Диссертация (1137132), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Эрозионный износрабочихлопаток(РЛ)последнихступенейтепловыхиатомныхэлектростанций (соответственно ТЭС и АЭС) является одной из известных,но до сих пор не решенных проблем энергомашиностроения [15, 41].Многолетнийопытэксплуатациипоследнихступенеймощныхконденсационных и теплофикационных паровых турбин свидетельствует отом, что именно эрозионный износ входных и выходных кромок РЛ являетсяодной из основных причин, определяющих надежность их работы [15, 42],при этом степень эрозионного износа РЛ возрастает на их периферии.Исследования результатов эксплуатации 25-ти теплофикационных турбин Т100-130 и 15-ти турбин Т-250/300-240 показали [15, 42-43], что из-заповреждений, вызванных эрозионным износом, ресурс РЛ последнихступеней составляет в среднем 50 тыс. ч., а повреждения проявляются навходных и выходных кромках РЛ в виде трещин, причиной которых являетсяконцентрация напряжений, вызванная каплеударной эрозией.
Изнашиваниевходной и выходной кромок РЛ вследствие эрозионного воздействия влажнопарового потока до предельно допускаемых размеров, а также наличиенедопустимых дефектов на РЛ (трещины, точечные и линейные сквозные31промывы и пр.) приводит к необходимости замены РЛ, что также сопряженос дополнительными затратами.В этой связи задача повышения надежности и ресурса РЛ последнихступеней ТЭС и АЭС является вполне актуальной.Учитывая, что создание минеральных покрытий на поверхностиметаллическихдеталей,работающихвэкстремальныхусловияхэксплуатации (агрессивной воздушной среде, воде, масле, повышенныхтемпературах), может, в принципе, повысить их износостойкость иантикоррозионные свойства [11, 37], нами были проведены исследованияразличных изнашиваемых деталей до и после нанесения минеральных слоев.Цель исследований, описываемых в данной главе, – изучениеструктурныхизменений,происходящихнаповерхностиивприповерхностных слоях образцов из низкоуглеродистой стали и титановогосплава ПТ-3В (Ti -(3,5-5)% Al -(1,2-2,5)%V) при создании минеральногоповерхностного слоя по технологии, разработанной в НПО «Геоэнергетика»[10].1.1.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАНа поверхности металлических образцов, изготовленных в виде колеци дисков токарной обработкой прутков из низкоуглеродистой хромистойстали 12Х13-Ш (ГОСТ 8560-78) и титанового сплава ПТ-3В {Ti -(3,5-5)% Al (1,2-2,5)%V}, (ГОСТ 19807-91), были созданы различные минеральныепокрытия по базовой технологии НПО «Геоэнергетика».Сущность технологического процесса создания минеральных слоевсостоитвовнедрениикристаллическуюнанокомпозитныхрешеткуупрочняемогоминеральныхметалласпорошковвиспользованием32ультразвуковой установки, а также шариковых и роликовых накаток. Врезультатеформируетсяповерхностныйслой,имеющийвысокиеантифрикционные, износостойкие, противозадирные свойства [4, 14, 15].Износостойкий минеральный слой наносился на поверхность детали спомощью специально разработанного технологического комплекса длянанесения минеральных покрытий [15, 44].
С помощью данного комплексавозможно проведение электроискрового легирования (ЭИЛ), ультразвуковойобработки (УЗО) и формирование поверхностных слоев с заданнымитриботехническими характеристиками [15, 44]. Базовая технология служитосновой для дальнейшей разработки маршрутных и рабочих технологий дляполучения необходимых характеристик поверхностных слоев.Полная процедура обработки поверхности деталей, которые в процессеработы подвергаются трению, состоит из двух этапов:1.
Электроискровая обработка и текстурирование поверхности;2. Легирование предварительно обработанных поверхностей минеральнымичастицами при помощи ультразвуковой установки.В зависимости от способа прессования и используемых минераловбыли изготовлены 6 видов покрытий.Толщина минеральных слоев варьировалась от 20 нм до 100 нм. Вэкспериментах исследовали состояние поверхности после каждой изпроцедур методами оптической микроскопии, трансмиссионной электронноймикроскопии (ТЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).При получении микрофотографий ТЭМ использовалась система,сочетающая ТЭМ и ионную колонну FIB, что позволяло вырезать в заданномместе ионным пучком прозрачные для электронов участки образца,контролируя процесс при помощи СЭМ [45-47].33Микрофотографии структуры поверхности образцов были получены спомощью СЭМ Supra 40, оснащенного детектором ЭДРС "X-Flash", а такжепрограммным обеспечением "Quantax 4000".Измерение твердости определяли по Бринеллю с помощью наноиндентораFischerscope H100.1.2.РЕЗУЛЬТАТЫИССЛЕДОВАНИЙ,ИХОБСУЖДЕНИЕИВЫВОДЫВ зависимости от технологической задачи этап 2 может выполнятьсяпосле этапа 1 или самостоятельно без выполнения этапа 1.Электроискровая обработка, так же как и нанесение минеральногопокрытия, повышает шероховатость поверхности [15, 22].
Использованиешариковых и роликовых накаток приводит к сглаживанию поверхности.34Рисунок1.Оптическиемикрофотографииминеральныхпокрытий,нанесенных на образцы из стали 12Х13-Ш.На рисунке 1 представлена структура поверхности образцов сразличными минеральными покрытиями (6 видов).Результаты более ранних исследований [11, 13, 18, 21] по определениюоптимального состава минеральных материалов для покрытий пар трения идеталей паровых турбин показали, что удовлетворительные трибологическиепараметры покрытий могут быть получены при использовании кварца исерпентинита.В настоящей работе был использован широкий спектр смесей на основекварца и минералов группы серпентина, с оптимизированным составом (см.табл.
7, 8, 9).Таблица7.Среднийминералогический(вещественный)состависпользуемого кварца№ п/пНаименование показателя12Наименование материалакварцФормулаSiO2Структурно-фазовый состав α-кварц + коэсит + стишовит (*) -34Значениеосновного вещества90%полевой шпат-Назначение10%Материал для антифрикционных иантикоррозионных покрытий.56Твёрдость зёрен, НVВещественныйпороды:состав1400-2000SiO2 - 90%Карбонаты (кальцит) СаСО3 - 9%Примеси -1%35Состав примесей7Лейкоксен СаTiSiO5 Пирит FеS2Ильменит FеТiO3 АрсенопиритFеАsSИльменoрутилРаспределениегранул SiO2 - 99% менее 50 мкмFеТi2O 5 Магнетит Fе3O4минералов по размерамСаСОз – менее 1 мкм.Железная стружка Fе2примеси - менее 15 мкмВид помолатонкий0 -5 мкм 25%Средний гранулометрический5-10 мкм 35%составс%-ным8910содержанием по массе:10-15 мкм 31%15-20 мкм 7,0%* - модификации кремнезема SiO2свыше 20 мкм - 2 %Таблица 8.
Средний минералогический (вещественный) состав используемыхсвыше 50мкм - 3%серпентинитов№ п/пНаименование показателяЗначение12Наименование материалаФормула базового минерала3НазначениесерпентинМg6[Si4 О10](ОН)8Материал45дляантифрикционныхСредняя плотность породы, покрытий деталей машин.2,673г/смСерпентин- 65%.Средний вещественный составпороды:Оливины (*) и пироксены(**) - до 10%Магнетит (не связанный) –до 15%6Общая твёрдость зёрен, НV350-47050 5%Г)Слюда и(нагрузкахлорит - до400-840 (нагрузкаКарбонаты-5% 20 Г )Остальные примеси - до 1 %367Твёрдостьнесвязанного 1100-1370 (нагрузка 20Г )магнетита, НVСредний8гранулометрическийсостав с процентным содержаниемпо массе:0 -10 мкм 55%10 - 20мкм 35%20 - 30 мкм 5%30 - 40 мкм 3,5%* - магнезиально-железистый силикат (Mg,Fe)2[SiOсвыше4]40 мкм - 1,5%** - цепочечные силикатыТаблица 8.
Состав минеральных материалов для рабочих деталей паровыхтурбин, стальных и титановых штоков.№ п/пНаименованиепоказателяЗначение3Наименование материаласерпентиникварцФормулабазового Мg6[Si4SiO2тСостав для минеральныхминералаО10](ОН)8НазначениепокрытийСерпентинитстальных и– 7,5%титановых4Вещественное содержание штоковКварц – 17,5%составаМаслоиндустриальное12И20 – 75%1. Состояние поверхности после электроискровой обработкиОбразцы из стали 12Х13-Ш, изготовленной с использованиемэлектрошлакового переплава, были подвергнуты электроискровой обработкеи воздействию накаток (поперечное сечение стального образца послеобработки показано на рисунке 2). В зависимости от параметров обработкизона структурных изменений простиралась до 4 мкм.37Пучок Увелич Наклон Скан0300 kV 20.0 kX 43.8 H45.26spA11.0HFW15.2µmРисунок 2.
Поперечное сечение обработанного образца из стали 12Х13-Ш(микроснимокполученметодомтрансмиссионнойэлектронноймикроскопии; сечение получено с помощью сфокусированного ионногопучка).Микроструктурныеисследованияпоказали,чтонаблюдаетсяповерхностный слой с четко отличной от объемного слоя зернистойструктурой. Очевидно, что осуществляемый технологический процесс несоздает покрытия, но изменяет или преобразует существующую поверхностьметаллической детали.Отличаются также физические характеристики: у необработаннойповерхности 12Х13-Ш значения средней твердости, определенные понаноотпечаткам с помощью наноиндентора Fischerscope H100, составляли2530 МПа ± 80 МПа.
В результате обработки у поверхности, показанной наРисунке 2, твердость повысилась до 6300 МПа ± 1 000 МПа. Аналогичныерезультаты были получены для поверхностей образцов из титанового сплаваПТ-3В, в частности, твердость увеличилась в 2,2-2,5 раза.Таким образом, можно констатировать, что достаточно простойтехнологический процесс, использующий электроискровое легирование,38шариковые и роликовые накатки, приводит к значительному повышениютвердости поверхности металлической детали.Учитывая, что при локализованной обработке деталь не нагревается, азначит, сохраняет стабильность размеров, по данной технологии возможнаобработка только тех участков детали, которые подвергаются трению. Эторасширяет свободу выбора металлических материалов для трибологическихпроцедур, поскольку устраняется необходимость таких известных способовобработки, как азотирование и цементация [6-7].2.
Состояние поверхности после легирования серпентинитамиНанесение покрытий на основе серпентинитов и (или) кварца можновыполнять после этапа 1 или самостоятельно, без выполнения этапа 1.Субмикронные частицы минералов помещают в масло для равномерногораспределения. Получаемая суспензия используется только для созданияминерального слоя и не может быть использована, например, для смазки вмаслосистеме с насосом. Обрабатываемую поверхность детали погружают всуспензию или смачивают ею. Затем индентор ультразвуковой установкисоздает углубления (ямки), заполненные частицами минералов с маслом.Частицы серпентина и (или) кварца оказываются размещенными всоздаваемых углублениях (ямках), см.
рисунок 3. Углубления создаютдвойной эффект, влияющий на триботехнические параметры: во-первых,образуется упрочнение вокруг углублений из-за холодной пластическойдеформации, во-вторых, повышается скорость образования жидкостнойпленки. Последнее очень важно, так как известно, что микрополостиразличнойформы,гидродинамическойдиаметрапленкиивглубинымоментыспособствуютобразованиюпуска-остановки,например,подшипников шейки вала, и препятствуют износу, поскольку площадьповерхности смешанной и граничной смазки значительно сокращается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
