Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0197

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0197
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Разработка конструктивно-технологических решений для экспериментальных образцов технологических установок по формированию микрогеометрии поверхности конструкционных материалов с целью управления их физико-химическими свойствами
Докладчик
Одинцова Галина Викторовна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель:
разработка физико-технических основ и конструктивно-технологических подходов к созданию экспериментальных образцов (ЭО) лазерных установок для управления физико-химическими свойствами поверхности конструкционных материалов путем формирования ее микрогеометрии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) проведение сравнительной оценки вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учётом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике;
2) проведение теоретического исследования по моделированию микрогеометрии и химического состава поверхностей, обладающих определенными свойствами: гидрофильными, антикоррозионными, эмиссионными и др.
3) разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) на ЭО лазерного маркера, позволяющего создавать цветные идентификационные метки на поверхности металлических изделий, (ЭО-1) и ЭО технологической установки, реализующей технологию интеллектуальной лазерной очистки (ЭО-2);
4) разработка программ и методик (ПиМ) экспериментальных исследований по формированию микрогеометрии поверхности конструкционных материалов с целью управления их физико-химическими свойствами (на ЭО-1 и ЭО-2).
Актуальность и новизна исследования
Известно, что большинство процессов взаимодействия твердых тел с внешними средами при эксплуатации машин и механизмов, осуществляется через поверхность твердого тела. Актуальность проблемы управления свойствами этой поверхности через ее микрогеометрию и химический состав не уменьшается со временем, переходя в новые диапазоны размеров (нанорельефы) и новые области приложения. Одновременно появляются новые методы и средства управления шероховатостью и новые материалы, для которых проблема инженерии поверхности возникает заново. Анализ методов управления шероховатостью поверхности приводит к убедительному выводу, что лазерные методы микро- и наноструктурирования обладают большим потенциалом для реализации необходимых поверхностных структур, позволяя сделать их полностью или частично регулярными, реализовать необходимые высотные и латеральные характеристики рельефа и сделать это за разумное, во многих случаях экономически оправданное время. Наиболее подходящим лазерным источником для структурирования поверхности в настоящее время является импульсный волоконный лазер по совокупности следующих технических параметров: мощность, длительность импульса, частота их следования, длина волны и оптическое качество пучка; а также простота доставки изучения к рабочей поверхности и управления лазерным пучком и высокая надежность. Процессы лазерного формирования необходимых рельефов поверхности еще недостаточно изучены, требуются новые знания и значительные научно-технические усилия как в области «лазерного материаловедения», так и для создания специализированных лазерных комплексов, предназначенных к промышленному использованию метода лазерного управления микрогеометрией поверхности.
Описание исследования

Проблема управления качеством поверхности, под которой в настоящее время понимают не только требуемую шероховатость поверхности, но и совокупность таких ее свойств, как надлежащая 3–х мерная геометрия, т.е геометрическая структура поверхности, химический состав, и физико–механическое состояние, определяемое дефектами поверхностного слоя и механическими напряжениями поверхности, относится к числу фундаментальных.

Рассматриваемый проект направлен на раскрытие новых способов управления морфологией поверхности и ее химическим составом, которые появляются при использовании лазерного излучения. Современные успехи в области физики взаимодействия лазерного излучения с веществом дают возможность использовать широкий спектр физико-химических процессов для модификации поверхности:  от структурирования до лазерной полировки и от оксидирования до локальной кристаллизации и аморфизации поверхности.

Для формирования управляемых по составу и толщине оксидных структур и заданных рельефов поверхности конструкционных материалов в работе могут применяться: разные длительности воздействия, которые позволяют проводить строго дозированное удаление материала и значительно снизить теплоотдачу из зоны облучения; различные методы локализации излучения - сканирование, оптическая проекция, голографические и комбинированные оптические методы, которые позволяют осуществлять избирательное формирование микроструктур на поверхности при больших площадях обработки.

В рамках работы планируется использование различных способов управления нано- и микрогеометрией поверхности при взаимодействии лазерного излучения с твердым телом, среди которых можно выделить локальное испарение (абляцию) материала, позволяющее реализовать контроль шероховатости на основе испарения-удаления вещества– лазерная полировка; модификацию топологии поверхности на основе нестабильности расплавов в процессе удаления материала лазерным излучением; микроструктурирование поверхности на основе создания поверхностных электромагнитных волн и поверхностных периодических структур; микроструктурирование на основе LASER–LIGA; выглаживание поверхности на основе лазерного нагрева до точки плавления и последующих трансформаций поверхности в расплавленной фазе и т.д.

Для моделирования фазово-химического состава поверхности конструкционных материалов при импульсном лазерном воздействии на воздухе используется теоретические методы  химической термодинамики  для прогнозирования результатов (метод потенциалов Гиббса с учетом кинетики).

Результаты исследования

1. Проведены теоретические исследования по моделированию геометрии и химического состава поверхностей, обладающих определенными эксплуатационными свойствами: гидрофильными, антикоррозионными, эмиссионными и др.

2. В качестве прототипа для разработки ЭО для управления шероховатостью поверхности целесообразно использовать разработанный индустриальным партнером проекта прототип  установки на основе волоконного лазера  в сочетании с компьютерно-управляемой сканирующей гальванометрической системой с 2-х координатным столом.

3. Разработана ЭКД на ЭО-1 и ЭО-2 в составе:

  • ведомость эскизного проекта в соответствии с ГОСТ 2.106-96;
  • пояснительная записка в соответствии с ГОСТ 2.106-96;
  • схема функциональная в соответствии с ГОСТ 2.701-2008;
  • схема энергетическая принципиальная в соответствии с ГОСТ 2.701-2008;
  • чертеж общего вида в соответствии с ГОСТ 2.109-73;
  • чертеж габаритный в соответствии с ГОСТ 2.109-73;
  • чертеж монтажный в соответствии с ГОСТ 2.109-73;
  • инструкция по эксплуатации в соответствии с ГОСТ 2.601-2006;
  • формуляр в соответствии с ГОСТ 2.601-2013 и ГОСТ 2.610-2006.

4. Разработаны ПиМ экспериментальных исследований по формированию микрогеометрии поверхности конструкционных материалов с целью управления их физико-химическими свойствами (на ЭО-1 и ЭО-2).

Проект по созданию коммерчески доступных лазерных технологических комплексов, позволяющих контролировать микрогеометрию поверхности конструкционных материалов, без сомнений, обладает значительным промышленным потенциалом и находится на уровне  аналогичных работ в мире (или опережает его).

Практическая значимость исследования
Представленный комплексный проект позволяет достичь ряд важных научных и технических целей, к основным из которых относится: выявление оптимальных типов микрогеометрии поверхности, обеспечивающих улучшение эксплуатационных свойств поверхностей конструкционных материалов, и реализация идеи комплексной обработки поверхности, включающей, например, кроме формирования микрогеометрии ее очистку и упрочнение.
Результаты работы найдут широкое применение в промышленности, в различных ее областях – от машиностроения и приборостроения до металлургии – прокатного производства, и от микроэлектроники до медицинской и космической техники. В частности, лазерные комплексы для поверхностной обработки материалов позволяют решить многие технологические задачи для целого ряда отраслей энергетики, например: для изделий нефтяной промышленности – обработка внутренних и внешних поверхностей труб, фланцев, соединительных муфт и пр. с целью существенного повышения их износостойкости, коррозионной стойкости и ресурса работы; для изделий металлургической промышленности – формирование поверхностных структур на листовых материалах с целью придания им специальных свойств; для изделий оборонной промышленности – формирование поверхностных слоев и структур с целью увеличения долговечности и стойкости изделий; для изделий тяжелого энергетического машиностроения – создание износостойких и специальных поверхностных структур с целью увеличения ресурса работы и получения новых преимуществ.