Содержание к диссертации
Введение
1. Уплотнение радиальных зазоров в ГТД. Требования к материалам и методы нанесения уплотнительного покрытия 8
1.1. Необходимость уплотнения радиальных зазоров в ГТД 8
1.1.1. Влияние изменения радиального зазора на характеристики ГТД 8
1.1.2. Регулирование радиального зазора путем создания специальных уплотнений 9
1.1.2.1. Современные системы уплотнений 9
1.1.2.2. Требования к уплотнительным материалам 11
1.1.2.3. Уплотнительные покрытия на основе металлических материалов 12
1.1.2.4. Уплотнительные покрытия на основе керамических материалов 17
1.2. Использование диоксида циркония в качестве материала покрытий 20
1.3. Синтез порошков стабилизированного диоксида циркония 24
1.4. Улучшение характеристик керамических покрытий путем армирования 30
1.5. Получение керамических покрытий на металлических подложках 39
2. Материалы для получения уплотнительных покрытий и методы их исследования 44
2.1. Методы исследования свойств порошков, материалов и покрытий 44
2.1.1. Определение насыпной плотности и плотности после утряски 44
2.1.2. Определение пикнометрической плотности 45
2.1.3. Определение текучести 45
2.1.4. Определение условной вязкости суспензии 46
2.2. Методы исследования уплотнительных материалов и покрытий 46
2.2.1. Исследование газоабразивной стойкости 46
2.2.2. Исследование триботехнических характеристик 47
2.2.3. Исследование жаростойкости 48
2.2.4. Измерение кажущейся пористости и плотности покрытий 48
2.2.5. Исследование термостойкости покрытий 50
2.3. Подготовка исходных материалов для получения уплотнительных покрытий 50
2.3.1. Получение порошков стабилизированного диоксида циркония 50
2.3.1.1. Получение укрупненных порошков 52
2.3.1.2. Влияние концентрации циркония и аммиака на свойства порошков 56
2.3.2. Механохимическое активирование порошков стабилизированного диоксида циркония 58
2.3.3. Получение укрупненного нитрида бора 67
2.3.4. Подготовка поверхности металлической подложки 73
2.3.4.1. Создание переходных слоев методом плазменного напыления 73
2.3.4.2. Отработка технологии крепления сетки к металлической подложке 74
3. Получение толстослойных керамических покрытий на основе Zr02-7%Y203 76
3.1. Покрытия на металлических подложках с предварительно нанесенным плазменным покрытием Zr02-7%Y203 77
3.2. Получение покрытий на металлических подложках, армированных сеткой 79
3.2.1. Формование покрытия методом шликерного литья и спеканием 79
3.2.1.1. Исследование влияния крупности дисперсных частиц и условий сушки покрытия на их качество 79
3.2.1.2. Исследование влияния влажности системы и дисперсности наполнителя на качество покрытия 81
3.2.2. Получение композиционных керамических покрытий из шликеров методом горячего прессования 87
4. Исследование свойств композиционных уплотнительных покрытий на основе Zr02-7%Y203 93
4.1. Определение пористости и плотности 94
4.2. Исследование газоабразивной стойкости 95
4.3. Исследование триботехнических характеристик композиционных покрытий 98
4.4. Исследование жаростойкости покрытий 106
4.5. Оценка термостойкости покрытий 110
4.6. Построение регрессионных моделей характеристик уплотнительного покрытия 114
5. Опытно-промышленная технология получения уплотнительного композиционного покрытия на секторах статорной части ГТД 118
5.1. Армирование поверхности сектора 120
5.2. Подготовка шликера для нанесения уплотнительного покрытия 122
5.3. Формирование покрытия 124
5.3.1. Холодное прессование 124
5.3.2. Горячее прессование 126
Выводы 132
Список использованных источников 134
Приложение 150
- Регулирование радиального зазора путем создания специальных уплотнений
- Подготовка исходных материалов для получения уплотнительных покрытий
- Получение покрытий на металлических подложках, армированных сеткой
- Исследование триботехнических характеристик композиционных покрытий
Введение к работе
Основной тенденцией развития авиационного двигателестроения является увеличение эффективности, надежности и ресурса газотурбинных двигателей (ГТД). Повышение экономичности ГТД напрямую связанно с уменьшением внутренних потерь и ростом параметров в цикле (давления и температуры газа перед турбиной). Современные ГТД проектируются на давление воздуха в 3 МПа и температуру газа перед турбиной 2000°С [1]. Основным направлением в решении проблемы долговечности ГТД является разработка и применение качественно новых технологий. Практически большинство деталей горячего тракта ГТД не могут эксплуатироваться в течение заданного ресурса без надежных высокотемпературных покрытий. Это, прежде всего, жаростойкие покрытия типа (Ni, Co)-Cr-Al-Y и термобарьерные многослойные покрытия - Ni-Cr-Al-Y- Zr02-Y203.
Одним из эффективных способов повышения экономичности и надежности ГТД является уменьшение радиальных зазоров в проточной части газовой турбины. Снижение концевых потерь в радиальном зазоре достигается использованием бандажа, легко истирающихся вставок, сотовых уплотнений, наряду с которыми актуальным является использование покрытий. При этом эффективное регулирование величины радиального зазора может быть достигнуто только с использованием толстослойных покрытий, для которых выбор состава материала остается открытым. Использование для уплотнения металлических материалов вряд ли целесообразно, так как в случае возникновении трения между материалом уплотнения и торцевой кромкой пера рабочей лопатки возможно образование очагов схватывания. Часто это приводит к нарушению режима работы двигателя и выходу его из строя. Из керамических материалов наибольший интерес для уплотнительных покрытий представляют оксиды металлов.
Основная трудность нанесения керамических покрытий на основе тугоплавких оксидов состоит в необходимости применения высоких температур, уровень которых, как правило, недопустим для металлических основ. Основным методом, используемым в настоящее время для нанесения оксидной керамики на металлы без существенного нагрева основы, является плазменное напыление. Однако данный способ не позволяет наносить толстослойные (толщиной до 2 мм) покрытия, длительное время работающие в условиях термоциклирования. Таким образом, для дальнейшего прогресса в создании уплотнительных покрытий требуется использование принципиально новых подходов к технологии нанесения и выбору материалов покрытия.
Применение тех или иных способов нанесения качественных покрытий из оксидов предъявляет особые требования к исходным порошкам по химическому, фазовому, гранулометрическому составам и т.д. Последнее время в качестве материала покрытий для ГТД все больший интерес вызывает использование индивидуальных и смешанных оксидов, среди которых пристальное внимание уделяется диоксиду циркония. Традиционный метод получения стабилизированного диоксида циркония, основанный на спекании со стабилизирующей добавкой, последующим размолом и классификацией, не позволяет получить порошки с требуемой гомогенностью и чистотой. Данных недостатков лишен способ получения оксида путем совместного осаждения гидроксидов.
Для обеспечения требуемых функциональных свойств основного сплава с покрытием необходимо в условиях меняющихся температур согласовать свойства материалов покрытия и основы путем подбора состава покрытия. Особенно важно иметь оптимальное соотношение ингредиентов в покрытиях, которое наиболее полно удовлетворяет условиям эксплуатации изделия. Для уплотнительного покрытия основными воздействующими факторами являются: высокая температура, многократные теплосмены, коррозионная среда, газоабразивное и трибологическое воздействие.
Целью диссертационной работы является разработка эффективной технологии получения высокотемпературного композиционного покрытия уплотнительного назначения для газотурбинных двигателей. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка состава и технологии получения уплотнительного покрытия на никелевых жаропрочных сплавах.
2. Разработка системы армирования уплотнительного покрытия на основе стабилизированного диоксида циркония.
3. Разработка технологии получения укрупненных порошков стабилизированного диоксида циркония и нитрида бора для армирования уплотнительных покрытий.
4. Разработка технологии подготовки активированного стабилизированного диоксида циркония для создания матрицы покрытия.
5. Разработка технологии модифицирования поверхности металлической подложки армированием.
6. Исследование характеристик покрытий в зависимости от содержания компонентов в композиционных уплотнительных покрытиях. Определение оптимального состава покрытия, который наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к высокотемпературным уплотнительным материалам.
7. Разработка опытно-промышленной технологии получения уплотнительного покрытия на секторах разрезного кольца 1 ступени ТВД авиационного двигателя ПС-90А.
Регулирование радиального зазора путем создания специальных уплотнений
В настоящее время разработаны специальные системы уплотнений в радиальном зазоре, позволяющие снизить потери мощности двигателя. Так, достаточно эффективным является использование бандажа на периферии рабочих лопаток с надежным уплотнением по бандажу [6]. КПД турбины с бандажированым рабочим колесом на 1,5-2,5% выше безбандажного [11]. Однако, исходя из условий работы, в конструкциях рабочих колес ГТД в результате износа существует вероятность разбандажирования лопаток, приводящая к разрушению в призамковой части лопаток бандажных полок и самих площадок. Кроме того, постановка бандажа в первых ступенях высокотемпературных турбин часто оказывается затруднительной из-за ограничений по прочности лопаток в связи со значительной дополнительной нагрузкой пера лопатки центробежными силами от бандажа полок. Определенные трудности также связанны с их охлаждением.
В практике используют конструкции узлов уплотнения, допускающие контакт ротора и бандажа, с применением сотовых элементов и легко-срабатываемых материалов, которые устанавливаются в виде секторов, покрытий [12]. В настоящее время одним из широко используемых методов повышения экономичности и надежности работы ГТД является использование сотовых уплотнений [13]. Особенность конструкций сотовых уплотнений помимо снижения величины радиального зазора за счет приработки, позволяет организовать охлаждение корпуса и создать воздушную завесу на периферии проточной части для стабилизации радиальных зазоров [14]. При этом, врезаясь в эти покрытия, лабиринтные уплотнения лопаток проявляют большую склонность к износу и термическому усталостному трещинообразованию ввиду более высокого трения и нагрева, что значительно снижает срок службы лопаток [15]. Введение сотовых уплотнений эффективно лишь при сохранении радиального зазора, так как при смятии польза от них ограничивается уменьшением срабатывания вершин лопаток [3]. Следует также иметь ввиду, что технологический процесс изготовления сотового уплотнения довольно сложен и трудоемок [16]. Использование таких уплотнений в стационарных газовых турбинах вряд ли целесообразно вследствие повышенного эрозионного действия рабочего тела.
Наибольший же интерес вызывает возможность регулирования радиального зазора с использованием уплотнительных срабатываемых покрытий.
Высокотемпературный поток продуктов сгорания топлива представляет собой окислительную среду, истекающую с высокой скоростью, которая оказывает значительное эрозионное воздействие на материалы, используемые в уплотнениях. В связи с этим данные материалы должны обладать следующими характеристиками [17, 18]: Высокая эрозионная стойкость, высокая жаростойкость, в том числе в условиях сульфидной коррозии. Высокая стойкость в условиях термоциклирования и термоусталостного нагружения. Высокая термическая стабильность. Покрытие не должно претерпевать значительных изменений своих физических и химических свойств в процессе эксплуатации. Обеспечение приработки узлов. Материал в условиях сухого трения должен иметь невысокий коэффициент трения и незначительно изнашивать лопатки и гребешки дисков, при соприкосновении не вызывать интенсивного нагрева, не наволакиваться и не свариваться с лопатками.
При использовании уплотнительного материала в виде покрытий необходимо, чтобы он так же обладал способностью: Сохранять адгезию к металлической основе в течение всего ресурса. Быть технологичным в изготовлении и иметь возможность получения необходимой толщины покрытия.
В целом, уплотнительное покрытие должно обладать хорошими антифрикционными свойствами. Анализ задач создания такого типа покрытий показывает, что для этого, требуется как минимум, трехкомпонентное покрытие: компонента 1 обеспечивает требуемый уровень физико-механических свойств и износостойкости покрытия; компонента 2 способствует снижению коэффициента трения и износ контртела; компонента 3 определяет высокую адгезию покрытия [19]. Одним из приемов снижения коэффициента трения является формирование поверхностной структуры с развитой анизотропией свойств - высокой прочностью в нормальном направлении и малым сопротивлением на сдвиг [20]. Это возможно осуществить путем введения в покрытие твердосмазочной составляющей - химического соединения с гексагональной структурой, обладающего большим отношением кристаллографических параметров с/а.
Наиболее распространенными высокотемпературными твердыми смазками являются дисульфид молибдена, графит и нитрид бора [21]. Важнейшей характеристикой высокотемпературных твердых смазок является зависимость коэффициента трения от температуры. Резкое увеличение коэффициента трения у перечисленных твердых смазок наблюдается при температурах выше: MoS2 - 370С, графит -550С, BN - 920С. Следует отметить также, что эти твердые смазки при высоких температурах достаточно легко окисляются на воздухе. Температура резкого увеличения скорости окисления составляет для: MoS2 - 800С, графит -550С, BN - 950С [22]. В ряде случаев, в качестве твердых смазок для работы при температурах выше 500С используются фториды щелочноземельных металлов: CaF2, BaF2 [23].
Подготовка исходных материалов для получения уплотнительных покрытий
При получении .различных покрытий с заданными свойствами, химическим составом, структурой и микроструктурой особое внимание необходимо уделять исходным материалам. Одной из задач представленной работы являлось определение оптимальных технологических параметров процесса получения порошков с требуемыми свойствами, суспензий, а также подготовка поверхности подложки для нанесения покрытия. Получение порошков Zr02-Y203 проводилось методом совместного осаждения гидроксидов. Этот способ позволяет получать порошки требуемых характеристик по химическому и фазовому составу. Технологическая схема получения оксида циркония стабилизированного (7% масс) оксидом иттрия, приведена на рис.2.3. В качестве исходных материалов для получения твердых растворов использовались: Оксид иттрия Y203, «хч», ТУ 6-09-3184-73; Оксихлорид циркония ZrOCl2-8H20, марки "хч"; Аммиак NH4OH, "чда" - ГОСТ 3760-79, марки А, сорт 1. методом совместного осаждения гидроксидов Раствор оксихлорида циркония получали растворением соли в дистиллированной воде, раствор нитрата иттрия - растворением оксида иттрия в азотной кислоте при нагревании. Осаждение гидроксидов осуществляли из смеси растворов нитрата иттрия и оксихлорида циркония при помощи аммиака. После осаждения пульпу гидроксидов разбавляли водой и выдерживали осадок под маточным раствором 15-20 мин. Далее производили отмывку с фильтрацией на вакуум-фильтре. После последней фильтрации осадок снимали с фильтра, добавляли небольшое количество промывочного раствора и перемешивали до получения однородной суспензии.
После чего осадок гидроксида подвергали заморозке -19С в течении 10-12 ч. Далее образцы оттаивали при комнатной температуре, затем осадки фильтровали на вакуум-фильтре до остаточной влажности 10-20%. Проведенный элементный рентгеноспектральный анализ осадка показал, что концентрация добавки Y203 практически не менялась. В то время как при использовании СаО и MgO возможно их удаление с маточным раствором, что вероятней всего связанно с образованием водорастворимых аммиачных комплексов типа [Mg(NH3)6]Q2 и [Са(№із)б]СІ2 согласно [136]. Для удаления гигроскопически связанной воды осадок подвергали сушке в сушильном шкафу при температуре 110С. Затем проводили термообработку в электрической печи при Т=900С, где в качестве среды выступал окружающий воздух, средняя скоростью нагрева составила -15 град/мин., выдержка при заданной температуре - 2 часа. В дальнейшем проводилась классификация порошка. Для упрочнения уплотнительных покрытий необходимы укрупненные порошки того же состава, что и керамическая матрица Zr02-Y203. При этом дисперсные частицы должны иметь определенный размер и обладать более высокой прочностью, нежели порошки, полученные путем осаждения, сушки и прокалки. Опробованная нами ранее технология укрупнения порошков путем замораживания гидроксидов показала, что частицы порошков обладают требуемыми прочностными характеристиками, однако возникают трудности в получении порошков заданного гранулометрического состава. Было установлено, что размер частиц в значительной мере зависит от условий совместного осаждения гидроксидов циркония и иттрия [137],при этом на однородность порошков по крупности и их воспроизводимость сильно влияет рН осаждения гидроксидов. Наилучшие условия осаждения гидроксидов достигаются в условиях непрерывного ведения процесса. Для этой цели нами была разработана установка непрерывного действия (рис.2.4). Принцип работы установки следующий. В емкость 2 в заданной пропорции заливается раствор солей циркония и иттрия, в емкость 3 -раствор аммиака. Подача растворов осуществляется сжатым воздухом от ресивера 4. С помощью ротаметров 5 и вентилей 6 выставляются требуемые расходы. Процесс синтеза гидроксидов начинается при одновременном запуске ротора, расположенного в ректоре 1, с закрепленными на нем лопастями, приводимого во вращение двигателем 7 через понижающий редуктор 8. Скорость мешалки составляет 40 об/мин. Производительность установки до 1 кг/час Zr02-Y203.
Получение покрытий на металлических подложках, армированных сеткой
Анализ полученных данных показал, что для снижения количества и размеров поверхностных трещин целесообразно введение в композицию гранулированного BN. Для повышения адгезии покрытия с основой необходим механически активированный порошок Zr02-7%Y203, а для увеличения механической прочности и когезионных характеристик лучше всего использовать концентрированную ортофосфорную кислоту или жидкое стекло. Между тем, проведенное исследование показало, что, для данного технологического направления получения толстослойных керамических покрытий, модифицирование поверхности подложки напыленной керамикой является недостаточным, ввиду низкой прочности сцепления покрытия и подложки, даже при использовании концентрированных связок. В связи с этим, в дальнейшем нами исследовалась возможность получения толстослойных покрытий на металлических образцах, поверхность которых армировали сеткой.
В качестве керамической литейной системы была использована суспензия молотого Zr02-7%Y203, в которую в процессе гравитационного перемешивания порционно вводили дисперсную фазу из частиц Zr02-7%У20з различного фракционного состава. Количество вводимого Zr02-7%У20з определяли, исходя из соображений получения шликера одинаковой вязкости. Полученные массы наносили на подложки, армированные сеткой (разд.2.3.4.2), сушили при комнатной температуре, после чего спекали на воздухе при Т=1100С в течение 1ч.
Предварительные эксперименты по получению толстослойного покрытия из шликерных масс в большинстве своем приводили к фрагментации (растрескиванию) поверхности. С целью уменьшения данного эффекта нами были опробованы различные условия сушки шликерного слоя. При этом мы использовали наполнители различной крупности. Составы исследованных композиций и условия сушки приведены в табл.3.2.
Проведенные эксперименты показали, что в процессе сушки шликерные покрытия с мелким наполнителем растрескиваются в большей степени, чем с крупным. Это объясняется тем, что во время сушки на поверхности покрытий с мелким наполнителем развиваются большие напряжения растяжения, чем у покрытий с крупным наполнителем, так как поверхностные слои покрытия с мелкими частицами высыхают быстрей, благодаря большей удельной поверхности в сравнении с крупным наполнителем. К тому же водопроницаемость покрытия с мелким наполнителем меньше из-за более плотной упаковки формовочной массы. Тонкие слои оказались менее склонны к растрескиванию в процессе сушки.
Для снижения растрескивания шликерного слоя перед сушкой нами проводилось предварительное частичное удаление свободной воды из пор путем уплотнения шликерного слоя гипсовой пластиной и погружением образцов с нанесенным шликерным слоем в ацетон. Сушка на гипсовой поверхности позволила получить наиболее ровную поверхность, но в процессе последующей сушки при 100С образовались крупные трещины. Погружение покрытия в ацетон так же не привело к положительным результатам, после сушки покрытие растрескивалось.
Сушка в вакууме (10" мм.рт.ст.) приводила к вскипанию шликера, в результате чего после высыхания на поверхности покрытия образовались "кратеры".
Наиболее эффективным способом обезвоживания шликерного слоя оказалась сушка на воздухе. Характерно отметить, что фрагментация покрытия в данном случае происходит преимущественно по направлению расположения гребней сеток, в то время как при других условиях сушки картина трещин носит хаотичный характер.
В процессе спекания высушенного шликерного покрытия наблюдается рост трещин, возникших в процессе сушки. Фрагменты поверхности образцов после сушки и спекания представлены на рис.3.2., 3.3. Таким образом, режим сушки шликерного слоя должен исключать образование трещин еще на начальной стадии. Одним из способов регулирования качества керамики из литейных шликеров является изменение начальной влажности системы [143]. В связи с этим нами было проведено исследование влияния начальной влажности шликера на качество покрытия.
Для оценки влияния крупности наполнителя и исходной влажности системы на качество покрытия проведена серия экспериментов, в которых в качестве покрытия использовался шликер из молотой суспензии Zr02-7%Y203 и гранулированных порошков Zr02-7%Y203 различных фракций.
Исследование триботехнических характеристик композиционных покрытий
Наличие трех стадий разрушения можно объяснить следующим. При горячем прессовании после снятия нагрузки, в покрытии возникают остаточные напряжения растягивающего типа, максимальное значение которых достигается в поверхностном слое покрытия [122]. Растягивающие напряжения для керамических материалов являются наиболее опасными и могут приводить к образованию на поверхности изделия микротрещин. При газоабразивном изнашивании поверхность покрытия многократно бомбардируется твердыми частицами, что приводит к росту микротрещин, разрушение в этом случае носит усталостный характер. При этом рост трещин в процессе износа приводит к некоторой релаксации локальных напряжений в момент, когда магистральная трещина входит в зону разгрузки ближайшей пары микротрещин [156]. Это, в определенной мере, в начальный момент сдерживает процесс разрушения покрытия. В то же время, рост магистральных трещин приводит к слиянию их вокруг целых блоков. Когда количество и протяженность магистральных трещин становятся достаточно большим, происходит выкалывание и вынос отдельных блоков покрытия. На кривых изнашивания этот факт фиксируется началом ускоренного износа. Дальнейший рост магистральных трещин приводит к тому, что длина их становится больше критической и происходит катастрофическое разрушение всего покрытия.
Исследование поверхности, подвергшейся испытаниям, указывает на то, что износ абразивными частицами происходит не только вследствие отрыва и выбивания отдельных частиц (блоков) материала, но и за счет срезания отдельных частиц и микростружек. Срезание частиц покрытия наблюдается при малых углах атаки, что объясняется наличием значительных касательных напряжений в зоне контакта абразивной частицы с поверхностью покрытия. При углах атаки близких к 90, в месте контакта действуют преимущественно нормальные напряжения, наиболее опасные для данных покрытий, которые и приводят к ускоренному разрушению. Проведенное исследование лунок [157], образовавшихся при бомбардировке поверхности твердыми частицами, показывает, что разрушение материала происходит так же в результате расклинивающего действия частиц абразива, внедрившихся в участки первоначального расположения BN, причем с увеличением угла атаки данное воздействие усиливается. В том случае если имеют место средние углы атаки, разрушение происходит из-за одновременного действия нормальных и касательных напряжений, т.е. носят смешанный промежуточный характер.
В целом, как показали проведенные исследования, газоабразивный износ уплотнительных покрытий при углах атаки в 30 и 60 имеет схожий характер, хотя при угле атаки 60 наблюдается более интенсивный износ материла, чем при угле в 30.
Проведенные нами в работе [158] сравнительные испытания исследуемых образцов с уплотнительным покрытием типа Ni-Cr-Al-Y-BN, полученного плазменным напылением и активно используемого в ГТД, показали, что плазменное покрытие лучше противостоит газоабразивному изнашиванию при углах атаки близких к 90. Впрочем, при средних и малых углах атаки, наиболее характерных при работе уплотнения в ГТД, исследуемые покрытия на основе ЕгОг-УгОз с максимальным содержанием армирующих волокон, показали более высокую стойкость в условиях газоабразивной эрозии.
Одними из основных требований, предъявляемые к уплотнительным покрытиям, является то, что материал покрытия в условиях сухого трения должен иметь невысокий коэффициент трения и незначительно изнашивать торцевую часть пера лопатки. В связи с этим нами был проведен комплекс исследований покрытий при их работе в процессе изнашивания.
Определение коэффициента трения проводилось по методике 2.6., при частоте вращения диска 300 об/мин и постепенном повышении нагрузки (Р) в диапазоне от 5 до 60 кгс/см , с непрерывным фиксированием момента трения. Контртелом служил вращающийся в вертикальной плоскости диск из жаропрочного никелевого сплава ВЖ-98. Поскольку обязательным условием
испытании является хорошее геометрическое соответствие поверхностей вала и образца, последний заранее прирабатывался и подгонялся по форме вала при помощи алмазного диска такого же диаметра, что и вал. Однако при проведении эксперимента выяснилось, что поверхности образцов не достаточно приработаны, вероятней всего из-за незначительных геометрических отклонений алмазного диска и диска, используемого в качестве контртела. В качестве примера на рис 4.2. приведен график зависимости/от приложенной нагрузки для образца 2-го состава.
Из графика видно, что приработка оказалась недостаточной: кривая зависимости/от Р при каждом последующем опыте перемещались в область все более меньших значений. Данное явление указывает на то, что в каждом последующем опыте сказывается повышение несущего эффекта из-за роста площади поверхности трения образца. После 3-го опыта отмечается незначительный спад кривых, а в 5 и последующих циклах кривые совпадают с 4-м опытом, что свидетельствует об окончании приработки. Поэтому, на образцах всех составов проводились повторные испытания до совпадения указанных зависимостей, после чего конечные значения считались достоверными (рис.4.3.).
Анализ полученных данных позволяет заключить, что при невысоких нагрузках Р=5 кгс/см2 наличие в составе покрытий гранулированного оксида циркония крупностью 50 мкм снижает значение коэффициента трения. При повышении нагрузки до 15 кгс/см на величину коэффициента трения наиболее сильно влияет содержание металлического волокна в покрытии, так увеличение его способствует снижению трения. При более высоких нагрузках проявляется влияние укрупненного порошка Zr02-7%Y203, повышение содержания которого снижает коэффициент трения. Высокое содержание частиц BN в составе композиции существенно снижает коэффициент трения при малых нагрузках, следует заметить, что именно такие нагрузки доминируют при работе ГТД на расчетных режимах. Однако по мере повышения давления у образцов с высоким содержанием BN наблюдается увеличение коэффициента трения. Данная закономерность объясняется тем, что с повышением давления увеличивается адгезионное взаимодействие между поверхностями трения, в результате чего происходит частичный вынос BN из каркаса материала, что способствует снижению фактической площади контакта, увеличению давления на поверхности и росту удельной силы трения.
Исследования износостойкости покрытий показали, что практически все пары трения имеют общие особенности в характере износа. Износостойкость оценивали по весовой интенсивности изнашивания (Ки) в зависимости от прилагаемой нагрузки (рис.4.4). Интенсивность изнашивания для большинства образцов можно характеризовать тремя стадиями. Первая -неравновесная стадия, характеризуемая значительной интенсивностью изнашивания в области малых нагрузок, контролируется действием трансформационного механизма упрочнения, при этом изнашивание происходит посредством микрорезания, а также за счет адгезионного отрыва.
Вторая стадия (Р 15 кгс/см) характеризуется практически не меняющимися и небольшими значениеми интенсивности изнашивания, а так же средними значениями коэффициента трения. Это обусловлено формированием на сопряженной поверхности керамики переносного слоя металла, вызванного фрикционным разогревом пары трения. Данный факт фиксировался визуально - на трущихся поверхностях появлялись тонкие, но плотные блестящие пленки темного цвета (рис.4.5а). Перенос увеличил фактическую площадь контакта, что способствовало снижению уровня контактных напряжений на поверхности трения.
