Методы и алгоритмы автоматизации управления технологическим процессом формирования композиционных покрытий

Представлена методика автоматизации управления процессом детонационно-газового напыления (ДГН) реакционноспособных композиционных покрытий системы Ni/Al на основе системы поддержки принятия решений (СППР) и цифрового двойника технологического процесса. Разработанная архитектура включает уровни низкоуровневого контроля с программируемым логическим контроллером, стабилизации параметров струи по данным диагностического комплекса, предиктивного регулирования качества и оптимизационного контура, реализующего многокритериальную адаптацию режимов напыления.
В качестве выходных переменных модели использовались структурные метрики, полученные методом морфометрического анализа изображений электронной микроскопии: средняя площадь пор, число нерасплавленных частиц, удельная длина межфазных границ и доля предварительно образованных интерметаллидных фаз. Для описания взаимосвязей между технологическими параметрами (степень наполнения, соотношение газов, дистанция напыления, расход порошка, температура и давление газа) и структурными характеристиками применена методология поверхности отклика (RSM) с квадратичными регрессионными моделями. Дисперсионный анализ (ANOVA) подтвердил статистическую значимость факторов и адекватность моделей.
Результаты численного моделирования и верификации показали, что температура газового потока и дистанция напыления оказывают наибольшее влияние на формирование межфазных границ. Оптимизация параметров методом желательности Харрингтона и с использованием генетического алгоритма позволила минимизировать пористость и число нерасплавленных частиц, одновременно максимизируя длину границ. Средняя ошибка прогноза по всем метрикам не превышает 5...8 %.
Разработанная СППР обеспечивает адаптивный выбор и корректировку режимов ДГН, сокращает объем экспериментальных испытаний и обеспечивает воспроизводимость структуры покрытия. Методика может быть интегрирована в интеллектуальные системы автоматического управления и платформы цифровых двойников технологических процессов, а дальнейшее развитие связано с применением машинного обучения и гибридных физико-статистических моделей.

1. Sampath S., Ravi V. P., Sundararajan S. An Overview on Synthesis, Processing and Applications of Nickel Aluminides: From Fundamentals to Current Prospects // Crystals. 2024. Vol. 13(3). Art. 435. DOI: 10.3390/cryst13030435.

2. Gao X., Martin S., Wen X., Tian Y., Zhang B., Wang Y., Chen Y., Qiao Sh., Wang F., Liu S., Yuan C. Thermodynamics and kinetics of interdiffusion in Ni//NiAl diffusion couples // Journal of Alloys and Compounds. 2024. Vol. 971. Art. 172751. DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.172751.

3. Filipek R., Danielewski M., Tyliszczak, E., Pawelkiewicz M., Datta S. Thermal Stability of NiAl-Base Coatings for High Temperature Application // Defect and Diffusion Forum. 2005. P. 709—714. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.237-240.709.

4. Ostovari Moghaddam A., Samodurova M., Mikhailov D., Trofimov E. High entropy intermetallic coatings fabricated by detonation spraying // Materials Letters. 2022. Vol. 311. Art. 131560. DOI: 10.1016/j.matlet.2021.131560.

5. Jia Q., Li D., Li S., Zhang Z., Zhang N. High-Temperature Oxidation Resistance of NiAl Intermetallic Formed In Situ by Thermal Spraying // Coatings. 2018. N. 8. Art. 292. DOI: 10.3390/coatings8080292.

6. Ostovari Moghaddam A., Shaburova N., Naseri M.,Latfulina Y., Samodurova M., Krymsky V., Litvinyuk K., Trofimov E. Detonation Spraying of Ni-Based Composite Coatings Reinforced by High-Entropy Intermetallic Particles // Metals. 2023. N. 13. Art. 1807. DOI: 10.3390/met13111807.

7. Kantay N., Rakhadilov B., Kurbanbekov S., Yeskermessov D., Yerbolatova G., Apsezhanova A. Influence of DetonationSpraying Parameters on the Phase Composition and Tribological Properties of Al2O3 Coatings // Coatings. 2021. N. 11. Art. 10. DOI: 10.3390/coatings11070793.

8. Dutta G., Gupta N., Fourer R. An optimization-based decision support system for strategic planning in a process industry: The case of aluminium company in India // Journal of the Operational Research Society. 2011. N. 62. P. 616—626. DOI: 10.1057/jors.2010.8.

9. Malamousi K., Delibasis K., Allcock B., Kamnis S. Digital transformation of thermal and cold spray processes with emphasis on machine learning // Surface and Coatings Technology. 2022. N. 433. Art. 128138. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128138.

10. Kiener C., Schwarzer S., Zimmermann S. An Intelligent digital twins streamlines the production planning in context of custom 3D workpieces for powder coating // IEEE Access. 2025. Vol. 13. P. 35243—35253. DOI: 10.1109/ACCESS.2025.3544140.

11. Агарков А. А., Самборук А. Р., Нечаев И. В. Детонационно-газовое напыление композиционных покрытий tic-Fe и tic-Fe-AL2O3 // Современные материалы, техника и технологии. 2020. № 2(29). С. 4—9.

12. Ulianitsky V. Yu., Dudina D. V., Batraev I. S., Rybin D. K., Bulina N. V., Ukhina A. V., Bokhonov B. B. The influence of the in-situ formed and added carbon on the formation of metastable Ni-based phases during detonation spraying // Materials Letters. 2016. Vol. 181. P. 127—131. DOI: 10.1016/j.matlet.2016.06.022.

13. Maulet M., Rakhadilov B. K., Wieleba W., Sagdoldina Zh. B. Utilizing detonation spraying in the process of fortifying components within power plant technology // Bulletin of Shakarim University. Technical Sciences. 2024. N. 1(13). P. 347—352. DOI: 10.53360/2788-7995-2024-1(13)-43.

14. Li L., Wang L., Zhao L., Wang X. Microstructure and adhesion strength of NiAl coating prepared on Q235 substrate by combustion synthesis assisted with Cu-Zn interlayer // Surface and Coatings Technology. 2018. Vol. 344. P. 564—571. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.03.076.

15. Пантелеенко Ф. И., Жэн П. Прогрессивные технологии лазерной наплавки и газотермического напыления // Литье и металлургия. 2024. № 3. С. 61—65. DOI: 10.21122/1683-6065-2024-3-61-65.

16. Baizhan D., Sagdoldina Zh., Buitkenov D., Kambarov Y., Nabioldina A., Zhumabekova V., Bektasova G. Study of the Structural-Phase State of Hydroxyapatite Coatings Obtained by Detonation Spraying at Different O2/C2H2 Ratios // Crystals. 2023. N. 13. Art. 1564. DOI: 10.3390/cryst13111564.

17. Baizhan D., Sagdoldina Zh., Buitkenov D., Kot M., Zhurerova L. Influence of Detonation Spraying Parameters on the Microstructure and Mechanical Properties of Hydroxyapatite Coatings // Materials. 2024. N. 17. Art. 5390. DOI: 10.3390/ma17215390.

18. Чижик С. А., Витязь П. А., Хейфец М. Л., Ивашко В. С., Харламов М. Ю., Харламов Ю. А. Моделирования процессов формирования, изнашивания и разрушения газотермических покрытий на различных структурных уровнях // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18, № 4 (208). С. 184—192. DOI: 10.36652/1813-1336-2022-18-4-184-192.

19. Jurić D., Čatipović N., Peko I., Krolo J., Antunović K., Kunac K., Kljajo M., Oñate A., Tuninetti V. Multi-objective optimization of thermally sprayed CrNiMo coatings on titanium substrates: influence of spray distance and layer count on mechanical properties using desirability analysis // International conference "Mechanical Technologies and Structural Materials". 2025. P. 123—137.

20. Dudina D., Pribytkov G., Krinitcyn M., Korchagin M., Bulina N., Bokhonov B., Batraev I., Rybin D., Ulianitsky V. Detonation spraying behavior of TiCx-Ti powders and the role of reactive processes in the coating formation // Ceramics International. 2015. No. 40. P. 3253—3260. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.08.166.

21. Pichugin N., Pesterev E., Yakovlev E., Maznoy A. Improving high-temperature oxidation resistance of porous Ni-Al intermetallics obtained by self-propagating high-temperature synthesis through microalloying with Dy and Y // Journal of Alloys and Compounds. 2025. Vol. 1010. Art. 178057. DOI: 10.1016/j.jallcom.2024.178057.

22. Nikbakht R., Assadi H. Phase-field modelling of self-propagating high-temperature synthesis of NiAl // Acta Materialia. 2012. Vol. 60, N. 10. P. 4041—4053. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.04.017.

23. Mukhachev A., Yelatontsev D., Kharytonova O., Grechanyuk N. Production of Neutron-Absorbing Zirconium-Boron Alloy by Self-Propagating High-Temperature Synthesis and Its Refining via Electron Beam Melting // Alloys. 2024. N. 3. P. 232—245. DOI: 10.3390/alloys3030013.

24. Толочко Б. П., Золотарев К. В. Исследование быстропротекающих твердофазных химических реакций в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения // Журнал структурной химии. 2016. Т. 57, № 7. С. 1362—1388. DOI: 10.15372/JSC20160702.

25. Lis J. Self-Propagating High-Temperature Synthesis // Encyclopedia of Materials: Technical Ceramics and Glasses. 2021. P. 40—58. DOI: 10.1016/B978-0-12-803581-8.12076-4.

26. Ксандопуло Г. И. Модифицирующее воздействие сил вращения на механизм процессов во фронте волны самораспространяющегося высокотемпературного синтеза металлотермических систем при синтезе неорганических материалов // Горение и взрыв. 2021. Т. 14, № 1. С. 89—95. DOI: 10.30826/CE21140111.

27. Ward D., Gupta A., Saraf S., Zhang C., Selvan Sakthivel T., Barkam S., Agarwal A., Seal S. Functional NiAl-graphene oxide composite as a model coating for aerospace component repair // Carbon. 2016. Vol. 105. P. 529—543. DOI: 10.1016/j.carbon.2016.04.025.

28. Zeba N., Faheem J. Tuning plasma jet parameters for enhanced ceramic composite coatings: A comprehensive review of microstructure, performance, and applications // Next Materials. 2025. Vol. 9. 101206. DOI: 10.1016/j.nxmate.2025.101206.

29. Батраев И. С. Использование многокомпонентного топлива метилацетилен-алленовая фракция (МАФ) при детонационном напылении // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. № 1(145). С. 14—19.

30. Bao Y., Xie G., Pu P., Yao X., Jin W., Xia D.-H. Failure analysis and corrosion prediction of scratched coating/steel system in marine atmosphere using semantic segmentation and temporal prediction // Engineering Failure Analysis. 2025. Vol.181. 109912. DOI:10.1016/j.engfailanal.2025.109912.

31. Zhou Y., Kang J., Liu M., Ma G., Zhang Q., Zhang J., Peng Q., Gao R., Wang H. Intelligent thermal spraying: A comprehensive review of innovation driven by artificial intelligence and machine learning // Materials Today Communications. 2025. Vol. 49. Art. 113804. DOI: 10.1016/j.mtcomm.2025.113804.

32. Wang S., Shen Y. CFD-DEM modelling of dense gassolid reacting flow: Recent advances and challenges // Progress in Energy and Combustion Science. 2025. Vol. 109. Art. 85. DOI:10.1016/j.pecs.2025.101221.

33. Quaye E. K., Jianfeng P., Baowei P., Qingbo L., Yi Z., Chao J., Nauman M., Ibeobi S. Advancing sustainable combustion: A comprehensive review of response surface methodology driven optimization and applications in alternative fuel combustion systems // International Journal of Hydrogen Energy. 2025. Vol. 170. Art. 151190. DOI:10.1016/j.ijhydene.2025.151190.

34. Ihme M., Tong Chung W., Ananda Mishra A. Combustion machine learning: Principles, progress and prospects // Progress in Energy and Combustion Science. 2022. Vol. 91. Art. 101010. DOI: 10.1016/j.pecs.2022.101010.

35. Akbarpour H., Mohajeri M., Moradi M. Investigation on the synthesis conditions at the interpore distance of nanoporous anodic aluminum oxide: A comparison of experimental study, artificial neural network, and multiple linear regression // Computational Materials Science. 2013. Vol. 79. P. 75—81. DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.05.048.

36. Салахова Р. К., Тихообразов А. Б., Фарафонов Д. П., Смирнова Т. Б. Особенности электролитического осаждения абразивно-износостойких покрытий на основе никеля // Труды ВИАМ. 2022. № 2(108). С. 99—110. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-2-99-110.

37. Liu M., Tan Z, Zhao Y., Wang H., Zhang S., Ma R., Jiang T., Ma Z., Zhong N., Li W. Optimization of Spray Parameters and Corrosion Properties of Plasma-Sprayed Cr2O3 Coatings Using Response Surface Methodology // Crystals. 2025. N. 15(4). Art. 377. DOI: 10.3390/cryst15040377

38. Hamweendo A., Popoola P., Botef I. Mathematical model for predicting process parameters in cold spray of porous Ti coatings // Mathematical Methods in Science and Engineering. 2014. P. 225—229. DOI: 10.13140/2.1.2846.1123.