В Пермском крае ученые разработали и представили инновационную технологию, способствующую значительному увеличению прочности промышленных компонентов благодаря использованию лазера.
Этот метод, разработанный на базе Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) и Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук (УрО РАН), позволяет значительно продлить срок службы деталей, которые используются в газотурбинных моторах, широко применяемых в авиационной и энергетической отраслях, где они подвергаются значительным механическим нагрузкам.
В 2024 году в журнале "Российский физический" были опубликованы результаты исследований, проведенных при поддержке Российского научного фонда в рамках государственного задания. Эксперты ПНИПУ отмечают, что применение лазерного удара увеличивает усталостную долговечность деталей на основе титановых сплавов в шесть раз. Эти данные могут быть использованы для создания прочных и надежных промышленных изделий.
Лазерное ударное упрочнение представляет собой процесс обработки материала высокоэнергетическим импульсным лазерным излучением, что приводит к образованию остаточных напряжений на поверхности.
В Институте механики и силовой электроники УрО РАН была разработана уникальная установка для лазерного ударного упрочнения, способная модифицировать поверхность материала и формировать прочный слой, максимальная толщина которого достигает 1 мм. Это повышает устойчивость к коррозии и продлевает срок службы деталей, особенно в условиях высоких нагрузок.
Полученные свойства материала имеют критическое значение для рабочих элементов, которые функционируют в экстремальных средах, таких как газотурбинные агрегаты, трубопроводы для нефти и газа, а также ядерные установки. Этот профиль позволяет не только осуществлять серийное производство, но и проводить научные исследования в данной области.
Во время экспериментов специалисты провели серию механических испытаний титанового сплава до и после лазерной обработки. Они отмечают, что установка обеспечивает точный контроль над энергией лазерного импульса, временем воздействия и формой лазерного луча. Это приводит к снижению скорости распространения дефектов в деталях, что подтверждается результатами исследований доктора физико-математических наук Анастасии Изюмовой.
Проводя эксперименты на образцах с различными нагрузками от 10 до 18 кН, ученые выяснили, что в лазерно обработанном образце трещина появляется при нагрузке 16,5 кН, что сравнимо с необработанным образцом, который начинает трескаться при нагрузке 10 кН. Эксперименты подтвердили, что лазерная ударная обработка создает поле остаточных напряжений, замедляющее образование дефектов.
Механизм воздействия внешней нагрузки позволяет воздействовать на трещины, что способствует их дальнейшему развитию. Ученым удалось разработать компьютерную модель, которая предсказывает изменения в материале в зависимости от уровня приложенной нагрузки.
Оптимальные параметры для лазерной обработки в конкретных условиях эксплуатации определяются с учетом влияния величины нагрузки на скорость роста трещин.