Автореферат (Разработка технологических основ нанесения алюмоматричного композиционного материала на сегмент упорного подшипника скольжения)

На правах рукописиУДК 621.791Ковалев Владимир ВикторовичРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ НАНЕСЕНИЯАЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛАНА СЕГМЕНТ УПОРНОГО ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯСпециальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологииАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре технологий сварки и диагностикиМГТУ имени. Н.Э. БауманаНаучный руководитель:кандидат технических наукМИХЕЕВ Роман СергеевичМГТУ имени. Н.Э.

Баумана, доцентОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорДУБРОВСКИЙ Владимир АнатольевичНПП «ВЕЛД», директор (05.02.10)доктор технических наук, профессорЕЛАГИНА Оксана ЮрьевнаРГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М.Губкина,заведующий кафедрой трибологиии технологий ремонта НГО (05.02.10)Ведущая организация:Пермский национальныйисследовательский политехническийуниверситетЗащита состоится «21» декабря 2017 г.

в 14:30 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.01 при Московском государственномтехническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, ул. 2-яБауманская, д. 5, стр. 1.Телефон для справок: +7 (499) 267-09-63.Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатьюорганизации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационногосовета по указанному адресу.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имени. Н.Э. Баумана ина сайте http://www.bmstu.ru.Автореферат разослан «____» _____________ 2017 г.УЧЁНЫЙ СЕКРЕТАРЬдиссертационного советад.т.н., доцентКоновалов А.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемыАнализ аварий, произошедших за последние 30 лет на тепловыхэлектростанциях, суммарно вырабатывающих в России 68% электроэнергии,показывает, что на поломки, связанные с турбинным блоком, приходится 72% отобщего числа аварий.

При этом до 25% причин отказов связано с повреждениемподшипников скольжения паровых турбин, вызванных различными причинами,и приводящих к выходу из строя всего блока.Большая часть подшипников скольжения, применяемых в настоящее времяв паровых турбинах, представляют собой биметаллические конструкции,состоящие из основания, выполненного из низкоуглеродистой стали испециального рабочего слоя из антифрикционного материала. Средиантифрикционных материалов наибольшее распространение, благодаряминимальным значениям коэффициента трения и хорошей прирабатываемости,получили баббиты. Однако, появившиеся в последние годы композиционныематериалы (КМ) на основе алюминия, армированные керамическими частицамимикронных размеров, в частности системы Al-SiC, обладают по сравнению сбаббитами комплексом полезных физических и технологических свойств:меньшей плотностью, большей теплопроводностью, лучшей коррозионнойстойкостью и обрабатываемостью резанием, а также характеризуются высокойизносостойкостью и задиростойкостью в широком интервале температур всочетании с низким коэффициентом трения.

Поэтому применение такихматериалов в качестве рабочего слоя подшипников скольжения являетсяэкономически целесообразным и перспективным, поскольку позволит увеличитьмежремонтный срок службы подшипников паровых турбин и снизитьвероятность возникновения критического износа в аварийных ситуациях(разнотолщинность колодок подшипника, установка вала с перекосом, режимполусухого трения и обводнение смазки). Однако, опыт нанесения этихкомпозиционных материалов на сталь, для создания биметаллическихподшипников скольжения в настоящее время отсутствует.Из вышеизложенного следует, что разработка технологических основнанесения композиционных материалов системы Al-SiC на стальные колодкиподшипников скольжения является актуальной задачей.Актуальность выбранной темы диссертационного исследованияподтверждается его выполнением в рамках реализации проекта РФФИ 16-5800014 «Получение, управление и контроль физико-механических характеристиккомпозиционных покрытий из цветных сплавов с градиентной структурой»Цель работы: повышение износостойкости и расширение диапазонатрибонагружения подшипников скольжения.Задачи исследования:1.

Проанализировать и обосновать выбор способа нанесения на стальантифрикционных покрытий из дисперсно-наполненных КМ системы Al-SiC.2. Провести исследование состава и структуры интерметаллидного слоя,образующегося на границе раздела сталь-алюминий биметаллических соединений.Выявить влияние технологии совмещения (параметров режима; состава и способа1нанесенияпромежуточныхпереходныхслоев)нахарактеристикиинтерметаллидного слоя (состав, геометрические размеры, характер). Исследоватьзависимость механических свойств биметаллических соединений и особенностейструктурно-фазового состава границы раздела от режимов и технологиисовмещения.3.

Разработать математическую модель, позволяющую оценить термическоевоздействие процесса наплавки КМ на сталь с нанесенным промежуточным слоем.4. Разработать технологические рекомендации для изготовлениябиметаллических сталеалюминиевых соединений с рабочим слоем из дисперснонаполненных КМ системы Al-SiC на примере упорного подшипника скольженияпаровой турбины.Методы исследований: результаты работы получены путем теоретических иэкспериментальных исследований.

Эксперименты по наплавке проводили сприменением оборудования для аргонодуговой сварки неплавящимсявольфрамовым электродом. Исследование структуры образцов осуществлялиметодами оптической и растровой электронной микроскопии с применениемоптических микроскопов Axiovert 200MAT и Биомед ММР-2 и растровойэлектронной микроскопии Helios NanoLab 660 и Tescan VEGA II LMU.Испытание прочностных характеристик адгезионной прочности нанесенногопокрытия на срез проводили на установке 2054 Р-5. Трибологические свойствапокрытий оценивали на универсальной машине трения CETR-UMT в условияхсухого трения скольжения.

Обработку полученных данных проводили сиспользованием стандартных программ Microsoft Exel и MATLAB.Ценность выполненных исследований: показана возможность нанесенияалюмоматричных дисперсно-наполненных композиционных материалов настальные опоры подшипников скольжения. Определено влияние температурынагрева границы раздела сталь-алюминий, а также характера образующегосяинтерметаллидного слоя на адгезионную прочность сталеалюминиевогосоединения. Разработаны технологические основы и реализована технологияаргонодуговой наплавки на поверхность стальных колодок упорногоподшипника скольжения рабочего антифрикционного слоя из алюмоматричныхкомпозиционных материалов, характеризующегося повышенной в 2 разаизносостойкостью и расширенным диапазоном трибонагружения по сравнениюс базовыми покрытиями из баббита.Научная новизна работы связана с раскрытием влияния термическоговоздействия процесса дуговой наплавки алюмоматричных КМ на характеристикиинтерметаллидного слоя по границе раздела сталь-алюминий.1.

Установлена зависимость между температурой нагрева границы разделасталь-промежуточныйслойипрочностнымихарактеристикамисталеалюминиевого соединения. Аналитически определено и экспериментальноподтверждено, что нагрев дискретного интерметаллидного слоя, представляющегособой чередующиеся интерметаллиды в виде «оплавов» и участки пересыщенноготвердого раствора Fe и Al, до температур выше 530°С приводит к образованию иросту интерметаллидов в твердой фазе в свободных от «оплавов» зонах, а до2температур выше 620°С к росту и увеличению размеров (толщины) «оплавов», чтоприводит к снижению прочности сталеалюминиевого соединения.2.

Показано, что прочностные характеристики сталеалюминиевогосоединения определяются не только значением толщины интерметаллидного слоя,но и его характером. При дискретном характере интерметаллидного слоя значенияадгезионной прочности сталеалюминиевого соединения в два раза выше посравнению с таковыми у соединений с непрерывным слоем интерметаллидов.Установлено, что данная закономерность сохраняется и в случае превышениязначений средней толщины дискретного слоя по сравнению с непрерывным слоеминтерметаллидов.3. Для процесса дуговой наплавки алюмокремниевого покрытия наповерхность стали с полным проплавлением предварительно нанесенногопромежуточного алюминиевого слоя предложен механизм образованияинтерметаллидного слоя Fe-Al-Si, отличительной особенностью которого являетсяконтакт алюмокремниевого расплава не с поверхностью стали, а с имеющимся награнице раздела интерметаллидным слоем системы Fe-Al.

Показано, что присплошном интерметаллидном слое на всей его поверхности происходит ростновых интерметаллидов Fe-Al-Si, в то время как при дискретном характерепроисходит разрушения слоя интерметаллидов Fe-Al и новые интерметаллидыFe-Al-Si образуются преимущественно в местах отсутствия «оплавов».Практическая значимость работы: разработан расчетный методопределения минимального значения толщины подслоя из алюминия,обеспечивающего отсутствие падения прочности биметаллического соединения впроцессе аргонодуговой наплавки. Разработана и реализована технологиянанесения рабочего слоя из дисперсно-наполненных КМ системы Al-SiCпроцессом аргонодуговой наплавки на поверхность стальной колодки упорногоподшипника скольжения марки К54-30/15.

Определены схемы и технологическиепараметры аргонодуговой наплавки, обеспечивающие адгезионную прочность нениже нормативного уровня 60 МПа. Разработанная технология опробована напредприятии ООО «НефтеГазМонтаж» и представляет интерес для внедрения напредприятии ОАО «Калужский турбинный завод» при изготовлении сегментногоподшипника скольжения паровых турбин.Достоверность результатов и выводов подтверждается применениемсовременных взаимодополняющих друг друга аналитических методовисследования структурно-фазового состава и эксплуатационных свойствбиметаллических сталеалюминиевых соединений: оптическая и растроваяэлектронная микроскопия, определение адгезионной прочности и трибологическихсвойств.