Как лазер закаляет сталь: машиностроители осваивают лазерный метод упрочнения металла

По металлическому цилиндру медленно ползет трехмиллиметровое пятнышко лазерного пучка. Поверхность за ним даже на глаз другая — становится матовой. 10 минут — и вся окружность колеса 535 миллиметрового диаметра, на которую приходится максимальная механическая нагрузка при работе роторной части насоса, прошла закаливание. Теперь она вдвое прочнее.

Стереотип изучавшего материаловедение физика — излучение вредит прочностным характеристикам твердого тела, делая конструкцию более хрупкой. С лазерным лучом все иначе. Поток когерентных монохромных фотонов, почти не расходящийся в пространстве, крайне эффективно нагревает металлическую поверхность, с которой соприкасается. А если пучок убрать, та моментально остывает за счет интенсивной теплопередачи в толще образца. На этом основан метод лазерного термоупрочнения. По сути, металл проходит процедуру закалки — только гораздо более быструю по сравнению с традиционными (например, в индукционной печи). Меньше и затраты — и на энергию, и на организацию производства.

Сама технология не нова, но в машиностроительном дивизионе «Росатома» применяется впервые. Центральное конструкторское бюро машиностроения (ЦКБМ) разработало документацию, по которой в кооперации с Владимирским инжиниринговым центром использования лазерных технологий в машиностроении при Владимирском государственном университете им. Столетовых запустило опытный участок термоупрочнения роторных частей насосов для машинного зала АЭС. Производство стопроцентно российское — так, иттербиевые волоконные лазеры изготовлены в подмосковном Фрязине.

По словам начальника производства инжинирингового центра Ильи Печникова, в обычно применяемых в промышленности марках стали локальный нагрев от лазерного пучка приближается к 1 тыс. К. Негативно на структуре сплава это не сказывается, но устраняет внутренние дефекты кристаллической решетки на глубине до 0,6 мм и эффективно упрочняет материал. Поверхностную твердость после закалки проверяют методом неразрушающего контроля (ультразвуковым твердомером) и вырезая из образца-­свидетеля сегменты облученного материала.

В итоге, говорит заведующий лабораторией физико-механических испытаний и начальник ОТК инжинирингового центра Виктор Ильин, роторные компоненты для насосов ЦКБМ становятся прочнее как минимум вдвое. Пропорционально вырастает и износостойкость. Для постоянно вращающихся механизмов это особенно важно, ведь на фоне растущей глобальной востребованности атомных технологий увеличивается объем заказов, а срок их исполнения надо скрупулезно соблюдать.

«Раньше глубокие царапины, возникающие при сборке изделия, могли привести к заклиниванию соприкасающихся частей валов и рабочих колес. Приходилось изготавливать детали повторно, на что уходило до девяти месяцев. С более прочными роторами ресурс агрегата вырастет с 10 до 24 тыс. часов», — рассказывает первый заместитель руководителя ЦКБМ, директор по производству Алексей Кузьмин.

Это не первый опыт сотрудничества Владимирского государственного университета с машиностроителями «Росатома»: была успешная работа с ЦНИИ технологии машиностроения. Пока участок термоупрочнения организован во Владимирском университете, со станками инжинирингового центра. К концу следующего года ЦКБМ планирует запустить производственную линию у себя. Это позволит «Росатому» расширить номенклатуру и объем продукции, снизить затраты. В перспективе на новом участке можно упрочнять детали насосов первого контура охлаждения промышленных реакторов.

«Нам предстоит обучить персонал ЦКБМ лазерному термоупрочнению. Кроме того, предприятие заявило о заинтересованности в использовании лазерной сварки при изготовлении оборудования для АЭС, это следующий горизонт нашего взаимодействия», — говорит директор инжинирингового центра Александр Люхтер.

Анзор Саралидзе
Ректор Владимирского государственного университета им. Столетовых

— С ЦКБМ мы сотрудничаем с прошлого года. За это время сотрудники инжинирингового центра провели лазерное упрочнение вала конденсатного насоса и начали лазерную сварку образцов изделий типа «трубные решетки холодильника главного циркуляционного насосного агрегата». Сейчас формируется техзадание на поставку лазерного оборудования для ЦКБМ.