Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 4

При этом, в случае металлов,вязкость материала мишени повышается с ростом температуры.28Принагревематериалапроисходитснижениетвердостииохрупчивание его поверхности. Этот эффект связывают с образованиемтолстого оксидного слоя на поверхности мишени при повышении еетемпературы. Предполагается, что такой оксидный слой должен снижатьинтенсивность абразивного износа [20].Стоит отметить, что по результатам анализа литературных данных,температура может оказывать различное воздействие на интенсивностьпроцесса износа материала. Так, по данным некоторых исследований [43,окисление поверхности, вызванное увеличением температуры материаламишени, не повлияло на весовые потери образца, обусловленные эрозией.Кроме того, в некоторых случаях отмечалось уменьшение весовых потерьпри увеличении температуры (см.

рисунки 1.20, 1.21).1 - Ст3; 2 - сталь U8A; 3 - сталь R9; 4 - чугун Ch34L; 5 - сталь 9ChS (скорость частицкварцевого песка v0 = 48 м/с, диаметр частиц кварцевого песка 0,4-0,6 мм)Рисунок 1.20 – Зависимость скорости износа Iг от температуры мишенипри угле атаки газоабразивного потока 45º (а) и 90º (б) [72]29Рисунок 1.21 – Зависимость скорости износа Iг от температуры мишенидля различных материалов [81]В работе [98] приведены результаты исследований, свидетельствующиеоб увеличении интенсивности абразивной эрозии нержавеющей стали08Х18Н10 с ростом температуры, что связывают с возникновением оксиднойпленки и охрупчиванием поверхности. Однако, в работе [44], где былаисследованадругаясталь(сталь08Х13),сообщаетсяосниженииинтенсивности абразивной эрозии с повышением температуры.

Стольнеожиданные результаты исследователи объясняют тем, что поверхностьматериала при нагреве становится более мягкой и податливой, и твердыеабразивные частицы при ударах застревают в ней, тем самым создаваянекоторый упрочняющий слой, препятствующий дальнейшему разрушениюматериала.1.3.3 Влияние средней скорости газоабразивного потока наинтенсивность процесса абразивного износаСредняяскоростьгазоабразивногопотока,скоторойонвзаимодействует с поверхностью мишени, влияет на интенсивностьабразивного износа не меньше, чем угол атаки.

Результаты теоретических30расчетов и экспериментальных исследований [72, 81] свидетельствуют обувеличении интенсивности процесса абразивного износа с увеличениемскорости газоабразивного потока (см. рисунки 1.22, 1.23). Это объясняетсяувеличением запаса кинетической энергии движущихся в потоке твердыхчастиц,котораяпереходитвэнергиюударапривзаимодействиис поверхностью материала.Рисунок 1.22 – Зависимость величины износа IГ от скорости газоабразивногопотока различного фракционного состава с поверхностью мишеней из сталис содержанием углерода 0,8% (850 HV) (числа, указанные на графиках –размеры твердых частиц, мм) [72]31Рисунок 1.23 – Зависимость величины износа IГ от скорости газоабразивногопотока при различных типах твердых частиц [81]1.3.4 Влияние размеров твердых частиц на интенсивность процессаабразивного износаФракционный состав твердых частиц, которые взаимодействуют споверхностями различного оборудования, необычайно разнообразен.

Однойиз основных особенностей процесса абразивного износа является то, чтоущерб от износа не всегда можно точно связать с размером частицы. Здесьнеобходимо учитывать как скорость движения, так и угол, под которымчастицы будут атаковать поверхность элементов оборудования.Некоторыми исследователями [44, 78, 108, 88, 94, 101, 116] былипроведены эксперименты по изучению влияния размеров частиц наинтенсивность процесса абразивного износа (см. рисунок 1.24).Данные исследования были проведены для сталей различной твердостипри различных средних скоростях потока.

Представленные результатысвидетельствуют о том, что частицы меньшего размера (в данныхисследованиях-диаметра)травмируютиизнашиваютповерхностьматериала значительнее, чем частицы большего размера при одинаковыхзначениях скоростей и углов атаки газоабразивного потока. Более того, какпоказывают полученные результаты, существует некоторый максимум по32размеру частиц, свыше которого интенсивность абразивного износа либорастет или снижается незначительно, либо вовсе остается постоянной(см.

рисунок 1.24).1 – сталь 0.8% C (850 HV), v0 = 166 м/с, α = 90°; 2 – сталь 0.2% C (130 HV),v0 = 166 м/с , α = 90°; 3 – сталь 0.8% C (450 HV), v0 = 166 м/с, α = 90°;4 – сталь 0.8% C (850 HV), v0 = 120 м/с, α = 90°; 5 – сталь 0.8% C (850 HV),v0 = 120 м/с, α = 30°; 6 – сталь 0.8% C (850 HV), v0 = 83 м/с, α = 90°;Рисунок 1.24 – Зависимость интенсивности абразивного износа от диаметратвердых частиц для различных материалов при взаимодействиис поверхностью мишени [72]Объяснение данному обстоятельству, по мнению исследователей,состоит в том, что частицы малого размера могут разогнаться до скоростей,близких к средней скорости потока, приобретя тем самым больший запаскинетической энергии, нежели частицы крупного размера.

Но, здесь стоитотметить, что данный максимум по размеру частиц характерен только дляодного типа материала абразивных частиц. На основании некоторых другихисследований [32, 91, 98, 101], этот размер существенно зависитнепосредственно от материала частиц и от их формы.331.4Основныеповерхностимеханизмыматериаловдеформированияприивысокоскоростномразрушениявоздействиигазоабразивного потокаФинни [19] была предложена теория абразивной эрозии дляпластичных материалов, основанная на предположении, что твердыечастицы,взаимодействующиесмикросрезаниеповерхностныхприменимаописаниюкповерхностьюобъемовпроцессовматериала,материала.абразивноговызываютДаннаяизносатеорияпластичныхматериалов при небольших углах атаки потока и не может применяться кописанию процессов износа хрупких материалов, а также пластичныхматериалов при больших значениях углов атаки [59].В 1963 году Биттером [86] была выдвинута теория абразивного износапластичных материалов, основной смысл которой заключался в том, чтомассовая потеря материала складывается из двух слагаемых: потеря массывследствие пластической деформации (во время воздействия газоабразивногопотока предел упругости исчерпывается, поверхностный слой материаларазрушен и его фрагменты удалены) и потеря массы вследствие режущегоэффекта (частицы абразива, ударяясь о поверхность, царапают ее и удаляютчастицы самого материала).Также, по мнению некоторых исследователей, одним из механизмовабразивного износа является усталостный механизм.

В соответствии с нимповерхностное повреждение, разрушение и отделение материала твердого телапроисходит в результате усталости материала его поверхностных объемов,вызванной многократными ударами частиц [6].Суммируя все вышесказанное, можно сказать, что процесс абразивногоизноса является необычайно сложным в описании и прогнозировании. Дляболееполногопониманиявсехособенностейпроцессанеобходимкомплексный подход в изучении процесса абразивного износа, включающий34в себя разработку моделей и их апробацию с помощью экспериментальныхисследований.1.5 Методы и средства исследования процесса абразивного износаматериаловВ настоящее время для изучения процессов абразивного износаразличныхматериаловиспользуютсядванаправления:разработкатеоретической модели и экспериментальное моделирование процессов влабораторных условиях (на специальных стендах и установках поисследованию абразивного износа).Получить точное численное решение представляется крайне труднойзадачей, поскольку необходимо моделировать сложные процессы с участиембольшого количества факторов.

Многими исследователями в различноевремя были предложены теории с определенными допущениями, которыепозволяют описывать процессы абразивного износа [6, 46, 50 – 53, 56, 58, 59,66, 68, 69, 75, 77, 80, 86, 88, 89, 92, 104 - 106, 112, 115].Табакофф [102] разрабатывал компьютерную 3D модель, позволяющуюописывать движение твердых частиц в проточных частях осевых и радиальноосевых турбомашин (см. рисунок 1.25).Рисунок 1.25 – Расчетная модель движения твердых частиц в проточнойчасти соплового канала [104]35Основным недостатком данной модели является несоответствие формчастицмодели(частицыимеютсферическуюформу)реальномумногообразию форм твердых частиц, движущихся в проточных частяхтурбомашин. Предложенная модель может использоваться как средствовизуализации предполагаемого характера движения твердых частиц.

Темболее здесь не приходиться говорить о получении какого-то точногочисленного решения.Тсуджи [106] выполнил дискретное компьютерное моделированиедвижения одной частицы, используя зависимость мгновенных значенийскоростейотвремени.Дальнейшеекомпьютерноемоделированиедвижущихся сферических частиц получило развитие в работах Джозефа [69].Данная модель, во-первых, также как и предыдущая, не учитывает реальныхформ частиц, которые являются случайными. Во-вторых, в приведенноймодели частицы движутся в направлении поверхности мишени, как видно изрисунка 1.26, небольшими группами примерно на равном расстоянии друг отдруга, что в действительности далеко от реальности.Рисунок 1.26 – Компьютерное моделирование процесса абразивного износаповерхности конструкционных материалов газоабразивным потоком [50]36Ван и Рэджеркэр [112], Ли и Чан [77] разрабатывали компьютерныемодели, вычисляющие потерю массы мишени, вследствие абразивногоизноса, основанные на совокупном воздействии эффектов выдавливания ивыкрашиванияматериала.Этикомпьютерныемоделимогуттакжеиспользоваться для хрупких материалов.

Пэй и Феррейра [89], а также Пол идр. [88] развивали модели упруго-пластичного деформирования материалов.Эти компьютерные модели применимы только для пластичных материалов.Чой [53] и Джайн [66] предложили аналитические модели, описывающиепотерю массы для хрупких и пластичных материалов, основанные наформировании и распространении микротрещин (хрупкие материалы) имеханизме «пропахивания» материала абразивными частицами.