Yugra State University BulletinYugra State University BulletinВестник Югорского государственного университета1816-92282078-9114Yugra State University4661710.17816/byusu202027-18Devices and methods for monitoring substances and materialsПриборы и методы контроля веществ и материаловResearch ArticleMethods of control of structure formation in the processes of high-temperature synthesis (review)Методы контроля структурообразования в процессах высокотемпературного синтеза (обзор)DolmatovAlexey V.ДолматовАлексей Викторович
Russian Federation

Candidate of Technical Sciences; Associate Professor, Institute of Digital Economy, Yugra State University

Кандидат технических наук; Доцент Института цифровой экономики Югорского государственного университета

adolmatov@bk.ruYugra State UniversityЮгорский государственный университет090520201627180910202009102020Copyright ©; 2020, Dolmatov A.V.Copyright ©; 2020, Долматов А.В.2020Dolmatov A.V.Долматов А.В.http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/46617

The paper provides an overview of modern methods for studying the dynamics of structure formation of materials. The analysis of the possibilities of dynamic electron microscopy methods and optical methods for controlling the structural-phase state of materials in high-temperature fast-flowing processes is carried out. Methods of pyrometry in the field of SHS, gas-thermal spraying of coatings, and additive synthesis of metal and ceramic products are considered. A review of a new non-contact method for measuring the temperature and spectral degree of blackness of materials is presented. The results of theoretical and experimental studies aimed at implementing the approach of pyrometric control of structure formation in high-temperature processes are presented. An example is given of complex studies of the dynamics of structural formations: metal-oxygen, metal-carbon, on the surface of a tungsten, molybdenum and tantalum foil heated by electric current in an inert gas medium. It compares the results of pyrometric studies with the microstructure and microelement composition of the phases of frozen samples. At the end of the work, a conclusion is drawn on the rational organization of the observation of structure formation in high-temperature synthesis processes from the point of view of constructing an automatic control system.

В работе приведен обзор современных методов изучения динамики структурообразования материалов. Выполнен анализ возможностей методов динамической электронной микроскопии и оптических методов контроля структурно-фазового состояния материалов в высокотемпературных быстропротекающих процессах. Рассмотрены методы пирометрии в области СВС, газотермического напыления покрытий и аддитивного синтеза изделий из металла и керамики. Представлен обзор нового бесконтактного метода измерения температуры и спектральной степени черноты материалов. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на реализацию подхода пирометрического контроля структурообразования в высокотемпературных процессах. Приведен пример комплексных исследований динамики структурных образований: металл-кислород, металл-углерод – на поверхности фольги вольфрама, молибдена и тантала, нагреваемой электрическим током в инертной газовой среде. В нем результаты пирометрических исследований сопоставлены с микроструктурой и микроэлементным составом фаз замороженных образцов. В завершении работы приведен вывод о рациональной организации контроля структурообразования в процессах высокотемпературного синтеза с точки зрения построения системы автоматического регулирования.

SHSthermal sprayingadditive synthesisphasestructuretemperaturedynamic electron micros-copythermal imagingdegree of blacknessmaterialСВСгазотермическое напылениеаддитивный синтезфазаструктуратемпературадинамическая электронная микроскопиятепловизионная съемкастепень чернотымате-риалThe work was carried out within the framework of the RFBR projects No. 18-08-01475 and 18-08-01152.Работа выполнена в рамках проектов РФФИ №18-08-01475 и 18-08-01152.Нобелевский лауреат создал первый 4D-микроскоп. – Текст : электронный // Время электроники. – URL: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/news/9318/doc/27941/ (дата обращения: 14.05.2020).Tomographic imaging of molecular orbitals / J. Itatani [et al.]. – Nature. – 2004. – Vol. 432. – P. 867–871.Space charge effects in ultrafast electron diffraction and imaging / Z. Tao [et al.] // Journal of Applied Physics. – 2012. – Vol. 111, № 4. – Р. 044316.Zewail, A. H. 4D ultrafast electron diffraction, crystallography, and microscopy / A. H. Zewail // Annual Review of Physical Chemistry. – 2006. – № 57. – Р. 65–103.Ultrafast Electron Diffraction / V. A. Lobastov [et al.] // Ultrafast Optics IV : Selected Contri-butions to the 4th International Conference on Ultrafast Optics, Vienna, Austria / editors F. Krausz [et al.]. – New York : Springer, 2004. – P. 419–435.Zewail, A. H. 4D Electron Microscopy : Imaging in Space and Time / A. H. Zewail, J. M. Thomas. – London : Imperial College Press, 2010. – 346 p.Сверхбыстрая электронная дифракция и электронная микроскопия: современное состоя-ние и перспективы / А. А. Ищенко, С. А. Асеев, В. Н. Баграташвили. – Текст : непосред-ственный // УФН. – 2014. – № 184. – С. 681–722.Рогачев, А. С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику / А. С. Рогачев, А. С. Мукасьян. – Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2012. – 398 с. – ISBN 978-5-9221-1441-7. – Текст : непосредственный.Капиллярные гидродинамические явления в процессе без газового горения / А. И. Кир-дяшкин, В. Д. Китлер, В. Г. Саламатов. – Текст : непосредственный // Физика горения и взрыва. – 2007. – Т. 43. – № 6. – С. 31–39.Особенности структурной динамики высокотемпературных металлотермических про-цессов на примере системы FeO-Al-А12О3 / А. И. Кирдяшкин, В. Д. Китлер, В. Г. Сала-матов, Р. А. Юсупов. – Текст : непосредственный // Физика горения и взрыва. – 2008. – Т. 44. – № 1. – С. 80–84.New procedure of high-rate brightness pyrometry for studying the SHS processes / D. A. Gar-kol’, P. Y. Gulyaev, V. V. Evstigneev, A. B. Mukhachev. – Текст : непосредственный // Фи-зика горения и взрыва. – 1994. – Т. 30. – № 1. – С. 72–77.Рябченко, И. К. Программно-аппаратная реализация модуля обработки изображений по-тока частиц в составе интеллектуальной цифровой видеокамеры / И. К. Рябченко, А. И. Постоев, В. И. Иордан. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведе-ний. Физика. – 2013. – Т. 56. – № 8-3. – С. 342–347.Ермаков, К. А. Система оптического контроля скорости и температуры частиц в техно-логиях газотермического напыления // Вестник Югорского государственного универси-тета / К. А. Ермаков, А. В. Долматов, И. П. Гуляев. – Текст : непосредственный // 2014. – № 2 (33). – С. 56–68.Исследования гомогенной и гетерогенной плазмы методами спектроскопии и скорост-ной визуализации / Т. Ш. Белялетдинов, С. В. Горячев, В. В. Щербаков, В. Ф. Чиннов. – Текст : непосредственный // Вестник МЭИ. – 2009. – № 4. – С. 61–69.Mauer, G. Detection of Melting Temperatures and Sources of Errors Using Two-Color Pyrome-try During In-Flight Measurements of Atmospheric Plasma-Sprayed Particles / G. Mauer, R. Vassen, D. Stover // International Journal of Thermophysics. – 2008. – № 29. – Р. 764–786.SprayWatch Systems // AEROMAC. – URL: http://www.aeromac.com.sg/index.html (Дата обращения: 25.04.2020).NIR Sensor // SprayWerx Technologies. – URL: http://www.spraywerx.com/equipment/nir-sensor/ (Дата обращения: 15.05.2020).Магунов, А. Н. Спектральная пирометрия (обзор) / А. Н. Магунов. – Текст : непосред-ственный // Приборы и техника эксперимента. – 2009. – № 4. – С. 5–28.Шведов, А. Гиперспектральные сенсоры компании IMEC. Решения для высококаче-ственного спектрального анализа / А. Шведов. – Текст : электронный // Фотоника : научно-производственная компания. – URL: http://www.npk-photonica.ru/images/giperspektralnye-sensory-kompanii-imec-pdf163406.pdf (Дата обраще-ния: 14.05.2020).Гиперспектральные регистрирующие системы видимого и ближнего ИК диапазонов на основе акустооптических фильтров / М. М. Мазур, В. Н. Шорин, В. М. Епихин [и др.]. – Текст : непосредственный // Сборник тезисов докладов научно-технической конферен-ции «Гиперспектральные приборы и технологии». – Красногорск : КОНТЕНАНТ, 2013. – С. 35–38.Иордан, В. И. Редукция температурного распределения частиц гетерогенных потоков методом «обращения» их интегрального теплового спектра / В. И. Иордан, А. А. Соло-вьев. – Текст : непосредственный // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. – 2010. – Т. 2. – № 98. – С. 85–95.A New Sensor System for Industrial Combustion Monitoring and Control using UV Emission Spectroscopy and Tomography / R. Obertacke, H. Wintrich, F. Wintrich, A. Leipertz // Com-bustion Science and Technology. – 1996. – Vol. 121. – P. 133–151.Магунов, А. Н. Спектральная пирометрия объектов с неоднородной температурой / А. Н. Магунов. – Текст : непосредственный // Журнал технической физики. – 2010. – Т. 80. – № 7. – С. 78–82.Русин, С. П. Восстановление температуры непрозрачных тел по спектру теплового из-лучения: использование относительной излучательной способности для выбора опти-мального спектрального участка / С. П. Русин. – Текст : непосредственный // Теплофи-зика и аэромеханика. – 2013. – Т. 20. – № 5. – С. 643–659.Способ спектрально-яркостной пирометрии объектов с неоднородной температурой по-верхности : Патент № 2616937, МПК G01J 5/50 : № 2015123315 : заявл. 17.06.2015 : опубл. 18.04.2017 / И. П. Гуляев, А. В. Долматов, П. Ю. Гуляев, М. П. Бороненко. – 12 с. – Текст : непосредственный.Control of dispersed-phase temperature in plasma flows by the spectral-brightness pyrometry method / A. V. Dolmatov, I. P. Gulyaev, P. Y. Gulyaev, V. I. Jordan. – DOI 10.1088/1757-899X/110/1/012058// IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. – Tomsk, 2016. – Р. 012058.Gulyaev, I. P. Spectral-brightness pyrometry: Radiometric measurements of non-uniform tem-perature distributions / I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov. – DOI 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.084 // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – № 116. – Р. 1016–1025.Gulyaev, I. P. Diagnostic system YuNA for disperse phase properties control in plasma and la-ser powder deposition processes / I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov. – DOI 10.1088/1742-6596/1115/3/032072 // Journal of Physics : Conference Series. – 2018. – № 1115(3). – Р. 032072.Dolmatov, A. V. The optical control system of dispersed phase properties in thermal spray pro-cess / A. V. Dolmatov, I. P. Gulyaev, V. I. Jordan. – DOI10.1088/1757-899X/81/1/012041 // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. – 2015. – Vol. 81(1). – Р. 012041.Arc-plasma wire spraying: an optical study of process phenomenology / I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov, P. Y. Gulyaev [et al.]. – DOI 10.1007/s11666-015-0356-6 // Journal of Thermal Spray Technology. – 2015. – Vol. 24(8). – Р. 1566–1573.Anomalous high-velocity outbursts ejected from the surface of tungsten microdroplets in a flow of argon-air plasma / I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov, P. Y. Gulyaev [et al.]. – DOI 10.1088/1757-899X/110/1/012057 // IOP Conference Series : Materials Science and Engineer-ing. – 2016. – Vol. 110. –P. 012057.Analysis and optimization of gas-thermal spray process in terms of condensed phase velocity and temperature / A. V. Dolmatov, I. P. Gulyaev, V. I. Kuzmin [et al.]. – DOI 10.1134/S0869864317010097 // Thermophysics and Aeromechanics. – 2017. – Vol. 24(1). – P. 83–94.Сверхзвуковые плазменные потоки в процессах нанесения покрытий и получения дис-персных материалов / В. И. Кузьмин, И. П. Гуляев, Е. Е. Корниенко [и др.]. – Текст : непосредственный // Климовские чтения – 2016: перспективные направления развития авиадвигателестроения : сборник докладов международной научно-технической конфе-ренции. – 2016. – С. 309–316.Долматов, А. В. Оценка спектральной степени черноты материалов средствами оптиче-ской пирометрии / А. В. Долматов, И. В. Милюкова, А. Э. Алиев.]. – Текст : непосред-ственный // Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии. – 2018. – Т. 2. – № 1. – С. 147–155.Пирометрические исследования структурообразования в процессе стационарного нагре-ва вольфрама / А. В. Долматов, И. В. Милюкова, А. М. Пургин, И. М. Исакова // Совре-менные научные исследования и инновации. – 2016. – № 12 (68). – С. 281–290.Автоматизированный комплекс пирометрического контроля структурообразования в материалах / А. В. Долматов, И. В. Милюкова, И. М. Исакова, А. В. Калачев. – Текст : непосредственный // Многоядерные процессоры, параллельное программирование, ПЛИС, системы обработки сигналов. – 2017. – Т. 1. – № 7. – С. 172–183.Dolmatov, A. V. Investigation of structure formation in thin films by means of optical pyrome-try / A. V. Dolmatov, I. V. Milyukova, P. Y. Gulyaev. – DOI 10.1088/1742-6596/1281/1/012010 // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1281. – P. 012010.