Анотація до роботи:

Тепла Т. Л. Підвищення корозійно-механічної тривкості конструкційних матеріалів з використанням високоенергетичних променевих технологій. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01. - Металознавство та термічна обробка металів. – Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, м. Київ. – 2008 р.

Дисертація присвячена розширенню науково-практичної бази даних щодо маловивченої групи ванадієвих сплавів. У роботі встановлено закономірності та механізми оптимізації параметрів структури поверхневих шарів ванадієвих сплавів системи V – Cr – Ti та, для порівняння, корозійнотривких сталей аустенітного та феритомартенситного класів високоенергетичними променевими технологіями для підвищення їх корозійно-механічної тривкості. Реалізація запропонованої ідеології здійснена сучасними методами інженерії поверхні: іонною імплантацією азотом, оплавленням поверхні азотною плазмою, комплексним легуванням азотом та ніобієм. Відмінність отриманих результатів від вже відомих полягає у тому, що залежно від структурного класу конструкційних матеріалів, форми, геометричних розмірів та параметрів експлуатації конкретних деталей чи елементів конструкцій рекомендовані найбільш ефективні методи інженерії поверхні.

Практичні рекомендації щодо підвищення корозійно-механічної тривкості конструкційних матеріалів апробовані на підприємствах теплоенергетики після детального вивчення типів пошкоджень, що виникають на окремих деталях.

На основі теоретичних узагальнень у дисертації вирішена наукова проблема оптимізації структурного стану та фазового складу захисних бар’єрних шарів на поверхні ванадієвих сплавів та корозійнотривких сталей. Інструментом для втілення даної ідеології обрані сертифіковані високоенергетичні методи поверхневої обробки, за допомогою яких вдається керовано змінювати параметри структури створених бар’єрних шарів залежно від складу конструкційного матеріалу та умов експлуатації.

1. Встановлено оптимальний хімічний склад ванадієвих сплавів з максимальною корозійно-механічною тривкістю у розплаві Li₁₇Pb₈₃ залежно від температури агресивного середовища. Оптимальний склад забезпечується комплексним легуванням хромом у кількості (5 – 12) % та титаном у кількості (5 – 20) %.

2. Показано, що процеси нітридоутворення, які забезпечують необхідні функціональні властивості поверхневих шарів ванадієвих сплавів забезпечується хімічним складом V – 30 Cr, V – 10 Cr – 20 Ti (за умов іонної імплантації азотом); V – (5 – 12) Ti, V – 22,5 Cr – 12,5 Ti (за умов оплавлення поверхні азотною плазмою). Підсиленню захисного ефекту сприяє утворення в структурі поверхневих шарів досліджуваних матеріалів вторинних фаз (VN, TiN, Cr₂N, Fe₄N, TiCr₂).

3. Показано відмінності у механізмі утворення вторинних фаз. Зокрема: для ванадієвих сплавів системи V – Cr утворення відбувається у результаті ефекту тунелювання атомів азоту по границях зерен основного твердого розчину; у ванадієвих сплавах системи V – Ti, V – Cr – Ti та у сталі 12Х18Н10Т утворення проходить за механізмом радіаційно-стимульованої дифузії.

4. Експериментально доведено, що поверхневі шари сплавів системи V – Cr – Ti, зміцнені іонною імплантацією азотом, незалежно від рівня рН 3 % - го розчину NaCl, володіють вищими корозійно-електрохімічними властивостями, порівняно із сплавами системи V – Cr. Зокрема, показано, що оптимум цих властивостей спостерігається у сплаві складу V – 15 Cr – 15 Ti (наприклад, при рН 11 Е_кор = -263 мВ, і_кор = 1,87 10^-10 А/см²).

5. Встановлено, що поверхневі шари сталі 12Х18Н10Т після іонної імплантації азотом виявляють вищі корозійно-електрохімічні властивості у середовищі 3 % - го розчину NaCl з рН 11 та рН 6,2, ніж аналогічним чином сформовані поверхневі шари для сталей ферито-мартенситного класу (20Х13, ЭП 823).

6. Встановлено, що у лужних середовищах (рН 11), які імітують умови експлуатації обладнання теплоенергетики, найкращими захисними властивостями володіють поверхневі шари, створені іонною імплантацією азотом та обробкою азотною плазмою на ванадієвих сплавах системи V – Cr – Ti та сталі 12Х18Н10Т. Натомість у кислих середовищах (рН 2) найвищі корозійно-електрохімічні властивості показують сплави системи V – Cr – Ti після іонної імплантації азотом.

7. Показано, що обробка азотною плазмою забезпечує підвищення корозійно-механічної тривкості поверхні досліджуваних матеріалів в результаті армування твердого розчину дисперсними включеннями вторинних фаз (VN, TiN, Fe₄N, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, Ti(ON), ч – фаза).

8. Показано, що обробка поверхні азотною плазмою за встановленим режимом (прискорююча напруга 34 кВ, енергія імпульсу 150 Дж/см²) забезпечує підвищення мікротвердості (до 9 – 10 ГПа) та густини дислокацій (до 2 10¹⁰ см^-2). Зокрема, диспергування структури поверхні сплаву V – 22,5 Cr – 15 Ti забезпечує найвищу корозійну тривкість у 3 % - му розчині NaCl з рН 11 (Е_кор = -274 мВ, і_кор = 5,758 10^-10 А/см²).

9. Комплексне легування поверхні сталей ферито-мартенситного та аустенітного класів атомами азоту та ніобію підвищує їх корозійно-електрохімічні властивості, особливо у середовищі 3 % - го розчину NaCl з рН 11 (наприклад, для сталі 20Х13 Е_кор = -383 мВ, і_кор = 2,58 10¹⁰ А/см²). При цьому зносотривкість поверхневих шарів збільшується у 2 – 4 рази порівняно із вихідним станом.

10. Дістала подальший розвиток схема еволюції структури поверхні у системі “конструкційний матеріал – робоче або насичуюче середовище”, що дозволяє залежно від робочих параметрів експлуатації обирати технології формування на їх поверхні метастабільних структур, морфологія будови яких забезпечує підвищення корозійно-механічної тривкості. На основі цього запропоновано гнучку регулятивну схему захисту поверхні конструкційних матеріалів методами високоенергетичних променевих технологій.

11. Запропоновані у роботі ідеї та технічні рішення адаптовані до умов експлуатації лопаток турбін низького тиску (турбіни К 100-90-6 із сталі 20Х13) Добротвірської ТЕС, робоча поверхня яких захищена плазмовим наплавленням порошком ніобію в атмосфері азоту, що вдвічі ефективніше, ніж традиційний захист лопаток за допомогою стелітових пластин. Для уніфікації та прискорення обрахунків корозійно-електрохімічних властивостей поверхневих шарів розроблено та адаптовано програму на мові С++.

Публікації автора:

1. Дурягіна З. А., Ткаченко П. Р., Івашко Т. Л. Нейромережеве моделювання властивостей захисних поверхневих шарів, створених лазерним легуванням // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2002. - № 3 (спец. випуск). – С. 585 – 588.

   Дурягіна З. А., Івашко Т. Л. Вплив розплаву Li₁₇Pb₈₃ на стабільність структури та властивостей ванадієвих сплавів // Машинознавство. – 2003. - № 3. – С. 51 – 55.

   Дурягіна З. А., Лазько Г. В., Івашко Т. Л. Поверхневі явища при формуванні градієнтних структур // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні і приладобудуванні: Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. – Львів, 2003. - № 480. – С. 137 – 142.

   Дурягіна З. А., Івашко Т. Л. Вплив високоенергетичної поверхневої обробки на корозійно-електрохімічну поведінку ванадієвих сплавів та нержавних сталей // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: В 2-х т. (спец. вип. журналу ФХММ). - Львів: ФМІ ім. Г. Карпенка, 2004. - Т. 2. - № 4. – С. 535 – 540.

   Дурягіна З. А., Івашко Т. Л. Деградація структури та властивостей ванадієвих сплавів при взаємодії з розплавами Li₁₇Pb₈₃ // Надійність і довговічність машин і споруд: Міжнародний науково-технічний збірник (спец. випуск журналу “Проблеми міцності”). - Київ: Вид – во інституту проблем міцності, 2004. - № 2. –– С. 45 – 49.

   Дурягіна З. А., Івашко Т. Л. Вплив режимів іонної імплантації азотом на корозійно-електрохімічні властивості ферито-мартенситних сталей // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: В 2 – х т. (спец. вип. журналу ФХММ). - Львів: ФМІ ім. Г. Карпенка, 2006. – Т. 2. - № 5. – С. 696 – 701.

   Дурягіна З. А., Івашко Т. Л., Юхимчук А. Ю. Поверхневі явища в спеціальних сплавах після плазмового оплавлення // Металознавство та обробка металів. – 2006. - № 2. - С. 9 – 13.

   Патент № 17292 UA, B21F21/00, D21C9/00. Структурний бар’єр на поверхні конструктивних елементів атомного енергетичного обладнання. Дурягіна З. А., Алімов В. І., Тепла Т. Л., Штихно А. П. Заявл. 03. 04. 2006. Опубл. 15.09. 2006, Бюл. № 9.

   З. А. Дурягіна, Т. Л. Тепла Використання методів радіаційно-променевих технологій для підвищення корозійно-механічної тривкості деталей машин енергетичного обладнання // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні: Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. – 2007. - № 583. – С. 103 – 108.

   Дурягіна З. А., Івашко Т. Л. Оцінка деградації параметрів несучої спроможності поверхні індуктивними методами моделювання // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: Зб. наук. пр. – Львів: ФМІ ім. Г. В. Карпенка, 2004. –С. 739 – 744.

   Дурягіна З. А., Івашко Т. Л. Використання плазмової обробки для оптимізації фізико-механічних властивостей нержавіючих сталей // Ефективність реалізації наукового, ресурсного та промислового потенціалу в сучасних умовах: Міжнародний зб. наук. пр. Дон. НТУ. – Донецьк: Вид – во Укр. Інформ. центру «Наука. Техніка. Технологія.» (Матеріали 5 – ої промислової конференції, 21 - 25 лютого 2005 р., с. Славсько), 2005. – С. 206 – 209.

   Дурягіна З. А., Івашко Т. Л., Лазько Г. В. Вплив лазерного легування ніобієм і азотом на корозійно-електрохімічні властивості сталі ЕП 823 // Машинобудування і техносфера ХХІ сторіччя. Сб. тр. 12-й Междунар. научно-техн. конф. в г. Севастополе: В 5-ти томах. - Донецьк: Дон. НТУ, 2005. – Т. 1. – С. 268 – 271.

   Дурягіна З. А., Василів Х. Б., Широков В. В., Івашко Т. Л. Підвищення зносотривкості корозійнотривких сталей комплексним легуванням ніобієм та азотом // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. науч. тр. Дон. НТУ. – Донецьк: Дон. НТУ, 2006. – С. 126 – 129.

   Дурягіна З. А., Василів Х. Б., Тепла Т. Л. Покращення експлуатаційних властивостей сталей комплексним лазерним легуванням ніобієм та азотом // Ефективність реалізації наукового, ресурсного та промислового потенціалу в сучасних умовах: Міжнародний зб. наук. пр. Дон. НТУ. – Донецьк: Вид – во Укр. Інформ. центру «Наука. Техніка. Технологія.» (12 – 16 лютого 2007 р., с. Славсько), 2007. – С. 285 – 287.

   Тепла Т. Л., Дурягіна З. А. Підвищення корозійно-механічної тривкості деталей машин енергетичного обладнання // Фізика конденсованих систем та прикладне матеріалознавство: Міжнародний зб. наук. пр. (11-13 жовт. 2007 р). - Львів. Вид-во Національного університету “Львівська політехніка”, 2007. – С. 131.