132 "Матеріалознавство"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/51888

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 5 з 5

Удосконалення технології зварювання дефектів литих корпусів турбін
(2023) Артьомова, Світлана Віталіївна
Дисертація на здобуття накового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерство освіти і науки України, Харків, 2022. Об’єктом дослідження є технологія заварювання дефектів литих конструкцій із перлітних сталей способом поперечної гірки (СПГ) електродами ТМЛ-3У та УОНИ 13/45 без попереднього і супутнього підігрівання та після зварювального відпуску. Предметом дослідження є зв'язок структурного стану зварюваного металу в зоні термічного впливу з комплексом властивостей, що характеризують надійність зварних з'єднань, отриманих під час заварювання дефектів литва стосовно хромо-молібдено-ванадієвих сталей. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення ефективності технології виправлення браку литва за допомогою застосування удосконаленої технології заварювання способом поперечної гірки. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі здійснений аналітичний огляд сталей, що використовують для корпусних турбін, їх властивості, загальна характеристика та особливості їх зварювання та термічної обробки. Розглянуті сучасні технології зварювання при виготовленні і ремонті великогабаритних конструкцій зі сталей перлітного класу, їх труднощі та недоліки. Оцінені фактори, що впливають на тріщиноутворення та схильність до крихких руйнувань теплостійких сталей. Поставлені основні задачі дисертаційної роботи, обрано напрями досліджень. У другому розділі розглянуті експериментальні і розрахункові методи, які застосовувалися в процесі виконання роботи. Оскільки головна увага приділялася розгляду впливу зварювання способом поперечної гірки без попереднього та супутнього підігрівання теплотривких сталей на рівень механічних властивостей, а також на їх стійкість проти крихкого руйнування, були застосовані методи дослідження короткочасної міцності та пластичності (σв, σ₀ꓹ₂, δ, Ψ), ударної вязкості (KCU, KCV). За цими даними будували графіки залежності рівня властивостей в різних зонах зварного з'єднання від способу та режиму зварювання, а також від температури випробування. Проводили порівняльний аналіз запропонованого методу зі штатною технологією заврювання дефектів. Використовували декілька методів вимірювання твердості (по Віккерсу HV, мікротвердість Нµ), особливу увагу надавали високотемпературній області ЗТВ. Під час розгляду процесів структуроутворення на різних масштабних рівнях були застосовані методи різноманітної прецизійної здатності (оптична і електронна мікроскопія, рентгеноструктурний аналіз). За допомогою методу електротензометрії проводили вимірювання залишкових зварювальних напружень (поздовжніх σx та поперечних σy щодо осі шва) в поверхневих шарах зварного з’єднання з ціллю побудови епюр. Особливу увагу надавали напругам розтягування, які спричиняють основний негативний вплив на зниження рівня тріщиностійкості. Оцінювання опору зон зварних з'єднань крихкому руйнуванню при статичному вигині проводили за величиною критичного коефіцієнту інтенсивності напружень К₁с у верхівці тріщини. У третьому розділі представлені результати досліджень якості зварного з'єднання зі сталі 15Х1М1Ф, виконаного СПГ без подальшої термообробки по макроконтролю. Наведено результати виміру твердості HV з двох сторін шва на трьох рівнях по висоті в основному металі, ЗТВ та в металі шва. На підставі поміченої особливості зміни твердості в ЗТВ для отримання більш точного розподілу твердості, проведли вимірювання мікротвердості Нµ на різних відстанях від межі сплавлення. Досліджено мікроструктуру в місцях виміру твердості, що дозволило підвищити точність її класифікації. Проведено випробування короткочасних механічних властивостей. У вигляді графіків наведена залежність рівня σв, σ₀ꓹ₂, δ, Ψ, KCU, KCV від зони вирізки зразку (основний метал, ЗТВ, метал шва) та від температури випробування. Для порівняння виконали дослідження та аналіз вищезгаданих характеристик для зварних зєднань, отриманих при зварюванні за штатною технологією. За даними досліджень цього розділу одержано наступні результати: - на зразках після зварювання СПГ без відпуску дефектів макроструктури не виявлено; - характер зміни твердості HV на усіх рівнях по висоті швів як з термообробкою після зварювання, так і без, однаковий. У зразках, що не піддавалися після зварювання термічній обробці, твердість основного металу знаходиться на тому ж рівні; в ЗТВ відбувається нерівномірне її підвищення: в середині ЗТВ значення твердості можуть бути вищі, ніж поблизу межі сплавлення, що пов'язано з процесами, обумовленими автотермообробкою при термоциклу ванні. Метал зварного шва має більш високу твердість в порівнянні з іншими ділянками з'єднань. Значне підвищення твердості з двох сторін межі сплавлення можна пояснити наявністю підзагартування; - у зразках, що пройшли після зварювання термічну обробку у вигляді високого відпуску в порівнянні з основним металом твердість в ЗТВ і металі шва поблизу межі сплавлення залишається більш високою; - виміри мікротвердості в ЗТВ зварного з'єднання підтверджують достовірність вимірів твердості HV, що вказують на більш високу твердість в середині ЗТВ, чим поблизу межі сплавлення; - зварювання СПГ не знижує опір крихкому руйнуванню в зоні термічного впливу і шві в порівнянні з основним металом в початковому стані, а після високого відпуску, проведеного після зварювання, ударна в'язкість ЗТВ навіть вище, ніж основного металу; - при зварюванні СПГ, завдяки підвищенню частоти термоциклування, автопідігрівання діє ефективніше, що і сприяє уповільненню швидкості охолодження. Це призводить до утворення сприятливої структури верхнього зернистого бейніту. Четвертий розділ присвячено дослідженню здатності металу шва і зони термічного впливу чинити опір крихкому руйнуванню після зварювання СПГ, виконаних за штатною технологією та без додаткової термообробки, шляхом визначення критичної температури крихкості та тріщиностійкості при кімнатній та мінусових температурах. Побудовано графіки зміни ударної в’язкості металу різних ділянок зварних з’єднань зі сталі 15Х1М1Ф, виконаних за різними технологічними варіантами. Доведено, що майже при усіх температурах випробування ударна в'язкість KCV у високотемпературній області ЗТВ значно вище у зразків, які після зварювання не піддавалися термічній обробці. Представлені результати вказують на те, що після зварювання СПГ в зоні термічного впливу поблизу межі сплавлення утворюється структура з більш високим опором крихкому руйнуванню в порівнянні із структурою основного металу і металу шва. При цьому перехідна критична температура крихкості цієї ділянки ЗТВ зміщується до низьких температур. Характерним для обох способів зварювання є ідентичне значення критичної температури крихкості високотемпературної області ЗТВ (Т50 = −20ºC), яка не змінюється після проведення високого відпуску. За допомогою електронного мікроскопу детально досліджено фрактографію зламів зразків після випробування ударний вигин. Експериментально доведено, що рівень твердості в зварних з'єднаннях, виконаних СПГ і за штатною технологією близькі за абсолютними показниками. Для порівняння преведено дослідження впливу підвищених режимів на структуру і механічні властивості. Результати випробувань розривних зразків показують, що підвищення режимів зварювання призводить до зниження міцносних характеристик металу ЗТВ, проте вони дещо вищі за основний метал. Найбільш високими показниками характеризується метал шва. Характеристики пластичних властивостей, незважаючи на відмінності в твердості і міцності, мало відрізняються. Також негативний вплив спостерігається на опір крихкому руйнуванню металу високотемпературної області ЗТВ. Головною причиною, найімовірніше, являється утворення бейніту неоднорідної морфології. Встановлено, що істотної різниці в напруженому стані зварних з'єднань, виконаних ОСС з підігріванням до 350 – 400ºС в порівнянні із СПГ без підігрівання не виявлено, тому таке підігрівання застосовувати при виправленні дефектів недоцільно. Спектроскопічно досліджено тонку структуру зразків після СПГ без додаткової термообробки, визначено хімічний склад карбідів. П'ятий розділ присвячено вивченню впливу зварювання способом поперечної гірки на розподіл твердості, рівень механічний властивостей та структуру зварних з'єднань зі сталі 25Л. Дослідження виконані на зразках в обсязі: з попереднім підігріванням, з високим відпуском після зварювання і без попередньої та наступної термообробки. Залежність зміни твердості від способу зварювання та від зони виміру наведено у вигляді графіків. Встановлено, що незалежно від технології зварювання відзначається підвищення твердості в ЗТВ поблизу межі сплавлення. Представлені механічні властивості основного металу, металу шва та високотемпературної області ЗТВ. Спостерігається, що разом з високими характеристиками міцності метал шва після наведених технологій обробки має високу пластичність (особливо високі значення має характеристика відносного стискування ψ). При цьому пластичність найбільш висока в зразках, які після зварювання підлягали термічній обробці . Пластичні властивості основного металу і металу високотемпературної області ЗТВ, в порівнянні з металом швів, помітно знижуються, особливо ψ (після усіх варіантів обробок така властивість зменшується більш ніж в два рази). Термічна обробка після зварювання у вигляді високого відпуску сприяє підвищенню ударної в'язкості KCV металу шва. Отже, після зварювання СПГ високотемпературна область ЗТВ, незважаючи на підвищену твердість, має однакову з основним металом здатність опору утворенню холодних тріщин. Це може бути обумовлено подрібненням зеренної будови ЗТВ в результаті теплової і деформаційної дії при зварюванні. За результатами металографічних досліджень встановлено, що при багатошаровому зварюванні СПГ мікроструктура ЗТВ і наплавленого металу шва завдяки високотемпературному нагріву при наплавленні шарів перекристалізується і стає дрібнозернистою і являє собою бейніт з рівноосними зернами фериту.
Вплив структурно-фазового стану на експлуатаційні характеристики металу зварних з'єднань паропроводів
(2023) Гаращенко, Олена Сергіївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 132 – Матеріалознавство (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», МОН України, Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Зварювання» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова 2. У дисертаційній роботі представлені результати дослідження змін структурно-фазового стану металу зварних з’єднань паропроводів теплових електростанцій, а також розробки практичних рекомендацій щодо удосконалення методик металографічного аналізу для подальшого уточненого визначення їх надійності та залишкового ресурсу експлуатації. Об’єкт дослідження – структурно-фазовий стан металу зварних з’єднань паропроводів ТЕС із теплостійких сталей перлітного класу 12Х1МФ і 15Х1М1Ф. Предмет дослідження – кількісне визначення зміни структурно-фазового стану та експлуатаційних характеристик металу зварних з’єднань паропроводів, які тривалий час експлуатуються в умовах повзучості і малоциклової втоми. Дослідження структурно-фазового стану, властивостей і пошкоджуваності металу зварних з'єднань паропроводів виконували шляхом використання відповідних методів на зразках зварних з'єднань, які були вирізані з діючих паропроводів. При проведенні експериментальних досліджень використовували, як стандартні методи і методики, що частково були удосконалені, так і оригінальні. Вивчення структури, хімічного складу і будови здійснювали з використанням методів оптичної, растрової і просвічуючої електронної мікроскопії. Проведені дослідження металу зварних з’єднань паропроводів, що довготривало працюють в умовах повзучості і малоциклової втоми, на основі фрактального аналізу і методу січних прямих ліній, дозволили створити методичну основу для оцінки змін структурно-фазового стану, який призводить до руйнування. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на підставі теоретичних та експериментальних досліджень здобувачем: - вперше установлено відмінності фрактальних розмірностей границь структурних складових на зображеннях окремих ділянок зварних з’єднань паропроводів у залежності від часу експлуатації; - вперше при оцінці впливу структурно-фазового стану металу зварних з’єднань на залишковий ресурс враховується геометрична складність границь виділення структурних складових, яка визначається за допомогою статистичного аналізу розподілу фрактальної розмірності, одержаної з використанням клітинного методу виміру; - удосконалено кількісну оцінку нерівномірності розподілу структурних складових металу для виявлення особливостей змін структурно-фазового стану окремих ділянок ЗТВ, а також металу шва і основного металу в залежності від напрацювання в умовах повзучості; - удосконалено оцінку кількості вкраплень перліту, їх розмірів та відстаней між ними для статистично обгрунтованого визначення структурно-фазових змін металу зварних з’єднань паропроводу з урахуванням ресурсу напрацювання; - отримало подальший розвиток дослідження структурно-фазового стану металу зварних з'єднань паропроводів із теплостійких сталей перлітного класу 12Х1МФ і 15Х1М1Ф, які тривалий час (понад 280 тис. год.) експлуатуються в умовах повзучості і малоциклової втоми на базі комплексного статистичного аналізу геометричних характеристик структурних елементів. У результаті проведених досліджень розроблено рекомендації щодо визначення залишкового ресурсу експлуатації зварних з'єднань, які тривалий час експлуатуються в умовах повзучості. Результати виконаних досліджень доповнили навчальні курси «Експериментальні методи у зварюванні», «Зварювання сталей і кольорових металів», що викладаються студентам у Національному Технічному Університеті «Харківський політехнічний інститут». Результати виконання дослідження оцінено та рекомендовано до впровадження на АТ «Українські енергетичні машини». У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, наведено наукову новизну та сформовано практичне значення одержаних результатів. У першому розділі розглянуто сучасний стан і тенденції розвитку в області дослідження зварних з’єднань паропроводів, які довготривало експлуатуються в умовах повзучості і малоциклової втоми. Також представлено хімічний склад та механічні властивості сталей, що використовуються для виготовлення елементів систем паропроводів і їх зварних з’єднань. Встановлено основні вимоги до структурного стану і властивостей конструкцій зварних з'єднань, а також особливості контролю якості зварних з'єднань стосовно надійності їх роботи і визначення залишкового ресурсу. У другому розділі наведено методики, обладнання та матеріали, що були задіяні для дослідження і аналізу структурно-фазового стану та властивостей металу зварних з’єднань. Представлено також удосконалені методики кількісного аналізу структурних змін в металі досліджуваних зразків зварних з’єднань, вирізаних з діючих паропроводів, які проводили за допомогою оптичної і електронної мікроскопії. Наведено опис розробленої компютерної програми статистичного аналізу металографічних зображень металу зварних з’єднань паропроводів. У третьому розділі розглянуто питання щодо удосконалення кількісної оцінки структурних змін в металі зварних з'єднань паропроводів і котлів. Представлено результати металографічного аналізу структурних змін в металі, що відбуваються в процесі тривалої експлуатації в умовах повзучості і малоциклової втоми. Дослідження виконували на зразках зварних з’єднань зі сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф, що мали різний термін напрацювання. В процесі аналізу мікроструктури шліфів різних ділянок зварних з’єднань виявлено відносний вміст структурно-фазових складових і їх розподіл за координатами зображень. Виконано порівняльний аналіз статистичних характеристик розподілу і вмісту структурних складових на ділянках металу зварних з'єднань з різним терміном напрацювання. На основі фрактального аналізу розглянуто складність контурів границь структурних складових. Статистичний аналіз результатів металографічного вивчення мікрошліфів методом січних ліній позволив одержати розподіли кількості зерен, їх розмірів та відстаней між ними. Представлено обґрунтований опис структурних змін в металі окремих ділянок зварних з'єднань. Перлітна складова значною мірою впливає на структурно-фазові перетворення в металі зварних з'єднань паропроводів, що довготривало працюють в умовах повзучості і втоми. Тому встановлено рівень неоднорідності перлітної складової в структурі зварних з'єднань. Виконувався фрактальний аналіз границь зерен перліту на основі зображень одержаних мірошліфів. Порівняльний аналіз фрактальних розмірностей границь структурних складових на зображеннях мікрошліфів ділянок ЗТВ, металу шва і основного металу реалізовано для різних термінів напрацювання. Дослідження та порівняльний аналіз виконували для ділянок ЗТВ, основного металу і зварного шва. В результаті вдалось обгрунтовано підтвердити можливість оцінки геометричної складності границь структурних складових в основному металі паропроводів та їх зварних з'єднань на основі аналізу статистичних характеристик розподілу їх фрактальної розмірності. Створено узагальнені методичні основи для обгрунтованого фрактального аналізу границь структурних складових металу зварних зеднань шляхом визначення впливу світлості пікселів зображення (за HSV-моделлю кольору) і масштабу виміру на фрактальну розмірність. Це дозволило отримати універсальне уявлення складності контурів всіх структурних складових досліджуваного зображення мікрошліфа. Таким чином стає можливим обгрунтований вибір порогової величини яскравості кольору для вивчення меж виділення областей основної складової структури – перліту. Підтверджено вплив терміну напрацювання паропроводу на структурні зміни, виражені збільшенням фрактальної розмірності, відповідно складності будови контурів структурних складових. Статистичний аналіз результатів оцінки кількості зерен структурних складових та їх розмірів для мікрошліфів досліджуваного металу, отриманих методом сікучих прямих ліній, дозволив створити науково-обґрунтовану основу для досліджень структурних змін. Встановили, що для оцінки впливу ресурсу паропроводу на структурні зміни доцільно використовувати середньоквадратичні відхилення від середньої кількості зерен та їх розмірів. У четвертому розділі наведено результати досліджень структурно-фазових змін в металі ділянок зони термічного впливу зварних з'єднань паропроводів після тривалого впливу експлуатаційних навантажень в умовах повзучості і малоциклової втоми. Виконано металографічний аналіз структурно-фазових змін в металі шва і в металі ділянок неповної перекристалізації, нормалізації, сплавлення та перегріву ЗТВ. Аналіз виконували на зразках зварних з’єднань з напрацюванням понад 280 тис. год. Встановлено відмінності серед ділянок металу шва, перегріву, нормалізації і неповної перекристалізації шляхом порівняльного аналізу статистичних характеристик розподілу досліджених ознак (кількості структурних елементів, розмірів і відстаней між ними) та фрактального аналізу складності контурів границь зерен структурних складових ЗТВ. Виявлено збільшення неоднорідності досліджених структурних елементів у наступній послідовності: ділянка металу шва, перегріву, нормалізації та неповної перекристалізації. Встановили, що для ділянки неповної перекристалізації є характерною зміна структурної неоднорідності у широкому діапазоні, як від найменших, так і до найбільших відхилень від закону рівномірного розподілу. У п’ятому розділі викладено результати досліджень впливу експлуатаційних навантажень на метал зварних з`єднань паропроводів. Розглянули особливості впливу фізико-хімічних процесів на структурно-фазові зміни, механізми повзучості і втоми, а також на експлуатаційні характеристики, пошкоджуваність і руйнування зварних з’єднань. Оцінили статистичні характеристики досліджених ознак структурно-фазового складу металу після руйнування зварних з’єднань і обґрунтували практичне використання методичних розробок по металографічному аналізу зображень металу. Визначено допустимі значення радіусів пор, в залежності від робочої температури і прогнозованого терміну експлуатації паропроводів що, дозволило доповнити методичну базу для металографічного дослідження структурно-фазового стану металу зварних з’єднань. Одержано статистичні характеристики кількості зерен, їх розмірів і відстаней між ними для зруйнованих зразків зварних з’єднань та визначено тенденції їх змін з ростом терміну експлуатації. Таким чином повноцінно доповнено методичну базу для прогнозування залишкового ресурсу експлуатації зварних з’єднань. Встановлено що потрібно враховувати виявленівідмінності металу шва, ділянок перегріву, нормалізації і неповної перекристалізації ЗТВ як за фрактальною розмірністю, так і за коефіцієнтом варіації досліджених ознак. За результатами металографічного дослідження мікрошліфів зразків методом січних ліній визначено основні ознаки для прогнозування залишкового ресурсу експлуатації зварних з’єднань паропроводів.
Підвищення надійності та збільшення ресурсу зварних з'єднань паропроводів і роторів турбін ТЕС
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Касьяненко, Ігор Вікторович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Зварювання» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова, 2. Об’єкт дослідження: структурні перетворення, структурно-фазовий стан, пошкоджуваність і властивості зварних з’єднань паропроводів зі сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф, а також роторів зі сталі 25Х2НМФА стосовно збільшення надійності і ресурсу їх напрацювання в умовах повзучості і втоми. Предмет дослідження: вплив фізико-хімічних процесів на структурно-фазові перетворення і формування браковочних структур в металі зварних з’єднань паропроводів, зв’язок структури зварних з’єднань паропроводів і роторів з їх властивостями і пошкоджуваністю. Дисертацію присвячено проведенню комплексних досліджень фізико-хімічних процесів, які відбуваються в металі зварних з’єднань паропроводів із сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф і забезпечують структурно-фазові зміни. Наведені дослідження проводили стосовно зварних з’єднань паропроводів і роторів турбін, які довготривало працюють в умовах повзучості і втоми, а також підвищених робочих навантажень. Обґрунтували, що структурно-фазові зміни сприяють пошкоджуваності зварних з’єднань, яка відбувається за механізмами повзучості і втоми. 3 Дослідження особливостей проходження структурно-фазових перетворень надало можливість зменшити їх прояв. Наведений прояв зменшили шляхом отримання вихідної структури зварних з’єднань паропроводів і роторів з покращеними якісними характеристиками їх структури. Для такого покращення використовували удосконалені процеси зварювання, показники яких ґрунтуються на результатах моделювання зварювального нагрівання з’єднань, що виготовляються. Встановили залежність надійної експлуатації зварних з’єднань паропроводів і роторів турбін, а також їх ресурсу від структурно-фазового стану металу зварних з’єднань і наявності пошкоджень у вигляді пор повзучості і тріщин втоми. Дослідження проведені за допомогою сучасних методів аналізу структурно-фазового стану і визначення властивостей зварних з’єднань, а також з використанням моделювання зварювального нагрівання з’єднань, що виготовляються. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, поставлена мета та основні задачі дослідження, наведені основні методи дослідження і наукова новизна та сформульовано практичне значення отриманих результатів. У першому розділі на основі вітчизняного і зарубіжного досвіду обґрунтована перспективність дослідження структурно-фазового стану зварних з’єднань паропроводів із теплостійких сталей, які експлуатуються понад 270 тис. год. в умовах повзучості і втоми. У другому розділі подано опис методів, методик, обладнання і матеріалів, що використовувалися в дослідженнях. Наводиться короткий опис удосконаленої технології зварювання і моделювання зварювального нагрівання, використання яких забезпечило отримання зварних з’єднань паропроводів і роторів з покращеною структурою. Для досліджень структури зварних з’єднань використовували методи оптичної і електронної мікроскопії, а також поверхневий мікрозондовий аналіз. Загалом отримані результати структурного аналізу забезпечили оптимізацію умов отримання більш якісних зварних з’єднань паропроводів і роторів. Третій розділ присвячений дослідженню впливу структурно-фазового стану і деформації металу зварних з’єднань паропроводів, які експлуатуються понад 270 тис. год. в умовах повзучості і втоми, на їх пошкоджуваність. Четвертий розділ містить результати досліджень зв’язку структурно-фазового стану довготривало експлуатуємих зварних з’єднань з їх мікропошкоджуваністю в умовах повзучості і втоми. Запропонована шкала визначення залишкового терміну напрацювання зварних з’єднань з наявністю пошкоджуваності їх металу. П’ятий розділ присвячений теоретичному і практичному обґрунтуванню надійності роботи, а також визначенню залишкового ресурсу довготривало працюючих в умовах повзучості і втоми зварних з’єднань паропроводів та роторів турбін ТЕС і АЕС.
Підвищення зносостійкості деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлення самозахисним порошковим дротом
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Трембач, Богдан Олександрович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 "Матеріалознавство" (13 – Механічна інженерія). – Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ; Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Об’єктом дослідження є процес зміцнення та відновлення деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлення самозахисним порошковим дротом з екзотермічною добавкою. Предметом дослідження є зміцнюючий сплав та зварювально технологічні властивості самозахисного порошкового дроту з екзотермічною добавкою у складі наповнювача, що забезпечує підвищення експлуатаційної стійкості наплавленого металу до абразивного та корозійного зношування. Велика кількість деталей машин переробки твердих корисних копалин працює в умовах абразивного та гідроабразивного зношування, що призводить до втрати їх експлуатаційних характеристик. Найбільш розповсюдженою технологією відновлення таких деталей є електродугове наплавлення. На теперішній час підвищуються вимоги до наплавлених деталей, що експлуатуються в зазначених умовах. В зв’язку з цим виникає необхідність вдосконалення електродних матеріалів для наплавлення, що забезпечує підвищення надійності роботи і ресурс обладнання для переробки твердих корисних копалин. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми, а саме розробці зносостійкого сплаву для зміцнення та відновлення робочих поверхонь деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлювання самозахисного порошкового дроту (СПД) з екзотермічною добавкою CuO – Al у складі наповнювача, що працюють в умовах абразивного та корозійного зношування. В літературних джерелах відсутні дані або недостатньо досліджено вплив екзотермічної добавки CuO – Al, що входить до складу наповнювача порошкового дроту та характер легування наплавленого металу міддю, на вміст та морфологію неметалевих включень, розмір зерна, механічні властивості, фазовий склад, мікроструктуру та трибологічні властивості зміцнюючого шару системи легування Fe C Cr B Ti. Це може стати суттєвим резервом для підвищення терміну експлуатації деталей, що піддаються зношуванню. У першому розділі виконаний аналітичний огляд стану питання й обґрунтовано вибір напряму досліджень. Проведений аналіз сучасного погляду на вимоги, стосовно показників, які характеризують наплавлений метал. Наведено огляд сучасної літератури відносно систем легування металу, що застосовуються для умов експлуатації при абразивному, гідроабразивному та корозійному зношуванні. Використання сталі 110Г13Л пояснюється зміцненням аустеніту при пластичній деформації в процесі роботи. При абразивному зношувані, коли частки металу зрізуються з поверхні, ця сталь поводиться незадовільно, а зносостійкість визначається відношенням твердості зносостійкого сплаву до твердості абразиву та опором мікрорізанню. Для захисту від абразивного зношування доцільно використовувати сплави з високим вмістом зміцнюючих фаз (карбідів, боридів, карбоборидів тощо). Зносостійкість матеріалів для наплавлення суттєво залежить від типу і кількості зміцнюючої фази в сплавах, розміру зерна, фазового складу, мікроструктури вмісту та морфології неметалевих включень. Обґрунтовано, що подальше підвищення зварювально-технологічних властивостей СПД та трибологічних властивостей наплавленого металу можливе за рахунок екзотермічної добавки CuO – Al, яка входить до композиції наповнювача СПД. Другий розділ «Вибір напрямків, методик та обладнання досліджень» присвячено вивченню штатних і оригінальних методик випробувань, що гарантували б достовірність отриманих результатів, та забезпечували відтворюваність отриманих результатів іншими дослідниками. Запропоновані нові методики досліджень, що дозволяють оцінити тепловий вклад екзотермічних добавок ев плавлення СПД та визначити температуру протікання можливої екзотермічної реакції у наповнювачі СПД. Третій розділ "Головні напрямки оптимізації складу самозахисного порошкового дроту" присвячений термодинамічним дослідженням оцінки протікання реакцій у композиції наповнювача порошкового дроту та термодинамічним розрахункам складу фаз за допомогою програмного продукту Thermo. Визначено композицію наповнювача СПД та вміст її легуючих компонентів. Встановлено, що частку екзотермічної добавки СuO Al у складі наповнювача СПД необхідно відповідно обмежувати через її значний вплив на зварювально технологічні характеристики дроту. Вперше проведені комплексні дослідження впливу окремих параметрів режимів наплавлення (швидкість подачі дроту, виліт дроту та напруга на дузі) та кількості екзотермічної добавки (CuO – Al) в осерді наповнювача СПД на показники плавлення, геометрію наплавленого валика, зварювальний струм та ефективну теплову потужність. На підставі аналізу з використанням методики Тагучи та дисперсійного аналізу (ANOVA) обрані оптимальні значення параметрів наплавлення та обґрунтовані межі додавання екзотермічної добавки CuO Al. Четвертий розділ "Дослідження впливу екзотермічної добавки на тепловий стан вилиту самозахисного порошкового дроту" присвячений дослідженню впливу композиції наповнювача СПД на показники плавлення та коефіцієнти засвоєння легуючих елементів. Досліджено вплив композиції наповнювача, а саме кількості екзотермічної добавки (ЕД) до складу наповнювача, співвідношення компонентів СuO/Al та CuO/C на показники плавлення (продуктивність наплавлення, коефіцієнт продуктивності наплавлення, коефіцієнт загальних втрат, коефіцієнт втрат на розбризкування та інше), коефіцієнту відновлення легуючого елементу та коефіцієнт засвоєння легуючих елементів. Експериментально та розрахунками підтверджено легування наплавленого металу міддю, за рахунок протікання екзотермічної реакції шляхом відновлення її з оксиду. На підставі отриманих експериментальних даних побудовані математичні залежності впливу зазначених чинників та обрані їх оптимальні значення, що склали: ЕД = 33..39%, СuO/Al = 3,75…4, СuO/C = 5…5,25. П’ятий розділ «Дослідження механічних та трибологічних властивостей вдосконаленого самозахисного порошкового дроту» присвячений дослідженню і порівнянню порошкового дроту марки СПД 200Х15С1ГРТ, що застосовується при відновленні деталей машин для переробки твердих корисних копалин, з експериментальним порошковим дротом з екзотермічною добавкою СuO – Al в складі наповнювача. Проведені експериментальні дослідження показали, що введення екзотермічної добавки CuО Al до складу наповнювача порошкового дроту знижує розмір зерна наплавленого металу та позитивно впливає на розмір і морфологіє неметалевих включень в наплавленому металі. За рахунок відновлення міді при протіканні екзотермічної реакції відбувається легування наплавленого металу, що чинить позитивний вплив на структуру та механічні властивості. Крім того, легування міддю підвищує опірність до утворення тріщин у верхніх шарах наплавленого металу при багатошаровому наплавлені. Порівняльні трибологічні випробування засвідчили підвищення стійкості до абразивного зношування закріпленим та незакріпленим абразивом у 1,52 та 1,63 разів відповідно, що підтверджується проведеними промисловими випробуваннями в умовах філії "Вільногірський гірничо-металургійний комбінат" (м. Вільногірськ). Зафіксовано підвищення стійкості зубів ковша видубовної машини в 1,5…2 рази. У дисертації наведено нові науково обґрунтовані розробки в області технології, матеріалів для відновного наплавлення зубів крокуючих та кар’єрних екскаваторів, які забезпечують підвищену стійкість до абразивного зношування та якість наплавленого металу, підвищення продуктивності відновлення та економію матеріальних ресурсів за рахунок ведення екзотермічної добавки до складу наповнювача СПД, спрямованих на вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення надійності роботи і терміну експлуатації деталей для переробки твердих корисних копалин.
Структурна інженерія вакуумно-плазмових конденсатів тугоплавких нітридів перехідних металів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Постельник, Ганна Олександрівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021. Об’єктом дослідження є процес формування фазово-структурного стану, та його впливу на механічні властивості та корозійну стійкість вакуумно-дугових покриттів на основі Cr. Предмет дослідження – елементний склад, фазово-структурний стан, субструктура, напружено-деформований стан, механічні властивості та корозійна стійкість вакуумно-дугових PVD покриттів. Дисертацію присвячено проведенню комплексних досліджень в області структурної інженерії вакуумно-дугових одно-, багатошарових та багатоелементних покриттів щодо впливу основних фізико-технологічних параметрів на структурний стан покриттів. Це може стати базою для розвитку основ структурної інженерії багатошарових та багатоелементних нітридних покриттів, для забезпечення надвисокої твердості та функціональних властивостей. Дослідження здійснені за допомогою як класичних, так і принципово нових сучасних методів отримання та моделювання процесів формування покриттів, рентгеноструктурного аналізу, механічних випробувань. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, поставлена мета та основні задачі дослідження, основні методи дослідження, приведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. У першому розділі на основі вітчизняного та зарубіжного досвіду послідовно показано перспективність удосконалення покриттів на основі нітриду хрому. Проаналізувавши наукові публікації встановлено, що нітриди хрому мають суттєві резерви при практичному втіленні багатошарових покриттів з комбінацією інших елементів та нітридів на їх основі. У основу реалізації експериментів по отриманню покриттів було покладено досвід, згідно з яким показником функціональності покриття (до його практичного застосування в експлуатаційних умовах) є не тільки базові механічні характеристики – твердість та модуль Юнга, але і додаткові показники, такі як субструктурні характеристики, адгезійна міцність, коефіцієнт тертя, корозійна стійкість в умовах електрохімічної корозії. У другому розділі подано опис матеріалів та методики досліджень. Базовою технологією нанесення всіх досліджених покриттів є технологія катодно-дугового осадження. Основними методами дослідження у роботі є рентгенівська дифрактометрія, завдяки якій встановлено фазовий склад, текстурованість, субструктурні характеристики та напружено-деформований стан покриттів. Така інформація дозволяє виявити вплив технологічних факторів на структуру покриття. Дослідження твердості та модуля пружності, у зв’язці з встановленим фазово-структурним станом, дозволяє спрогнозувати показники міцності. Наявність текстурованості дозволяє оцінити рівень її впливу на властивості. Встановлення рівня внутрішніх напружень разом з періодом модуляції покриття дає можливість оцінити рівень тріщиностійкості покриття та його адгезійну міцність, схильність до схоплювання (разом з оцінкою коефіцієнта тертя). Третій розділ присвячений дослідженню впливу технологічних параметрів при формуванні покриттів на фазово-структурний стан та механічні властивості покриттів на основі металевого хрому. За виконанням даного розділу отримані наступні результати: - дослідження морфології показали майже повну відсутність крапельної фази як на поверхні, так і в середині покриття; - рентгеноструктурним аналізом встановлено, що збільшення тиску азотної атмосфери від 2·10⁻⁵ Торр до 4,8·10⁻³ Торр призводить до зміни фазового складу Cr → β-Сr₂N → Cr + β-Сr₂N → CrN; - розрахунок субструктурних характеристик показав, що розмір ОКР знаходиться у нанодіапазоні (6…10 нм), а додаткова імпульсна стимуляція (-1200 В) призводить до збільшення розмірів ОКР на 4…24 %; - найбільше значення твердості для CrN покриттів складає 32 ГПа при PN₂ = 7,5·10⁻⁴ Торр та формуванні β-Сr₂N з переважною орієнтацією росту кристалітів [100] β-Сr₂N. Дана структура дозволяє знизити коефіцієнт тертя до 0,32 в системі "нітрид хрому - сталь" і до 0,12 в системі "нітрид хрому - алмаз". Четвертий розділ містить результати експериментальних досліджень багатошарових вакуумно-плазмових конденсатів нітридів перехідних металів. Створення наноструктурованих багатошарових конструкцій дозволяє отримати підвищені механічні властивості, такі як висока твердість, зносостійкість та корозійна стійкість. В даному розділі розглянуто три найбільш перспективні системи покриттів CrN/ZrN, CrN/MoN та CrN/Cu, з різною теплотою утворення нітридів та практичним застосуванням. Результати дослідження дозволили отримати наступні дані: - показано, що багатошарові покриття мають високу планарність шарів та незначну кількість крапельної складової в середині шарів; - рентгеноструктурним аналізом для багатошарового покриття CrN/ZrN показано формування двофазного стану, який з підвищенням потенціалу зсуву від -70 В до -150 В призводить до появи та збільшення β-Сr₂N фази; - встановлено, що при товщині шарів менше 50 нм подача Ub = -150 В призводить до зростання мікродеформації в шарах CrN при бомбардуванні їх іонами Zr з великим атомним радіусом та вагою, а в шарах ZrN спостерігається релаксація деформації; - показано, що високі значення твердості 41 ГПа в системі CrN/ZrN досягаються при товщині окремих шарів 50 нм, 𝑃𝑁₂= 1,2·10⁻³ Торр, Ub = -150 В; - для багатошарових покриттів CrN/MoN показано формування двофазного стану на основі ГЦК кристалічної решітки структурного типу NaCl; - встановлено, що збільшення потенціалу зсуву призводить до зменшення текстурованості, рівня мікродеформації і, як наслідок, зменшення мікротвердості від 38 ГПа до 25 ГПа; - встановлено, що коефіцієнт тертя багатошарових покриттів CrN/MoN становить 0,42…0,48 при навантаженнях близько 190 Н; - отримані дані корозійної стійкості показали, що нанесення багатошарового покриття CrN/Cu (з нанотовщинними шарами ≈ 8 нм при 𝑃𝑁₂= 5·10⁻⁴ Торр, Ub = -200 В) товщиною близько 10 мкм здатне захищати поверхню деталі в середовищі утворення хлорид-іонів протягом року. П’ятий розділ присвячений дослідженню багатоелементних вакуумно-плазмових одно- та багатошарових конденсатів нітридів перехідних металів. Одношарові багатоелементні покриття складаються з елементів, що мають найменшу (FeCoNiCuAlCrV) та найбільшу (TiCrZrAlNbV, TiCrAlNbSi) ентальпії утворення нітридів. Порівняно з традиційними матеріалами багатоелементні покриття володіють значно вищими функціональними властивостями: висока температурна стійкість, міцність, висока пластичність і в’язкість руйнування. Дослідження даного розділу дозволили одержати наступні результати: - показано, що для системи (FeCoNiCuAlCrV)N твердість 38 ГПа досягається при відносно низькому потенціалі зсуву -40 В; - встановлено, що високі показники твердості забезпечуються при Ub = -110 В: для системи (TiCrZrAlNbV)N твердість складає 44 ГПа, а для (TiCrAlNbSi)N – 38,5 ГПа; - результати дослідження морфології показали, що для багатошарових багатоелементних покриттів TiAlSiN/CrN, TiSi/TiAlCrYN, TiAl/TiAlCrYN спостерігається значна кількість крапельної фази.