Автореферат (Повышение надёжности материалов судовой арматуры путём модифицирования поверхности лазерной и электронно-пучковой обработкой)

На правах рукописиКУЗНЕЦОВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ СУДОВОЙ АРМАТУРЫПУТЕМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ИЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКОЙСпециальность: 05.16.09 – «Материаловедение (машиностроение)»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукСанкт-Петербург - 20192Работа выполнена в Акционерном обществе «Машиностроительный завод«Армалит»Научный руководитель:Савенков Георгий Георгиевич, доктор технических наук,профессор кафедры «Химическая энергетика» СанктПетербургского государственного технологического института(технический университет), г. Санкт-Петербург.Официальные оппоненты:Столяров Владимир Владимирович, доктор технических наук,профессор, главный научный сотрудник Федеральногогосударственного бюджетного учреждения науки «Институтмашиноведения им.

А.А. Благонравова Российской академиинаук», г. Москва.Кузнецов Павел Алексеевич, доктор технических наук,начальникнаучно-исследовательскогоотделения«Наноматериалы и нанотехнологии» НИЦ «Курчатовскийинститут» - ЦНИИ КМ «Прометей», г. Санкт-Петербург.Ведущая организация:Институт проблем машиностроения РАН – филиалФедерального государственного бюджетного научногоучреждения «Федеральный исследовательский центр Институтприкладной физики Российской академии наук», г. НижнийНовгородЗащита состоится «26» марта 2019 г. в 1400 час.

на заседаниидиссертационного совета Д 212.229.30 при ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого» по адресу 195251, СанктПетербург, Политехническая, 29, лабораторно-аудиторный корпус, аудиториякафедры «ТКМ и М».Отзыв на автореферат в двух экземплярах (заверенных печатью) просимнаправлять по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотекеФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого» и на сайте www.spbstu.ru.Телефон для справок 8(812)552-95-30Автореферат разослан «_____»______________2019 годаУченый секретарьдиссертационного советаканд.техн.наук, доцентКункин Сергей Николаевич3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время в Российской Федерации происходит интенсивноеперевооружение Военно-морского флота, что связано как с международнойобстановкой, так и с состоянием флота, морально и технически устаревшим впостсоветскую эпоху.

Кроме строительства надводных и подводных кораблейбольшое внимание уделяется разработке и производству обитаемых инеобитаемых подводных аппаратов (ПА).К надводным и подводным кораблям (далее – суда) и ПА предъявляютсяповышенные требования по надёжности, экономичности их обслуживания впроцессе эксплуатации и снижения их себестоимости в целом. Аналогичныетребования предъявляются ко всем составляющим и комплектующим судам иПА, дополнительному и вспомогательному оборудованию, в том числе кэлементам судовой арматуры. В то же время, как отмечал академик РАН И.В.Горынин: «С позиций науки о материалах создание конструкционныхматериалов, обеспечивающих высокую надежность при экстремально жесткихусловиях эксплуатации, является серьезной задачей».Однако элементы судовой арматуры (ЭСА) являются одним из узких меств конструкциях судов и ПА.

С одной стороны к ним предъявляются повышенныетребования по надёжности, поскольку они эксплуатируются в условияхагрессивной морской среды и, зачастую, испытывают различные динамическиеи циклические нагрузки. Поэтому проектирование ЭЛС проводят с большимкоэффициентом запаса, что зачастую приводит к их избыточной прочности и,как следствие, к избыточной массе. С другой стороны разработчики судов иподводных аппаратов пытаются минимизировать массогабаритные параметры иэкономические характеристики именно за счёт вспомогательного оборудования(к которому относится судовая арматура и её элементы). Такой подход приводитк повышенным требованиям к материалам элементов судовой арматуры.Повышенные требования к материалам арматуры означает необходимостьпостоянного улучшения их физико-механических свойств и состоянияповерхностного слоя. Последние являются одними из основных источниковповышения износостойкости конструкций.

Повышение надёжности деталейтребует также совершенствование методик и систем расчёта, которые являютсяинформационно-системными средствами параметрического синтеза любойконструкции. И, наконец, при наличии пакета расчётных программ, главнойпроблемой и непременным условием успешного решения поставленных задачстановится корректный и адекватный выбор прикладных компонентовуказанных программ: аналитических зависимостей и банка данных о свойствахматериалов, применяемых в разрабатываемых конструкциях.Вышеизложенное и определяет актуальность диссертационной работы,посвящённой разработке новых технологических процессов модифицированияповерхности элементов судовой арматуры из различных материалов,исследованию закономерностей формирования структуры, механических4свойств, в том числе и динамических, уточнению методик расчёта прочности инадежности изделий.Цели и задачи работыЦелью работы являлось выявление закономерностей влияния основныхпараметров (энерго-временных и технологических) лазерной и электроннопучковой обработки на свойства материалов, обеспечивающих надёжностьэлементов судовой арматуры в экстремальных условиях эксплуатации.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:1.

Установить зависимости механических свойств, глубины упрочненногослоя, наличия в нем дефектов в виде макропор от рецептуры присадок,химического состава флюса и технологических параметров при лазерномлегировании бронзы;2. Исследовать влияние технологических, энергетических и временныхпараметров процессов электронно-пучковой обработки на структуру,механические свойства и износостойкость исследуемых материалов;3.

Экспериментально исследовать влияние скорости деформации,воздействие проточной морской воды на динамические механическиесвойства исследуемых материалов;4. Выявить отличительные особенности механизмов микропластическойдеформации и разрушения в условиях динамического нагруженияисследуемых материалов;5. Разработать математическую модель оценки надёжности элементовсудовой арматуры, с учетом механических характеристик материала иусловий эксплуатации.Объекты и методы исследований.

Объектами исследования являлисьизделия судовой арматуры.В качестве исследуемых материалов были выбраны наиболеераспространённые в судовом арматуростроении титановый сплав 3М,нержавеющая сталь 08Х18Н10Т и бронза марки БрАЖНМц 9–4–4–1.В ходе выполнения работы использовались современные методыисследования структуры,механических и триботехнических свойствматериалов. Лазерная обработка поверхности исследуемых материаловосуществлялась на установке LRS–100.

Электронно-пучковая обработка – наэлектронных ускорителях ГЕЗА–1, ГЕЗА–2 и ГКВИ–300. Для исследованиядинамических свойств материалов применялся метод Кольского сиспользованием методики разрезного стержня Гопкинсона.Предметомисследованияявляютсязакономерностивлиянияэнергетических и временных параметров технологических процессов лазерногои электронно-пучкового модифицирования, скорости деформации на свойстваматериалов.На защиту выносятся следующие научные положения:1. Результаты исследования влияния рецептуры присадок, химическогосостава флюса и технологических факторов (скорости обработки и мощностиизлучения) при лазерном легировании бронзы БрАЖНМц 9–4–4–1 на5механические свойства, глубину упрочнения и дефектность поверхностногослоя;2.

Установленные закономерности влияния энергетических и временныхпараметров технологических режимов электронно-пучковой обработки наструктурное состояние, триботехнические и механические свойстватитанового сплава 3М, стали 08Х18Н10Т и бронзы БрАЖНМц 9–4–4–1;3. Полученные результаты динамических испытаний титанового сплава 3М,стали 08Х18Н10Т и бронзы БрАЖНМц 9–4–4–1, которые показали, чтозначения характеристик прочности испытанных материалов после ихвыдержки в проточной морской среде не изменяются, а характеристикипластичности (относительные удлинение и сужение) снижаются на 10 – 25%;4. Разработанная математическая модель отказов элементов арматуры сучётом прочности их материалов и качества поверхности деталей.Научная новизна работы заключается в следующем:1.

Установлено, что при лазерном легировании поверхностного слояалюминием изделий, изготовленных из бронзы БрАЖНМц 9-4-4-1 со скоростьюобработки (скоростью движения лазерного луча) 13 мм/с, мощности излучения2,5 кВт глубина упрочненного слоя составляет не менее 700 мкм при среднеймикротвёрдости 400 – 500 HV50. Показано, что в этом случае, износостойкостьупрочнённых бронзовых деталей повышается на 30%.2. Установлено, что в диапазоне значений плотности потока энергии 18 – 30Дж/см2 в результате электронно–пучковой обработки поверхности исследуемыхметаллических сплавов увеличение количества импульсов излучения (с 1 до 7 –8) повышает износостойкость исследованных материалов на 15 – 50%.3.

Впервые определены динамические характеристики (предел прочности,предел текучести, относительные удлинение и сужение) титанового сплава 3М,стали 08Х18Н10Т, БрАЖНМц 9-4-4-1 при скоростях деформации 103 – 2·103 с-1при испытании на струевую коррозию в проточной морской среде. При этомполученные значения предела текучести и прочности на 25 – 55% выше принезначительном снижении относительного удлинения и сужения по сравнениюс аналогичными характеристиками, полученными при статических испытаниях;4.

Установлено, что в условиях динамического нагружения разрезногостержня Гопкинсона с ростом скорости деформации размер очага разрушенияуменьшается;5. Впервые разработана методика расчёта вероятности безотказной работыпо неразрушению корпусных деталей. Данная методика комплексно учитываетпрочность (предел текучести и трещиностойкость) и шероховатость поверхности(коэффициент Грюнайзена обработанной поверхности) их материалов.Практическая значимость работыРазработанный режим лазерной обработки поверхности бронзовых деталейприменяется при изготовлении золотников на различных предприятиях: АО«Машиностроительный завод» «Армалит» (г. Санкт-Петербург), ПАО«Аскольд» (г. Арсеньев Приморского края), ОАО «СКБК» (г. Санкт-Петербург).Полученные динамические характеристики нержавеющей стали 08Х18Н10Т,6бронзы БрАЖНМц 9–4–4–1 и титанового сплава 3М применяются при расчётепрочности корпусных элементов арматуры ПА в АО «Машиностроительныйзавод» «Армалит» (г. Санкт-Петербург) и конструктивных элементов судовыхкотлов в ОАО «Специальное конструкторское бюро котлостроения» (г.