Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 16

Вакуумная камера установки представляет собойцилиндр диаметром 890 мм и высотой 1295 мм. Максимальная высотаизделий (в базовом варианте расположения технологических источников), накоторые возможно нанести покрытие, составляет 1060 мм, диаметр – 210 мм.Камера состоит из средней части прямоугольной формы шириной 450 мм, сприсоединенными к ней двумя дверями.Откачка камеры производится через специальный переходной модуль,выполняющий функцию соединения вакуумной камеры с системой откачки.146За счет специальной конструкции переходного модуля обеспечиваетсяравномерность откачки по высоте камеры. Внешние стенки камерыохлаждаются водой, внутренние - защищены от запыления сменнымиэкранами из нержавеющей стали.Для предварительного прогрева образцов и вакуумной камерыустановка снабжена нагревателем специальной конструкции, состоящем издвух независимых секций, мощностью до 6 кВт каждая.

Тепловыделяющимэлементомнагревателядиаметром6мм,являетсямногожильныйимеющийвнешнююнихромовыйкерамическуюкабельизоляцию.Нагревательные секции располагаются по обеим сторонам от выходной щелиионного источника с зазором 80 мм.Система откачки состоит из диффузионного насоса НД – 400двухроторного насоса производительностью 540 м3/ч, форвакуумного насосаА2DS 160 производительностью 160 м3/ч. Во время процесса давление вкамере измеряется датчиком ПМИ-51 с вакуумметром ВИТ-3.Установкаоснащена4-мяразбалансированнымипланарнымимагнетронами с коаксиальным вводом.

Магнетрон предназначен дляполучения на поверхности изделий тонких покрытий из целого спектраметаллов и сплавов, за счет ионного распыления мишени магнетрона вразряде плазмообразующего инертного газа. Принцип работы магнетроназаключается в распылении мишени-катода ионами, поступающими изгазовогоразрядапостоянноготоканадповерхностьюмишенииускоренными в ее сторону.Установка оснащена 3-мя линиями подачи технологических газов ввакуумнуюкамеру.Каждаялинияоснащенабаллономсгазом,понижающими редукторами, манометрами, регулятором расхода и отсечнымклапаном.

В камере газы подаются к технологическим источникам черезгазораспределительныеустройства,обеспечивающиераспределение по высоте.147ихравномерноеТемпература изделий в процессе формирования покрытий измеряетсяхромель-копелевой термопарой со специальной конструкцией креплениякоролька и вывода сигнала из вакуумной камеры. При формированиипокрытийтермопараразмещаетсянатехнологическойоснасткевнепосредственной близости от изделий.Перед формированием перечисленных видов покрытий производиласьоткачка камеры до высокого вакуума (давление не выше 8×10-3 Па) спредварительным нагревом для интенсификации процесса дегазации камерыиобразцов.Послеоткачкиввакуумнуюкамеруподавалсяплазмообразующий газ (аргон) до давления 0,25 ÷ 0,4 Па и производиласьионная очистка мишеней для удаления оксидной плёнки и активации ихповерхности.

На мишени подавалось отрицательное напряжение в пределахот 800 до 1250 В в течение 20÷40 минут. Далее проводились процессы ионноплазменного формирования покрытий.5.2 Исследование абразивной стойкости лопаточных сталей 20Х13 и15Х11МФ с ионно-плазменными покрытиямиДля многослойных ионно-плазменных защитных покрытий различногосостава, сформированных на мишенях из лопаточных сталей 20Х13 и15Х11МФ, были проведены комплексные исследования, включавшие в себяопределение их составов, толщины, структуры и микротвердости,Определение толщины защитных покрытий проводилось методомшарового шлифования, позволяющим оценивать толщину покрытий иотдельных слоев покрытий без дополнительной пробоподготовки, при этомвызывающим лишь локальное разрушение поверхностного слоя.

Анализпроводился с использованием лабораторного комплекса для определениятолщины покрытия и изготовления шарового шлифа Calotest. Для получениясфероидальной выемки (шарового шлифа) на поверхности образцовиспользовался шар диаметром 30 мм и абразивная суспензия с размеромчастиц 0,5 -1 мкм. Для оценки толщины покрытия проводилось по 3измерения.148Для более подробного исследования структуры защитных покрытий,сформированных на мишенях из лопаточных сталей 20Х13, 15Х11МФ, исоставляющих их слоев с применением средств современной микроскопии, атакже для проведения элементного анализа покрытий и слоев покрытийметодом энергодисперсионного микроанализа, требовалось изготовлениепоперечных шлифов.Поперечныеиспользованиемметаллографическиекомплексашлифыоборудованиядляизготавливалисьспробоподготовки,включавшего: абразивный отрезной станок с линейно подвижной системойреза POWERMET 3000 (Buehler GmbH), пресс электрогидравлическийSIMPLIMET 1000 (Buehler GmbH), станок шлифовально-полировальныйBETA/1 (Buehler GmbH).

Изготовленные металлографические шлифыисследовались на сканирующем автоэмиссионном электронном микроскопеTESCAN MIRA 3 LMU. Полученные изображения поперечных шлифовмишеней из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФ с различными защитнымипокрытиями приведены на рисунках 5.3 - 5.8.Рисунок 5.3 – Изображения поперечного шлифа мишени из стали 20Х13с покрытием TiAl-TiAlN149Рисунок 5.4 – Изображения поперечного шлифа мишени из стали 15Х11МФс покрытием TiAl-TiAlNРисунок 5.5 – Изображения поперечного шлифа образца из стали 20Х13с покрытием Cr-CrCРисунок 5.6 – Изображения поперечного шлифа образца из стали 15Х11МФс покрытием Cr-CrC150Рисунок 5.7 – Изображения поперечного шлифа образца из стали 20Х13с покрытием NiCr/Cr-NiCrC/CrCРисунок 5.8 – Изображения поперечного шлифа образца из стали 15Х11МФ спокрытием NiCr/Cr-NiCrC/CrCВрезультатепроведенныхисследованийхарактеристиксформированных покрытий было установлено, что:- сформированные ионно-плазменные покрытия содержат, по меньшеймере, 4 характерных слоя.

Подслой, прилегающий к поверхности основногоматериала, имеет толщины 0,8-1,8 мкм, промежуточный слой - 0,6-0,9 мкм.- для рассмотренных покрытий характерно наличие столбчатой изеренной структуры, в сочетании со слоистой структурой.-сформированныепокрытияявляютсямногослойными,общаятолщина покрытий на образцах из лопаточных сталей 20Х13 и 15Х11МФсоставляла от 6,8 до 11,8 мкм.151- микротвердость сформированных ионно-плазменных покрытийсоставила H0,05 = (1100÷1400) ± 50 HV, что примерно в 5÷7 раз большемикротвердостиповерхностиосновногоматериаламишенейH0,05 = (210÷220) ± 20 HV.Исследования абразивной стойкости мишеней из сталей 20Х13 и15Х11МФ, а также мишеней с сформированными ионно-плазменнымипокрытиями проводились на экспериментальном стенде согласно методикепроведения абразивных испытаний, подробно описанных в Главе 2.

В Главе4 приведены результаты исследования влияния различных параметров наинтенсивность процесса абразивного износа сталей 20Х13 и 15Х11МФ,Исследованияабразивнойстойкостимишенейссформированнымипокрытиями проводились при параметрах максимального абразивногоизноса, значения которых приведены в таблице 5.1.Проведенные в данной работе исследования стойкости к абразивномуизносу мишеней из сталей 20Х13 и 15Х11МФ с выбранными ионноплазменнымипокрытиямипоказали,чтонаилучшейстойкостьюкабразивному износу обладает покрытие на основе Cr-CrC. Результатыабразивных испытаний, проведенных для стали 20Х13 и 15Х11МФ безпокрытия и с защитным покрытием Cr-CrC представлены на рисунках 5.9 и5.10 соответственно.Таблица 5.1 – Параметры абразивных испытанийРасход несущей среды GВ, кг/с510-4Расход абразивного эродента GЭ, кг/сРасход газоабразивного потока GГП, кг/сРасходная массовая концентрация эродента XЭ*Угол атаки абразивного потока, градусыТемпература мишени, °С5,810-55,58×10-410,4%30550152Рисунок 5.9 - Зависимость удельной потери массы мишени от времени для стали 20Х13 без покрытия (1)и стали 20Х13 с защитным покрытием Cr-CrC (2)153Рисунок 5.10 - Зависимость удельной потери массы мишени от времени для стали 15Х11МФ без покрытия (1)и стали 15Х11МФ с защитным покрытием Cr-CrC (2)154На основании полученных зависимостей, можно заключить, что вцелом износ мишеней при наличии покрытия меньше, нежели при егоотсутствии.Этообусловленобольшейустойчивостьюпокрытияквоздействию твердых частиц эродента в начальный период времени.

Далеенаступает процесс разрушения покрытия и развитие абразивного износаосновного материала мишени. Разрушение покрытия носит локальныйхарактер, приводящий к образованию «островков» с покрытиями наповерхности «мишени», между которыми происходит интенсивный износосновного материала. При этом, «островки», в связи с «подрезывающим»действием частиц абразива, имеющих касательные составляющие скорости кповерхности «мишени», покидают «мишень» вместе с уносимыми частицамиосновного материала, не имея связи с другими «островками».На основании полученных зависимостей невозможно сказать, с какогоименно момента времени покрытие в области «абразивного следа»разрушается полностью и начинается разрушение основного материала.

Какбыло установлено в Главе 3, у процесса абразивного износа помимо периодас установившейся скоростью существуют инкубационный и переходныйпериоды, предшествующие ему. Здесь правомерно предположить, чтопокрытие должно продлевать длительность именно инкубационного периодаосновногоматериала.Поэтомубылипроведеныдополнительныеисследования процесса абразивного износа мишеней из сталей 20Х13 и15Х11МФ без покрытия и с защитным покрытием Cr-CrC [29].Для определения времени инкубационного периода отдельно былорассмотрено поведение зависимостей удельной потери массы мишеней изстали 20Х13 и 15Х11МФ (см. рисунки 5.11 и 5.12 соответственно) безпокрытия и с покрытием на временном интервале от 60 до 300 секунд.155Рисунок 5.11 - Зависимость удельной потери массы мишени от времени длястали 20Х13 без покрытия (1) и стали с защитным покрытием Cr-CrC (2) навременном интервале от 60 до 300 секундРисунок 5.12 - Зависимость удельной потери массы мишени от времени длястали 15Х11МФ без покрытия (1) и стали с защитным покрытием Cr-CrC (2)на временном интервале от 60 до 300 секунд156В результате квадратичной интерполяции полученных зависимостей наэтом интервале времени экспонирования были получены следующиевеличины для времени инкубационного периода:- Tinc1 ≈ 16 сек – для стали 20Х13 без покрытия;- Tinc2 ≈ 62 сек – для стали 20Х13 с защитным покрытием Cr-CrC;- Tinc1 ≈ 18 сек – для стали 15Х11МФ без покрытия;- Tinc2 ≈ 60 сек – для стали 15Х11МФ с защитным покрытием Cr-CrC,Таким образом, время до начала разрушения мишени из стали 20Х13 и15Х11МФ с покрытием Cr-CrC увеличилось почти в 4 раза.Относительные значения абразивного износа G2/G1 (G2=(Δm/ΔS)2, удельная потеря массы мишени с покрытием Cr-CrC, G1=(Δm/ΔS)1 – удельнаяпотеря массы мишени без покрытия) для сталей 20Х13 и 15Х11МФпредставлены на рисунках 5.13 и 5.14 соответственно.Рисунок 5.13 – Изменение относительных значений удельных потерь массымишеней из стали 20Х13157Рисунок 5.14 – Изменение относительных значений удельных потерь массымишеней из стали 15Х11МФНа временном интервале от 0 до 60 секунд не было зафиксированоудельной потери массы мишеней с покрытием в отличие от мишеней безпокрытия, для которых был зафиксирован унос массы при временах 16секунд для стали 20Х13 и 18 секунд для стали 15Х11МФ соответственно.