Во время эксплуатации ответственные детали газотурбинных двигателей, нефте- и газопроводов подвергаются высоким нагрузкам. Концентрация напряжений на поверхности приводит к образованию микротрещин и последующему разрушению изделий. Важнейшая задача промышленности заключается в повышении их долговечности и надежности, что во многом зависит от методов и качества металлообработки. Среди эффективных технологий выделяют лазерное ударное упрочнение, которое позволяет сдерживать развитие микротрещин, значительно продлевая ресурс детали. Ученые Пермского Политеха и Института механики сплошных сред УрО РАН провели исследования и определили режим лазерной ударной обработки, при котором усталостная долговечность изделия увеличивается в 6 раз.
Статья с результатами опубликована в «Российском физическом журнале», 2024 год. Исследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (№22-79-10168) и в рамках Государственного задания РФ (№124020700047-3).
Технология лазерного ударного упрочнения продлевает срок службы компонентов, используемых в самолетах, ядерных реакторах, на электростанциях, газоперекачивающих установках и в других изделиях, где часто встречается механический износ. Процесс обработки заключается в использовании высокоэнергетического импульсного лазерного излучения. Воздействуя на материал ударной нагрузкой, оно создает поле остаточных напряжений, которое меняет микроструктуру поверхности и формирует упрочненный слой до 1 мм. Это повышает коррозионную стойкость и усталостную долговечность детали, то есть ее способность выдерживать определенные нагрузки без разрушения.
– Комплекс для лазерного ударного упрочнения материалов, созданный на базе ИМСС УрО РАН, является уникальной в России установкой и позволяет решать не только научные задачи, но и проводить серийную обработку деталей для промышленности, – отмечает Анастасия Изюмова, научный сотрудник ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук.
При проведении обработки важно понимать, какую конфигурацию будет иметь поле остаточных напряжений, его величину, интенсивность и глубину слоя, в котором оно формируется. Это играет большую роль в зарождении дефектов и развитии повреждений материала. Характеристики лазерного излучения (энергия, время воздействия, форма лазерного луча) напрямую влияют на эти показатели.
Ученые ПНИПУ и ИМСС УрО РАН определили, насколько можно повысить эксплуатационную нагрузку на обработанные детали, чтобы созданное поле остаточных напряжений все еще замедляло образование трещин и их рост.
– Для этого мы провели две серии механических испытаний образцов титанового сплава до и после обработки лазерным ударом, нагружая их силами 10 и 16, 5 кН. Полученные экспериментальные результаты способствовали разработке новой компьютерной модели, по которой можно отследить, как состояние материала с остаточными напряжениями меняется в зависимости от приложенной внешней нагрузки (10; 15; 16, 5; 18 кН). Результаты позволили исследовать зависимость скорости роста трещины в поле остаточных напряжений от величины внешнего воздействия, – объясняет Артем Ильиных, доцент кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ, кандидат технических наук.
Исследователи выяснили, что трещина в образце после обработки лазерным ударом при его нагружении внешней силой 16, 5 кН развивается также, как и трещина в необработанных образцах при гораздо меньшей нагрузке в 10 кН. При таком воздействии рост дефекта в обработанном материале значительно замедляется, а усталостная долговечность детали увеличивается почти в 6 раз.
Также эксперименты показали, что создаваемое поле остаточных напряжений существенно замедляет процесс зарождения дефекта. При дальнейшем распространении трещины доминирующую роль играет величина приложенных усилий.
Таким образом, ученые ПНИПУ и ИМСС УрО РАН установили режим лазерной ударной обработки, после применения которого можно повысить внешнюю эксплуатационную нагрузку на детали с 10 кН до 16, 5 кН без снижения усталостной долговечности. Полученные результаты исследования могут быть полезны в создании долговечных и надежных промышленных ответственных изделий.