Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 8

Многослойные наноструктурные системы обладаютплотностью, схожей с плотностью материалов, полученных металлургическимспособом. За счёт многократного уменьшения размера фаз, снижениевнутренних локальных напряжений, в том числе благодаря многослойнойградиентнойструктуреипринципиальноотличающемусямеханизмупродольного трещинообразования, блокирующему развитие микротрещин вматрице, существенно улучшаются такие свойства как: микротвёрдость,коррозионная и эрозионная стойкость, превышающая в 1,5÷8 раз однослойныепокрытия, усталостная прочность [10, 42, 48, 70, 71, 82, 84, 93, 97, 102].В УГАТУ [4, 22] были проведены исследования по влиянию различныхвариантовзащитногомногослойноговакуумно-плазменногопокрытияTi-TiN (см.

таблицу 1.4) на абразивную стойкость титанового сплава ВТ-6, изкоторого изготавливают лопатки компрессоров ГТД, с различной структурой(см. таблицу 1.5). После испытания износ материала определяли поизменению массы образцов и сравнению полученной величины с износом62исходного образца (сплав ВТ-6 с крупнозернистой структурой, безпокрытия).Таблица 1.4 – Состав защитных вакуумно-плазменных покрытий Ti-TiN,сформированных на образцах из титанового сплава ВТ-6 [4]Тип покрытияВариант №1Вариант №2Состава) Подслой Ti –5 мкм (40 раз)б) (Ti+ ηTi)N – 4 минут (40 раз),в) (Ti+ ηTi) – 1 минута (40 раз),г) Завершающий слой (Ti+ ηTi)N – 10 мина) Подслой Ti – 5 мкмб) (Ti+ ηTi)N – 1 минута (90 раз),в) (Ti+ ηTi) – 10 секунд (90 раз),г) Завершающий слой (Ti+ ηTi)N – 10 минТаблица 1.5 - Результаты исследования газоабразивного износа стойкостиобразцов из сплава ВТ-6 [4]№образца123456ВариантобработкиКЗ-структура, безпокрытия(исходноесостояние)КЗ-структура,покрытие вариант№1КЗ-структура,покрытие вариант№2УМЗ-структура,без покрытияУМЗ-структура,покрытие вариант№1УМЗ-структура,покрытие вариант№2Начальнаямасса, гМасса образца после испытания, гВеличинаизносаΔm/m0, %Относительнаяэрозионнаястойкость4,45174,41630,112714,47224,46820,07061,64,47984,47690,05452,15,59585,59320,04532,55,68665,68510,02853,95,43395,43170,03573,163где: КЗ – крупнозернистая структура (размер зерен материала ВТ-6 d = 30 мкм);УМЗ – ультрамелкозернистая структура (размер зерен d = 0,3 мкм).Результаты проведенных испытаний (см.

рисунок 1.37) показалиувеличение более чем в 1,5÷2 раза стойкости к газоабразивному износуобразцов с покрытиями по сравнению с образцами без покрытия [4].Рисунок 1.37 – Относительная стойкость к газоабразивному износуисследуемых образцов [4]Наряду с традиционными покрытиями на основе вариаций нитридныхи карбидных соединений (TiN, TiAIN, TiC, CrN, TiCN, A1CN, ZrN) получаютраспространениеалмазоподобныеуглеродныепокрытия,развиваютсятехнологии создания многофазных и многослойных покрытий (TiN-TiCNTiN, TiC-TiCN-TiN) с толщиной каждого слоя до нескольких микрон(см. рисунок 1.38). В последние годы внимание концентрируется наисследованиимногослойныхпокрытий,основукоторыхсоставляютчередующиеся по свойствам наноразмерные (2-400 нм) и наноструктурныхслоев различного состава, обладающих высокой твёрдостью, износо- икоррозионной стойкостью, существенно снижающих трещинообразование иимеющих значительно меньшие внутренние напряжения [26].64В качестве наиболее перспективных, с точки зрения технологическогоприменения, зарекомендовали себя покрытия на основе многослойных,наноразмерных,кубическихфункционально-градиентных,структурTi-N,Ti-Al-N,Ti-Cr-B-N,гранецентрированныхTi-Si-B,TiCr-B-Si-N(см.

рисунок 1.39).Рисунок 1.38 - Наноструктурированное многослойное покрытие системыTi-TiN. Толщина одного промежуточного слоя покрытия до 60 нм [26]Рисунок 1.39 - Принципиальная схема комбинированного модифицированияповерхностного слоя детали [26]65Альтернативойнанесениятвердыхнитридов(карбидов,карбонитридов) одного металла может стать послойное чередованиенитридов различных металлов в одном покрытии [15].

Все эти нитридыобладают одинаковой кубической решеткой, и единичное зерно (размером до100 нм) содержит много различных слоев (каждый толщиной не более 10нм),такназываемые2Dнанокомпозиты.Максимальноезначениемикротвердости в зависимости от толщины единичного слоя напрямуюзависит от различий в модуле сдвига и постоянной решетки, причем влияниемодуля сдвига более значимо.Другойположительныйэффект–повышеннаяпрочность–микротрещины внутри покрытия отражаются и тормозятся на границахслоев. Вместо отслаивания больших кусков поверхности происходит унослишь части разрушенного слоя (см. рисунок 1.40), что существенно повыситстойкость покрытий к высокоскоростному воздействию твердых частиц.СилаСила6 – 8 нм50 – 75 нмб)а)Рисунок 1.40 – Механическое разрушение традиционного (а) инанослойного (б) покрытий [26]Такого вида покрытия обладают принципиально другим характеромразрушения в процессе износа. Например, когда покрытия подвергаютсясильному сдвиговому воздействию при абразивной эрозии.

Столбцы и зёрна66монолитных покрытий испытывают значительные пластические деформации,что вызывает их механические повреждения. Глубина такого поврежденногослоя достигает 50-75 нм. В случае 2D покрытия наблюдается скалывание имикроотслоение со средней глубиной в 6-8 нм. Данный эффект связан с тем,что рост трещины прерывается на границах нанослоёв покрытия.Примеры покрытий, применяемых для различных прикладных целей ипостроенных по принципу 2D нанокомпозитов, показаны на рисунке 1.41.Такие покрытия получаются при послойном формировании на подложкедвух или более элементов. Защитные покрытия на основе нитрида титана TiNбыли одними из первых; последующим развитием применения защитныхпокрытий стал карбонитрид титана Ti-C-N и далее большой интерес вызвалисвойства сплава титан-алюминий TiAl (см. рисунок 1.41).

Причинамииспользования покрытий на основе TiAl стали высокая твердость приотносительно низких остаточных напряжениях; высокая твердость вплоть до800 °С; высокое сопротивление окислению по сравнению с Ti-C-N и TiN; атакже низкая теплопроводность по сравнению с TiN.Рисунок 1.41 – Разработанные составы 2D нанокомпозитов(Sheffield Hallam University-UK)67Для создания защитных покрытий подходят нитридообразующиеэлементы, которые всегда выбирают для производства жаростойкойкерамики, нитридов, карбидов, боридов или окисляемых материалов,используемых для трибологии и защиты от износа различного вида, в томчисле абразивного. В основном это металлы групп IVb–VIb (Ti/Zr/Hf;V/Nb/Ta; Cr/Mo/W) и группы IIIa/IVa Al и Si. Таким образом, получается 11элементов, которые могут быть использованы в различных комбинациях –вместе с B, C, N и/или O – для получения износостойких покрытий, такжеиспользуют добавки легких и редкоземельных металлов (Be, Mg, Sc и Y) дляулучшения отдельных эксплуатационных свойств.Стоит отметить, что применение конкретного типа покрытия не всегдавлечет за собой улучшение других характеристик.

К примеру, покрытие можетувеличивать стойкость к абразивному износу или каплеударной эрозии, носущественно снижать коэффициент трения. В настоящее время не существуеттакого состава покрытия, которое бы позволило решить проблему износалюбого характера, поэтому технологам каждый раз приходится решатьпроблему конкретного вида износа.681.7 Постановка задач исследованийКлюч к пониманию процессов абразивного износа конструкционныхматериалов лежит в изучении процессов взаимодействия, происходящих всистеме «частица – материал».

Зачастую экспериментальные исследования,включающие в себя такие методы как видеосъемка, высокоскоростнаяфотосъемка, применение ''квазиоптическихтехнологий,- стереоскопических'' и волоконно-являютсяИспользование различныхтрудоемкимивспомогательныхидорогостоящими.устройств приизучениидинамики развития процессов абразивного износа также может привнестиизменения в структуру потока и повлиять на качество полученныхрезультатов.Анализ литературных данных показал, что абразивный износ материаловпод действием твердых частиц эродента относится к крайне сложным процессамв отношении их прогнозирования, в частности отсутствуют сведения о наличииили отсутствии каких-либо периодов в эрозионном процессе с участием твёрдогоэродента. Например, в случае каплеударной эрозии, была отмечена строгая (вопределённом смысле) зависимость скорости износа в переходном иустановившемся периодах от длительности инкубационного периода, чтопозволилосформулироватьдостаточноудачноефеноменологическоеописание процесса эрозионного износа жидким дискретным эродентом(каплями)[31].Вотношенииабразивногоизносасуществованиеинкубационного периода, равно как и переходного, экспериментально неустановлено.

В основном, при проведении экспериментальных исследованийфиксируется период с установившейся скоростью абразивного износа, чтопозволяет предположить следующее: инкубационный период весьма мал иего участие в формировании дальнейшей динамики эрозионного износанезначительноопровержениеилиэтогововсеотсутствует.предположенияОднакотребуетподтверждениеилиэкспериментальныхдоказательств. По-видимому, результаты экспериментальных исследований69процесса абразивного износа, получаемые в виде зависимостей количествамассы материала, теряемой мишенью от времени экспонирования (илидругогоэквивалентногопараметра),непозволяютсдостаточнойопределённостью сделать какие-либо выводы о наличии инкубационного ипереходного периодов.Наступление периода с установившейся скоростью износа неизбежнопри неизменных характеристиках исходного эродента и условиях проведенияэксперимента.

В течение этого периода статистические характеристики какповерхности мишени, так и «отработавшего» эродента неизменны.Несмотря на большой объем выполненных экспериментальных итеоретических исследований абразивного износа конструкционных материалов,актуального для многих элементов энергетического оборудования, в настоящеевремя нет полного понимания этого процесса и остается много вопросов,решениекоторыхпомоглобыболееобоснованнорешатьзадачипрогнозирования этого процесса.Впоследниегодыразрабатываютсяразличныемероприятияпопредотвращению процессов абразивного разрушения элементов первых ступенейЦВД и ЦСД мощных паровых турбин.