Для підвищення довговічності трибоз'єднань, що експлуатуються в екстремальних умовах, визначені загальні закономірності тертя і зношування, на підставі яких проведено і впроваджено у виробництво ряд науково-дослідних, розрахунково-теоретичних і конструкторсько-технологічних робіт, що мають наукове і практичне значення.

За результатами роботи можна зробити такі висновки:

1. Сучасний стан досліджень зношування матеріалів в особливо складних умовах механічного, теплового й хімічного навантаження, що носять динамічний характер, не дозволяють з достатнім ступенем достовірності вибрати (або розробити) ті або інші конструкторсько-технологічні заходи, спрямовані на підвищення зносостійкості деталей трибоз'єднань. Неможливість використання результатів попередніх досліджень пов'язана з тим, що вони проведені або в умовах нормальних температур, або при однонапрямленому чи реверсивному терті (без розірвання контакту) і не враховують динамічний характер контактного навантаження, нормального до поверхні тертя. Крім того дослідження грунтуються на роздільному вивченні впливу одного або вкрай обмеженого числа факторів без урахування їхньої взаємодії.

2. Визначено особливості вузлів тертя гарячої частини ГТУ, якими є їхня конструкція, кінематика взаємного переміщення поверхонь, що контактують, умови роботи, що включають високі циклічно мінливі температури (до 1000^оС), характер зовнішніх навантажень (наявність удару з наступним просковзуванням), ерозійно-корозійний вплив швидкісного газового потоку. У найбільш жорстких умовах навантаження знаходяться бандажні полиці робочих лопаток турбін, знос яких значно зменшує ресурс лопатки і може призвести до відмови двигуна в цілому.

3. Розроблено методики і комплекс устаткування для випробувань, що дозволяють досліджувати процеси тертя і зношування матеріалів в умовах: газового середовища; динаміки навантаження в широкому діапазоні контактних тисків (Р_уд - до 100МПа), амплітуд (А_к=0,1 - 2,25мм), температур (20 - 1000^оС) як постійних, так і циклічно мінливих; при програмованій зміні перерахованих навантажувальних параметрів.

4. Встановлено загальні закономірності тертя і зношування при динамічному навантаженні, високих температур та газоповітряному середовищі. Зокрема показано, що:

температура поверхонь, що контактують впливає на абсолютний розмір зносу, інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя найбільш істотно і, як правило, призводить до їх зменшення. При цьому має місце критична температура переходу від інтенсивного зниження до помірного;

опір зношуванню жароміцних дисперсійно-зміцнених сплавів, а також характер зміни коефіцієнта тертя в основному визначається умовами утворення і руйнування захисного поверхневого прошарку, що є результатом окислювання поверхні з наступним механічним ущільненням продуктів зношування й оксидів;

в умовах термоциклування величина зносу майже на порядок перевищує знос при постійній температурі, рівній максимальній температурі циклу, що обумовлено чергуванням двох основних процесів у перебіг одного термоциклу: втомленості - при температурах нижче температур переходу від сильного зносу до слабкого й окислювального - при температурах вище температур переходу;

в умовах високотемпературного газового середовища найбільш істотний вплив на зносостійкість має ерозійна дія газового потоку внаслідок інтенсифікації окислювальних процесів із збільшенням швидкості потоку, а також полегшення виносу продуктів зношування з зони контакту;

основним механізмом зношування жароміцних матеріалів є руйнування локальних об'ємів поверхневого прошарку від втомленості, яке ініціюється зміною морфології зміцнюючої інтерметалідної ^/-фази. За температур, що перевищують критичні, превалюючим механізмом є окислювальний, який супроводжується зі збільшенням амплітуди просковзування схопленням матеріалів та їх багаторазовим перенесенням з однієї поверхні на іншу. Перенесені об'єми матеріалу руйнуються внаслідок малоциклової втомленості.

5. Розроблена з використанням методу групового урахування аргументів математична модель, що враховує вплив амплітуди переміщень, тиску в контакті і температури на інтенсивність зношування жароміцних сплавів, яка дозволяє оцінити взаємовплив навантажувальних параметрів і виявити найбільш небезпечні діапазони їхніх поєднань.

6. Сформульовано основні принципи і критерії моделювання еквівалентних станів трибологічних пар, що включають трибологічні, металофізичні, кінематичні, навантажувальні, геометричні і фізико-механічні критерії.

7. Експериментальними і теоретичними дослідженнями встановлено, що при програмованій зміні режимів навантаження:

інтенсивність зношування при випробуванні в циклі "пуск - зупинка" у середньому в 1,8 рази вище, ніж при випробуваннях на усереднених сталих режимах;

трибологічні характеристики випробуваних матеріалів більш близькі до отриманих при випробуваннях на натурному двигуні. Ступінь наближення визначається числом врахованих змін параметрів навантаження (складністю програми);

розкид значень інтенсивності майже на порядок менше, ніж при випробуваннях на натурному двигуні.

8. Розроблено метод прискорених випробувань зносостійкості жароміцних сплавів, застосування якого дозволяє на порядок скоротити тривалість випробувань і в 16 - 22 рази зменшити розкид одержуваних результатів у порівнянні з тривалими стендовими еквівалентними випробуваннями технологічних двигунів.

9. Удосконалено і впроваджено у виробництво технологічні процеси складання та відновлення робочих лопаток турбіни авіаційних газотурбінних двигунів.

10. Встановлено на підставі комплексних досліджень, що для цілей підвищення зносостійкості жароміцних матеріалів в екстремальних умовах дисперсійний механізм зміцнення недостатньо ефективний. Більш перспективним є каркасний тип зміцнення.

11. Розроблені й впроваджені у виробництво сплави на Fe - основі з каркасним зміцненням подвійними боридами хрому і титану - ХТН-23 і сплав у двох модифікаціях на основі кобальту (ХТН-37, ХТН-61), призначений для напаювання на бандажні полиці лопаток ГТД, що збільшують ресурс роботи лопаток у 4 - 6 разів.

Список публікацій по дисертації

2. В.К. Яценко, Л.И. Ивщенко, В.Ф. Притченко, А.И. Вильчек, Г.А. Бялик. Влияние алмазного выглаживания на износостойкость деталей энергооборудования // Трение и износ. 1984. т.5, №6. - С.1025 - 1033.

3. Л.И. Ивщенко, Г.П. Калашников, А.Б. Милосердов. Износостойкость покрытий в экстремальных условиях // Защитные покрытия на металлах, 1992. №26. - С.86 - 89.

4. Л.И. Ивщенко, Ю.Н. Внуков. О закономерностях изнашивания жаропрочных материалов при динамическом контактном нагружении // Резание и инструмент в технологических системах. - Межд. научн. - техн. сборник. - Харьков: ХГПУ, 1995 - 1996, вып.50. - С.90 - 96.

5. Л.Й. Івщенко, А.Г. Андрієнко Метод трибологічних випробувань за умов циклічного силового і температурного навантаження // Металознавство та обробка металів, 1996, №3. - С.62 - 65.

6. Л.И. Ивщенко. Изнашивание материалов в условиях термоциклирования // Придніпровський науковий вісник, Наука і освіта, 1997, №15 (27). - С.21 - 24.

7.Л.И. Ивщенко, С.Г. Саксонов. Моделирование процессов контактного взаимодействия деталей, работающих в экстремальных условиях // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 1997, №1-2. - С.102 - 104.

8. Л.И. Ивщенко, Л.И. Ковалева, С.Г. Лен Напряженность поверхностного слоя изнашивающихся тел и моделирование контактного взаимодействия с учетом динамики нагружения // Труды VI Международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века", Донецк, т.1. - С.289 - 291.

9. Л.И. Ивщенко. Исследование трибологических характеристик жаропрочных материалов в условиях динамического нагружения. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 1997, №1-2. - С.10 - 12.

10. Л.И. Ивщенко, С.Г. Лен. Ускоренные испытания износостойкости деталей трибосопряжений // Придніпровський науковий вісник, Наука і освіта, 1998, №50 (117). - С.7 - 12.

11.Л.И. Ивщенко. Особенности изнашивания контактных поверхностей в пе`ременном температурном поле и газовых средах // Праці міжнародної науково-технічної конференції "Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва”, Київ, НТУУ "КПІ”, 1998, т.1. - С.100 - 103.

12.Л.И. Ивщенко. Устойчивость жаропрочных материалов контактному износу в газовом потоке // Problems of Tribology (Проблемы трибологии). 1997, №4 (6). - С.108 - 110.

13. Л.И. Ивщенко. Оценка изнашивания контактных поверхностей лопаток турбины с учетом динамики нагружения // Problems of Tribology (Проблемы трибологии). 1997, №1 (3). - С.3 - 6.

14. Л.И. Ивщенко. Принципы моделирования эквивалентных состояний трибосопряжений // Високі технології в машинобудуванні. Збірник наукових праць ХДПУ, Харків, 1999. - Вип 1. - С.121 - 123.

15. Л.И. Ивщенко. Изнашивание контактных поверхностей лопаток ГТУ // Придніпровський науковий вісник, Наука і освіта, 1998, №79 (146). - С.41 - 45.

16. Л.И. Ивщенко. Процесс образования защитного слоя при изнашивании жаропрочных сплавов // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 1999, №1. - С.30 - 31.

17. Л.И. Ивщенко. Условия формирования повреждений контактных поверхностей деталей ГТД // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 1998, №2. - С.42 - 45.

18. Л.И. Ивщенко, В.И. Черный. Моделирование контактного взаимодействия в бандажных полках лопаток ГТД // Новые конструкционные материалы и эффективные методы их получения и обработки. - К.: УМК ВО, 1988. - С.114 - 118.

19. Л.И. Ивщенко, Е.П. Сазонов Финишные методы обработки уплотнительных поверхностей и их влияние на износостойкость // Резание и инструиент. - Харьков, ХГУ, 1990, вып.43. - С.93 - 96.

20. Л.И. Ивщенко, Г.П. Калашников, Н.В. Андрейченко К модели изнашивания жаропрочных сплавов при динамическом контактном взаимодействии. // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Материалы VI Международной научн. - технич. конф. - Запорожье, 1995. - С.59.

21. А.К. Шурин, Г.П. Дмитриева, Т.С. Черепова, Н.В. Андрейченко, Г.П. Калашников, Л.И. Ивщенко Разработка высокотемпературного износостойкого сплава для упрочнения бандажных полок лопаток ГТД // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез. докл. V Международной научн. - технич. конф. - Запорожье, 1992. - С.41 - 42.

22. А.К. Шурин, Л.И. Ивщенко, В.Е. Панарин О выборе износостойких материалов для работы в экстремальных условиях // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез. докл. II Всесоюзн. научн. - технич. конф. - Запорожье, 1983. - С.165 - 166.

23. Л.И. Ивщенко Износостойкость жаропрочных сплавов при динамическом контактном нагружении // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез. докл. Всесоюзн. научн. - технич. конф. - Запорожье, 1980. - С.154.

24. А.К. Соловейкина, Л.И. Ивщенко, Н.С. Кулагин Исследование метода регулирования характеристик работоспособности поверхностного слоя деталей // Размерный анализ и статистические методы регулирования точных технологических процессов: Материалы Республик. научн. - техн. конф. - Запорожье, 1981. - С.132 - 134.

25. Л.И. Ивщенко Износостойкость жаропрочных материалов в условиях виброударного нагружения // Резание и инструмент в технологических системах - Межд. научн. - техн. сборник - Харьков, ХГПУ, 1999, №53, - С.60 - 65.

Авторські посвідчення на винаходи та патенти

26.А . с. №847157 СССР G01N3/56 Установка для исследования трения // Л.И. Ивщенко, Н.Н. Голего (СССР). - №2534822/25-28; Заявлено 13.10.77; Опубл.15.07.81, Бюл. №26.

27.А. с. №647458 Сплав на основе железа // А.К. Шурин, В.Е. Панарин, Л.И. Ивщенко, В.С. Попов (СССР). - №2580991/22-02; Заявлено 10.02.78. Опублик. в открытой печати не подлежит.

28. Патент України. Пристрій для випробування матеріалів на зношування // Л.Й. Івщенко, А.Г. Андрієнко, О.С. Юдін, В.М. Івлев. Заявл.28.06.93, опубл.25.12.97, Бюл. №6.

29. Сплав на основі кобальта. Патент України UA 8240 С22С19/07 // А.К. Шурин, Г.П. Дмитриева, Т.С. Черепова, Н.В. Андрейченко, Л.Й. Івщенко. Заявл.04.11.93, опубл.29.03.96, Бюл. №1.

Анотації

Івщенко Л.Й. Процеси контактної взаємодії в трибоз'єднаннях і зносостійкість жароміцних сплавів в екстремальних умовах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.04. - тертя і зношування в машинах. - Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький, 1999.

Дисертація присвячена питанням підвищення зносостійкості деталей гарячої частини газотурбінних установок. Досліджені особливості конструкції трибоз'єднань і кінематики їх контактної взаємодії. Показано специфіку умов їхньої роботи, що полягає у високих циклічно мінливих температурах, динамічному характері навантажень (при наявності удару з просковзуванням), ерозійно-корозійної дії газового потоку. Розроблено комплекс методик і експериментального устаткування, за допомогою яких встановлені загальні закономірності тертя і зношування. Досліджені структура і властивості поверхневого прошарку ряду жароміцних сплавів. Сформульовано основні принципи моделювання еквівалентних станів трибоз'єднань, що експлуатуються в екстремальних умовах. Досліджена зносостійкість матеріалів при програмованій зміні режимів навантаження. Отримано математичну залежність інтенсивності зношування від навантажувальних параметрів. Розроблені метод прискорених випробувань і зносостійкі матеріали, удосконалені технологічні процеси відновлення зношених деталей та їх складання. Розробки знизили витрату палива при випробуваннях технологічних двигунів, підвищили ресурс їхньої роботи.

Ключові слова: тертя, знос, двигуни, екстремальні умови, моделювання, трибологічні процеси, лопатки турбіни, жароміцні матеріали.

Ивщенко Л.И. Процессы контактного взаимодействия в трибосопряжениях и износостойкость жаропрочных сплавов в экстремальных условиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание степени доктора технических наук по специальности 05.02.04. - трение и изнашивание в машинах. - Технологический университет Подолья, г. Хмельницкий, 1999.

Диссертация посвящена проблеме повышения износостойкости деталей горячей части газотурбинных установок (на примере бандажных полок рабочих лопаток турбины). Исследованы особенности конструкции трибосопряжений и кинематики их контактного взаимодействия. Показана специфика условий работы, заключающаяся в высоких (до 1000^оС) циклически меняющихся температурах (скорость нагрева может достигать 250^оС/с), динамическом характере приложения нагрузок (при наличии наиболее жесткого вида контактного взаимодействия - удара с проскальзыванием), эрозионно-коррозионном воздействии газового потока, состоящего из продуктов сгорания топлива. Показано, что износ контактных поверхностей существенно влияет на снижение характеристик долговечности деталей ГТД, что может привести к отказу изделия. Разработан комплекс методик и экспериментального оборудования, позволяющие исследовать трибологические процессы, как при раздельном влиянии нагрузочных параметров, так и при их взаимодействии. Установлены общие закономерности трения и изнашивания жаропрочных сплавов в условиях динамики нагружения при: взаимодействии поверхностей с приложением статической нагрузки, нормальной к поверхности трения, и осциллирующем тангенциальным перемещением без разрыва контакта; взаимодействии при ударе; взаимодействии при ударе с проскальзыванием. Показано, что в условиях взаимодействия без разрыва контакта процессы подобны фреттингу. При ударе упорядоченная последовательность интенсивностей изнашивания для ряда материалов меняется на обратную по сравнению с условиями без разрыва контакта. При взаимодействии в условиях удара с проскальзыванием: абсолютная величина износа в среднем в 2,5 раза выше, чем без разрыва контакта, поскольку напряженное состояние поверхностного слоя наиболее сложное, скорость сжатия локального объема наиболее высокая и разгрузка контакта происходит полностью, а также из-за наличия условий для раскалывания и диспергирования хрупкой упрочняющей карбидной фазы сплавов; имеет место дискретный характер изменения износа в зависимости от числа циклов нагружения. Исследованы структура и свойства поверхностного слоя ряда жаропрочных сплавов.

Влияние повышенных температур на процессы трения и изнашивания в условиях динамики нагружения проявляется: в снижении абсолютных величин интенсивности изнашивания и коэффициента трения (при этом имеется интервал температур, в котором снижение происходит наиболее существенно); в изменении морфологии ^/-фазы (ее слиянии и вытягивании); в интенсификации окислительных процессов, способствующих образованию поверхностного защитного слоя. В условиях термоциклирования величина износа почти на порядок превышает износ при постоянной температуре, что обусловлено чередованием двух основных процессов в течение одного термоцикла: усталостного - при температурах ниже температур перехода от интенсивного износа к установившемуся и окислительного - выше температур перехода. В условиях высокотемпературной газовой среды наиболее существенное влияние на износостойкость оказывает эрозионное воздействие газового потока.

С использованием метода группового учета аргументов получена математическая зависимость интенсивности изнашивания от нагрузочных параметров, позволяющая выявить и оценить наиболее неблагоприятные сочетания последних.

На основании полученных закономерностей изнашивания жаропрочных сплавов, как в реальных, так и лабораторных условиях предложены основные принципы моделирования эквивалентных состояний трибосопряжений, которые включают трибологические, металлофизические, кинематические, нагрузочные и физико-механические критерии. Проведены исследования износостойкости материалов при программируемом изменении параметров нагружения, в результате которых установлено, что: трибологические характеристики испытанных материалов более близки по своим значениям к среднестатистическим, чем полученные при эквивалентных стендовых испытаниях на реальном двигателе; степень приближения определяется количеством учитываемых смен параметров (сложностью программы). Проведенные исследования положены в основу разработки метода ускоренных испытаний.

Комплексными исследованиями установлена бесперспективность дисперсионного механизма упрочнения жаропрочных материалов для целей повышения их износостойкости. Более эффективным для работы в экстремальных условиях является каркасный тип упрочнения. С использованием такого упрочнения разработаны износостойкие сплавы ХТН-23, ХТН-37 и ХТН-61, которые в 4 - 6 раз увеличивают ресурс работы лопаток турбины. На базе основных закономерностей изнашивания материалов усовершенствованы технологические процессы восстановления изношенных поверхностей и их сборки. Реализация результатов проведенных исследований позволила снизить расход топлива при испытаниях двигателей и повысить ресурс их работы.

Ключевые слова: трение, износ, двигатели, экстремальные условия, жаропрочные материалы, трибологические процессы, лопатки турбины.

Ivchenko L.I. Process of contact interaction in triboconjugates and wear resistance of heat resistant alloys in exhume conditions. Manuscript.

Dissertation for doctor's degree by speciality 05.02.04 - friction and wear in machines. - Technological University Podillya, Khmelnytsky, 1999.

Dissertation is devoted to improvement of wear resistance for components in heat areas of gasturbine installations. Peculiarities of triboconjugates design and kinematics of it's contact interaction are researched. Particulars of conditions of their operation in high cyclic changing temperatures, dynamic character of loading (with impact slips) erosion-corrosive effect of gas flow are shown.

Complex of techniques and experimental equipment is developed with the help of which general regularities of friction and wear have been ascertained. The structure and properties of surface layer of a number heat resistant alloys has been researched. Basic principles of simulation of equivalent conditions in tribocojugates, working in extreme condition have been formulated. Wear resistance of materials with programmed changing in loading duties has been researched. Mathematical relationship of intensity of wearing to loading parameters was received wear resistant materials and methods of accelerated testing have been developed. Technological processes of restoration of worn - out parts and their assembling have been improved. Research efforts enabled to decrease fuel consumption when testing tehnological engines and raised their service life.

Key words: friction, wear, engines, extreme conditions, simulation, processes, turbine blades, heat-resistant materials.

Размещено на Allbest.ru