Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы и постановка задачи исследований 12
1.1 Современное состояние проблемы повреждаемости элементов энергетического оборудования 12
1.1.1 Эрозия конструкционных материалов энергетического оборудования вследствие высокоскоростного каплеударного воздействия 14
1.2 Современные методы повышения износостойкости энергетического оборудования и анализ борьбы с различными видами износа 16
1.2.1 Классификация методов борьбы с износом 16
1.2.2 Пассивные методы борьбы с износом энергетического оборудования 17
1.3 Анализ применения покрытий и их эффективности в энергетическом машиностроении 19
1.4 Эрозионно- и коррозионно-стойкие вакуумные ионно-плазменные покрытия 22
1.5 Физические основы процессов вакуумного ионно-плазменного формирования покрытий 26
1.6 Влияние условий формирования на физико-химические, механические и функциональные свойства ионно-плазменных покрытий 29
1.7 Постановка задачи исследований 43
ГЛАВА 2 Экспериментальное оборудование. методики проведения исследований 46
2.1 Экспериментальная установка и методика формирования ионно-плазменных покрытий в вакууме 46
2.1.1 Конструкция установки для формирования ионно-плазменных покрытий 46
2.1.2 Измерение температуры в установке для формирования ионно-плазменных покрытий 52
2.2 Экспериментальный стенд и методика проведения экспериментальных исследований эрозии материалов и покрытий 55
2.2.1 Кинетика процесса эрозии лопаточных материалов паровых турбин при ударном воздействии капель жидкости 55
2.2.2 Описание экспериментального оборудования для определения эрозионной стойкости конструкционных материалов 57
2.2.3 Методика проведения экспериментальных исследований эрозионной стойкости материалов и покрытий 61
2.2.4 Модернизация эрозионного стенда МЭИ(ТУ) 63
2.3 Методика определения толщины покрытий на основе использования толщиномера MiniTest 2100 69
2.4 Методика определения химического состава и металлографические исследования лопаточной стали с ионно-плазменными покрытиями 70
2.4.1 Исследования химического состава 70
2.4.2 Металлографические исследования 70
2.4.3 Измерения микротвердости 71
2.5 Методика определения фазового состава ионно-плазменных покрытий 74
Итоги главы 2: 77
ГЛАВА 3 Исследование процессов формирования ионно-плазменных покрытий в вакууме на поверхностях длинномерных изделий сложной конфигурации 78
3.1 Изучение закономерностей распределения температур в вакуумной камере установки для нанесения ионно-плазменных покрытий 78
3.2 Определение теплового режима формирования ИПП 88
3.3 Разработка методики расчета оптимального распределения толщины покрытия на длинномерных изделиях сложной конфигурации 95
3.3.1 Расчет распределения толщины покрытия на длинномерных изделиях сложной конфигурации методом Монте-Карло пробной частицы 97
3.3.2 Результаты расчетного и экспериментального распределения толщины покрытия на рабочей лопатке паровой турбины 102
3.3.3 Определение оптимального распределения толщины покрытия на поверхности длинномерных изделий сложной конфигурации 104
3.4 Определение влияния условий формирования ИПП в вакууме на их физико-химические свойства 109
3.4.1 Физическая модель процесса формирования вакуумных ионно-плазменных покрытий из нитридов металлов 109
3.4.2 Постановка и решение математической модели заполнения адсорбированного состояния. Моделирование синтеза покрытий на поверхности длинномерных изделий сложной конфигурации 111
3.4.3 Определение влияния условий формирования ИПП на степень стехиометрии нитридного покрытия 119
3.4.4 Определение влияния условий формирования ИПП на скорость роста покрытий 125
Итоги главы 3: 128
ГЛАВА 4 Определение влияния физико-химических свойств ионно-плазменных покрытий на эрозионную стойкость конструкционного материала 129
4.1 Модернизация установки для формирования ионно-плазменных покрытий в вакууме 129
4.1.1 Схема модернизированной установки для формирования ионно-плазменных покрытий 130
4.2 Экспериментальные образцы для исследований 139
4.2.1 Образцы для определения кинетики эрозионного износа покрытий 139
4.2.2 Образцы для исследования структуры и фазового состава покрытий 141
4.3 Определение влияния концентрации атомов азота в покрытии TiN на микротвердость, структуру, морфологию поверхностного слоя и эрозионную стойкость стали 20X13 141
4.3.1 Определение теплового режима формирования покрытий 141
4.3.2 Формирование ионно-плазменных покрытий с различным атомарным содержанием азота 143
4.3.3 Определение элементарного химического состава покрытий 144
4.3.4 Определение влияния концентрации атомов азота в покрытии TiN на микротвердость поверхности конструкционного материала 147
4.3.5 Определение структуры основного материала, структуры и морфологии ионно-плазменных покрытий TiN с различным атомарным содержанием азота 148
4.3.6. Исследование фазового состава ионно-плазменных покрытий TiN с различной концентрацией азота 155
4.3.7 Определение влияния концентрации атомов азота в покрытии TiN на эрозионную стойкость конструкционного материала при каплеударном воздействии 159
4.4 Результаты исследований влияния толщины покрытий на основе Ті и TiN на эрозионную стойкость конструкционных сталей 162
4.5 Методы измерения основных величин и оценка погрешности измерений. 165
4.6 Определение эрозионной стойкости композиционных покрытий 170
4.7 Разработка технологических основ формирования износостойких композиционных покрытий 173
Итоги главы 4: 178
Выводы 179
Литература: 180
- Эрозия конструкционных материалов энергетического оборудования вследствие высокоскоростного каплеударного воздействия
- Описание экспериментального оборудования для определения эрозионной стойкости конструкционных материалов
- Расчет распределения толщины покрытия на длинномерных изделиях сложной конфигурации методом Монте-Карло пробной частицы
- Схема модернизированной установки для формирования ионно-плазменных покрытий
Введение к работе
Основу отечественной электроэнергетики составляют тепловые электрические станции (ТЭС) и атомные электростанции (АЭС). Они производят около 84% электрической энергии, потребляемой в России промышленностью, транспортом, сельским и коммунальным хозяйством. Уже к началу 2000 года 70 % энергоустановок ТЭС России перешагнуло за проектный срок службы [1]. Сегодня ресурс элементов энергетического оборудования (ЭЭО) исчерпан практически на всех действующих ТЭС России. В этой связи, весьма остро встанет вопрос продления ресурса отдельных ЭЭО.
Основной причиной повреждаемости и аварийных остановов энергетического оборудования является эрозионное, коррозионное и эрозионно-коррозионное взаимодействие одно- и двухфазных потоков рабочего тела с металлом. При этом процесс разрушения поверхностных слоев сопровождается сложными механическими, химическими, электрическими и тепловыми явлениями.
Эрозионному изнашиванию в результате воздействия твёрдых и жидких частиц, транспортируемых паром, подвержены корпуса, обоймы, валы, диски, уплотнительные поверхности, обода, сопловые и рабочие лопатки (РЛ) и прочие ЭЭО. На сегодняшний день, разработано большое количество методов борьбы с износом ЭЭО, но проблема эрозионного износа конструкционных материалов (КМ) на сегодняшний день не решена и весьма актуальна.
Одним из перспективных методов повышения износостойкости ЭЭО является применение защитных покрытий. Разработано много разновидностей износостойких покрытий, но большинство из них оказались не эффективными в энергетике, поскольку к ним предъявляются особые требования [2]. Наиболее перспективными оказались относительно тонкие ионно-плазменные покрытия (ИПП) из нитридов металлов (титан, цирконий, хром), получаемых в условиях глубокого вакуума.
Многолетние исследования вакуумных ИПП на основе титана и его нитрида [2-5] показали их эффективность с точки зрения повышения эрозионной и коррозионной стойкости КМ.
Физико-химические, механические и функциональные свойства этих покрытий в существенной степени зависят от условий их формирования. Наиболее важными параметрами, определяющими условия формирования ИПП, являются температура осаждения покрытий, расход реактивных газов, потенциал смещения на изделии, длительность процесса напыления, которые в существенной степени влияют на микротвердость, структуру, морфологию поверхности и эрозионную стойкость КМ при каплеударном воздействии. Анализ предыдущих исследований показал, недостаточный
уровень знаний о взаимосвязи условий формирования и перечисленными свойствами ИПП.
Работа посвящена исследованию влияния физико-химических свойств ИПП Ті и TiN на эрозионную стойкость КМ при каплеударном воздействии. В первой главе рассматривается современное состояние проблемы эрозионного износа ЭЭО. Рассмотрены современные методы борьбы с износом ЭЭО, проводится анализ применения покрытий в энергетическом машиностроении и проблем, возникающих при исследованиях покрытий, ставятся цели и задачи исследований.
Вторая глава посвящена описанию экспериментального оборудования и методик проведения исследований.
В третьей главе осуществляются теплофизические исследования процесса формирования ИПП в вакууме, определяется тепловой режим формирования покрытий. Разрабатывается методика расчета распределения толщины покрытий на поверхности длинномерных изделий, таких как РЛ паровых турбин с целью оптимизации их расположения в вакуумной камере.
В четвертой главе осуществляется модернизация установки для формирования ИПП, определяются тепловые режимы напыления, приводятся результаты экспериментальных исследований влияния концентрации атомов азота в покрытии TiN, толщины покрытий Ті и TiN на эрозионную стойкость КМ. Определена эрозионная стойкость многослойных покрытий. Разработаны технологические основы формирования многослойных ИПП, подтверждена их эффективность в реальных условиях эксплуатации.
Эрозия конструкционных материалов энергетического оборудования вследствие высокоскоростного каплеударного воздействия
В современных условиях чрезвычайную актуальность приобретает надежность работы тепломеханического оборудования ТЭС, которая в значительной степени обусловлена, наряду с другими факторами, повреждаемостью рабочих поверхностей КМ. В наиболее неблагоприятном положении с этой точки зрения оказались турбоустановки. Повреждаемость поверхностей элементов проточных частей турбин (рабочие и сопловые лопатки, диски и роторы, корпуса, обоймы, диафрагмы и др.), стопорных и регулирующих клапанов, насосов, регенеративных и сетевых подогревателей турбоустановок в той или иной степени обусловлена наличием целого ряда факторов. В первую очередь - это различные виды износа поверхностей, присутствие органических и неорганических примесей в рабочем теле, высокий уровень тепловых и механических напряжений, наличие отложений и продуктов коррозии на теплообменных поверхностях, переменные режимы работы, конструктивные особенности, а также нарушения инструкций по эксплуатации оборудования.
Износ элементов оборудования по современным представлениям понимается как сложный процесс разрушения поверхностных слоев КМ, под действием ударов капель, пленок, струек, частиц, гидро- и пароабразивного воздействия твердого аэрозоля, транспортируемого паром и влажнопаровым потоком. При этом в процесс разрушения поверхностных слоев сопровождается сложными механическими, химическими, электрическими и тепловыми явлениями. Таким образом, эксплуатация деталей в условиях изнашивания двухфазным потоком- комплексный коррозионно-эрозионный процесс.
Различным видам износа подвержены элементы всего теплотехнического оборудования электрических станций (рис. 1.1.). Практически все виды износа имеют место в турбинах, элементы проточной части которых подвергаются эрозионному, эрозионно-коррозионному и различным видам коррозионного воздействиям. Анализ публикаций и опыта эксплуатации теплотехнического оборудования ТЭС и АЭС показывает, что с определенной степенью условности применительно к турбинам можно выделить следующие наиболее существенные виды износа КМ: коррозия (различные формы), каплеударная эрозия, абразивная эрозия, эрозия-коррозия, коррозионное растрескивание металла под напряжением.
Основные причины поверхностных повреждений элементов энергетического оборудования: 1-эрозия при каплеударном воздействии; 2-эрозия при воздействии абразивных частиц; 3-коррозия в процессе эксплуатации (разнообразие видов); 4-коррозия в период ремонтов и простоев; 5-коррозионное растрескивание конструкционных материалов; 6- эрозия-коррозия; 7-кавитация
Анализ актуальности перечисленных выше видов износа показывает, что с учетом усугубляющих факторов наиболее весомыми видами износа является каплеударная эрозия и коррозионный износ, которые в значительной степени снижают ресурс и надежность работы оборудования и, как следствие, являются причиной весьма существенных экономических затрат [5]. Каплеударная эрозия- это сложный процесс разрушения поверхностных слоев металла под действием многократных ударов высокоскоростных частиц влаги. Процесс каплеударной эрозии КМ сопровождается или ускоряется химической коррозией. Несмотря на то, что разрушение КМ энергетического оборудования - сложный комплексный процесс, речь пойдет о тех ЭЭО для которых фактор каплеударного разрушения преобладает и является определяющим. Течение рабочего тела по технологическому контуру ТЭС, АЭС и ГеоЭС сопровождается его эрозионно-коррозионным взаимодействием с металлом и является причиной потери металла до 10% от общей массы турбоустановки. Наиболее нагруженными с точки зрения каплеударного разрушения и других повреждающих факторов оказались РЛ последних ступеней ЦНД мощных паровых турбин. Лопаточные стали (20Х13-Ш, 15Х11МФ-Ш, ЭП291, 12Х13-Ш) не обладают достаточной стойкостью к воздействию каплеударной эрозии [21], поэтому разрушение РЛ в процессе эксплуатации весьма существенно. В большей степени эрозионному износу подвержены РЛ теплофикационных паровых турбин [19-20]. Проблема эрозионного износа РЛ турбин известна на протяжении многих десятилетий. Изучению закономерностей разрушения РЛ под действием многократных ударов частиц жидкости, анализу статистических данных износа РЛ по различным турбоустановкам посвящено большое количество публикаций, например [17, 22, 25, 26, 28-31,32,33,48]. В результате многолетних обследований 25 теплофикационных турбин Т-100-130 и 15 турбин Т-250/300-240 было выявлено, что по причине повреждений ресурс РЛ последних ступеней составляет в среднем 50 тыс. часов, что в 2 раза меньше проектной величины. Так, например, в работе [22] отмечается, что развитый эрозионный износ, соответствующий третьей стадии эрозионного процесса наступает уже через 17-20 тыс. часов эксплуатации турбины Т-250-240. После 57,5 тыс. часов у 18 РЛ стеллитовая защита полностью изношена и наблюдаются обширные повреждения пера лопаток, у 14 лопаток остаточная ширина стеллитовых пластин недостаточна для защиты лопаток в третьем межремонтном периоде.
На одной из турбин Т-250/300-240 были выполнены натурные измерения длины хорды профиля лопаток 31 и 40 ступеней на вершинах лопаток и на расстоянии 360 мм от вершин после 23 834 ч. эксплуатации агрегата. Наибольший эрозионный износ был отмечен у вершин лопаток 31 ступени: в среднем до 50% хорды профиля. У лопаток 40 ступени за этот же период соответствующий износ верхней кромки составил в среднем 2,2%. Эрозионный износ лопаток на хорде 360 мм от вершины у 31 и 40 ступеней составил в среднем соответственно 1,9 и 2,2% [25].
Описание экспериментального оборудования для определения эрозионной стойкости конструкционных материалов
Более универсальны методы физического осаждения покрытий в вакууме, получившие название PVD (physical vapor deposition), в процессе формирования которых испаренные или распыленные частицы материала осаждаются на подложку при воздействии дополнительных факторов, таких, например, как ионная бомбардировка, присутствие реакционных газов, электрические и магнитные поля и др. В машиностроении наиболее широко применяются магнетронный и вакуумно-дуговой методы нанесения PVD- покрытий.
Перспективы широкого применения вакуумных ионно-плазменных технологий модификации поверхностных слоев КМ и формирования износостойких покрытий основаны на ряде характерных для этих процессов особенностей.
Во-первых, это диапазон энергий частиц при реализации ионно-плазменных процессов. Известно, что энергия (є, Дж) атома (молекулы) при испарении с поверхности, имеющей некоторую температуру (Т, К) порядка кТ (к=1.23-10 Дж/К - постоянная Больцмана). Если, например, температура поверхности Т=1000 К, то величина энергии атома, выраженная в электрон-вольтах (1 эВ=1.6-10 19 Дж) составит величину порядка 0.1 эВ. Стоит отметить, что диапазон энергий частиц при реализации газо-термических, газоплазменных, детонационных процессов формирования покрытий соответствует 0.1+0.5 эВ. Энергии же частиц при ионно-плазменных процессах на несколько порядков выше и находятся обычно в диапазоне 10+103 эВ, что обеспечивает абсолютно иные физические условия взаимодействия осаждаемых веществ с защищаемой поверхностью.
Во-вторых, при протекании ионно-плазменных процессов имеется возможность синтеза целого класса новых материалов с уникальными свойствами (нитриды, карбиды, карбонитриды и т.п.). Это позволяет получать на защищаемых поверхностях многослойные структуры различной толщины и состава, достигая при этом высоких показателей износостойкости в сочетании с высокой пластичностью.
Основные преимущества ИПП, обуславливающие возможность их применения для повышения износостойкости КМ следующие: 1. Низкие температуры формирования покрытий(230-500 С); 2. Высокие энергии осаждения частиц-10-1000 эВ, возможность управления энергией частиц, а значит свойствами покрытий; 3. Синтез новых сверхпрочных материалов с уникальными физико-механическими свойствами (нитриды, карбиды, карбо-нитриды тугоплавких химических элементов Ті, Zr, Cr); 4. Получение универсальных композиционных покрытий с необходимыми функциональными свойствами. Зарубежом активно исследуются и внедряются в практику ИПП для энергетики. Например, антиэрозионные ИПП исследуются и внедряются следующими зарубежными фирмами: Mitsubishi heavy industries Ltd. (научно-исследовательский центр в Хиросиме) [14], Американская фирма «Sermatech Power Solutions» (bttp://www.sermatechpowersolutions.com/), TMT Research Development, Inc. (California, http://www.tmtechnologv.com/news.html), компания «Molecular Metallurgy», Inc. («Молекулярная металлургия», http://www.molecularmetallurgy.com/), США (Калифорния), фирма «Alsthom»[34], Avco Corporation, Providence, R.I., Plasma & Thermal Coatings (http://www.plasmacoat.co.uk/), см. также ссылки [15, 16]. Как показали исследования, проведенные в МЭИ(ТУ) [2-4, 63] и другими авторами [8, 14] метод вакуумного ИПП, не уступают традиционным химико-термическим покрытиям (CVD) [8]. ИПП весьма эффективны при увеличении износостойкости ЭЭО и другого оборудования, в частности, эрозионной и коррозионной стойкости РЛ паровых турбин. В последнее время актуальность приобретают многослойные ИПП, обладающие универсальными свойствами [2, 8, 69]. Так в работе [8] проведен сравнительный анализ нескольких способов обработки поверхности из лопаточной стали 20X13 вакуумным ионно-плазменным методом табл. 1.1. Из приведенных в таблице, способы 3-7 относятся к методу вакуумной ионно-плазменной модификации поверхности, который включает в себя ионную имплантацию и нанесение многослойного покрытия. Применение способов 4-7 существенно повышают микротвердость и коррозионную стойкость поверхностного слоя. Авторами рекомендуется эрозионно- и коррозионно-стойкие многослойные ИПП, полученные способами 5 и 7 для защиты деталей арматуры. Авторами отмечается, что разработанные ими многослойные покрытия обеспечивают повышение эрозионной стойкости основного материла не менее чем в 1,5 раза [70], повышает фреттинг-стойкость поверхности в 1,4-4,3 раза, долговечность при схватывании в условиях фреттинга в 1,3-2,5 раза, увеличивает предел выносливости КМ с а-і=230 МПа до а.і=270 МПа. Авторами также было разработано многослойное покрытие для защиты стальных РЛ от коррозии и эрозии. После ионно-имплантационного упрочнения поверхности ионами Аг+ и N+ на поверхности было сформирована многослойная композиция TiixNyiN с трёхкратным повторением для обеспечения общей толщины покрытия на уровне 20 мкм. Нанесение многослойного покрытия приводит к повышению микротвердости поверхности до HV(o,5)=3 800-4000 HV и формированию сжимающих остаточных напряжений. Отмечается, что покрытие весьма эффективно противостоит коррозии, повышает предел выносливости лопаточной стали 20X13 при испытании в воздушной атмосфере на 9,4 %, в коррозионной среде на 38-39%, абразивную стойкость в 3,7-4,5 раза, инкубационный период при влажнопаровой эрозии в 1,35-1,4 раза. Многолетние исследования вакуумных ИПП для повышения эрозионно-коррозионной стойкости КМ, проводимые в МЭИ(ТУ) [2-5, 17, 63] показали их высокую эффективность. На рис. 1.5 представлены фотографии образцов лопаточной стали 20X13, с различными типами многослойных ИПП на основе Ті и TiN, полученными на оборудовании и по технологии МЭИ (ТУ). Разработанные в МЭИ (ТУ) многослойные покрытия общей толщиной 10+20 мкм обеспечивают увеличение инкубационного периода (периода до начала развития эрозионных разрушений), по меньшей мере, в 5н-6 раз по сравнению с аналогичным показателем для лопаточных сталей без покрытия.
Расчет распределения толщины покрытия на длинномерных изделиях сложной конфигурации методом Монте-Карло пробной частицы
Эрозионную стойкость системы можно обеспечить путем влияния на акустический импеданс. Напряжение, передаваемое от покрытия к подложке пропорционально Zc/(ZC+Zs), где Zc, Zs- импедансы покрытия и подложки соответственно. Плотное с высоким модулем упругости покрытие, такое, как металл, защищает подложку, уменьшая напряжения, передаваемое ей при ударе. В этой связи отмечается высокая эффективность никелевых покрытий на поверхности композиционных волокнистых материалов.
Отмечается эффективность покрытий с низким импедансом, таких, как эластомеры, полимеры, водяные пленки. Такие покрытия обладают так называемым «амортизирующим» эффектом и способствуют снижению напряжений на поверхности удара капель и в самом покрытии. В этой связи выделяются эластомерные покрытия, способные быстро компенсировать большие деформации при ударе. Особую роль здесь играет толщина покрытия, от которой зависит амортизирующий эффект. В очень тонких покрытиях многократные отражения первичной волны от подложки быстро вызывают повышение напряжения до величины, возникающей на поверхности без покрытия, однако, защиту от разрушений под действием напряжений сдвига, которые вызываются течением жидкости, можно обеспечить нанесением на поверхность тонкого гладкого слоя почти любого однородного материала.
С ростом толщины покрытия происходит ослабление возникающей при ударе волны напряжения. Главным образом это связано, как отмечается в [18], с уменьшением плотности энергии, пока волна не достигает подложки. Отмечается, что при определенных условиях эффективными могут быть высокоэластомерные материалы, имеющие низкий модуль упругости выполняющие роль резинового амортизатора. При использовании толстых покрытий свойства подложки можно не учитывать, и их защитная способность зависит только от эрозионной стойкости самого покрытия, например, стеллитовое покрытие для РЛ паровых турбин.
На практике приходится учитывать многие другие факторы, такие как, адгезия к подложке, методы нанесения, восстанавливаемость, совместимость с подложкой, пригодность для условий эксплуатации и т. п. Данные по эрозионной стойкости покрытий можно найти в работах [78, 18]. В обзорном докладе[94] имеется полный обзор ранних работ по покрытиям.
Весьма перспективными являются многослойные ИПП, которые при определенных условиях имеют лучшие служебные свойства по сравнению с однослойными. Композиционные покрытия могут обладать универсальными свойствами и способны удовлетворять весьма противоречивым требованиям. Например, авторами в работе [15] отмечается, что антиабразивное покрытие должно быть одновременно твердым и прочным, несмотря на противоречивость данного утверждения. В работе [2] одновременно высокая эрозионная и коррозионная стойкость достигается путём формирования многослойных покрытий TiiN.
Например, о перспективности применения многослойных структур наносимых на инструмент, оснастку, узлы трения и т. п. вакуумно-дуговыми методами отмечается в обзорной статье [97]. О высоких антифрикционных свойствах веществ со слоистой структурой отмечается в [58], в которой исследовались триботехнические характеристики различных многослойных покрытий, при этом авторы отмечают, что удовлетворить противоречивым к поверхностным и объемным свойствам можно путем создания композиций с послойным расположением материалов, выполняющих различные функции.
Многослойные покрытия позволяют обеспечить одновременно высокую коррозионную и эрозионную стойкость. Если коррозионную стойкость многослойного покрытия можно обеспечить путём создания подслоя из коррозионно-стойкого материала, обладающего высокой сплошностью и имеющего определенную минимальную толщину, как, например, показано в работе [2], то обеспечение необходимой эрозионной стойкости покрытия весьма проблематично и зависит от многих факторов. Например, уязвимое место- граница радела «покрытие-основа», где прочность системы в значительной мере определяется совершенством их связи, сцепления, общая толщина покрытия, толщины слоев в нем и их акустические свойства в значительной мере определяют эрозионную стойкость системы. Задача усложняется тем, что конструируемая система «покрытие-промежуточные слой-подложка» обуславливает образование отраженных в слоях волн, и возможность концентрации части их энергии в малых объемах материала покрытия. Твердость системы покрытие-подложка и микротвердость покрытия существенно влияют на эрозионную стойкость. Морфологические особенности поверхностного слоя, наличие различного рода дефектов на поверхности и внутри покрытия также оказывают влияние на эрозионную прочность системы.
Таким образом, образование эрозионно-стойких покрытий предполагает создание материалов и комбинаций из них с заданным комплексом физических, механических, технологических и морфологических свойств. Задача создания таких покрытий многофакторная и требует рассмотрения физических процессов происходящих на границе жидкость-покрытие при высокоскоростном взаимодействии капель с поверхностью и анализа напряженного состояния в системе основа-покрытие. Монография [98], например, посвящена распространению волн с слоистых средах и может быть весьма полезной при расчетах напряженного состояния в многослойных покрытиях и подложке и их проектировании. Автором, на основании изложенных в монографии физических моделей отражения плоских волн напряжений от границы упругих полупространств и от системы упругих слоев, были сделаны оценки коэффициента прозрачности W для различных многослойных покрытий с чередующимися слоями Ті и TiN. Например, на рис. 1.16 показано влияние толщин слоев в двухслойном покрытии TiiN на поверхности КМ на величину W. Как видно из рисунка, толщины слоев влияют на значения напряжений, передающихся от падающей капли в подложку, следовательно, на эрозионную стойкость системы. Оценки, также показали влияние свойств слоев в покрытии, в частности плотности слоев pi и скорости звука в слое СІ, т. е. акустического импеданса (Zj=Cj-pi ) слоев, о котором упоминалось выше.
Схема модернизированной установки для формирования ионно-плазменных покрытий
Модернизации эрозионного стенда МЭИ(ТУ) заключается в установке генератора капель современного конструктивного исполнения с целью создания более стабильных характеристик монодисперсного потока капель.
Как отмечалось ранее, генератор капель обеспечивает управляемый распад струи, вытекающей из капилляра для создания монодисперсного капельного потока, взаимодействующего с образцом. На различных роторных стендах применяются различные по принципу действия генераторы. Устройства для получения потоков капель описаны, например, в [44, 101]. На эрозионных стендах используются центробежные форсунки, однако характеристики капельного потока существенно отличаются от спектра капель в турбинах и в дожде, определение количества жидкости, выпадающей на единицу поверхности затруднительно. На некоторых стендах, в том числе на стенде «Эрозия», применяется генератор капель, работающий благодаря воздействию электромеханического вибратора на мембрану, закрывающую полость с жидкостью, вытекающей через капилляр и, в другом варианте, вытекающей через отверстия перфорированной решетки [101]. Недостаток этих устройств заключается в том, что возмущения вносятся вибратором в основную массу жидкости. Это повышает требования к подводящим ее трактам [44]. Данная проблема касается упомянутого выше механического генератора капель
Особенностью этого генератора жидких частиц является то, что возмущения в жидкости создаются за счет погружения в нее колеблющейся мембраны. Наличие большого свободного объема жидкости в фильере приводит к образованию в ней воздушной подушки из-за наличия в воде пузырьков воздуха. Опорожнение объема фильеры приводит к прекращению контакта колеблющейся мембраны с жидкостью и, как следствие, к отсутствию стабильного монодисперсного потока капель.
В работе был сконструирован генератор капель, позволяющий избежать этот существенный недостаток: капилляр непосредственно возбуждается электромеханическим вибратором. Например, известно предложенное М. Б. Явленским миниатюрное устройство с колеблющейся медицинской иглой, позволяющее получать монодисперсную «струйку» капель1. В [44] применялись генераторы нескольких модификаций с капиллярами, непосредственно возбуждаемыми электромеханическими вибраторами.
На рис. 2.10 схематично приведен чертеж сконструированного генератора монодисперсного потока капель. Синусоидальное напряжение от генератора сигналов подается на пьезокерамический элемент 5, который жестко соединен с тонкой металлической мембраной 4.
В результате периодического сжатия кольцеобразного пьезокерамического элемента происходит прогиб мембраны, которая колеблется с частотой подводящих сигналов. Колебания мембраны передаются на корпус фильеры 7, что приводит к распаду выходящей из фильеры 8 жидкости на монодисперсный поток капель 13. Фильера жестко крепится к корпусу при помощи гайки 11. Герметичность полости фильеры обеспечивается резиновой прокладкой. Второпластовый вытеснитель 9 минимизирует объём жидкости в фильере, что позволяет избежать застоя воздуха в ней и образования воздушной подушки. Между вытеснителем 9 и корпусом фильеры с помощью фторопластового кольца крепится дополнительная фильтрующая металлическая сетка 10 с размером отверстий в ней 35 мкм.
На рис. 2.11 показана фотография разработанного генератора капель, а на рис. 2.12 изображен генератор капель в корпусе смонтированный на стенде «Эрозия». На фотографии видно смотровое окно для наблюдения монодисперсного потока капель (б).
Сконструированный генератор позволяет получать монодисперсные капельные потоки с более стабильными характеристиками, поскольку исключается попадание воздуха в полость фильеры. Он более компактный, так как в его конструкции отсутствует катушка подмагничивания, для которой необходима сеть постоянного тока с напряжением 110-220 В. Один из недостатков подобных генераторов - воздействие капель на узкий участок, где в процессе эрозии вьфабатывается канавка, и в результате интенсивность и рельеф износа существенно отличается от натурного. В переходном и развитом периодах из-за узости эродируемой зоны вырабатьшается углубление, удерживающее жидкость, что влияет на дальнейшее взаимодействие. Для исключения этого недостатка, генераторы капель выполняют из нескольких последовательно воздействующих цепочек, обеспечивающих равномерное орошение поверхности образца, описание которого, например, можно найти в [44, 56,101].
Похожие диссертации на Исследование влияния физико-химических свойств вакуумных ионно-плазменных покрытий на повышение износостойкости конструкционных материалов энергетического оборудования
