COMPREHENSIVE MODELING OF THE EFFECT OF MULTIPHASE HARDENING ON THE WEAR AND CORROSION RESISTANCE OF STRUCTURAL STEELS IN MARINE ENVIRONMENTS

Authors

DOI:

https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2025.2.1.20

Keywords:

multiphase hardening, laser hardening, electric spark alloying, cold spray, residual stresses, corrosion resistance, marine environment, thermoelastic modeling, marine transport, ship structures, mechanisms and components, ship hull, operation of technical systems, galvanic couple, anticorrosive coatings, wear resistance, COMSOL Multiphysics, structural steels

Abstract

The paper presents the results of a comprehensive numerical modeling of the effect of multiphase hardening on the behavior of surface layers of structural steels in marine operation. The model combines three stages of surface treatment: laser hardening, electric spark alloying, and cold spray spraying. An approach to analyzing the thermomechanical interaction between the hardened layers was implemented, and the electrochemical activity of materials in salt water was taken into account. The simulation results showed that the thickness of the cold spray coating significantly affects the distribution of residual stresses, and the interfacial electrode potential difference can lead to galvanic corrosion when the critical threshold of 0.35 V is exceeded. The constructed graphs and 3D profiles allow us to accurately identify the risk areas of localized failure due to overload or corrosion. The proposed approach allows not only to predict the mechanical behavior of a multiphase coating under load, but also to take into account corrosion risks arising from potential incompatibility of layer materials. The modeling was performed in COMSOL Multiphysics using multiphysics modules covering thermal conductivity, stress-strain state, and electrochemical processes. This integrated approach makes it possible to optimize the design of the coating and technological parameters of hardening taking into account real operating conditions, which is especially important for dual-purpose equipment for marine, defense, and energy.The results obtained are of practical importance for the design of hardened structures of technical systems and equipment, including hull elements, submersible units, turbines, screw gears, and other parts operating in aggressive environments.

References

Глушкова Д. Б., Багров В. А., Волчук В. Дослідження впливу структури та фазового складу на зносостійкість економнолегованих метастабільних та вториннотвердіючих сталей // Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки. 2023. № 15. С. 50–58. DOI: 10.30838/J.BPSACEA.2312.140723.50.954

Киричок П., Паліух Д. Дослідження впливу геометрії профілю та мікрорельєфного зміцнення на зносостійкість фальцювальних пластин // Технологія і техніка друкарства. 2024. № 1(83). С. 4–17. DOI: 10.20535/2077-7264.1(83).2024.305494

Shypytsyn S., Fedorov H., Kirchu I., Lykhovey D., Stepanova T. Increasing the physical-mechanical and operational properties of high manganese steels by improving the technological processes of their melting, micro-alloying and modification // Casting Processes. 2024. № 155. С. 14–28. DOI: 10.15407/plit2024.01.014

Тріщук, Руслан. (2019). Алгоритм керування комплексним технологічним процесом зміцнення циліндричних сталевих поверхонь деталей поліграфічного обладнання. Технологія і техніка друкарства. 15–28. 10.20535/ 2077-7264.2(64).2019.184574

Зусін А. Вплив режимів термічної обробки на структуру та зносостійкість наплавленого металу розробленими порошковими дротами з азотом // Наука та виробництво. 2024. С. 67–76. DOI: 10.31498/2522-9990272024303160

Чаудхурі Н., Юсофф Ш., Мустафа М., Лах Н. Дослідження впливу складу модифікованого лігніно-епоксидного покриття на корозійну стійкість з використанням методу поверхні відгуку // Journal of Chemistry and Technologies. 2024. Т. 31. С. 844–854. DOI: 10.15421/jchemtech.v31i4.290101

Мурашов А. П., Вігілінська Н. В., Грищенко О. М., Ющенко А. О., Горбань В. Ф. Investigation of the Mechanical Properties and Wear Resistance of Intermetallic FeAl-Based Plasma Sprayed Coatings // Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2022. № 163. С. 91–96. DOI: 10.31649/1997-9266-2022-163-4-91-96

Савонов, Юрій & Капустян, Олексій & Парахнєвич, Євген & Єршов, Анатолій. (2024). Порівняльна оцінка електродних матеріалів для зварювання хромонікелевих сталей. Наука та виробництво. 64–70. 10.31498/2522-9990282024318363

G R, Raghav & Krishnan, D & Nagarajan, K. & Chandran, Vidya & Rajan, Suraj & Ramanujan, Sujith & Dhanesh, S & Anoop, M. (2022). Investigation of Mechanical, Wear, and Corrosion Properties of Al–BN–SiC–RHA Hybrid Composites Synthesized Through Powder Metallurgy Process. METALLOFIZIKA I NOVEISHIE TEKHNOLOGII. 44. 111–126. 10.15407/mfint.44.01.0111

Кругляк І. В., Середа Д. Б., Палехова І. В., Білозір І. В., Проломов А. А., Кіфорук Д. М., Стасевич О. О., Кривко Р. Г. Моделювання та оптимізація отримання покриттів, легованих хромом з використанням КПС // Математичне моделювання. 2022. № 2(47). С. 98–104. DOI: 10.31319/2519-8106.2(47)2022.268407

Погребова І., Янцевич К. Корозійна стійкість хромосиліцидних покриттів на сталі 45 у різних агресивних середовищах // Вісник Херсонського національного технічного університету. 2023. № 2. С. 71–75. DOI: 10.35546/kntu2078-4481.2023.2.9

Мельник О. М., Булгаков М. П., Терновський В. Б., Заяць С. В. Моделювання термодинамічних і гідродинамічних факторів впливу на енергоефективність морських суден // Наука і техніка сьогодні. 2025. Т. 3, № 44. С. 1025–1035. DOI: https://doi.org/10.52058/2786-6025-2025-3(44)-1025-1035

Onishchenko, O. A., Melnyk, O. M., Kurdiuk, S. V., Maslii, O. M., & Maulevych, V. O. (2025). Technological approaches and practical solutions for surface hardening of structural steels. Наука і техніка сьогодні, 3(44), 893–906. https://doi.org/10.52058/2786-6025-2025-3(44)-892-906

Мельник О. М. Оцінка впливу енергоефективності на безпеку експлуатації судна // Подільський вісник: сільське господарство, техніка, економіка. 2023. № 2(39). С. 76–81. DOI: https://doi.org/10.37406/2706-9052-2023-2.11

Логінов О. В., Мельник О. М., Волошин А. О., Кучеренко В. Ю., Волошин Д. А., Варлан Т. Є. Аналіз викидів та стратегії оптимізації екологічних аспектів роботи судна // Вчені записки ТНУ імені В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2024. Т. 35(74), № 5. С. 202–494. DOI: https://doi.org/10.32782/2663-5941/2024.5.2/15

Published

2025-06-05