Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 15

Поэтомустали 20Х13 и 15Х11МФ рекомендуется использовать для изготовленияизделий, работающих при температурах не выше 560…580ºС.Увеличениеинтенсивностипроцессаабразивногоизносарассмотренных материалов с ростом температуры можно связать свозникновением оксидной пленки и охрупчиванием поверхности материаламишени. Исходя из полученных экспериментальных данных, можнопредположить, что поверхность материала при нагреве становится болеемягкой и податливой.140ГЛАВА5ПОВЫШЕНИЕАБРАЗИВНОЙСТОЙКОСТИЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА ПЕРВЫХ СТУПЕНЕЙ ЦИЛИНДРОВВЫСОКОГО И СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИНТипичные износостойкие покрытия, применяемые в промышленности,основаны на нитридах, карбидах и боридах.

По сравнению с чистымиметаллами температуры плавления их карбидов, нитридов и боридов на1000÷2000 К выше и твердость составляет от 20 до 30 ГПа (у металлов неболее 10 ГПа). За исключением алюминия все другие используемые дляформирования покрытий элементы имеют температуру плавления Tm науровне 1700 K и более (за исключением вольфрама 3700 K) и поэтомуявляются жаростойкими, что особенно актуально при применении длязащиты от абразивного износа первых лопаток ЦВД и ЦСД паровых турбин,эксплуатирующихся при совокупном воздействии газоабразивного потока ивысоких температур, достигающих значений 550 °С (823,5 °K).Многослойныепокрытияпозволяютобеспечитьодновременновысокую жаростойкость и абразивную стойкость [95]. Если жаростойкостьмногослойного покрытия можно обеспечить путём создания слоя изжаростойкогоматериала,обладающегоопределеннуюминимальнуютолщину,сплошностьютообеспечениеиимеющегонеобходимойабразивной стойкости покрытия весьма проблематично и зависит от многихфакторов.

Например, уязвимое место - граница раздела «покрытие-основа»,где прочность системы в значительной мере определяется совершенством ихсвязи, сцепления, общей толщиной покрытия, толщиной слоев в нем и ихакустическихсвойств.Твердостьсистемыпокрытие-подложкаимикротвердость покрытия существенно влияют на абразивную стойкость.На основе вышесказанного была выбрана концепция формированияабразивостойкого покрытия на основе введения в металлическую матрицу,обладающуюжаростойкимисвойствами,141высокодисперсныхчастицупрочняющей фазы с равномерным их распределением по объему матрицы(обладающую повышенной прочностью).Среди широко используемых в энергетике жаростойких материаловподходящими свойствами обладают сплавы на основе никеля Ni, в частностиникель-хромовый сплав NiCr – ХН70Ю.

Этот сплав широко применяется дляизготовлениядеталей,работающихпритемпературах1100-1200°С.Производство сплава ХН70Ю хорошо освоено промышленностью, что делаетего применение целесообразным и с экономической точки зрения. В качествевысокодисперсных частиц упрочняющей фазы выбран карбид хрома CrC,обладающий повышенной твердостью и износостойкостьюНа основании изложенного выше анализа, в качестве материала дляформирования износостойкого покрытия был выбран хромоникелевый сплавна основе NiCr (ХН70Ю), а в качестве защитного покрытия – многослойноепокрытие сложной структуры на основе никель-хромового сплава NiCr,хрома Cr, а также их соединений с углеродом -(NiCr/Cr-NiCrC/CrC).Также весьма перспективными материалами для абразивостойкихпокрытий являются нитриды, карбиды, карбо-нитриды таких тугоплавкиххимических элементов как Ti, Cr, в частности, защитные многослойныепокрытия на основе нитрида сплава титан-алюминий TiAlN и карбида хромаCrC (см.

рисунок 1.39). Проведенный анализ показал эффективностьприменениямногослойныхионно-плазменныхпокрытийнаосновечередующихся слоев сплава титан-алюминий и его нитрида – TiAl-TiAlN,хрома и его карбида – Cr-CrC.Таким образом для исследования абразивной стойкости на мишенях излопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ были сформированы ионноплазменные покрытия на основе TiAl-TiAlN, на основе Cr-CrC, и на основеNiCr/Cr-NiCrC/CrC.Формированиеионно-плазменныхповерхностях образцов производилась на установке «Гефест».142покрытийна5.1 Оборудование для формирования ионно-плазменных покрытийПроцесс ионно-плазменного формирования покрытий включал в себяследующие основные стадии: предварительную подготовку поверхностейобразцов (полировка, удаление загрязнений с поверхности и обезжиривание);их загрузка в вакуумную камеру; откачку вакуумной камеры на высокийвакуум с предварительным нагревом; ионную очистку и собственноформирование покрытий на поверхности образцов.Предварительная подготовка поверхностей образцов перед процессомформированияионно-плазменныхпокрытийввакуумеявляетсяобязательной и неотъемлемой частью всего технологического цикла.Основная цель предварительной подготовки – придание поверхностизаданных параметров шероховатости (Ra, мкм) и удаление или значительноеснижениеповерхностныхобеспечивающегозагрязненийэффективноедодопустимоговзаимодействиеуровня,осаждаемогопотокавещества с подложкой.

Предварительная подготовка поверхностей образцовпроводилась в установке электролитно-плазменной полировке (ЭПП).Установка электролитно-плазменной полировкиУстановкаэлектролитно-плазменнойполировкиЭПП-100предназначена для полирования изделий из коррозионно-стойких сталей,титановых и никельхромовых сплавов, причем как для окончательнойотделки поверхностей, так и для подготовки поверхностей к последующемунанесению гальванических покрытий или покрытий с использованиемвакуумных технологий.В основе работы установки лежит способ электроимпульсногополирования, заключающийся в создании вокруг обрабатываемого изделия,погруженного в электролит, парогазовой рубашки, и ее комплексном физикохимическом воздействии на поверхность изделия.

В результате этоговоздействия происходит незначительное удаление металла и снижениешероховатостиполируемойповерхности.143Установкаобеспечиваетулучшение качества полируемых изделий не менее, чем на 2 класса отисходного состояния. Общая площадь одновременно полируемых изделий неболее 2000 см², за одну загрузку. Время обработки изделий, в зависимости отсостояния исходной поверхности, составляет 2÷20 мин. В состав установкиэлектролитно-плазменногополированиявходят:шкафуправления,понижающий силовой трансформатор и рабочий модуль электролитноплазменного полирования (см.

рисунок 5.1).Установка имеет возможность работы как в ручном, так и вавтоматическом режиме. Ручной режим работы предусмотрен для отработкитехнического процесса.Рисунок 5.1 – Фотография внешнего вида установки ЭПП-100УдалениеповерхностныхзагрязненийобразцовпослеЭППпроводится, как правило, с помощью отмывки в одном или несколькихмоющих растворах (после обработки в установке ЭПП это, как правило,высокочистый бензин). Непосредственно перед размещением образцов ввакуумной камере производилась их окончательная протирка изопропиловымспиртом.

По окончании вневакуумной подготовки поверхности, изделияразмещали в вакуумной камере установки для формирования покрытий наспециальном механизме внутрикамерной оснастки (рисунок 7.2).144После подготовки поверхности образцов из лопаточных сталей 20Х13и15Х11МФполированиясиспользованиемЭПП-100установкипоследовательностьэлектролитно-плазменноготехнологическихоперацийформирования покрытий включала в себя:вакуумирование и предварительный прогрев камеры до заданныхзначений остаточного давления и температуры;подачу инертного газа (аргона) и зажигание тлеющего разряда междуобразцами и стенками вакуумной камеры;очистку и активацию поверхности образцов бомбардировкой ионамиинертного газа;подачу реакционного газа и формирование покрытия требуемогосостава и толщины;прерывание процесса и охлаждение образцов в вакууме;извлечение образцов из вакуумной камеры.Установка «Гефест» по формированию покрытий в вакууме (НИУ «МЭИ»)В состав установки «Гефест» (см.

рисунок 5.2) входят: вакуумнаякамера, насосный стенд с тремя вакуумными насосами, распылительнаясистема из 4-х разбалансированных магнетронов и планарного ионногоисточника с блоками питания и блоком напряжения смещения, системаводяного охлаждения, нагреватель и токовводы, планетарный механизм длякрепления и перемещения обрабатываемых изделий, устройство дляизмерения температуры, приборы контроля вакуума и система управленияустановкой.Формирование покрытий осуществляется в вакуумной камере, вкоторой с помощью средств вакуумирования достигается и непрерывноподдерживается необходимое давление. Величина рабочего давленияопределяется физикой и техникой процесса и находится в интервале от0.01÷0.5 Па. Предельный вакуум достигаемый в установке – 10-4 Па.145Рисунок 5.2 – Фотография общего вида вакуумной установки «Гефест» дляформирования ионно-плазменных покрытийИзделия крепятся в вакуумной камере к вращающемуся планетарномумеханизму, что обеспечивает равномерное нанесение покрытий на всерабочие поверхности.