Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном авиадвигателестроении применение теплозащитных покрытий (ТЗП) на основе диоксида циркония на деталях камеры сгорания (жаровые трубы, наружный и внутренний кожухи) газотурбинного двигателя (ГТД), имеющих воздушное охлаждение, позволяет значительно снизить температуру на поверхности деталей, устранить местные перегревы и, таким образом, гарантировать срок службы камеры сгорания.
В современных авиационных ГТД актуально использование камер сгорания с большим ресурсом, для которых конструкторами ставится задача нанесения ТЗП с толщиной теплозащитного керамического слоя 300 мкм и более. Наиболее приемлемым способом нанесения ТЗП на достаточно большую поверхность деталей камеры сгорания можно считать метод воздушно-плазменного напыления, для которого характерно сочетание достаточно высокого качества покрытий с производительностью процесса.
Однако с увеличением толщины покрытия, наносимого плазменным методом, резко возрастает количество структурных дефектов, в виде пор, трещин, а также уровень остаточных напряжений, что резко снижает долговечность покрытий.
Опыт эксплуатации деталей с ТЗП показал, что должен существовать диапазон толщин наносимых покрытий, обеспечивающий наилучшие как теплозащитные, так и механические свойства. Однако установить оптимальный диапазон толщин существующими методами контроля не представляется возможным, так как данные методы позволяют оценить лишь адгезионную прочность покрытия. В то же время отсутствие полного контактного взаимодействия между отдельными слоями покрытия, наряду с высоким уровнем остаточных напряжений, возникающих в покрытии в процессе напыления, определяет особое поведение этих покрытий при нагружении и деформировании. Поэтому важной задачей является установление взаимосвязи между составом, технологическими условиями формирования напыленного покрытия и его механическими свойствами. При этом деформационная способность ТЗП в значительной степени зависит от характеристик применяемых порошковых материалов, в частности состава, размера и формы порошков, а также параметров напыления и последующей термической обработки.
Таким образом, на ранних стадиях проектирования технологических процессов нанесения ТЗП все большее внимание необходимо уделять проблеме разработке новых лабораторных методов испытания покрытий с целью выбора научно обоснованных конструкторско-технологических решений.
В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная разработке лабораторной методики исследования деформационной способности двухслойных плазменных теплозащитных покрытий при статических нагрузках и установлению закономерностей механического поведения ТЗП с учетом высокотемпературного влияния, представляется актуальной.
Работа выполнялась при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы», ГК № 14.740.11.1445 от 03.11.2011, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа У.М.Н.И.К.-2012, Проект № 16910).
Объектом исследования в диссертационной работе являются двухслойные ТЗП (жаростойкий металлический подслой и керамический теплозащитный слой на основе диоксида циркония, стабилизированного 6-8% оксида иттрия), напыленные воздушно-плазменным способом на жаропрочный сплав ВХ-4А.
Предметом исследования диссертационной работы является комплекс статических структурно-чувствительных механических свойств ТЗП.
Целью диссертационной работы является разработка критериев выбора материалов для плазменных теплозащитных покрытий на основе исследования прочности и деформационной способности покрытий при четырехточечном статическом изгибе.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Разработана экспериментально-расчетная методика исследования механического поведения двухслойных плазменных теплозащитных покрытий на модельных образцах в условиях статического четырехточечного изгиба;
2. Разработан программный аппарат для расчета прочностных и деформационных характеристик ТЗП;
3. Проведены исследования и установлены закономерности деформационной способности ТЗП в зависимости от уровня нагрузок, состава ТЗП, соотношения толщин теплозащитного слоя и подслоя и высокотемпературной наработки;
4. Разработаны критерии выбора материалов для ТЗП, позволяющие принять обоснованные технологические решения на ранних стадиях проектирования технологических процессов напыления.
Научная новизна. Новым научным положением, основанным на раскрытии закономерностей деформационной способности теплозащитных покрытий при статическом изгибе, является разработка критериев выбора материалов ТЗП, наносимых плазменным напылением, в соответствии с которыми можно обоснованно выбирать толщины отдельных слоев ТЗП.
1. Установлено, что снижение механических свойств с увеличением толщины керамического слоя происходит в различной степени в зависимости от типа применяемых порошков.
2. Оптимальное соотношение толщин керамического слоя и подслоя варьируется в зависимости от состава покрытий и условий напыления от 2 до 5.
3. Установлен оптимальный диапазон значений модуля Юнга 22-35 ГПа, при котором прочность покрытий становится значительно выше среднестатистической (980-1270 МПа).
4. Разработанный способ определения остаточных напряжений и энергетических характеристик деформационной способности ТЗП, заключающийся в получении деформационного гистерезиса в упругой области деформирования и оценке плотности энергии релаксации упругой деформации ТЗП, позволяет оптимизировать режимы термической обработки покрытий и исследовать кинетику спекания покрытий в зависимости от времени высокотемпературной наработки.
Практическая значимость результатов диссертации заключается в том, что разработанная методика исследования деформационной способности покрытий позволяет снизить трудоемкость ранних стадий проектирования технологического процесса плазменного напыления теплозащитных покрытий на детали камеры сгорания ГТД и научно обосновать ряд технологических решений по выбору материалов покрытий, толщин отдельных слоев ТЗП, а также технологии последующей после напыления термической обработки.
Выявленные закономерности деформационной способности двухслойных ТЗП углубляют представления о природе механических свойств пористых материалов, получаемых методами плазменного напыления.
Автор защищает:
- Экспериментально-расчетную методику исследования комплекса механических характеристик ТЗП, полученных при статическом нагружении в упругой и упруго-пластической области;
- Результаты экспериментального исследования прочностных и деформационных характеристик ТЗП в условиях статических нагрузок;
- Энергетические характеристики упругой деформации, чувствительные к высокотемпературной наработке.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием поверенных средств измерения высокого класса точности. Суммарный процент ошибок на основе паспортных данных комплектующих испытательного стенда составил 4,2%, где на тензодатчики типа 2ПКБ приходится 3%, установки на нагружение FPZ 100/1 – 1%, на программно-аппаратный комплекс (ПАК) для измерения деформации – 0,2% (0,1% - модуль измерения сигналов по нагрузке; 0,1% - модуль измерения сигналов по деформации). Эксперименты проводились в единых условиях, поэтому погрешность является системной ошибкой. Результаты экспериментов сопоставлены с данными других авторов и показали хорошую сходимость.
Личный вклад автора. Соискатель участвовал в разработке методики исследования, провел в полном объеме исследования структуры и комплекса механических свойств ТЗП, разработал способы и программное обеспечение для расчета механических характеристик.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: XXI Уральской школе металловедов-термистов (Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова, 2012г.); XII Международной научно-технической уральской школе- семинаре металловедов-молодых ученых//Екатеринбург, УрФУ, 2011); VI международной научно-технической конференции, посвященная 50-летию первого полета человека в космос и 100-летию со дня рождения Н.Д. Кузнецова «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011» (Казань, КНИТУ им. А.Н. Туполева, 2011); международной молодежной научной конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2011г.); XIХ, XVI, XV международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (Казань, КНИТУ им. А.Н. Туполева, 2011, 2008, 2007г.); XXIII и XXII 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, 2011, 2010 г.); III международной научно-технической конференций «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ, 2010г.); международной научно-практической конференций «Современные технологии и материалы – ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, АКТО, 2010 г.); IV международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе три статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, содержит 139 страниц текста, в том числе 78 рисунков, 23 таблицы, 1 приложение. Список литературы содержит 151 источников информации.
