - металлический; i - номер нейрона первого скрытого слоя; j - номер нейрона второго скрытого слоя; l - номер входной переменной; n - количество входных переменных.

Проведенные экспериментальные и аналитические исследования на натурных образцах подтвердили достаточно хорошую сходимость экспериментальных данных с теоретическими данными, полученными при использовании заложенной математической модели, что показывает работоспособность предложенного способа в заданном интервале.

Использование предложенного технического решения позволит построить регрессионные зависимости, открытые для новых данных, то есть созданные модели могут пополняться и уточняться за счет введения новых факторов, что усложняет их структуру, но при этом повышает их адекватность.


Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины
Способ получения износостойкого нанокомпозитного покрытия с заданным значением микротвердости на поверхности полированной ситалловой пластины
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 141-150 of 738 items.
10.04.2014
№216.012.b4a2

Турбонасосный агрегат и способ перекачивания холодной, горячей и промышленной воды

Изобретение относится к турбонасосостроению. Турбонасосный агрегат содержит турбинный узел c корпусами подвода и отвода рабочего тела, сопловым аппаратом, одноступенчатой турбиной. Агрегат содержит насосный узел со шнекоцентробежным рабочим колесом. Корпус подвода рабочего тела снабжен...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511963
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b4a3

Турбинный узел турбонасосного агрегата

Изобретение относится к турбонасосостроению. Турбинный узел агрегата включает корпус подвода рабочего тела - пара, сопловый аппарат с наклонными соплами, турбину, имеющую вал с рабочим колесом, и расположенный за турбиной по потоку пара корпус отвода отработанного пара. Корпус подвода пара...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511964
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b4a6

Турбонасосный агрегат и способ перекачивания холодной, горячей и промышленной воды

Группа изобретений относится к турбонасосостроению. Турбонасосный агрегат содержит турбинный, опорный и насосный узлы. Турбинный узел включает корпусы подвода и отвода пара, сопловый аппарат и одноступенчатую турбину. Насосный узел включает корпус насоса, шнекоцентробежное рабочее колесо и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511967
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b4a8

Турбонасосный агрегат и способ перекачивания холодной, горячей и промышленной воды

Изобретение относится к турбонасосостроению. Турбонасосный агрегат содержит турбинный узел, включающий корпуса подвода и отвода пара, сопловый аппарат и турбину. Агрегат содержит насосный узел, включающий корпус со шнекоцентробежным рабочим колесом закрытого типа. Корпус насоса включает корпуса...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511970
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b4ab

Насосный узел турбонасосного агрегата и автомат осевой разгрузки ротора турбонасосного агрегата

Группа изобретений относится к турбонасосостроению. Корпус насоса включает корпусы входа и отвода перекачиваемой среды и уступообразный тыльный кольцевой элемент, образующие совместно проточную полость для размещения шнекоцентробежного рабочего колеса закрытого типа и автомата осевой разгрузки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511974
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b4b0

Способ сжигания топлива

Изобретение относится к энергетическому, химическому и транспортному машиностроению и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок. Предложен способ сжигания топлива, заключающийся в предварительном разделении потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закрутке...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511980
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b4b3

Турбонасосный агрегат и способ перекачивания холодной, горячей и промышленной воды

Изобретение относится к турбонасосостроению. Турбонасосный агрегат содержит турбинный узел, включающий корпус подвода пара, сопловый аппарат с наклонными конфузорно-диффузорными соплами, турбину, имеющую вал с рабочим колесом, и расположенный за турбиной по потоку корпус отвода отработанного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511983
Дата охранного документа: 10.04.2014
20.04.2014
№216.012.b8e3

Тракт охлаждения теплонапряженных конструкций

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к двигателестроению и может быть использовано при создании камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Тракт охлаждения теплонапряженных конструкций содержит наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, образованными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513059
Дата охранного документа: 20.04.2014
27.04.2014
№216.012.bdff

Статор ветроэлектрогенератора

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Изобретение направлено на увеличение степени использования стоек U-образных магнитопроводов. Статор ветроэлектрогенератора содержит источник магнитного поля, U-образные магнитопроводы, катушки и крепежные элементы, источники возбуждения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514379
Дата охранного документа: 27.04.2014
27.04.2014
№216.012.be8e

Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам подачи топлива в газотурбинный двигатель (ГТД), а также к топливным системам ГТД. Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель при запуске после длительного пребывания при низких температурах заключается в подогреве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514522
Дата охранного документа: 27.04.2014
Showing 141-150 of 817 items.
27.04.2014
№216.012.be8c

Ветроэлектроагрегат

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветроэлектроагрегат, содержащий поворотное основание, с неподвижной и подвижной частями, башню с противовесом, траверсу, поворотные стойки с магнитопроводами и ветроколесами со втулками и с роторными элементами, направляющий элемент. Неподвижная...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514520
Дата охранного документа: 27.04.2014
27.04.2014
№216.012.be8e

Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам подачи топлива в газотурбинный двигатель (ГТД), а также к топливным системам ГТД. Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель при запуске после длительного пребывания при низких температурах заключается в подогреве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514522
Дата охранного документа: 27.04.2014
10.05.2014
№216.012.bf9d

Испаритель криогенной жидкости

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для испарения сред, находящихся в жидком состоянии. Испаритель криогенной жидкости содержит корпус, в котором расположены теплообменные элементы и нагреватель. Корпус выполнен в виде двух двухслойных оболочек, образующих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514802
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.05.2014
№216.012.c018

Мехатронно-модульный робот

Изобретение относится к машиностроению, а именно к робототехнике. Технический результат - повешенная эффективная ориентация мехатронно-модульного робота в окружающей среде. Мехатронно-модульный робот состоит, как минимум, из двух сопряженных между собой модулей, сопряжение каждого нового модуля...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514925
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.05.2014
№216.012.c16c

Индукторный синхронный генератор

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается особенностей конструктивного выполнения синхронных генераторов индукторного типа, применяемых, например, в автотракторном оборудовании. В предлагаемом синхронном генераторе, содержащем источник...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515265
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.05.2014
№216.012.c177

Автотракторный бесконтактный электрогенератор

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к бесконтактным синхронным генераторам индукторного типа, работающим преимущественно на выпрямительную нагрузку, применяемым в генераторных установках автотракторной техники. Технический результат, заключающийся в минимальном вмешательстве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515276
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.05.2014
№216.012.c191

Ротор

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ротор содержит вертикальный вал, башню, основные и дополнительные лопасти. Вертикальный вал снабжен основанием, вертикальными стойками и перемычкой, расположенной между вертикальными стойками. Стойки снабжены горизонтальными валами, вращающимися...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515302
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.05.2014
№216.012.c296

Статор электрической машины

Изобретение относится к области электрических машин, в частности к генераторам ветроэнергетических установок. Техническим результатом является упрощение технологии, уменьшение стоимости. Статор электрической машины содержит обмотку, активные и пассивные электромагнитные элементы, крепежные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515563
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.05.2014
№216.012.c297

Синхронный генератор

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам, а именно к синхронным генераторам индукторного типа, применяемым, например, в автотракторном оборудовании. В предлагаемом синхронном генераторе, содержащем источник возбуждения, статор с полюсными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515564
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.05.2014
№216.012.c2a3

Сопло камеры жидкостного ракетного двигателя

Изобретение относится к области ракетной техники. Сопло камеры жидкостного ракетного двигателя содержит наружную и огневую оболочки с каналами охлаждения между ними, образованными двутавровыми проставками, на которых размещены турбулизаторы потока. Полки двутавровых проставок выполнены...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515576
Дата охранного документа: 10.05.2014
+ добавить свой РИД