Фундаментальные основы высокоэффективных лазерно-плазменных технологий создания новых композиционных морозостойких покрытий на хладостойких сталях и сплавах. (заключительный)

Цель: увеличение ресурса технических средств и сооружений в экстремальных условиях Арктики методами упрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов или нанесения защитных покрытий, так как именно они определяют усталостную прочность, износостойкость и коррозионную устойчивость деталей, отвечающих за ресурс техники и металлоконструкций. Усовершенствованы и применены на хладостойких сталях новые лазерно-плазменные (ЛП) методы синтеза высокотвердых микро- и наноструктурированных покрытий и упрочняющей модификации металлических поверхностей. Разработаны основы ЛП-технологии упрочняющей модификации поверхности хладостойких сталей с многократным увеличением твердости (до 12 ГПа) без снижения ударной вязкости в диапазоне от +20 до -60°С. Осуществлено ЛП-микропорошковое нанесение антикоррозионных (с очень малой скоростью коррозии ~0,5 мкм/год в морской воде) и твердых (8 - 10 ГПа, что соответствует микротвердости самого распространенного в природе кварцевого абразива) NiAlCr-, NiCrВSi-покрытий на поверхность труб, а также композитных металлокерамических покрытий (микрочастицы TiC в никелевой матрице) с микротвердостью 20 - 25 ГПа, сопоставимой с твердостью корундового абразива. Разработаны основы технологии вневакуумного синтеза высокотвердых (~20 ГПа), износостойких и коррозионно-устойчивых при температурах до 1200°С покрытий на основе карбонитрида кремния (SiCN) с рекордной (для PCVD-методов) скоростью осаждения ~1 мкм/мин. Разработаны программы численного моделирования процессов теплового воздействия пульсирующей лазерной плазмы на металлы и частицы микропорошков при нанесении композиционных покрытий на стали. Определены оптимальные скорости частиц (плавление без значительного испарения) в зависимости от их размера (диапазон - 20 - 200 мкм), а также параметры воздействия лазерной плазмы для получения плотных покрытий с минимальной шероховатостью поверхности. Исследован процесс ЛП-нанесения микропорошка карбида титана (фракцией 20/40 мкм) на стальные образцы без использования связующей никелевой матрицы с применением сканирования лазерного излучения и бокового ввода частиц порошка. Полученная твердость покрытий не превышала 15 ГПа, что связано с интенсивным перемешиванием порошка с материалом подложки в ванне расплава. Методом ЛП-модификации подготовлена серия образцов из хладостойких сталей 10ХСНД и 18Х2Н4МА с упрочненным до 8 - 10 ГПа верхним слоем. Проведены сравнительные измерения ударной вязкости образцов без и после ЛП-обработки, которые показали, что ЛП-модификация не приводит к снижению ударной вязкости образцов в диапазоне температур от +20 до -60°С. Выявлена высокая эффективность применения ЛП-технологий модификации поверхности и нанесения покрытий, позволяющих многократно увеличить износостойкость (до 10 - 12 раз) и в ~100 - 400 раз - коррозионную стойкость стальных деталей при производстве строительной, дорожной, горнодобывающей и специальной техники, а также труб и металлоконструкций для нефтегазодобывающих платформ и транспортных сооружений, подверженных абразивному износу и коррозии.