Frontier Materials & Technologies

Основным направлением в решении проблемы повышения надежности промыслового оборудования является создание новых сталей с более высоким сопротивлением коррозионно-механическому разрушению. В настоящее время для изготовления нефтегазопроводных систем используются низкоуглеродистые низколегированные стали, в которых при закалке в воду образуется реечный бескарбидный бейнит. Такая структура дает сочетание высокой прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Однако вопросы повышения коррозионной стойкости остаются нерешенными. Цель работы – установить структурное состояние низкоуглеродистых низколегированных трубных сталей, обеспечивающее сочетание высоких механических свойств с повышенной коррозионной стойкостью в нефтепромысловых средах. Исследования проводились на сталях последнего поколения 08ХФА, 08ХФМА и 05ХГБ, наиболее распространенных при изготовлении нефтегазопроводных труб. Образцы для исследования вырезались из труб и закаливались из аустенитной области в воду, что формировало структуру реечного бескарбидного бейнита. Закаленные образцы подвергались отпуску при температурах 200, 300, 400, 500, 600 и 700 °С. Для установления связи между морфологией бейнитных структур и их свойствами образцы после закалки и отпуска с каждой температуры подвергались металлографическому анализу, рентгеноструктурному анализу, механическим испытаниям, испытаниям на стойкость к коррозии. В работе показаны последовательность трансформации структуры, температурные интервалы фазовых и структурных превращений, изменения механических свойств и коррозионной стойкости, происходящие при отпуске реечного бескарбидного низкоуглеродистого бейнита. Показано, что отпуск реечного бескарбидного бейнита (стали 08ХФА, 08ХМФА и 05ХГБ) не влияет на скорость углекислотной коррозии. Установлено, что средний отпуск формирует структурное состояние бескарбидного низкоуглеродистого реечного бейнита, обеспечивающее сочетание высоких механических свойств и высокой коррозионной стойкости в нефтепромысловых средах. Для каждой из исследуемых сталей приводятся рекомендуемые режимы термообработки.

Проблема водородного охрупчивания остается актуальной во многих сферах, поэтому повышенный интерес среди исследователей вызывает сплав FeCrNiMnCo (сплав Кантора) как один из наименее подверженных негативному воздействию водорода материалов. Тем не менее малоизученным остается вопрос о влиянии параметров микроструктуры на закономерности водородного охрупчивания сплава Кантора и многокомпонентных сплавов системы FeCrNiMnCo в целом. В работе изучено влияние размера зерна на склонность высокоэнтропийного сплава Кантора, легированного азотом, к водородной хрупкости. Для этого с помощью термомеханических обработок в сплаве (FeCrNiMnCo)₉₉N₁ были сформированы состояния с разным размером зерен (43±21, 120±57 и 221±97 мкм). Экспериментально установлено, что измельчение зерна приводит к увеличению прочностных свойств исследуемого сплава и способствует повышению устойчивости к эффектам водородной хрупкости: в образцах с наименьшим из представленных размером зерна водородно-индуцируемое снижение пластичности меньше, чем в образцах с наибольшим размером зерна. Уменьшение размера зерна вызывает также снижение длины хрупкой зоны, выявляемой на поверхностях разрушения образцов после растяжения. Это вызвано снижением диффузии водорода в процессе насыщения и уменьшением транспорта атомов водорода с подвижными дислокациями в процессе пластической деформации за счет уменьшения размера зерна. 

Проведено исследование влияния режимов 3D-печати на структуру и химический состав образцов из стали 30ХГСА (хромансиль, англ. chromansil), полученных методом аддитивной электродуговой наплавки. Для исследования влияния режима электродуговой наплавки на химический состав исследуемой стали проведен оптико-эмиссионный анализ образцов. Оценка влияния режима наплавки на получаемую структуру проводилась по всей высоте наплавленных стенок при увеличениях ×50, ×100, ×200 и ×500. В ходе оптико-эмиссионного анализа выявлено изменение химического состава материала, связанное с угаром химических элементов. Установлено, что степень угара C, Cr и Si растет практически линейно и прямо пропорциональна погонной энергии наплавки (Q, Дж/мм). Точного влияния роста величины погонной энергии наплавки на содержание Mn не установлено, но выявлена взаимосвязь между степенью его угара и напряжением (U, В) при наплавке образцов. В ходе микроструктурных исследований всех образцов не выявлено большого количества системно образовавшихся структурных дефектов, характерных для литых и сварных изделий (поры, усадочные раковины и т. д.), что подтверждает высокое качество металла в изделиях, полученных методом электродуговой наплавки. Анализ микроснимков, сделанных на различных участках образцов, позволил определить, что микроструктура металла не претерпевает сильных изменений при разных режимах наплавки, сохраняются основные тенденции изменения структуры по высоте образца. На всех образцах отмечено получение высокодисперсной структуры вне зависимости от параметров 3D-печати. Наиболее благоприятной структурой металла, подходящей для последующего использования при производстве изделий методом 3D-печати, признана структура образца, наплавленного по режиму № 5 (I=160 А, U=24 В, Q=921,6 Дж/мм). Данный режим может быть использован для дальнейшего изучения проблем аддитивной электродуговой наплавки стали 30ХГСА.

Особенностью эксплуатации электровакуумных приборов, в частности катодного узла, является постоянный нагрев за счет бомбардировки его поверхности электронами. Стабильные характеристики и стойкость катодного узла зависят от качественного соединения (сварки) поверхностей керна с эмиттером по всей площади нахлесточного сопряжения. Использование диффузионной сварки для соединения катодного узла из разнородных материалов не представляется возможным по причине возникновения непроваров из-за наличия зазоров в кольцевых секторах оснастки, а следовательно, снижения срока службы катодного узла. Авторами предложено реализовать процесс путем совмещения магнитно-импульсной сварки с диффузионной. Оригинальность работы заключается в возможности дистанционного воздействия на соединение через диэлектрический кварцевый стакан, который входит в состав технологической вакуумной камеры. Индукторная система находится снаружи кварцевого стакана, что позволяет осуществлять нагрев собранного узла без нагрева инструмента – индуктора из разнородных материалов – до температуры 700 °С и выше. Определены основные параметры процесса импульсной диффузионной сварки в вакууме: давление в рабочей камере В=0,66·10⁻² Па (5·10⁻⁵ мм рт. ст.); температура предварительного разогрева Т=700–1250 °С; энергия импульса магнитного поля W=5÷17 кДж; рабочая частота разряда импульсов тока f_р=5–15 кГц; магнитное давление Р_м>∙10⁷ Н/м². Таким образом были получены катодные узлы широкой номенклатуры сочетаний пар металлов с диаметром основания d=20 мм и длиной образца L=40 мм. Предложенная технология успешно реализована и внедрена на ОАО «Тантал». Экономический эффект заключается в снижении трудоемкости и получении соединений стабильного качества.

В настоящее время одним из эффективных методов 3D-печати является проволочная электронно-лучевая аддитивная технология (ЭЛАТ), которая позволяет изготавливать крупногабаритные промышленные заготовки из титанового сплава Ti–6Al–4V. Однако Ti–6Al–4V, полученный данным методом, демонстрирует пониженные прочностные свойства. Известно, что повысить прочностные свойства металлических материалов можно посредством измельчения их зеренной структуры кручением под высоким давлением (КВД). Настоящая работа направлена на исследование влияния КВД на микроструктуру и механическую прочность конструкционного титанового сплава Ti–6Al–4V, полученного методом ЭЛАТ. Посредством оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии изучена микроструктура 3D-напечатанного сплава Ti–6Al–4V в исходном состоянии и после КВД. Проведен EBSD-анализ материала в исходном состоянии. Измерена микротвердость материала в исходном и деформированном состояниях. С использованием зависимости предела текучести от микротвердости определена предположительная механическая прочность материала после обработки методом КВД. Обсуждаются микроструктурные особенности 3D-напечатанного сплава Ti–6Al–4V после КВД, за счет которых обеспечивается повышенная прочность данного материала. Результаты исследований демонстрируют, что 3D-печать методом ЭЛАТ позволяет получить титановый сплав Ti–6Al–4V с необычной для данного материала микроструктурой, которая состоит из столбчатых первичных β-зерен с поперечным размером 1–2 мм, внутри которых располагаются мартенситные иглы α'-Ti. Между иглами α'-Ti наблюдаются тонкие прослойки β-Ti толщиной около 200 нм. Дальнейшая деформационная обработка сплава методом КВД позволила сформировать в его объеме ультрамелкозернистую структуру, состоящую предположительно из α-зерен со средним размером (25±10) нм. КВД-обработка 3D-напечатанного сплава позволила достичь довольно высоких значений микротвердости (448±5) НV_0,1, что по соотношению HV=2,8–3σ_т соответствует предположительному пределу текучести, равному примерно 1460 МПа.