Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Посвящено исследованию процесса многослойной плазменной наплавки на прямой и обратной полярности тока. Описаны основные положения в области аддитивного производства с использованием различных технологий, а также возможность и потенциальные преимущества гибридного производства изделий сложной формы. Показано, что применение плазменного источника нагрева при использовании тока прямой и обратной полярности имеет ряд преимуществ как с технологической, так и экономической точки зрения. Для численной реализации использован пакет Comsol Multiphysics, позволяющий решать смежные задачи математической физики, возникающие при протекании сварочных процессов. Программная среда, обеспечивающая все этапы моделирования (определение геометрических параметров, описание физики, визуализацию), позволяет моделировать любые физические процессы, которые могут быть представлены в виде системы дифференциальных уравнений в частных производных. Разработана методика и представлено математическое описание теплового источника, описывающего процесс плазменной наплавки с учетом теплопередачи от потока плазмы и приэлектродных процессов. Разработана трехмерная численная модель теплопередачи в изделие для плазменной наплавки на токе прямой и обратной полярности. Получены термические циклы плазменной наплавки. На основании термических циклов произведен анализ структурно-фазовых превращений и дано описание тепловой обстановки на поверхности изделия. Показано, что применение обратной полярности благоприятно влияет на структурообразование наплавляемого материала. Произведена численная реализация процесса плазменной наплавки на токах прямой и обратной полярности для стали 10Х18Н10Т. Погрешность в тестовых примерах при численной реализации не превысила 10 %.

Исследованы превращения, структура и механические свойства системно-легированной низкоуглеродистой стали 12Х3Г2МФС в сравнении с ранее изученными сталями 10Х3Г3МФ, 10Х3Г3МФС и 10Х3Г3МФТ. Рассмотрены технологические ограничения серийно применяемых конструкционных сталей марок 40ХН2МА, 40ХГМА, 42CrMo4V, используемых при производстве высоконагруженных изделий нефтегазового машиностроения, таких как утяжеленные бурильные трубы и переводники. Выявлены основные недостатки классических марок сталей. Показаны преимущества системно-легированных сталей на примере исследуемой марки 12Х3Г2МФС. Приведена технология производства исследуемой стали промышленной выплавки. Показаны основные технологические переходы. Определены критические точки и построены термокинетические диаграммы распада аустенита. Показана технологичность марки стали 12Х3Г2МФС, возможность закаливаться с охлаждением на спокойном воздухе до твердости 379-383 НВ при обеспечении сквозной прокаливаемости в сечениях до 279 мм. Показано качество металлургической заготовки исследуемой стали после радиальной ковки в различных сечениях и при степенях укова от 3,98 до 5,17. Изучено влияние температуры нагрева под закалку на структуру и свойства стали. Проведена оценка размера зерна аустенита исследуемой стали в зависимости от температуры аустенитизации в сравнении с ранее изученными сталями 10Х3Г3МФ, 10Х3Г3МФС, 10Х3Г3МФТ. Определено влияние скорости охлаждения и температуры отпуска на структуру, твердость и механические свойства стали 12Х3Г2МФС в сравнении с ранее изученными сталями. Определены основные легирующие элементы, влияющие на устойчивость аустенита при охлаждении. Проведена оценка их минимального содержания в подобных композициях. Рассмотрены граничные условия системы легирования сталей для получения заданной структуры, обеспечения прокаливаемости и требуемых механических свойств. Показана практическая применяемость и технологичность марки в серийном производстве ПАО «Мотовилихинские заводы».

Цель данной статьи - анализ литературы по проблемам коррозионных стойкостей при различных температурах таких металлов и сплавов, как черная сталь, серые чугуны хромистая сталь, аустенитная хромоникелевая сталь, сплавы на железоникелевой основе, титановые сплавы, монель-металл, бронза, алюминий, латунь, медь, магний, свинец, никель, сплавы циркония, медь, серебро, золото, титан и платины, в таких средах, как фторид аммония, бифторид аммония, смесь фторида аммония и бифторида аммония, расплав LiF-NaF-KF, гексафторосиликат аммония, гексафторотитанат аммония и гептафтороцирконат аммония. Прописаны коррозионные стойкости металлов и сплавов в растворах вышеуказанных веществ. Данные о материалах формировались в таблицы со следующими характеристиками: марка металла или сплава, температура среды, массовая доля фторсоли в растворе, скорость коррозии (мм/год). Указано, для каких областей производств используются фторсоли и больше всего необходимы данные о коррозионной стойкости металлов и сплавов для обеспечения устойчивой работы оборудования в условиях высокой коррозионной активности среды. Кратко описаны механизмы, по которым разлагается фторид аммония на аммиак и бифторид аммония в результате нагрева и их коррозионное действие на поверхности металлов и сплавов. В некоторых случаях указано, какие легирующие добавки влияют на повышение или понижение коррозионной стойкости металлов и сплавов. В процессе анализа литературы установлено, какие показатели коррозионной стойкости металлов и сплавов и в какой среде отсутствуют в справочной литературе.

Научно обоснована и реализована методика минимизации объема измерений для цилиндрических поверхностей деталей, основанная на статистическом моделировании. Согласно этой методике предложено определять минимальное число измерений точек на поверхности по результатам контроля ограниченной выборки из партий деталей и последующего статистического моделирования процесса контроля. Такой подход позволяет дать предварительную интервальную оценку погрешности измерения и ошибок первого и второго рода. Для партии из 100 деталей выполнено моделирование измерения для четырех вариантов с различным числом и расположением контрольных точек на цилиндрической поверхности. В качестве исходных данных были взяты результаты измерения координат 110 точек цилиндра диаметром 50 мм и длиной 100 мм на мобильной координатно-измерительной машине модели Faro Arm Edge. Исследовано четыре варианта расположения контрольных точек на цилиндрической поверхности с изменением их числа от 110 до 50. Выявлено, что ошибка измерения хорошо описывается нормальным законом распределения, поэтому в качестве оценки можно использовать среднее арифметическое и стандартное отклонение. При уменьшении числа контрольных точек относительно базового варианта характерна измерительная ошибка второго рода. Установлено, что при уменьшении числа контрольных точек уменьшается среднее арифметическое, увеличивается стандартное отклонение ошибки измерения и увеличивается вероятность измерительной ошибки второго рода. Практическая реализация предложенного подхода позволяет уменьшить число контрольных точек при обеспечении требуемой точности измерения и повысить производительность контроля.

Цель работы - изучение влияния параметров распыления расплавов на основе железа на физические и технологические характеристики порошков, предназначенных для селективного лазерного сплавления. Для изготовления металлического порошка марки 12Х18Н10Т была использована технология газовой атомизации жидкого раплава аргоном на лабораторном атомайзере VIGA-2B при температуре 1640 °С. При получении порошков расход газа варьировали изменением диаметра металлопровода и типа сопла форсунки отличающихся конструкцией. Установлено, что при увеличении диаметра металлопровода уменьшались значения текучести, доли частиц с сателлитами, доля сферичных частиц, но при этом повышалось количество целевой фракции и уменьшалась доля частиц с порами. Значения диаметра Фере, среднего размера частиц d 50, пикнометрической плотности и насыпной плотности изменились незначительно. Установлено, что при использовании форсунки Standart характеристики порошков были хуже, чем при применении форсунки SuperSonic: повышались значения доли частиц с порами, доли частиц с сателлитами, снижалось значение сферических частиц, а текучесть совсем отсутствовала, но при этом было самое высокое значение целевой фракции. Установлена экспериментальная зависимость увеличения выхода целевой фракции (20-63 мкм) порошка при уменьшении объема подачи распыливающего газа. Представлены зависимости количества порошка целевой фракции и отношения размеров частицы и диаметра отверстия металлопровода от объема подачи распыливающего газа. Полученные данные позволяют прогнозировать величины выходных параметров порошков при атомизации стали 12Х18Н10Т. Характеристики порошков позволяют использовать их для изготовления изделий аддитивными технологиями.

Посвящено проблеме трансформации неметаллических включений в сварных швах под воздействием плазменной дуги. Рассматривается возможность использования плазменной дуги для повышения качественных характеристик сварного шва. Различными методами количественной металлографии исследуются количество, форма, размер и распределение неметаллических включений в металле шва до плазменной обработки и после нее, а также их перераспределение в зоне термического влияния. При плазменной обработке стали 16Г2АФ зафиксирована значительная разница между объемной долей неметаллических включений в зоне сварного шва и в зоне термического воздействия. Во всех исследованных образцах в зоне термического воздействия общее количество неметаллических включений превышает количество включений в зоне сварного шва на 20-30 %, с ростом погонной энергии такая разница может увеличиваться. Определено, что при смене полярности плазменной обработки с прямой на обратную происходит увеличение объемной доли неметаллических включений в зоне сварного шва и в зоне термического воздействия. Отмечается, что с увеличением силы тока до 200 А объемная доля неметаллических включений уменьшается независимо от полярности и защитного газа, а при силе тока свыше 200 А количество включений снова увеличивается. При использовании углекислого газа как защитного наблюдается в основном глобулярная (округлая) форма включений, характерная для оксидов и оксисульфидов. При использовании азота в качестве защитного газа в наплавленном металле появляются граненые частицы сложной формы - нитриды и карбонитриды. Неметаллические включения, имеющие размер более 10 мкм, могут быть существенными концентраторами напряжений, поэтому уровень напряжений вблизи включения может превышать предел текучести стали и достигать предела прочности. Скорость всплывания неметаллических включений зависит от размера частиц, вязкости жидкого металла, разницы удельного веса частицы и металла. Чем крупнее частица и чем меньше ее плотность, тем больше будет скорость всплывания частиц. На скорость всплывания шлаковых частиц может существенно влиять наличие конвективных потоков в металле, выделение из металла пузырей, которые перемешивают металл и увлекают шлаковые частицы к поверхности металлической ванны.