Диссертация (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок), страница 3

Она и является мерой сопротивления поверхностных слоевдеталей разрушению при трении скольжения, трении качения, а также примикроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций [8, 9].Изнашивание деталей сопровождается сложными физико-химическимиявлениями. Скорость изнашивания зависит от материала и качества трущихсяповерхностей, характера контакта и скорости их взаимного перемещения, видаи значения нагрузки, вида трения и смазки, качества смазочного материала и отмногих других факторов.Выделяютвозникаетвгидроабразивное,основныерезультатевидыизнашивания:механическихгидроэрозионное,механическое,воздействийусталостное,которое(абразивное,кавитационное,прифреттинге) и коррозионно-механическое (электроэрозионное, окислительное,при фретпитг-коррозии ). Коррозионно-механическое представляет собойпревращения механического когда агрессивная среда: почва, грунт, руда, угольи природа, зола, пыль, металлическая стружка, нагар и продукты изнашивания,15вызываетэлектрохимическиепроцессынаповерхностидетали,интенсифицируя изнашивание.В данном конкретном случае валов ГТУ, в результате их обычной работымогутпоявлятьсяодинилинесколькоизэтих механизмоваварии.Преобладание какого-либо из них будет зависеть от зоны, в ГТУ, в которойнаходится сегмент вала так, что каждая из них имеет свои механические ифизико-химические особенности.Таким образом, авария, наиболее часто происходит в зонах, которыеподдерживаются опорными и упорными подшипниками, и проявляется, какизнос, возникающий из-за динамического осциллирующего трения малойамплитуды между поверхностями контакта вала и подшипниками скольжения(обычно около 1-100 мкм).

Иногда износ ускоряется из - за недостаочной,смазки, образования продуктов коррозии, при вибрациях ГТУ. Неправильноеустановка вала на подшипниках, также способствует ускорению процессаизноса. В конце концов, любой фактор, который влияет на увеличениевибраций, содействует этому механизму аварии, который называется фреттинг.Важно заметить, что износ деталей ГТУ приводит к потере точности;понижению коэффициента полезного действия (КПД); снижению прочности;увеличению динамических нагрузок, которые являются следствием увеличениязазоров в сопряжениях; повышению уровня шума.

Износ является причинойвыхода из строя подавляющего большинства машин (до 80%) и их деталей.Созданиеузловсминимальнымипотеряминатрениеспособствуетвысвобождению огромных ресупов рабочей силы и снижению различныхматериальных затрат, в этом числе ремонтных предприятий, которые в среднемпо машиностроению составляют не менее 60-80 % основного производства.Износ инструмента и рабочих органов машин, помимо сниженияпроизводительности, повышает расход электроэнергии. Например, с износомвтулки вала установок происходит увеличение зазора промежуточныхподшипников скольжения, что приводит к искривлению вала и, как следствие,локальному износу втулки подшипника. Для вращения такого подшипника16требуетсябольшийрасходэнергии,чтообъясняетсяувеличениемкоэффициента трения за счет уменьшения площади контакта.Износ и повреждение поверхностей снижают сопротивление усталостидеталей и могут служить причиной их разрушения даже при незначительныхконцентраторах напряжений и весьма низких номинальных напряжениях.Повышенный износ нарушает нормальное взаимодействие деталей в узлах,может вызвать значительные дополнительные нагрузки, удары в сопряжениях ивибрации, стать причиной внезапных разрушений.

С повышенным износомнередко связан недопустимый шум в подшипниковых узлах машин [4, 6, 11].Таким образом, очевидно, что вал является основной деталью и высокогориска для функционирования ГТУ.1.3.Восстановительный ремонт валов ГТУВозникновение аварий, в следствии износа, ставит перед инженерамизадачу ремонта валов и всей машины в целом. Возможно два основныхварианта – это замена на новый вал или ремонт путём восстановленияизношенного. Эти вопросы решаются, помимо технических проблем, исходя изфинансовых затрат на замену или ремонт. В большинстве случаев ремонтизношенного вала является более дешёвым процессом, чем замена на новый[12, 62]. Это ещё связано с тем, что уже существует достаточное количествовосстановительных технологий, позволяющих снижать затраты на ремонтволов [13, 53, 54, 58, 73].Основными задачами при создании восстановительных и ремонтныхтехнологий являются следующие: 1- выбор наносимого материла; 2- выбортехнологии нанесения покрытия.Для правильного выбора материала покрытия необходимо рассмотреть ихвиды и основные характеристики.Среди всего многообразия функциональных покрытий по способностивоспринимать нагрузку со стороны окружающей среды необходимо выделитьследующие:- износостойкие;17- антифрикционные;- жаропрочные;- жаростойкие;- коррозионностойкие;- термостойкие;- эрозионностойкие;- вибрационностойкие.Необходимо заметить, что одно и то же покрытие может удовлетворятьряду требований из перечисленных, а может соответствовать одному иабсолютно не удовлетворять другим.

Так, покрытия с высоким содержаниемкарбидов могут являться и термостойкими, и износостойкими, однако будутслабопротивостоятьвибрационнымнагрузкам.ТаккаквалыГТУподвергаются практически всем из перечисленных воздействий, необходимовыбирать композиционные материалы для покрытий, удовлетворяющие сразунескольким характеристикам.Износостойкие покрытия. Износостойкость - это свойство материалапротивостоять разрушению от нагрузок, получаемых в результате остаточныхнапряжений при трении.Износостойкиепокрытияобладаютповышеннымизначениямимеханических свойств и пониженным коэффициентом трения.При создании износостойких покрытий широко используют такой класскомпозиционных материалов, как твердые дисперсно-упрочняемые сплавы, принагрузкахпрочностьитвердостьтакихсплавоввозрастает,какоттермомеханической обработки [47].

Данный эффект необходим, чтобы впроцессе приработки поверхность приняла за счет деформаций оптимальнуюформу с максимальной площадью контакта и в дальнейшем сохраняла этуформу при больших нагрузках. Для создания износостойких покрытий такоготипа используют различные карбиды тугоплавких элементов, таких каквольфрам (WC), хром (Cr23C6, Cr7C3, Cr3C2), титан (TiC), бор (B12C3),заключенные в вязкую пластичную матрицу из менее твердого материала. Так,18карбиды хрома нашли весьма широкое применение в технике в связи с тем, чтоони обладают рядом ценных свойств: стойкость к окислению у карбидов хромапочти в 20 раз выше, чем у карбида титана и более чем в 1500 раз выше, чем укарбида вольфрама, благодаря такому набору свойств у карбидов хроманаблюдается высокая стойкость против абразивного износа и коррозии [15] .Среди неметаллов для создания износостойких покрытий активноиспользуется марганец.

Сталь Гадфилда, обладающая высокой твердостью иизносостойкостью,неподдаетсямеханическойобработке.Основнойлегирующий элемент в ней – именно марганец (11…15%). Сталь используетсядляпроизводстваковшейэкскаваторов,щитовгрейдеров–деталей,работающих при ударно-абразивных нагрузках.Для создания износостойких покрытий широко используются матрицы Alи Ti с внедрением в них боридов, силицидов и карбидов различных металлов[47]. Была исследована износостойкость наплавленных покрытий системSiC/Al–8Si, WC/Ti–6Al–4V и TiB2/Ti–6Al–4V.

Была получена структура снерастворенными и распределенными в матрице частицами – карбидамиалюминия и карбидами вольфрама и титана , устойчивая при износе иобладающая низкими значениями коэффициента трения.При соответствующих добавках Ti и Al никелевые и никельхромовыесплавы становятся дисперсно-твердеющими (сплавы типа нимоник).Использование этих сплавов в создании покрытий оправдывается такжепрочностными качествами этих металлов.Кроме нитрида титана, в износостойких сплавах широко используютсяего бориды и силициды.Для создания тяжелонагруженных поверхностей также используютсоставы на основе кобальта.Жаропрочность характеризуется комплексом свойств, включающихсопротивлениеЖаропрочнымиползучести, длительному разрушению и жаростойкость.являютсяматериалысвысокимимеханическимихарактеристиками при значительных температурах.

Среди жаропрочных19сплавов выделяют класс суперсплавов - жаропрочных сплавов, применяемых ваэрокосмической промышленности для деталей силовых установок. Никель,благодаря уникальному набору механических свойств, является основой длясоздания большинства из них.Кобальт, в свою очередь, также, как и никель, используют при созданиисуперсплавов. Основное направление использования кобальтовых суперсплавов– в наплавочных порошках типа Stellite. В этих составах содержание кобальтаможет составлять более 50%. Используются они при производстве ножевыхизделий,токарныхрезцовипривосстановленииповерхностей[57],подверженных интенсивному изнашиванию при высоких температурах.Хромширокоприменяетсяприсозданиижаропрочныхикоррозионностойких сталей в качестве легирующего элемента, так как дажепри незначительном количестве заметно изменяет свойства сплава.Для создания композиционных жаропрочных сплавов применяютсятяжелые тугоплавкие металлы и их карбиды, такие как молибден и вольфрам.Благодаря высокой температуре плавления и высокой коррозионной стойкостиих широко используют при производстве твердых сплавов, быстрорежущих иброневых сталей и в составе смесей для наплавки.

В качестве легирующихэлементов вольфрам и молибден применяют для повышения жаропрочности,коррозионной стойкости и прочности сплавов.Примером материала, используемого для покрытий с такими свойствами,является кобальт. Он является необходимым элементом для создания твердыхсплавов для режущего инструмента и быстрорежущих сталей, посколькупроявляет отличные механические свойства при высоких температурах.

Такжеего используют при производстве жаропрочных сталей. Кобальт не является никарбидообразующим,ниграфитизирующимэлементом,однакоонспособствует повышению вязкости сплавов.Коррозионная стойкость — это способность материала сопротивлятьсяхимическому и электрохимическому воздействиям внешней среды. Онаопределяется скоростью коррозии, т.е. массой материала, превращенной в20продукты коррозии, с единицы площади поверхности в единицу времени, либотолщиной разрушенного слоя (мм/год).Материалы для этих покрытий должны быть химически инертны крабочейсреде,иметьповышеннуютермодинамическуюстабильность,способствовать торможению катодных и анодных процессов. Одним из такихэлементов является хром.