Автореферат (Повышение надёжности материалов судовой арматуры путём модифицирования поверхности лазерной и электронно-пучковой обработкой), страница 2

СанктПетербург).Разработанныерациональныережимыэлектронно-пучковойобработки исследованных металлов и сплавов могут использоваться напредприятиях машиностроительного комплекса РФ для увеличенияизносостойкости деталей, изготовленных из этих материалов.Полученные динамические характеристики (предел прочности, пределтекучести, относительные удлинение и сужения) титанового сплава 3М, стали08Х18Н10Т и БрАЖНМц 9–4–4–1 могут применяться в конструкторских инаучно-исследовательскихорганизацияхприрасчётахнапряжённодеформированного состояния (НДС) различных конструкций, испытывающих впроцессе эксплуатации интенсивные ударные нагрузки.Степень достоверности результатовДостоверность полученных результатов и сделанных выводовобеспечивается выбором современных апробированных методов исертифицированных средств исследования структуры материалов, ихмеханических и триботехнических свойств, тщательной подготовкойэкспериментов, выбором современных методов расчёта НДС конструкций ивсесторонним анализом полученных данных с целью выявления эффектов,влияющих на результаты экспериментов и расчётов.Апробация результатовРезультаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: XIXМеждународной конференции «Физика прочности и пластичности материалов»(8–11 июня 2015 г.

Самара); Всероссийской научно-практической конференции«Морское подводное оружие. Перспективы развития» (г. Санкт-Петербург, 2015г.); 42-ой Всероссийской научно-технической конференции «Проектированиесистем» (30 января – 1 февраля 2015 г., Москва); XXII Петербургских чтенияхпо проблемам прочности (г.

Санкт-Петербург, 2016 г.); VIII Международнойконференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующихявлений» (г. Тамбов), Международной конференции «Живучесть иконструкционное материаловедение» (26 – 28 октября 2016 г. Москва); IXМеждународной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения исопутствующих явлений» (25 – 29 июня 2018 г. г.

Тамбов); 4th Global Congress«Material Science and Nanoscience» (October 15 – 16, 2018, Amsterdam,Netherlands).Публикации по теме диссертацииОсновные результаты диссертационного исследования опубликованы в 17работах, 10 из которых в рецензируемых изданиях, в том числе 3 работы визданиях, индексируемых в базе данных Scopus, 4 работы в изданиях из ПеречняВАК.7Личный вклад автораАвтор лично определял задачи и направления исследований, обрабатывали анализировал результаты расчётов и экспериментов, разрабатываланалитические методики расчётов на прочность и надёжность элементоварматуры, а также непосредственно принимал участие в ряде экспериментов.Структура и объём диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения иобщих выводов.

Объём диссертации – 140 страниц, включая 17 таблиц, 75рисунков, список использованных источников из 113 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приведена общая характеристика работы, обоснованаактуальность темы диссертации, поставлены цели и задачи исследований исформулированы основные положения, выносимые на защиту.В главе 1 рассмотрены особенности конструкции и эксплуатации ПА и ихконструктивных элементов. Представлены основные материалы и покрытия,применяемые для элементов арматуры необитаемых и обитаемых ПА.Представлен аналитический обзор существующих технологий лазерной иэлектронно-пучковой обработки (ЭПО) поверхности. Показано, что посравнению с используемыми в производстве способами упрочнения поверхностилазерные и ЭПО технологии обработки материалов имеют ряд преимуществ.Отмечено, что концентрированные потоки энергии, созданные лазерными иимпульсными электронными пучками, воздействуя на поверхность деталей,способствуют быстрым структурно-фазовым превращениям в поверхностныхслоях металла (модификация поверхности материала).

При определённомподборе параметров пучковможно добиться резкого увеличенияизносостойкости детали.Рассмотрены методы определения поверхностных свойств материалов,таких как механические и фрикционные свойства, микрогеометрия поверхностии другие. Представлены данные о поведении материалов под действиемдинамических нагрузок и рассмотрены определяющие уравнения, которыесвязывают сопротивление деформированию со скоростью деформации.Проанализированы методы физической теории надёжности конструкций.Рассмотрены физические факторы, вызывающие отказы конструктивныхэлементов изделий.Установлено, что в настоящее время, несмотря на то, что элементысудовой арматуры различного назначения испытывают динамические нагрузки,такие как 150 g – перегрузка и 800 Н значение силы, действующей в течении 103с, отсутствуют не только расчёты на их динамическую прочность, но и данныепо свойствам традиционных материалов арматуры при высоких скоростяхдеформации.

Поэтому расчёт прочности и надёжности элементов судовойарматуры с учётом динамических свойств и нагрузок являются актуальнымизадачами, стоящими перед разработчиками и производителями ЭСА различногоназначения. В этой связи возникает необходимость исследования динамическихсвойств конструкционных материалов ЭСА.8В главе 2 представлены результаты лазерной и электронно-пучковоймодификации поверхности материалов.В параграфе 2.1 приводится описание и результаты исследований процессалазерного легирования поверхности материалов элементов арматуры.Исследования режимов лазерного легирования с целью уменьшения пористостиповерхностного слоя показали, что, чем короче время обработки, тем меньшевероятность образования дефектов.

Выбранный режим обработки поверхностизолотниковых деталей, обеспечивающий бездефектный слой, состоял вувеличении скорости обработки при сохранении глубины упрочнения.Мощность лазерного излучения была повышена со стандартных 1,5 до 2,5 кВт.Глубина упрочнённого слоя при скорости обработки 13 мм/с составила 0,7 мм.Микротвердостьповерхностногослояприданномрациональномтехнологическом режиме составляет от 650 до 840 HV, что практически в двараза превосходит микротвёрдость поверхностного слоя золотника,изготовленного из бронзы марки БрАЖНМц 9–4–4–1 по существующейтрадиционной технологии.Анализ фазового состава и структуры поверхностного слоя образцовбронзы, подвергнутых лазерному легированию, методами рентгеновскойдифрактометрии световой микроскопии показали, что такие высокие значениямикротвёрдости достигаются за счёт перекристаллизации металла (измельчениезёрен), появление структур мартенситного типа и β-твердого раствора(интерметаллида AlCu3).

По мере удаления от обработанной поверхностипроисходил распад пересыщенного β-твердого раствора в смесь α+γ фаз (α-фаза– твердый раствор на основе меди (Cu), γ-фаза – интерметаллид Al4Cu9),определяющих строение основного металла.В параграфе 2.2 приведены результаты модификация поверхностиматериалов электронным пучком микросекундной длительности.В подразделе 2.2.1 рассмотрены вопросыгенерация импульсныхэлектронных пучков на основе многоострийных взрывоэмиссионных катодов(МВК). Указаны достоинства и недостатки взрывоэмиссионных источниковэлектронов.В подразделе 2.2.2 приведены основные параметры установок ГЕЗА-1 иГЕЗА-2, которые использовались в работе в качестве источников МИЭП.В подразделе 2.2.3 представлены результаты теоретических исследованийрежимов обработки плоских поверхностей мишеней в форме дисков изнержавеющей стали 08Х18Н10Т, титанового сплава 3М и бронзы маркиБрАЖНМц 9–4–4–1.

Расчеты процессов нагрева и плавления мишенейосуществлялись в два этапа. На первом этапе методом Монте-Карломоделировался энерговклад пучка электронов в материал мишени.Компьютерная программа, применявшаяся для проведения численных расчетовпо методу Монте-Карло, предусматривает возможность учета энерговклада отмногократно отраженных электронов. В результате расчета определяетсяпространственно-временное распределение удельной мощности ввода энергиипучком в мишень q ( x, t ) . На втором этапе при известной мощности энерговклада9рассчитывался нагрев и плавление мишени.

В расчетах варьировались плотностьтока и длительность импульса и определялись пространственно-временныераспределения температуры в мишени и границы области расплава. Базовымуравнениемдляэтихрасчетовявляетсянелинейноеуравнениетеплопроводности, учитывающее зависимость физических свойств материаламишени от температуры. Численное моделирование этого этапа осуществлялосьс помощью компьютерной программы ОРИОН.Ti, U=120kV, h=200mkm2250Ti, U=120kV, tpalse=21mkc, j=8A/cm220глубина проплава,мкмэнерговклад, MeV/cm1840302010W=20J/cm216141210864200050100mkm150200020406080100120140160180200time,mkcа)б)Рис. 1. Результаты расчётов для титанового сплава 3М: а) – распределение энерговклада вмишени при энергии электронов пучка 120 кэВ; б) – положение границы проплавления приплотности энергии пучка 20 Дж/см2Расчеты проводились применительно к наиболее характерным дляэкспериментов рабочим условиям: энергия электронов 120 кэВ, длительностьимпульса (15 – 45 мкс) при фиксированной плотности тока пучка 8 А/см2.Примеры результатов расчётов для титанового сплава 3М представлены на рис.1.На рис.

1а приведены результаты расчетов энерговклада, на рис. 1б изображеноположение границы проплавления при плотности энергии пучка 20 Дж/см2.Расчеты показали, что требуемая поверхностная плотность энергии облучениянаходится в диапазоне 15 – 40 Дж/см2.В подразделе 2.2.4 представлены результаты изучения влияния временныхи энергетических параметров технологических режимов электронно-пучковойобработки на структурное состояние, триботехнические и механическиесвойства исследуемых материалов.