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

Акционерное общество «Машиностроительный завод «Армалит»На правах рукописиКузнецов Александр ВикторовичПовышение надёжности материалов судовой арматуры путеммодифицирования поверхности лазерной и электронно-пучковойобработкойСпециальность: 05.16.09 – «Материаловедение (машиностроение)»ДИССЕРТАЦИЯна соискание учёной степеникандидата технических наукНаучный руководитель –доктор технических наук, профессорСАНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 2018Г.Г. Савенков2ОГЛАВЛЕНИЕСтр.Введение……………………………………………………………………………..41. Аналитический обзор. Методы и методики определения свойствматериалов. Выбор направлений исследований…….................................111.1.

Особенности конструкции и эксплуатации подводных аппаратов различногоназначения и их конструктивных элементов. Основные материалы ипокрытия,применяемыедляэлементовсудовойарматуры…………………………………………………………………….....111.2. Особенности обработки материалов концентрированными потокамиэнергии………………………………………………………………………....201.3. Поведение материалов при динамическом нагружении………………….....261.4. Некоторые методы определения механических и фрикционных свойствматериалов и покрытий……………………………………………………….321.5. Физическая надёжность технических систем…………………………….......351.6.

Анализ литературного обзора. Постановка цели исследования………….....39Выводы к главе 1…………………………………………………………………....412.Лазернаяиэлектронно-пучковаямодификацииповерхностиматериалов……………………………………………………………………..422.1. Лазерное легирование поверхности материалов элементов арматуры….....422.2. Модификация поверхности материалов сильноточным электронным пучкоммикросекундной длительности………………………………………………..512.2.1. Генерация импульсных электронных пучков на основе многоострийныхвзрывоэмиссионных катодов………………………………………………512.2.2.

Исследовательские установки для модификации поверхностных свойствматериалов………………………………………………………………….542.2.3. Расчётно-теоретические оценки режимов обработки……………………..572.2.4. Отработка режимов электронно-пучковой обработки образцов иисследование образцов……………………………………………………..6132.3. Модификация поверхности материалов пучком электронов наносекунднойдлительности…………………………………………………………………....77Выводы к главе 2…………………………………………………………………...833. Механические испытания исследуемых материалов……………………...843.1. Стандартные механические испытания………………………………………843.2.

Динамические испытания материалов………………………………….……853.2.1. Основные положения экспериментальной методики……………………..853.2.2. Экспериментальная установка……………………………………………...893.3. Результаты динамических испытаний при нормальных условиях……........943.4. Результаты динамических испытаний металлов после коррозионныхиспытаний…………………………………………………………………......97Выводы к главе 3……………………………………………………………….…1024. Физико-математическое моделирование динамического поведенияматериалов и элементов судовой арматуры……………………………1034.1. Структурно-геометрические переходы при динамическом нагруженииматериалов…………………………………………………………………...1034.2. Моделирование динамической прочности корпусов кингстонов и бортовогоклапана при действии подводного взрыва …………………………….…..1104.3.

Аналитическое исследование динамической прочности стержневыхэлементов судовой арматуры ………………………………………………1194.4. Математическая модель отказов элементов судовой арматуры…………..122Выводы к главе 4.…………………………………………………………………127Заключение. Основные результаты и выводы...............................................128Список литературы………………………………………………………….….1304ВведениеАктуальность темы. В настоящее время в Российской Федерациипроисходит интенсивное перевооружение Военно-морского флота, что связанокак с международной обстановкой, так и с состоянием флота, морально итехнически устаревшим в постсоветскую эпоху.

Кроме строительства надводныхи подводных кораблей большое внимание уделяется разработке и производствуобитаемых и необитаемых 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 РАНИ.В.Горынин: «С позиций науки о материалах создание конструкционныхматериалов, обеспечивающих высокую надежность при экстремально жесткихусловиях эксплуатации, является серьезной задачей».Однако элементы арматуры являются одним из узких мест в конструкцияхПА.

С одной стороны, к ним предъявляются повышенные требования понадёжности, что зачастую приводит к их избыточной прочности и, как следствие,к избыточной массе. С другой стороны, разработчики аппаратов пытаютсяминимизировать массогабаритные параметры и экономические характеристикиименно за счёт вспомогательного оборудования (к которому относитсятрубопроводная арматура и её элементы). Такой подход приводит кповышенным требованиям к материалам элементов арматуры, которыеэксплуатируются в условиях агрессивной морской среды, испытывают ударныединамические и циклические нагрузки и т.д.Повышенные требования к материалам арматуры означает постоянноеулучшение их физико-механических свойств и состояния, в том числе5прочности, поверхностного слоя.

Последние являются одними из основныхисточников повышения износостойкости конструкций. Повышение надёжноститребует также совершенствования методик и систем расчёта, которые являютсяинформационно-системными средствами параметрического синтеза любойконструкции. И, наконец, при наличии пакета прикладных программ главнойпроблемой постановщика задач и пользователя (конструктора арматуры) инепременным условием успешного решения поставленных задач становитсякорректный и адекватный выбор прикладных компонентов программ: таблиц,аналитических зависимостей и банка данных о свойствах материалов,применяемых в разрабатываемых конструкциях.Вышеизложенное и определяет актуальность диссертационной работы,посвящённой разработке новых технологических процессов модифицированияповерхностиэлементовсудовойарматурыизразличных материалов,исследованию закономерностей формирования структуры, механическихсвойств, 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;63. Экспериментальноисследоватьвлияниескоростидеформации,воздействие проточной морской воды на динамические механическиесвойства исследуемых материалов;4.

Выявить отличительные особенности механизмов микропластическойдеформациииразрушениявусловияхдинамическогонагруженияисследуемых материалов;5. Разработать математическую модель оценки надёжности элементовсудовой арматуры, с учетом механических характеристик материала и условийэксплуатации.Объекты и методы исследований. Объектами исследования являлисьизделия судовой арматуры.Вкачествеисследуемыхматериаловбылираспространённые в судовом арматуростроениивыбранынаиболеетитановый сплав 3М,нержавеющая сталь 08Х18Н10Т и бронза марки БрАЖНМц 9–4–1–1.В ходе выполнения работы использовались современные методыисследованияматериалов.структуры,Лазернаямеханическихобработкаиповерхноститриботехническихисследуемыхсвойствматериаловосуществлялась на установке LRS–100. Электронно-пучковая обработка – наэлектронных ускорителях ГЕЗА–1, ГЕЗА–2 и ГКВИ–300.

Для исследованиядинамическихсвойствматериаловприменялсяметодКольскогосиспользованием 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 влияние рецептуры присадок, химическогосостава флюса и технологических факторов (скорости обработки и мощностиизлучения) при лазерном легировании бронзы БрАЖНМц 9–4–1–1 на7механические свойства, глубину упрочнения и дефектность поверхностногослоя;2. Установленные закономерности влияния энергетических и временныхпараметров технологических режимов электронно-пучковой обработки наструктурноесостояние,триботехническиеимеханическиесвойстватитанового сплава 3М, стали 08Х18Н10Т и бронзы БрАЖНМц 9–4–1–1;3.

Полученные результаты динамических испытаний титанового сплава 3М,стали 08Х18Н10Т и бронзы БрАЖНМц 9–4–1, которые показали, что значенияхарактеристик прочности испытанных материаловпосле их выдержки впроточной морской среде не изменяются, а характеристики пластичности(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.