Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие современного машиностроения связано с созданием и освоением газотурбинных двигателей (ГТД) и энергоустановок, обладающих повышенной эффективностью работы (КПД) и надежностью. Нанесение плазменных теплозащитных покрытий (ТЗП) на основе оксида циркония на детали ГТД, имеющие воздушное охлаждение, позволяет повысить температуру рабочих сред.
В процессе эксплуатации машиностроительных газотурбинных установок под воздействием высокой температуры, внешний теплозащитный слой покрытия постепенно уплотняется, становится жестким и снижает свою способность к сопротивлению деформациям и термическим напряжениям, что в конечном счете, приводит к его разрушению. В этих условиях представляет практический интерес исследование изменений механических и теплофизических параметров ТЗП в результате тепловых циклических нагрузок, близких к условиям эксплуатации изделий. Более точное представление о процессах постепенных изменений в структуре и комплексе механических и теплофизических свойств ТЗП, скорости их протекания в условиях кратковременных теплосмен является определяющим фактором повышения надежности данного типа покрытий.
Высокая эффективность теплозащитных покрытий обусловлена, в основном, малым значением коэффициента теплопроводности, который должен оставаться максимально низким при долговременной работе покрытий.
В настоящее время проводятся интенсивные исследования по физическому и численному моделированию процессов, происходящих в плазменных ТЗП. Важное место в этих исследованиях уделено анализу термостойкости и описанию механизмов разрушения покрытий в различных условиях теплового нагружения. Однако исследованию термостойкости ТЗП при воздействии постоянно действующего градиента температуры посвящено незначительное количество работ, которые связаны главным образом с поиском химических составов ТЗП, оптимальных с точки зрения подавления процессов спекания керамического слоя ТЗП. Кроме того, в этих работах не раскрыты данные о природе физико-механических и теплофизических процессов, происходящих в ТЗП при термической усталости, что не позволяет прогнозировать долгосрочное поведение этих покрытий в реальных условиях и, соответственно, затрудняет разработку технологических процессов напыления покрытий большого ресурса.
В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная исследованию процессов изменения структуры и свойств плазменных ТЗП для изделий машиностроения при циклических тепловых нагрузках в условиях постоянно действующего температурного градиента представляется актуальной.
Работа выполнялась при поддержке Фонда содействия малым формам бизнеса в научно-технической сфере (программа СТАРТ-06, государственный контракт № 4224р/ 6625 от 26.06.06).
Объектом исследования диссертационной работы является плазменные двухслойные ТЗП на основе оксида циркония, стабилизированного 6-8% оксида иттрия, нанесенные на жаропрочный сплав ВХ-4А.
Предметом исследования диссертационной работы являются комплекс структурных, теплофизических и механических свойств ТЗП, подвергнутых циклической тепловой нагрузке, а также их взаимосвязи.
Целью работы является установление закономерностей деградации и разрушения плазменных теплозащитных покрытий на основе оксида циркония в условиях циклических тепловых нагрузок при наличии градиента температуры.
Задачи исследования:
на базе созданного испытательного стенда разработать методику проведения испытаний на термоциклирование в условиях постоянного воздействия термического градиента по режимам, близким к эксплуатационным;
исследовать поведение двухслойных плазменных ТЗП при циклических тепловых нагрузках;
установить изменения, происходящие в микроструктуре и свойствах покрытий, и особенности разрушения ТЗП в зависимости от состава подслоя и толщины керамического слоя при циклических тепловых нагрузках;
с использованием результатов экспериментов построить физические и численные модели состояния ТЗП рациональных толщин, позволяющие разработать рекомендации по совершенствованию технологии их напыления на детали ГТД, применяемых в машиностроении.
Научная новизна
-
Выявлены основные механизмы изменения функциональных свойств ТЗП и их разрушения в условиях циклических тепловых нагрузок, близких к эксплуатационным. Установлено, что под влиянием нестационарного температурного поля в ТЗП возникает градиент механических свойств, вызванный процессами спекания, который с увеличением наработки ТЗП усиливается.
-
Научно обоснован рациональный диапазон толщин керамического слоя плазменных ТЗП, в котором процессы деградации протекают с низкой скоростью и не вызывают разрушения до 5000-6000 циклов термической нагрузки.
-
Предложены численные модели теплового и напряженно-деформированного состояния ТЗП, учитывающие состояние микроструктуры, теплофизические и механические свойства, позволяющие конструировать ТЗП с высоким ресурсом.
Автор защищает:
1. Результаты экспериментального исследования термостойкости в условиях действия температурного градиента, микроструктуры, теплофизических и механических свойств плазменных ТЗП.
2. Физические модели спекания и разрушения ТЗП, связанные с технологическими факторами создания ТЗП и условиями испытаний.
3. Результаты численного моделирования теплового и напряженно-деформированного состояния ТЗП толщин 260 – 460 мкм, возникающих при циклических тепловых нагрузках.
Практическая значимость результатов состоит в том, что данные по характеру спеканию, окислению и разрушению ТЗП в процессе испытания на термостойкость, полученные при режимах, близких к эксплуатационным, позволяют осуществить научно – обоснованный выбор порошковых материалов, толщин для ТЗП, а также технологии их напыления.
По материалам диссертации представлены рекомендации для ОАО КМПО, которые использованы при разработке нового технологического процесса плазменного нанесения ТЗП на детали камеры сгорания изделия НК-38СТ. Получен акт внедрения результатов диссертационной работы. Результаты диссертации вошли в состав отчетов о НИОКР по теме «Разработка и создание экспериментальной установки для испытания материалов и покрытий. Проведение комплекса исследований и испытаний теплозащитных покрытий на образцах» (государственный контракт № 4224р/ 6625 от 26.06.06) и «Исследование структуры и механических свойств ТЗП с разработкой физических и математических моделей системы» (договор НЧ 205001 от 01.11.2006 г.).
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается и обеспечивается использованием апробированных методов проведения теплофизических экспериментов с применением поверенных средств измерения высокого класса точности. Результаты исследований подвергнуты обработке с применением методов математической статистики, сопоставлены с данными других авторов и имеют хорошую сходимость.
Личный вклад автора. Соискатель участвовал в разработке испытательного стенда и методик испытаний, провел в полном объеме теплофизические эксперименты, исследования структуры и комплекса свойств ТЗП, участвовал в численном моделировании теплового и напряженно-деформированного состояния модельных образцов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: 8-й международной конференции «Пленки и покрытия – 2007» (С-Петербург, 2007 г); XV, XVI и XVII Международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (Казань, КГТУ им. А.Н.Туполева, 2007, 2008, 2009 г.); IY и V Международных научно – практических конференциях «Современные технологии ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, ОАО «Казанская ярмарка», 2008, 2010 г.); ХХ и XXIII Всероссийской межвузовской научно–технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВАКУ им. М.Н. Чистякова, 2008, 2011 г.); IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009г.); V и VI – Всероссийской и Международной научно – технических конференциях «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, КНИТУ-КАИ, 2009, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе три статьи в журналах рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, содержит 169 страниц текста, в том числе 82 рисунков, 22 таблицы, список литературы, содержащий 132 источника информации, 3 приложений.
