Дисертації (ЛТФТТ)
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Підвищення ефективності виготовлення і якості біметалів застосуванням комбінованих лазерно-ливарних процесів й відповідного обладнання(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Салій, Сергій Сергійович; Головко, Леонід ФедоровичСалій С. С. Підвищення ефективності виготовлення і якості біметалів застосуванням комбінованих лазерно-ливарних процесів й відповідного обладнання. Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальністі 131 «Прикладна механіка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерство освіти і науки України, - Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена актуальній та важливій для сучасного машинобудування науково-технічній проблемі – підвищенню ефективності виготовлення й покращенню якості біметалічних матеріалів за рахунок застосування комбінованих лазерно-ливарних процесів, які поєднують попередню лазерну обробку поверхні функціонального шару та подальше ливарне формування конструктивної складової. В умовах підвищення вимог до надійності та довговічності конструкційних елементів, що працюють у високотемпературних, корозійних або абразивних середовищах, питання створення надійних біметалів з високою стійкістю до руйнування є надзвичайно важливим. Застосування біметалів дозволяє суттєво підвищити ресурс деталей та зменшити їх собівартість за рахунок поєднання дорогої корозійностійкої або жароміцної поверхні з дешевою конструктивною сталевою основою. Проте традиційні технології виготовлення біметалів — наплавлення, зварювання, гаряча прокатка, дифузійне з'єднання та вибухове зварювання — обмежені щодо формування рівномірної структури, часто призводять до утворення тріщин, крихких проміжних фаз, непроварів, залишкових напружень або зниження експлуатаційних характеристик. Разом з тим, традиційні технології виготовлення біметалів – не завжди забезпечують стабільність процесу та необхідну якість зони з’єднання. Суттєвими недоліками цих методів є утворення тріщин через значні температурні градієнти, поява крихких прошарків, непроварів, зон локальної пористості, а також висока вартість попередньої підготовки поверхні. Комбінований лазерно-ливарний процес, розроблений у межах дисертації, дозволяє вирішити ці проблеми за рахунок поєднання керованого лазерного впливу, який формує макроструктуру поверхневого шару, та енергії перегрітого металу, що заливається у форму, створює сприятливі умови для інтенсифікації дифузії легувальних елементів і формування надійного металургійного зв'язку. У роботі вперше проведено комплексні дослідження процесів формування біметалів системи ХН60ВТ (UNS 6230) – Сталь S235JRG2 (Ст3) за умов поєднання лазерної модифікації поверхні та ливарного формування. Показано, що лазерна обробка випроміненням волоконного лазера LTS500 дозволяє формувати регулярний макрорельєф з чітко окресленими геометричними параметрами, які визначають розвиток зони дифузійного контакту та якість з’єднання. Встановлено, що найкращі показники міцності та однорідності забезпечує макрорельєф з висотою виступів 0,5 мм, кроком 1,5 мм та поперечним розміром 1×1 мм. Така конфігурація дає змогу отримати металургійний зв’язок до 97–98 % площі контакту, що значно перевищує показники традиційних методів. Особливу увагу приділено вивченню теплофізичних процесів за допомогою математичного моделювання в середовищі COMSOL Multiphysics. Моделювання дозволило визначити просторово-часові температурні поля, умови формування локальної зони розплаву, а також вплив швидкості відводу тепла та геометрії макрорельєфу на структуру з’єднання. Встановлено, що оптимальною температурою заливки є 1600 °С, що забезпечує достатню енергію розплаву для інтенсифікації дифузії легувальних елементів (Cr, Ni, W) з нікелевого сплаву в сталь та формування повноцінної дифузійної перехідної зони. Експериментальні дослідження структури та властивостей перехідної зони виконувалися методами електронної мікроскопії (SEM), енергодисперсійного спектрального аналізу (EDX), рентгеноструктурного аналізу (XRD), мікротвердометрії та металографії. Встановлено, що за умов комбінованого процесу формується перехідна зона товщиною 80–170 мкм, яка складається з дрібнозернистих структур з високою концентрацією легувальних елементів та новоутворених фаз. Рентгеноструктурний аналіз виявив присутність фаз Ni–Cr–Fe та FeO507–NiO493 (тетратаєніту), що забезпечують підвищення міцності інтерфейсу та стійкість до утворення тріщин. У дисертаційній роботі вперше описано явище локального теплового «запирання», яке виникає в зонах макрорельєфу під час дії перегрітого розплаву. Це явище сприяє зменшенню тепловідводу та підвищенню температури у контактній області, що інтенсифікує дифузію і сприяє формуванню рівномірної перехідної зони. Доведено, що формування макрорельєфу з оптимальною конфігурацією забезпечує не лише збільшення площі контакту, але й стабілізацію теплових потоків, що є ключовим фактором у створенні якісного металургійного з’єднання. Досліджено вплив режимів лазерної обробки (потужність 400–500 Вт, діаметр променя 0,6 мм, швидкість 1–2 м/хв, тиск газу 0,4–2 атм), температури попереднього нагрівання функціонального шару (≈300 °С) та температури заливки на формування структури та механічних властивостей з’єднання. Показано, що правильно підібрані режимні параметри дозволяють уникнути утворення газових включень, тріщин, зон непроплаву та перехолодження. Окремо досліджено методи підвищення стабільності механічних властивостей біметалів за допомогою термічної обробки. Запропоновано режим відпалу при температурі 550 °С протягом 30 хвилин, який дозволяє ефективно зняти залишкові напруження та підвищити рівномірність твердості в зоні з’єднання. Встановлено, що після відпалу значення мікротвердості перехідної зони стабілізуються та відповідають механічним властивостям основного металу. Наукова новизна отриманих результатів. - Вперше розроблено новий високоефективний процес виготовлення біметалів, який базується на комплексному використанні енергій лазерного випромінювання і індукованого електромагнітного поля. Лазерне випромінювання застосовується для розплавлення поверхневого шару функціональної складової біметалу на глибину 30-50 мкм, одночасно з чим, на його поверхню з певною витратою із індукційного нагрівача спрямовується розплав другої конструктивної складової. Запропоновано та експериментально апробовано оригінальну методику розрахунку параметрів подачі розплаву із заданою витратою. - Встановлено, що при лазерно-ливарному процесі виготовлення біметалів умови існування постійної зони розплаву і її розміри залежать від теплофізичних характеристик матеріалу та визначаються швидкістю і законом переміщення лазерного пучка, його потужністю, геометричними розмірами та розподілом інтенсивності випромінювання в зоні фокусування. Управління процесом доцільно здійснювати комплексною зміною параметрів сканування, швидкості переміщення і потужності лазерного випромінювання та висоти напірного стовпа розплаву. - Вперше запропоновано і досліджено принципово новий механо-ливарний спосіб виготовлення біметалів, сутність якого полягає в тому, що при створенні на поверхні функціональної складової біметалу виступів певної форми, площі у поперечному перерізі та висоти і наступному одночасному нагріванні їх поверхонь розплавом конструкційної складової, внаслідок зміни коефіцієнту теплопровідності по висоті виступів і обумовленого цим накопиченням теплової енергії у вершин, відбувається їх розплавлення. Внаслідок цього утворюється розчин функціональної і конструкційної складових біметалу, забезпечуючи між ними металургійний зв’язок. - Доведено, що оптимальними параметрами макрорельєфу, які забезпечують однорідність структури біметалу, максимальну площу металургійного контакту складових (97–98 %) без утворення дефектів і максимальну міцність їх зчеплення є - висота виступів - 0,5 мм, крок між виступами - 1,5 мм. Показано, що у залежності від вимог до потрібної міцності зчеплення складових біметалу і бажаної продуктивності його виготовлення крок між виступами може бути відповідним чином пропорційно збільшений. - Встановлено, при механо ливарному виготовленні біметалу на прикладі «хромо-нікелевий сплав ХН60ВТ– Ст3», вздовж умовної межі з’єднання складових утворюється перехідний шар від нікелевого сплаву до зони сплавлення, зона сплавлення та значно менший перехідний шар до структури вуглецевої сталі. Загальна ширина цих зон змінюється у залежності від режимів опромінення від 80 до 170 мкм. При цьому відбувається перерозподіл легуючих елементів Cr, Ni, W від нікелевого сплаву до сталі, в наслідок чого в зоні сплавлення утворюються фази Ni - Cr – Fe, вміст якої становить 86.4% та фаза Fe 0.507–Ni 0.493 (тетратаєніт), вміст якої у залежності від схеми розташування і розмірів виступів становить 13,6%. Зі збільшенням кроку розташування її вміст зменшується до 10,9%. Оптимальними параметрами макровиступів слід вважати: крок розташування -1,5 мм, висота - 0,5 мм. Вони забезпечують повне розплавлення макрорельєфу функціонального шару та формування розмитої хвилястої границі розділу з утворенням металургійного зв’язку та масопереносу елементів. - Оцінка залишкових напружень за методом Вільямсона–Голла показала, що мікродеформації кристалічної решітки становлять 0,08% для твердорозчинної фази Fe–Cr–Ni, що відповідає величині залишкових напружень 160–170 МПа, та 0,11% для впорядкованої фази FeNi (тетратаєніту), що відповідає 220–230 МПа. Підвищений рівень залишкових напружень у тетратаєніті свідчить про зростання густини дислокацій та формування більш напруженого стану решітки, що зумовлено локальними температурними градієнтами і високими швидкостями нагрівання–охолодження під час взаємного сплавлення компонентів біметалу. - Встановлено, що універсальне використання лише одного способу є технологічно та економічно недоцільним, оскільки гібридна схема є ефективною для одиничного та малосерійного виробництва, тоді як високопродуктивна схема забезпечує суттєве зниження питомих витрат і розширення габаритних можливостей при великосерійному виготовленні. Практичне значення результатів роботи міститься в наступному: - Застосування запропонованих технологій виготовлення біметалів дозволяє значно скоротити витрати високовартісних сталей і інших сплавів, зменшити собівартисть та підвищити продуктивність виготовлення виробів, значно розширити їх гаму з різними функціональними властивостями. - Розроблено оригінальну методику визначення умов подавання розплаву конструкційної складової біметалу, що забезпечує формування шару із заданими геометричними параметрами - шириною, довжиною, товщиною. - Визначено раціональні технологічні параметри виготовлення біметалу «нержавіюча сталь 12Х18Н10Т (2 мм) – сталь Ст3 (15 мм)» шириною 50 мм: потужність лазерного випромінювання P = 8,5 кВт, амплітуда сканування A = 50 мм, частота сканування f = 200 Гц, швидкість переміщення основи Vx = 1 м/хв, товщина наплавленого шару k = 2 мм, висота стовпа розплаву h = 7,6 мм. - Розроблено технологічні регламенти лазерно-ливарного та лазерномехано-ливарного процесів виготовлення біметалів систем ХН60ВТ–Ст3 і 12Х18Н9Т–Ст3 для деталей, що експлуатуються в складних умовах. - Проведено промислову апробацію результатів роботи та отримано акти зацікавленості від: ТОВ «Олімп груп» (Застосування технології для виготовлення біметалів алюміній–мідь, які використовуються у вентиляційних системах та системах кондиціювання). ТОВ «Компанія Сіайті» (Використання технології у виробництві інженерних комунікацій, а також реакторів для приготування будівельних сумішей). ТОВ «ЧЕРНІГІВСЬКИЙ АВТОАЗВОД» (Використання комбінованих технологій для отримання корозійностійких біметалів для автомобільної промисловості та їх конструктивних елементів) - За результатами роботи отримано 6 патентів України на корисну модель. - Показано, що інтенсифікація процесу виготовлення біметалів через застосування пластичної деформації для швидкого формування регулярної макроструктури на поверхні функціонального компонента дозволяє значно підвищити продуктивність процесу, виготовляти біметалеві листи шириною до 1 метра і більше, організувати при необхідності серійне чи крупносерійне виробництво. - Розроблені рекомендації можуть бути впроваджені на підприємствах оборонного та важкого машинобудування, а також у легкій, харчовій та нафтохімічній промисловості. Основні результати дисертаційного дослідження опубліковані у 38 наукових працях, серед яких: 2 статті у періодичних наукових виданнях, проіндексованих у базі Scopus; 3 статті у наукових фахових виданнях України; 1 - розділу монографії, 26 праць апробаційного характеру (тези доповідей). За матеріалами дисертаційної роботи розроблено та захищено 6 деклараційних патентів України на способи лазерно-ливарного та лазерно-механо-ливарного формоутворення біметалів.Документ Відкритий доступ Підвищення експлуатаційних властивостей сталевих виробів комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Данилейко, Олександр Олександрович; Лесик, Дмитро АнатолійовичДанилейко О. О. Підвищення експлуатаційних властивостей сталевих виробів комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 131 «Прикладна механіка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Міністерство освіти і науки України. – Київ, 2023. У дисертаційній роботі висвітлюються способи підвищення надійності та довговічності інструментів зі сталі 30ХГСА, які використовуються в дробарках ударного типу, а також корпусів коронок для колонкового буріння комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою. При проведенні теоретичної розвідки опрацьовано новітні наукові доробки з механіки контактної взаємодії, інженерії поверхні, теорії теплопровідності при дії концентрованих джерел енергії. Для обробки результатів дослідження та оптимізації технологічного процесу зміцнення поверхні сталевих деталей лазерною обробкою використано методи багатофакторного планування експерименту та математичної статистики. Випробування на зносостійкість зразків зі сталі 30ХГСА, зміцнених комбінованими методами, проводились в умовах тертя жорстко закріплених абразивних часток з подальшим визначенням стійкості ударного інструмента до корозії. Завдяки отриманим результатам проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено спосіб термомеханічної поверхневої обробки металевих виробів за роздільною схемою, відповідно до якої передбачається спочатку проведення пластичної деформації поверхневого шару виробу високошвидкісним потоком із сферичними дрібнорозмірними частками протягом визначеного часу (для утворення подрібненої активованої структури та шорсткості текстури на поверхні), а потім – термообробку з високошвидкісним нагріванням лазерним променем поверхні деталі до температури області стабільного аустеніту, та подальшим миттєвим охолодженням із швидкістю вище критичної швидкості гартування. Запропоновано алгоритм визначення технологічних режимів комбінованої термомеханічної поверхневої обробки інструментів зі сталі 30ХГСА з використанням дробоструминної (далі – ДСО) і лазернотермічної (далі – ЛТО) обробок, а також з урахуванням кута нахилу струменевого потоку при ДСО. Встановлено, що при ЛТО без оплавлення ефект поверхневого пластичного деформування в зміцненому поверхневому шарі зберігається. При ДСО з подальшою ЛТО глибина зміцненого шару в 1,4 рази більша, порівняно з окремою ЛТО, і в 14 раз більша, порівнюючи з окремою ДСО. Спільна деформаційна дія динамічних інструментів при ДСО, низькочастотній ударній обробці та подальшій термічній дії лазерного променя сприяють значній зміні структурного і напруженого станів та справляють суттєвий вплив на зміну глибини, мікротвердості та зношування деталей. Визначено, що при динамічній дії дробоструминної обробки розмір кристалітів менший у 1,5 рази, як порівняти з вихідним матеріалом без зміни фазового складу. При гартуванні лазерним променем розмір кристалітів заліза менший майже в 2 рази, порівнюючи з дією ДСО, і майже в 3 рази, порівнюючи з вихідним станом матеріалу. Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній уперше: 1. Розроблено комбінований спосіб лазерного термомеханічного зміцнення з попереднім нанесенням відповідної текстури на поверхні деформаційним інструментом і подальшим лазерним гартуванням високопотужним лазером, експериментально визначено оптимальні технологічні режими зміцнення виробів зі сталі 30ХГСА, що забезпечує не тільки підвищення глибини зміцнення та покращує фізикомеханічні властивості поверхневого шару, а й підвищує зносостійкість виробів у більш ніж 13 разів. 2. Запропоновано алгоритм визначення оптимальних технологічних режимів за критерієм глибини зміцненого шару для визначення ефективної схеми комбінованої лазерної термомеханічної обробки інструментів із середньолегованих сталей. 3. Запропоновано розрахунковоекспериментальну залежність для визначення зони деформаційного впливу під час охолодження при використанні комбінованого лазерного термомеханічного зміцнення за суміщеною схемою. 4. Експериментально підтверджено, що попередня деформаційна дія ДСО перед термічною дією ЛТО значно збільшує глибину поверхневого шару при використанні вихідного об’ємногартованого зразка (порівнюючи з вихідним зразком без гартування). 5. Визначено зміни глибини, мікротвердості, розміру і ступеня деформації кристалітів, величини внутрішніх залишкових напружень, а також зносо та корозійної стійкості зразків, зміцнених одиничними та комбінованими термомеханічними способами обробки з використанням динамічної деформаційної дії інструментів та термічної дії лазерним променем. Практичне значення отриманих результатів полягає в такому: - спроектовано і виготовлено експериментальну установку з числовим програмним керуванням та розроблено керуючі програми для оздоблювальнозміцнювальної обробки металевих виробів з використанням термічної дії лазерного променя та деформаційної (зокрема ударної) дії деформуючого інструмента, а також модернізовано установку та пристрої для досліджень; - удосконалена методика визначення глибини зміцненого шару після термодеформаційного процесу поверхневого зміцнення. Встановлено, що комбінована ДСО + ЛТО сприяє збільшенню глибини зміцнення на 50 %, порівнюючи з окремою ЛТО. - розроблено та випробувано у виробничих умовах технологічні процеси комбінованої лазерної обробки. Їх випробування в умовах ДП завод «Генератор», Державного концерну «Укроборонпром» та Приватному акціонерному товаристві «Хорольський механічний завод», засвідчило підвищення глибини зміцнення поверхневого шару оброблюваних деталей у 1,8 разів, порівнюючи з лазерною термічною обробкою; покращення фізикомеханічних властивостей поверхні деталі, зокрема збільшення мікротвердості в 2,6 рази, а також зростання зносостійкості у понад 13 разів. - результати дисертаційної роботи використовуються для підготовки фахівців зі спеціальності 131 «Прикладна механіка» в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», для проведення експериментальних досліджень за різноманітними науковими темами та проєктами. Результати дисертаційної роботи, зокрема, були використані у межах досліджень наукового проєкту № 0121U113829 «Підвищення зносо та корозійної стійкості сталевих виробів комбінованим методом поверхневої лазерномеханічної обробки». Використання комбінованого термомехнічного зміцнення в умовах виробництва засвідчило поліпшення якості поверхневого шару деталей, що в умовах подальшої експлуатації не схильний до розтріскування та відшарування, а також підвищення глибини зміцнення, покращення фізикомеханічних властивостей та зростання зносостійкості у понад 13 разів, порівняно з матеріалом, який не проходив додаткову комбіновану термодеформаційну обробку. Упровадження запропонованого комбінованого способу зміцнення сприятиме підвищенню ефективності виробництва за рахунок автоматизації процесів термомеханічної обробки по контуру деталей складної форми зі сталі 30ХГСА, а також із тугоплавких металів. Основні результати дисертаційного дослідження опубліковані в 25 наукових працях, серед яких: 3 розділи в іноземних колективних виданнях, проіндексованих у міжнародній наукометричній базі Scopus; 2 статті в періодичних наукових виданнях, проіндексованих у базі Scopus; 5 статей у наукових фахових виданнях України; 8 праць апробаційного характеру (тези доповідей). За матеріалами дисертаційної роботи розроблено та захищено деклараційними патентами України 7 способів комбінованої термомеханічної обробки.