Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения во многом связано с созданием и совершенствованием газотурбинных двигателей (ГТД) и энергоустановок. Применение прогрессивных ресурсосберегающих технологий нанесения защитных покрытий при производстве ГТД способствует решению данной задачи.
Использование защитных покрытий различного функционального назначения (износостойких, коррозионностойких, теплозащитных) на деталях ГТД дает возможность повысить кпд, надежность и ресурс двигателя. Поэтому в современных ГТД до 80% деталей имеют защитные покрытия. Большое распространение в настоящее время получают газотермические методы нанесения покрытий напылением, отличающиеся высокой производительностью, относительной простотой технологии и доступностью оборудования. Однако расширение сферы применения газотермических покрытий, в первую очередь плазменных и детонационных, ограничивается из-за недостаточной изученности процессов формирования покрытий, а также их влияния на свойства материала основы (детали). Это затрудняет разработку технологических процессов нанесения покрытий, обеспечивающих высокую надежность и долговечность деталей. На стадии проектирования не удается прогнозировать износ, усталость во всех их проявлениях сопровождающих эксплуатацию изделий с покрытиями. Влияние окружающей среды, а также недостаточная изученность сложных закономерностей изменения прочностных и деформационных свойств защитных покрытий и всей системы «покрытие - основа» (СПО) в процессе их работы, нестабильность технологических параметров нанесения осложняют получение надежных результатов.
Объем промышленного применения защитных покрытий в машиностроении остается все еще ограниченным. Это обусловлено малым количеством теоретических и экспериментальных работ, изучающих влияние покрытий на основные свойства конструкционных материалов, а именно на статическую и циклическую прочность. Специфичность СПО заключается в том, что первоначальные условия формирования покрытия, физико-химические процессы, протекающие на поверхности основы в период нанесения покрытия, существенно влияют на поведение конструкционных материалов при эксплуатации.
Плазменные и детонационные покрытия, в основном используемые на деталях ГТД, являются на настоящий момент наиболее эффективными с точки зрения сочетания качества покрытий и экономичности процесса их напыления. Фундаментальные работы в области исследования детонации принадлежат научной школе академика М.А. Лаврентьева (М.Е. Топчиян, В.В. Митрофанов, А.А. Васильев, Т.П. Гавриленко, Ю. А. Николаев, В.Ю. Ульяницкий, и др.),
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам отдела главного металлурга ОАО КМПО
Валиуллину Р.Р., Савельеву В.М., а также своим аспирантам Абусделю А.М., Валиеву Р.Р., Ибрагимову А.Р., Тагирову А.Т., Барсуковой Е.А. за неоценимую помощь в проведении исследований.
С.С. Бартеневу, Ю.П. Федько, А.И. Григорову, Ю.А. Харламову; в области теории и технологии плазменного напыления - В.В. Кудинову, В.М. Иванову, А.Ф. Пузрякову, В.А. Барвинку, Ю.С. Борисову, Л.М. Петрову, Г.В. Боброву, А.А.Ильину, Л.Х. Балдаеву и др.
Низкая пластичность большинства керамических материалов не позволяет применять их для создания покрытий. Однако известны такие уникальные порошковые сплавы, как WC-Co, ZrO2 -Y2O3, которые обладают высокой вязкостью разрушения, соизмеримой с вязкостью стали и сочетание этой характеристики твердости с химической инертностью позволяет использовать данные керамики для защиты деталей ГТД, подвергающихся высоким истирающим, тепловым и механическим нагрузкам.
Значительный прогресс в повышении качества покрытий связан с использованием для напыления композиционных материалов. Применение композиционных порошковых материалов предполагает развитие технологических процессов нового уровня, основными чертами которого является: 1) сохранение исходного состава материала покрытий на стадии напыления, 2) точное регулирование структурообразования, 3) снижение до минимума повреждающего воздействия процесса напыления на свойства металла основы. Исследований в этой области проводится недостаточно.
В США, Германии, Англии, Японии, Италии проводятся интенсивные исследования по физическому и математическому моделированию процессов, происходящих в газотермических покрытиях, в первую очередь - плазменных теплозащитных покрытиях (ТЗП). Важное место в этих исследованиях уделено исследованиям термостойкости в различных условиях теплового нагружения и раскрытию механизмов разрушения ТЗП.
Отечественные публикации по получению, исследованию и расчетам термонапряженного состояния ТЗП принадлежат П.Г. Коломыцеву, Е.Н. Коблову, С.А.Мубояджяну, Н.В. Абраимову, Л.Н. Лесневскому, В.А.Трушину, Г.П.Нагоге, Ю.М. Анурову и др. Эти публикации немногочисленны и не дают полноты знаний о природе физико-механических и теплофизических процессов, происходящих в СПО при формировании ТЗП, не позволяют прогнозировать поведение этих покрытий в реальных условиях и устанавливать обоснованный ресурс.
В связи с этим, тема диссертационной работы, посвященная разработке теоретических и технологических основ повышения конструкционной прочности титановых и никелевых сплавов с газотермическими покрытиями представляется актуальной.
Цель настоящей работы заключается в повышении надежности материалов с газотермическими покрытиями путем разработки научных и технологических подходов к повышению их конструкционной прочности.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1. На основе исследования закономерностей деградации и разрушения плазменных и детонационных покрытий различного функционального назначения в условиях, близких к эксплуатационным, разработаны методы повышения их конструкционной прочности;
2. Выявлены основные закономерности деформационной способности детонационных WC-Co и плазменных ZrO2-6-8Y2O3 покрытий при статическом одноосном и двухосном нагружении в зависимости от составов, толщин покрытий, связанные с циклической долговечностью покрытий;
3. Проведены исследования термостойкости плазменных теплозащитных покрытий ZrO2-6-8Y2O3 и установлены закономерности изменения их долговечности в зависимости от режима термоциклирования, составов и толщин, а также изменения теплофизических характеристик покрытия;
4. Изучена кинетика основных механизмов деградации ZrO2-6-8Y2O3 теплозащитных покрытий - спекания керамического слоя и окисления металлического подслоя покрытия, и установлены основные технологические факторы, влияющие на эти процессы.
Научная новизна. Новым научным положением, основанным на раскрытии закономерностей сопротивления усталости материалов с газотермическими покрытиями и установлением критериев оценки их разрушения от действия механических и тепловых нагрузок, является создание научно обоснованных подходов к управлению процессами формирования покрытий при напылении и последующей обработки. Это позволяет повысить надежность и долговечность покрытий.
1. Обобщены и развиты представления о влиянии детонационных покрытий WC-Co на сопротивление многоцикловой усталости двухфазных титановых сплавов. Установлено, что снижение сопротивления усталости титановых сплавов связано с появлением сильно наклепанной переходной зоны, а также стеснением пластической деформации титановой основы при совместном деформировании с хрупким покрытием.
2. Теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность снижения температуры и скорости порошково-газового потока при детонационном напылении, позволяющая создавать покрытия с упорядоченной структурой и минимальным количеством хрупких фаз. Это позволило повысить сопротивление многоцикловой усталости титановых сплавов с покрытиями до 5 раз и сопротивление в условиях фреттинг-коррозии до 4 раз.
3. Развиты представления о природе упруго-пластических и прочностных свойств газотермических покрытий при одно- и двухосном статическом нагружении системы «покрытие-основа». Предложенные энергетические характеристики упруго-пластической деформации являются более чувствительными к изменению напряженного состояния покрытий при высокотемпературной наработке, чем модуль Юнга;
4. Выявлены механизмы деградации и разрушения теплозащитных покрытий в условиях малоцикловой термической усталости, связанные с импульсным спеканием керамического пористого слоя, движущая сила которого имеет различную интенсивность в зависимости от режима теплового нагружения и продолжительности воздействия. Установлено, что под действием нестационарного температурного поля, в том числе при однократном тепловом ударе, в керамическом слое ТЗП возникает градиент механических свойств.
5. Развиты представления о кинетике процесса окисления плазменного жаростойкого подслоя теплозащитных покрытий и предложены методы ее оценки, позволяющие прогнозировать долговечность теплозащитного покрытия.
Практическая значимость. Разработан ряд технологических рекомендаций по методам повышения сопротивления усталости материалов с покрытиями различного функционального назначения, что послужило основой создания научно обоснованных технологий и критериев оценки кинетики процессов, происходящих в покрытиях при эксплуатации.
При разработке технологических рекомендаций обоснована необходимость регламентации и контроля стабильности режимов напыления покрытий по критерию сопротивления усталости СПО.
Для ОАО «Казанское моторостроительное производственное предприятие» разработан и внедрен технологический процесс детонационного напыления композиционного порошка ВК15В на бандажные полки лопаток компрессора ГТД, обеспечивающий в наименьшей степени снижение сопротивление усталости титановой основы, а также технологический процесс плазменного напыления двухслойных теплозащитных покрытий ZO2 - 7-8%Y2O3. высокого ресурса применительно к деталям камеры сгорания ГТД.
В ОАО «Казанское отраслевое конструкторское бюро «СОЮЗ» и ООО «Технологические системы защитных покрытий» (г.Щербинка Московской области) переданы методики оценки механических свойств газотермических покрытий в условиях статического нагружения, методики и результаты испытаний на термостойкость плазменных теплозащитных покрытий ZO2 - 7-8%Y2O3. в различных условиях теплового нагружения, позволившие предприятиям осуществить обоснованный выбор составов и толщин покрытий для защиты деталей разрабатываемых изделий.
Результаты, полученные в ходе исследований, используются в учебном процессе Казанского национального исследовательского технического университета, что отражено в учебных пособиях и лекциях для студентов направления подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов», 150700 «Машиностроение» по курсам «Теория и технологии получения, обработки и переработки материалов и покрытий», «Металлографический анализ», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Материалы и их поведение при сварке».
Основные положения, выносимые на защиту:
Научная концепция, заключающаяся в том, на стадии создании опытных образцов деталей ГТД (лопатки компрессора, наружные и внутренние кожухи, жаровые трубы камеры сгорания ГТД) с защитными покрытиями различного функционального назначения для принятия обоснованных технологических и конструктивных решений необходимо производить оценку работоспособности покрытий по критериям прочности и деформационной способности, получаемых при статических видах нагружения модельных образцов, однотипных реальным деталям ГТД.
Новая концепция позволяет обоснованно осуществлять выбор основных элементов технологии напыления покрытий: устройств и режимов для напыления, порошковые материалы, толщины покрытий, последующие после напыления обработки, а также значительно снижать трудоемкость этапа разработки опытного образца изделия и последующих длительных (стендовых или эквивалентных лабораторных) испытаний в условиях, близких к эксплуатационным. На основе данной концепции автор выносит на защиту:
1. Научно-экспериментальное обоснование статических характеристик конструкционной прочности газотермических покрытий применительно к реальным условиям эксплуатации деталей ГТД.
2. Основные закономерности формирования сопротивления усталости титановых сплавов с детонационными покрытиями (WC-Co) и жарочных сплавов с теплозащитными покрытиями (ZO2 - 7-8%Y2O3) в связи с технологическими факторами их создания (вида порошков, установок для напыления, подготовки поверхности и последующей механической и термической обработки).
3. Основные закономерности сопротивления термической усталости теплозащитных покрытий в зависимости от режимов тепловой нагрузки, состава и толщин компонентов покрытия.
4. Теплофизическую модель термостойкости теплозащитных покрытий.
5. Закономерности спекания керамического слоя теплозащитных покрытий при тепловом нагружении.
6. Научно-обоснованные методы повышения конструкционной прочности материалов с газотермическими покрытиями различного функционального назначения.
7. Методы испытаний и установки для испытаний материалов с газотермическими покрытиями в условиях близких к эксплуатационным.
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается применением современных методов исследования, поверенных приборов и оборудования, стандартных методик определения структуры и свойств материалов, статистической обработкой результатов исследований, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами других авторов.
Личный вклад автора состоит в определении научного направления исследований, постановке задач, выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов, формулировании научных положений и выводов, внедрении практических результатов в производство, учебную работу ВУЗа.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих Международных, Всероссийских конференциях и совещаниях:
XI Всесоюзной конференции «Теория и практика газотермического напыления покрытий» (Севастополь, АН УССР, 1988г.); IV Всесоюз. н-т. конф. Запорожье: ЗМИ, 1989г.; XXIII Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (Москва, ИМП АН СССР, 1990г.); II Международном симпозиуме по Трибофатике -96 (Москва, РАН, 1996г.); 5-й и 8-й Международной конференции «Пленки и покрытия» (г. Санкт-Петербург, Полиплазма, 1998, 2007гг.); ХYII-й, ХIХ-й, ХХI-й, ХХII-й, ХХIII-й Всероссийской Межвузовской конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2005, 2007, 2008, 2010, 2011гг.); Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения», г. Казань, 2008 г. (АКТО-2008); 5-й и 6-й Всероссийской н-т. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта, и энергетики» АНТЭ-2009, АНТЭ-2011, г. Казань; V-й Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование», Казань-2010» (АКТО-2010); III Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (г. Москва, 2010 г.); Международной н-т конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья – основа инновационного развития России» (ВИАМ, г.Москва, 2012г.); YII Международном симпозиуме по фундаментальным и прикладным проблемам науки (г. Миасс, 2012г.). Труды межд.н-пр.конф.«Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление кадрового потенциала –ключевые звенья возрождения отечественного авиа-ракетостроения»., т.2., Казань, 2012г..
Основные научные результаты диссертации опубликованы в 51 печатной работе, в том числе в 14 статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях, а также в 33 статьях, опубликованных в сборниках научных трудов различных конференций. Получены 2 авторских свидетельства, 1 патент на изобретение, 1 положительное решение на выдачу патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, приложения, списка литературы – 338 наименования; содержит 358 страниц текста, в том числе 101 рисунков, 47 таблиц.
