Анотація до роботи:

Дурягіна З.А. Закономірності створення бар’єрних шарів з регульованим структурно-фазовим станом для оптимізації властивостей конструкційних матеріалів енергетичного обладнання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01 – Металознавство та термічна обробка металів. –Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2005.

Розроблено науково-технологічні принципи керованого захисту поверхні корозійнотривких сталей і ванадієвих сплавів від деградації структури і властивостей у розплавах Pb та Li₁₇Pb₈₃ формуванням бар’єрних шарів - покриттів методами інженерії поверхні.

Встановлено оптимальні режими вибраних методів інженерії поверхні для цілеспрямованої зміни властивостей поверхні залежно від структурного класу матеріалів та умов експлуатації та запропоновано оптимальні системи лазерного легування корозійнотривких сталей у комбінаціях: 12Х18Н10Т + Zr, 07Х13АГ20 + Zr, 04Х16Н11М3Т + Nb, ЭП450 + (Si+B).

Встановлена кореляція між структурою розплавів Pb і Li₁₇Pb₈₃, коефіцієнтами їхнього поверхневого натягу, факторами структурної когерентності та інтенсивністю деструктивних процесів на границі розділу системи “сталь–розплав”.

Розроблено узагальнювальні методологічні принципи комп’ютерного моделювання оптимального структурно-фазового стану поверхні на основі моніторингу і системного аналізу кореляційних залежностей між структурно-геометричними параметрами поверхні конструкційних матеріалів та їхніми функціональними властивостями Для цього спеціально розроблена і адаптована архітектура нейромережі, оптимізована методика її навчання, вдосконалена функція активації нейронів.

_.Ефективність запропонованих науково-технологічних рішень роботи підтверджена їхнім промисловим використанням на ТЕС Західного регіону України. Наукові результати роботи використано у проектній документації ВАТ “Львів - ОРГРЕС”, у навчальному процесі при підготовці бакалаврів і магістрів з прикладного матеріалознавства, а задачі комп’ютерного моделювання – при тестуванні професійного програмного пакета “func*net Express“ Version 1.0 ITAMM & parcs IT – Consulting GmbH.

Основний результат роботи – вирішення актуальної науково-практичної проблеми, що пов’язана з розробленням принципів керованого захисту поверхні корозійнотривких сталей і ванадієвих сплавів від деградації структури і властивостей у розплавах Pb і Li₁₇Pb₈₃ формуванням на них бар’єрних шарів-покриттів методами інженерії поверхні.

1. Розроблені науково-технологічні принципи цілеспрямованої зміни структурно-фазового стану поверхні КМ на границі розділу системи “сталь –розплав”, що полягають у:

а) встановленні псевдорівноваги на міжфазній границі з урахуванням напряму і кінетики її руху при концентраційному, без концентраційного і при термічному перенесенні маси;

б) скеруванні через міжфазну границю системи “сталь – розплав” зустрічних потоків сегрегованих до поверхні сталі елементів (Ti, Cr) і транспортованих у зону реакційної дифузії елементів (V, Mo, Nb, Cr, Zr, Si, B, N) через розплав:

для ферито-мартенситних сталей у режимі додатного ізотермічного перенесення маси з константою швидкості росту захисних дифузійних шарів 1.6*10^-6см*с^-1/2;

для сталей аустенітного класу у режимі від’ємного масоперенесення з константою швидкості руху границі ушкодженого шару 5*10^-7см*с^-1/2;

с) використанні методів інженерії поверхні для модифікування оплавленої поверхні сталі наперед встановленими елементами (Nb, Zr, Si, B, N), які братимуть участь у процесах реакційної дифузії з утворенням фаз, стійких до дії розплавів Pb та Li₁₇Pb₈₃ .

2. За встановленими температурно-активаційними параметрами утворення дифузійних шарів у системах “сталь 20Х13 – Nb, Mo, V, Cr” визначено оптимальні режими формування захисних покриттів викристалізацією розчинених у розплаві Li₁₇Pb₈₃ дифузантів (в кількості 5 мас. %) під час його охолодження від температури 1000 ⁰С із швидкістю 2...4 К/хв. Ванадієві покриття рекомендовані для захисту поверхні сталей ферито-мартенситного класу від деградації у розплаві Li₁₇Pb₈₃ при температурах, вищих за 550 ⁰С, а хромисті і молібденові покриття – до температури 500 ⁰С.

3. Встановлені оптимальні режими формування захисних бар’єрних шарів при лазерному оплавленні поверхні корозійнотривких сталей залежно від їхнього структурного класу та морфологічні ознаки будови таких шарів, що забезпечуватимуть їхню оптимальну корозійно-механічну тривкість:

а) для ферито-мартенситних сталей густина потужності випромінювання повинна становити 1,8*10⁵ Вт/см², тривалість імпульсу 4,5 мс, діаметр сфокусованої плями 1,5 мм, коефіцієнт перекриття плям 0,5. Відбувається зменшення розміру блоків мозаїки (D), порівняно з неоплавленим станом, від 447 до 123 , і збільшення густини дислокацій (r) від 1.5*10¹¹ до 19.8*10¹¹ см^-2;

б) для аустенітних сталей формування аналогічних за будовою і властивостями поверхневих шарів відбувається при густині потужності випромінювання 2,8*10⁵ Вт/см² із збереженням незмінними інших параметрів. А зміна структурних характеристик оплавленої поверхні, порівняно із вихідним станом, відповідно становить: D від 447 до 218 ; r від 1.5*10¹¹ до 6.3*10¹¹ см^-2.

4. Показано, що захисні властивості бар’єрних шарів, одержаних модифікуванням поверхні КМ атомами робочого газу при обробленні імпульсною плазмою вищі, ніж після їхнього лазерного оплавлення. Зокрема, встановлено оптимальний режим обробки азотною плазмою (потужність випромінювання 150 Дж/см², пришвидшувальне напруження 34 кВ, тиск плазми 100 мм м.ст.), що дає змогу на глибині 30...40 мкм формувати дрібнокристалічну структуру з розміром комірок 0,1..1 мкм для ферито-мартенситних сталей і 0,2...0,3 мкм, відповідно, для аустенітних сталей, з кутами їхньої розорієнтації у межах 1...5.

5. Запропоновано оптимальні системи лазерного легування корозійнотривких сталей у комбінаціях: 12Х18Н10Т+Zr, 07Х13АГ20+Zr, 04Х16Н11М3Т+Nb, ЭП450+(Si+B) на основі моніторингу деградації їхньої структури і властивостей після ізотермічних випробувань у розплавах Pb і Li₁₇Pb₈₃ і термодинамічного прогнозу імовірності утворення на їх поверхні вторинних фаз (карбідів Cr₇C₃, ZrC, TiC, NbC, Cr₂₃C₆; нітридів ZrN, TiN, ZrN_0,89, ZrN_0,74, Fe₄N, ZrN_0,69, VN, NbN, BN, ZrN_0,56, Si₃N₄; боридів TiB₂, ZrB₂, VB₂, NbB₂, Mo₂B₅; силіцидів Zr₆Si₅, Zr₅Si₃, V₅Si₃, Zr₃Si₂, V₅Si₂, Zr₂Si), стійких у означених розплавах.

6. Показано, що корозійнотривкі сталі аустенітного класу системи Fe-Cr-Mn-N, як у вихідному стані, так і після лазерного легування Zr або Si+B характеризуються вищою стабільністю структури і властивостей у розплавах Pb і Li₁₇Pb₈₃ за температур 450...700 ⁰С на витримках до 10000 годин, ніж сталі аустенітного класу системи Fe-Cr-Ni-Ti.

7. Встановлено оптимальний склад ванадієвих сплавів V – Cr (3,9...15,5 %) – Ті (5...18,75 %), які не схильні до розшарування і фрагментації структури у розплаві Li₁₇Pb₈₃ до 800 ⁰С завдяки поверхневій сегрегації Ті, інтенсивність якої зростає із збільшенням в них вмісту Ті. Під час його взаємодії із дифундуючими до міжфазної границі технологічними домішками (O, N) розплавів відбувається утворення нітридних і оксинітридних фаз. Сформовані в такий спосіб бар’єрні шари організують (самоорганізують) захист поверхні від деградації.

8. Показано, що за переміщеннями екстремумів неперервної функції структурних факторів S(q) розплавів Pb i Li₁₇Pb₈₃ та за ступенем структурної когерентності між дальнім порядком у розташуванні атомів на поверхні сталі і ближнім порядком атомної забудови розплавів можна прогнозувати зміну коефіцієнта поверхневого натягу, а відтак і змочуваність сталі розплавами.

9. Показана ефективність і доцільність використання нейронномережевого комп’ютерного моделювання за моделлю ФМТФ для розв’язання задач прикладного матеріалознавства. Для цього розроблена і адаптована архітектура нейромережі, вдосконалена функція активації нейронів, оптимізована методика навчання. Кількісний прогноз динаміки зміни сертифікованих структурно-геометричних параметрів мікротопографії поверхні (Sr₁, Sr₂) свідчить про збільшення безпечного інтервалу експлуатації корозійнотривких сталей у евтектичному розплаві за температур, вищих за 500 С, до 20000...25000 год .

10. Практичні рекомендації за результатами роботи істотно поповнюють експериментальну базу даних про методи захисту КМ енергомашинобудування від дії розплавів Pb і Li₁₇Pb₈₃, що необхідно враховувати під час створення ядерних енергетичних установок нового покоління підвищеної безпеки та реалізації проектів з розроблення дослідного термоядерного реактора.

Під патронатом Галременерго на Добротвірській, Бурштинській ТЕС і ВАТ “ЛьвівОРГРЕС” пройшли перевірку запропоновані у роботі ідеі і технічні рішення, що відображено у відповідній нормативній документації. Цим підтверджена коректність висунутих теоретичних положень і практичних рекомендацій, що розширює сферу їхнього використання на обладнанні теплоенергетики. Зокрема, на Добротвірській ТЕС здійснено відновлення робочих кромок лопаток циліндра низького тиску турбіни К100-90-6 із сталі 20Х13 плазмовим наплавленням порошком ніобію, що вдвічі ефективніше ніж традиційний захист за допомогою стелітових пластин, а очікуваний економічний ефект від впровадження цієї рекомендації становить 121052 гривні.

Розширено сферу використання професійного програмного пакета “func*net Express“ Version 1.0 ITAMM & parcs IT – Consulting GmbH на прикладні задачі матеріалознавства, що дає змогу прогнозувати динаміку зміни функціональних властивостей поверхні та заощаджувати витрати і час на здійснення трудомістких експериментів.

Публікації автора:

1. Дурягина З.А., Бондарь Е.Р., Пастухова Л.В. Механизм и характер взаимодействия хромистой нержавеющей стали с расплавами свинца и висмута // Физико-химическая механика материалов. – 1987. – № 6. – С. 13 – 16.

Ідея, постановка задачі, дослідження зразків, узагальнюючі висновки.

2. Влияние лазерной обработки на коррозионную стойкость сталей в расплаве свинца // Прохоренко В.Я., Дурягина З.А., Паздрий И.П., Плешаков Э.И., Цюра И.В. // Физика и химия обработки материалов. –1988.– № 1.–С. 89 – 92.

Ідея, виконання експериментів, висновки.

3. Дурягина З.А., Бондарь Е.Р. Кинетические параметры формирования диффузионных слоев в системе нержавеющая сталь – тугоплавкий металл // Физика и химия обработки материалов. – 1989. – № 4. – С. 121 – 126.

Ідея, проведення експериментів, узагальнення результатів, висновки.

4. Влияние лазерной обработки на совместимость нержавеющих сталей с расплавом 83Pb-17Lі // В.Я. Прохоренко, З.А. Дурягина, И.В. Пацюркевич, А.Д. Мурачов //Физико-химическая механика материалов.–1989.–№ 5.–С.103–106.

Ідея,експериментальна частина,трактування результатів, висновки.

5. Структура и фазовый состав диффузионных покрытий на сплаве ниобия / М.Ф. Замора, В.В. Дробит, А.И. Кондырь, З.А. Дурягина // Защита металлов. – 1982. – № 1. – С. 79 – 82.

Експериментальна частина, висновки.

6. Дурягина З.А., Пастухова Л.В., Кицак М.И. Диффузионное борирование пресс-инструмента из стали ДИ22 // Защита металлов. – 1987. – № 2. – С. 319–321.

Ідея, узагальнення експериментальних результатів, висновки.

7. Дурягина З.А., Дробит В.В., Мурачов А.Д. Применение методики микромеханических испытаний для изучения свойств диффузионных покрытий // Сб. научн. трудов Института проблем материаловедения “Современные проблемы физического материаловедения”. – К.: изд-во ИПМ.- 1990. – С. 158 – 163.

Ідея, трактування результатів експерименту, висновки.

8. Дурягина З.А., Бондарь Е.Р., Зырянов В.И. Защита хромистой стали от агрессивного воздействия эвтектики Lі₁₇Pb₈₃ нанесением диффузионных покрытий // Физика и химия обработки материалов. – 1991. – № 4. – С. 107 – 110.

Ідея, планування експерименту, узагальнення результатів, висновки.

9. Дурягіна З.А., Пацюркевич І.В., Мурачов О.Д. Генерація корозієстійких шарів під впливом лазерного опромінювання // Вісник Львівського політехнічного інституту “Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні”. – 1991. – № 225. – С. 17 – 18.

Ідея, план експерименту, узагальнюючі висновки.

10. Duriagina Z.A., Kondyr A.I., Pazdry I.P., Prochorenko V.Y. / Іnvestigation of eutectic compatibility with structural materials in static state // Study of Li17-Pb83 eutectic properties (USSR contribution to ITER). – M.: RDIPE, 1991. – P. 16 – 28.

Ідея, проведення експерименту, узагальнення результатів, висновки.

11. Дурягіна З.А. Використання плазмового оброблення для створення метастабільних захисних шарів на конструкційних матеріалах // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Динаміка, міцність та проектування машин і приладів. – 2000. – № 396. – С. 66 – 68.

12 Дурягіна З.А. Вплив структури ванадієвих сплавів на їх сумісність із розплавами металів // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні. – Львів, 2000. – № 412. – С. 105 – 108.

13. Дурягіна З.А., Пашечко М.І. Структурно-фазові перетворення в поверхневих шарах конструкційних матеріалів при імпульсній лазерній обробці // Металознавство та обробка металів. – 2000. – № 4. – С. 34 – 38.

Ідея, проведення експерименту, аналіз результатів, висновки.

14. Duriagina Z.A. The enhancement of the corrosional and mechanical resistance of stainless steel using a surface treatment // Solidification of Alloys, PAN-Katowice, PL ISSN 0208-9386. – 2000. – V. 2, № 42. – P. 155 – 162.

15. Дурягіна З.А. Оптимізація структурно-фазового стану поверхні нержавіючих сталей лазерним легуванням // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні і приладобудуванні. – 2000. – № 394. – С. 116 – 120.

16. Дурягіна З.А. Особливості механізму взаємодії нержавіючих сталей з розплавами на основі свинцю // Машинознавство. – 2001. – № 3. – С. 7 – 12.

17. Дурягіна З.А. Функціональні поверхневі шари, створені лазерним легуванням // Вісник НУ “Львівська політехніка”. Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні і приладобудуванні. – 2001. – № 422. – С. 98 – 103.

18. Концепції використання та захисту конструкційних і функціональних матеріалів для ядерних енергетичних установок / Дурягіна З.А., Єлісєєва О.І., Федірко В.М., Цісар В.П. / Металознавство та обробка металів. – 2001. № 3. – С. 77 – 84.

Ідея, систематизація і узагальнення матеріалу, висновки.

19. Пашечко М.І., Дурягіна З.А. Самоорганізація поверхні при зношуванні та корозії // Металознавство та обробка металів. – 2002. – № 3. – С. 26 – 35.

Ідея, трактування і систематизація результатів, висновки.

20. З. Дурягіна, П. Ткаченко. Використання штучних нейронних мереж для прогнозування властивостей поверхні конструкційних матеріалів. – Львів: Машинознавство, 2002. – № 2 (56). – С. 29 – 31.

Постановка задачі, створення робочих файлів для навчання нейромережі, висновки.

21. Дурягіна З.А., Стець Т.Ю. Вплив водневого середовища на механічні властивості сталі ЭП 450 після різних видів поверхневої обробки // Вісник НУ “Львівська політехніка”.Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні і приладобудуванні. – 2002. – № 442. – С. 126 – 132.

Ідея, проведення експерименту і обробка результатів, узагальнюючі висновки.

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

Ідея, систематизація результатів моделювання, висновки.

23. Структура та корозійно-механічні властивості поверхневих шарів сталей після лазерного легування / Пашечко М.І., Широков В.В., Дурягіна З.А., Василів Х.Б. // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2003. – № 1. – С. 95 – 102.

Ідея, дослідження зразків після лазерного легування, висновки.

24. In situ-inyneria powierzchni materialo konstrukcyjnych w srodowiskach metali cierlych. / Pashechko M., Fedirkko V., Duriagina Z., Eliseeva O. // Inyneria Powierzchni. – Warszawa, 2003.

Ідея, систематизація результатів експерименту, висновки.

25. Дурягіна З.А., Івашко Т.Л. Вплив розплаву Lі₁₇Pb₈₃ на стабільність структури та властивості ванадієвих сплавів // Машинознавство. – 2003. – № 3. – С. 51 – 55.

Ідея, узагальнення і трактування результатів, висновки.

26. Дурягіна З.А., Ткаченко П.Р., Головко І.М., Лазько Г.В. Моделювання функціональних властивостей конструкційних матеріалів на основі аналізу структурно-геометричних параметрів поверхні // Металознавство та обробка металів. – 2003. – № 2. – С. 35 – 41.

Обгрунтування і постановка задачі, узагальнення результатів моделювання.

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

Ідея і постановка задачі, розвиток гіпотез, висновки.

28. Дурягіна З.А., Мудрий С.І., Луцишин Т.І. Зв’язок між структурними параметрами розплаву Li₁₇Pb₈₃ та його взаємодією з нержавними сталями // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 2004. - №1. – С. 79 – 85.

Обгрунтування і постановка задачі, розрахунки, трактування результатів, висновки.

29. Дурягіна З.А.. Івашко Т.Л. Вплив високоенергетичної поверхневої обробки на корозійно-електрохімічну поведінку ванадієвих сплавів та нержавіючих сталей // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: В 2-х томах. / Спец. випуск журналу “Фізико-хімічна механіка матеріалів”. – № 4. – Львів: Фізико-механічний інститут НАН України, 2004. – Т. 2. – С. 535 – 540.

Ідея, трактування результатів експерименту, висновки.

30. Дурягіна З.А., Івашко Т.Л. Оцінка деградації параметрів несучої спроможності поверхні індуктивними методами моделювання // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій / Під заг. ред. В.В. Панасюка –Львів: Фізико-механічний інститут НАН України. – 2004. – С. 739 – 744.

Постановка задачі, узагальнення результатів експерименту, висновки.

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

Ідея, виконання експерименту, узагальнення результатів, висновки.

32. Дурягіна З.А., Мудрий С.І. Вплив структурної когерентності розплавів Pb та Lі₁₇Pb₈₃ на взаємодію з конструкційними матеріалами // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 2005.- № 1. – С. 53 – 57.

Обґрунтування і постановка задачі, систематизація результатів експерименту, висновки.

33. Duriagina Z., Eliseeva O.І. Formation of protective layers on the stainless steel for operation in a liquid lead melt // Inyneria Powierzchni. – Warszawa, 2005. – № 1. – Р. 43 – 48.

Ідея, виконання досліджень. узагальнення експериментальних даних, висновки.

34. Дурягіна З.А., Лазько Г.В. Вплив комплексного лазерного легування Nb та N на характер структуроутворення в приповерхневих шарах нержавіючих сталей // Машинознавство. – 2005. – № 4 (94). – С. 52 – 55.

Постановка задачі, узагальнення результатів експерименту, висновки.

35. Прохоренко В.Я., Дурягина З.А., Мурачов А.Д. Влияние лазерной обработки на повышение коррозионно-механической стойкости нержавеющих сталей при их работе в жидкометаллических растворах // Сб. докладов Междун. симпозиума “Лазерная обработка металлов”. – Жешув, Польша. –1992.–С. 77–83.

Ідея, узагальнення експериментальних даних, висновки.

36. Прохоренко В.Я., Дурягина З.А., Мурачов А.Д. Формирование структуры поверхностных слоев нержавеющих сталей при лазерном легировании и плазменной обработке // 2 Mend. Symposium ”Wplyw obrobki lazerowej na strukturze materialow”. – Polsha, Pzeszow. – 1994. – S. 25 – 30.

Ідея, узагальнення і систематизація результатів, висновки.

37. Дурягіна З.А., Івашко Т.Л., Лазько Г.В. Вплив лазерного легування Nb i N на корозійно-електрохімічні властивості нержавіючої сталі ЕП 823 // Машиностроение и техносфера ХХІ века. Сборник трудов 12-й Междунар. научно-техн. конф. в г. Севастополе. В 5-ти томах. –Донецк: Дон. НТУ, 2005, т. 1. – С. 268 – 271.

Ідея, постановка задачі, проведення експерименту, висновки.