Так закалили сталь: детали для атомных станций станут вдвое прочнее

В России предложили новую технологию для повышения износостойкости деталей для атомных станций. Эти изделия испытывают повышенную механическую и температурную нагрузку. Метод основан на лазерном термоупрочнении металлических элементов. Внедрение разработки ускорит их обработку, в 1,5–2 раза увеличит прочность сплавов и продлит ресурс оборудования. Это позволит уменьшить затраты на замену комплектующих и сервисное обслуживание энергетических объектов, отмечают эксперты.

Как упрочняют металлы

Ученые из Инжинирингового центра при Владимирском государственном университете (ВлГУ) нашли способ, как продлить жизнь металлических деталей, которые эксплуатируют в экстремальных условиях на атомных станциях и других энергетических объектах. Технология основана на методе лазерной закалки — способе упрочнения поверхности деталей для повышения их износостойкости.

— Такой метод востребован для обработки деталей, которые испытывают сильное трение, ударные нагрузки и высокие температуры. Например, шестерни, валы, клапаны. Интенсивные механические и термические воздействия приводят к их ускоренному износу. Лазерное термоупрочнение повышает поверхностную твердость и прочность деталей без изменения геометрии или свойств сердцевины материала, — рассказал «Известиям» генеральный директор центра Максим Кузнецов.

Он объяснил, что предложенный технологический процесс представляет собой последовательность операций нагрева, выдержки и охлаждения сплавов. В ходе обработки луч лазера локально нагревает приповерхностный слой до температур выше границы фазового превращения. При этом происходит изменение кристаллической структуры материала. Время выдержки зависит от скорости сканирования и формы пятна лазерного излучения. В свою очередь, охлаждение происходит за счет отвода тепла во внутренние слои модифицируемого материала.

— В настоящее время чаще применяют закалку токами высокой частоты. Однако при этом присутствует избыточный нагрев деталей, что приводит к возникновению деформаций. При лазерном термоупрочнении за счет нагрева только приповерхностных слоев сокращается общее количество вложенного тепла, что кратно снижает деформацию материала и уменьшает время обработки, — пояснил Максим Кузнецов.

По словам специалиста, технология дает возможность с высокой точностью контролировать параметры воздействия на материал. В том числе выдерживать требуемую степень упрочнения, глубину обработки поверхности и траекторию движения сканирующего луча. Это важно для соблюдения технического задания и строгих нормативов в атомной отрасли.

— Технологию применили для обработки насосов второго контура охлаждения АЭС. Нужно было упрочнить поверхность с 45 до 53 HRC (единица измерения твердости материалов по шкале Роквелла, которую широко используют для металлов. — «Известия») на глубину всего 0,6–0,8 мм. Предложенный метод позволил выдержать эти требования, — привел пример Максим Кузнецов.

Разработка дает возможность увеличить срок службы изделий в два раза, добавил специалист. Это поможет уменьшить затраты на замену комплектующих, сервисное обслуживание атомных энергетических объектов, а также себестоимость электроэнергии. Вместе с тем важно, что технология позволяет наладить единичное и мелкосерийное производство широкой номенклатуры изделий.

Метод лазерной закалки

Предложенный метод позволяет увеличить износостойкость и ресурс отдельных узлов высокотехнологичного оборудования на атомных станциях, отметил первый заместитель руководителя, директор по производству ЦКБМ Алексей Кузьмин. Например, если раньше необходимо было произвести замену детали после 10 тыс. ч эксплуатации, то теперь эти процедуры можно выполнить спустя 24 тыс. ч, то есть через несколько лет непрерывной работы, объяснил он.

— Одно из преимуществ лазерной закалки — отсутствие манипуляций, кроме перемещения луча по траектории обработки. Кроме того, при такой обработке благодаря высоким скоростям локального нагрева и охлаждения твердость материала обычно получается выше, чем при традиционной объемной закалке или закалке токами высокой частоты, — отметил руководитель лазерного центра НИЯУ МИФИ Виктор Петровский.

По его словам, основное применение лазерной закалки связано с локализацией тепла в строго определенной площади. Часто, чтобы увеличить время жизни деталей, не нужно упрочнять всю ее поверхность целиком. Достаточно обработать области, подверженные высоким нагрузкам.

— В подобных применениях технология может дать значительный выигрыш по сравнению с традиционными способами термоупрочнения — как с точки зрения производительности, так и экономии трудозатрат. Однако нет смысла применять лазерную закалку для упрочнения небольших шестерней, винтов или штоков, — пояснил ученый.

Вместе с тем локализация лазерного излучения иногда может служить и недостатком, отметил Виктор Петровский. Например, если ширина обрабатываемой зоны превышает размер лазерного пятна. В таком случае для полного охвата поверхности требуется многопроходное сканирование с перекрытием и происходит частичное разупрочнение уже обработанных зон. Это приводит к неравномерной твердости упрочняемого материала.

Чтобы обрабатывать поверхности упрочнения в один проход с равномерной твердостью и на одинаковую глубину, сейчас разрабатывают оптические системы расширения лазерного пучка и методики с использованием высокоскоростных колебаний луча, добавил специалист.