Исследование процесса подготовки поверхностей деталей турбины авиационных двигателей под газотермическое напыление

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность темы Производство и ремонт авиационных газотурбинных двигателей требует постоянного совершенствования технологических процессов обработки, внедрения качественно новых методов и средств обработки, обеспечивающих постоянно растущие требования по качеству и эксплуатационной надежности.

Восстановление изношенных деталей машин и возвращение им высоких эксплуатационных свойств, постепенно утерянных во время работы вследствие износа, является важнейшей проблемой ремонтной техники и технологии.

Надежная работа авиационной техники в значительной степени определяется способностью материала контактирующих деталей противостоять изнашиванию. Износостойкость деталей в ряде случаев предопределяет ресурс как отдельных узлов, так и двигателя в целом. Интенсивное изнашивание деталей нарушает нормальную работу узлов, ухудшает герметичность рабочего пространства в гидравлических устройствах и цилиндрах двигателей, вызывает возникновение повышенных люфтов в системах управления и шарнирах, ведет к снижению КПД двигателя. Вместе с этим изнашивание в результате схватывания материалов контактирующих деталей может привести к заклиниванию подвижной детали или даже разрушению наиболее слабого звена кинематической цепи.

Эксплуатационные дефекты снижают ресурс как турбины в целом, так и отдельных ее элементов. Поскольку детали турбины (лопатки, диски, дефлектора, внутренние и наружные кольца) изготовляются из очень дорогостоящих сплавов на основе никеля и хрома, а технология производства трудоемка, остро встает вопрос о ремонте и восстановлении работоспособности турбины. Представляется весьма важной работа по исследованию механизма износа деталей и разработки перспективных методов ремонта.

Степень разработанности темы Интерес в области изнашивания представляют работы М.А. Бабичева, М.М. Хрущова, А.Я. Алябьева, И.В. Крагельского, П. Боудена. Эти работы посвящены изучению сущности процесса трения и износа, в некоторых приведены теоретические и экспериментальные исследования влияния технологических факторов на изнашивание. Анализ работ вышеуказанных авторов показывает что результаты, полученные исследователями, недостаточно полно описывают процесс изнашивания напыляемых материалов, используемых для восстановления деталей после эксплуатации.

Цель работы Исследование причин износа при трении поверхностей деталей турбин в процессе эксплуатации и исследование процесса восстановительного ремонта на основе применения метода газотермического напыления с обеспечением износостойкости и раскрытия закономерностей формирования адгезионной прочности.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ причин изнашивания поверхностей и методов повышения износостойкости деталей турбины ГТД.

2. Установление физической картины изнашивания поверхностей деталей турбины при эксплуатации.

3. Установление расчетной зависимости для определения интенсивности изнашивания с учетом свойств материала покрытия.

4. Исследование влияния нанесенного покрытия на эксплуатационные свойства.

5. Разработка методики испытаний деталей для качественной оценки характеристик износа поверхности и выполнение сравнительных экспериментальных испытаний образцов.

6. Определение зависимости адгезионной прочности деталей с покрытием от условий подготовки поверхности основы.

7. Разработка алгоритма выбора технологии восстановительного ремонта деталей, исходя из требований параметров качества поверхностного слоя.

8. Реализация результатов исследований на практике.

Научная новизна

1. Автором предложены математические зависимости для определения значений остаточных напряжений в покрытии и основном материале, а также прочности сцепления в покрытии от свойств материалов покрытия и подготовки поверхности под напыление.

2. Выведена математическая модель интенсивности изнашивания, зависящая от свойств материала покрытия (прочность, твёрдость, пористость, шероховатость), а также от коэффициента трения и действующей нагрузки.

3. Экспериментально определены зависимости шероховатости поверхности от технологических условий обработки (механической и струйно-абразивной).

4. Определены оптимальные режимы струйно-абразивной обработки под газотермическое напыление.

5. На основании проведённых экспериментов автором предложена общая формула зависимости интенсивности изнашивания от свойств материалов покрытий (твёрдость, плотность, пористость, шероховатость, коэффициент трения).

6. Разработаны алгоритм и методика выбора технологии ремонта и определения условий обработки в зависимости от вида и степени повреждений.

Теоретическая и практическая ценность работы

1. Результатами исследований является обоснование выбора технологии ремонта деталей турбины двигателей серии Д30-КУ/КП с применением методов газотермического напыления.

2. На основе анализа исследований создана база данных для выбора режимов обработки при подготовке основы под напыление в зависимости от оптимальной шероховатости поверхности.

3. Установленные зависимости изменения шероховатости поверхности от режимов обработки при различных методах могут использоваться для оценки ремонтопригодности деталей.

4. Разработанный алгоритм даёт возможность осуществлять выбор рационального способа и режима обработки, исходя из критериев износостойкости.

Методологической основой работы является системный подход к изучению и описанию взаимосвязей адгезионной прочности покрытий деталей турбины с качеством поверхностного слоя основного материала, обеспечения износостойкости.

Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, учениях о формировании эксплуатационных свойств деталей машин, качества поверхностного слоя, общей химии.

Экспериментальные исследования базируются на современных математических методах обработки экспериментальных данных.

При выполнении работы применялись современные методы оценки характеристик процессов газотермического напыления, механической обработки, параметров качества поверхностных слоёв деталей, а также показателей, характеризующих прочность сцепления и износостойкость напылённых покрытий деталей турбины.

В данной работе даётся представление о конструктивных особенностях внутренних колец сопловых аппаратов турбины авиационных двигателей, о существующей технологии их ремонта, повышении износостойкости внутренних колец методом газотермического напыления, перспективных направлениях совершенствования восстановительного ремонта после эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту

1 Математические зависимости для определения значений остаточных напряжений в покрытии и основном материале, а также прочности сцепления в покрытии от свойств материалов покрытия и подготовки поверхности под напыление.

1. Математическая модель зависимости интенсивности изнашивания от свойств материала покрытия (прочность, твёрдость, пористость, шероховатость), коэффициента трения и действующей нагрузки.

2. Зависимости шероховатости поверхности от технологических условий обработки (механической и струйно-абразивной).

3. Оптимальные режимы струйно-абразивной обработки под плазменное напыление.

4. Экспериментально полученная зависимость интенсивности изнашивания от свойств материалов покрытий (твёрдость, плотность, пористость, шероховатость, коэффициент трения).

5. Алгоритм (методика) выбора технологии ремонта и определений условий обработки в зависимости от вида и степени повреждений.

1. Анализ выполненных ранее исследований в области изнашивания поверхностей

Проанализированы основные особенности изнашивания поверхностей деталей. Исследованием износа занимались такие учёные как: И.В. Крагельский, М.А. Бабичев, А.Г. Костюк, Н.Л. Голего, А.Н. Семёнов А.Я. Алябьев, М.М. Хрущов, М.А. Рыжов, Ю.Н. Дроздов, В.Г. Павлов, М.С. Дрозд, Г.А. Томлинсон и др.

Выполнен анализ причин повреждаемости деталей турбины ГТД.

Представлены статистические данные о наличии и характере повреждений внутренних колец. Выявлена зависимость глубины изнашивания поверхностей от циклической наработки.

Приведены существующие методы восстановительного ремонта деталей и выбран наиболее рациональный метод ремонта - газотермическое напыление.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

2. Анализ известных теоретических представлений об обеспечении эксплуатационных характеристик, оценка работоспособности деталей, которая зависит от адгезионной прочности и износостойкости покрытий, а также от задироустойчивости взаимодействующих поверхностей

Одной из наиболее важных эксплуатационных характеристик является прочность сцепления материалов (адгезионная прочность) усц, включающая её составляющие, обусловленные свойствами материала усц.м и технологической подготовкой поверхности под напыление упод. Автором предложена обобщенная формула для расчета остаточных напряжений в покрытии уост1 (1) и напряжений в основе уост2 (2):

, (1)

, (2)

где Е1 и Е2 - модули упругости напыленного металла и основного материала соответственно; Kп1 и Kм1 - коэффициенты, зависящие от режимов напыления; Kп2 и Kм2 - коэффициенты, зависящие от свойств напыляемого и основного материала соответственно; Kп3 и Kм3 - коэффициенты, зависящие от качества подготовки напыляемого и основного материала соответственно; n - количество напылённых слоёв; h1 - толщина напылённого слоя; x - степенной показатель, зависящий от свойств напыляемого металла; Дl1 и Дl2 - усадка напыленного материала и основного материала соответственно; l1 и l2- длина напыленного материала и основного материала соответственно; Ra - среднее арифметическое отклонение профиля, измеренное по десяти точкам; Sф- фактическая площадь шероховатой поверхности образца; Sгл - фактическая площадь гладкой поверхности.

На основании приведенных формул расчета остаточных напряжений можно сделать вывод, что на напряжения влияют свойства материала покрытия и основы, количество слоев напыленного материала, форма и размеры напыляемой детали и подготовка поверхности под напыление.

Автором предложено выражение для определения интенсивности изнашивания поверхности с напылением:

, (3)

где R - радиус внедрения микронеровностей более упругого материала в более пластичный; b , v - параметры кривой аппроксимации опорной поверхности; Fтр - сила трения; f - коэффициент трения материала покрытия; HV0,3 - микротвёрдость материала покрытия по Виккерсу; Побщ - общая пористость покрытия; снм - теоретическая плотность напыляемого материала; k - коэффициент износа, характеризующий стойкость материала к истиранию; ДG - износ по массе материала покрытия; P - внешняя нагрузка.

Данная зависимость позволяет оценивать интенсивность изнашивания покрытий в зависимости от таких свойств покрытий как твёрдость, пористость, плотность, изменение массы.

Автором предложена зависимость для определения задироустойчивости поверхностей деталей. Она учитывает влияние на процесс схватывания свойств материалов и режимов обработки поверхностей:

, (4)

где и - объемная температура в зоне трения; Rmax- наибольшая высота неровностей профиля; х, y и г - степенные показатели, зависящие от свойств напыляемого металла, шероховатости поверхности и температуры напыления соответственно.

3. Анализ технологий восстановительного ремонта изношенных поверхностей деталей турбины

Выбраны материалы покрытий ВКНА (ПН75Ю23В) и ПВ-НХ16Ю6Ит, которые относятся по химическому составу к никельалюминиевой группе.

Разработаны методы экспериментальных исследований для получения прочного и износостойкого покрытия:

1. Предварительная подготовка поверхностей под напыление - механическая обработка образцов (точение и шлифование).

2. Струйно-абразивная обработка поверхностей образцов, необходимая для активации поверхностей под напыление и получения оптимальной шероховатости.

3. Плазменное напыление образцов выбранными материалами ВКНА (ПН75Ю23В) и ПВ-НХ16Ю6Ит.

4. Микроструктурный и макроструктурный анализы.

5. Определение толщины и усадки покрытий.

6. Определение остаточных напряжений в покрытиях и основе.

7. Определение прочности сцепления покрытий с основой.

8. Определение износостойкости покрытий. Определение интенсивности изнашивания, коэффициента трения и износа по массе образцов. Определение их зависимостей друг от друга.

9. Определение шероховатости поверхностей образцов и её влияния на интенсивность изнашивания.

10. Определение микротвёрдости по толщине покрытий и твёрдости покрытий. Определение влияния твёрдости покрытий на интенсивность изнашивания.

11. Определение пористости и плотности покрытий. Определение влияния пористости покрытий на интенсивность изнашивания.

Сделан выбор оборудования и образцов для проведения исследований.

4. Экспериментальное исследование образцов

изнашивание адгезионный деталь

Для обеспечения надежного сцепления покрытия с основным материалом, были проведены работы по определению метода механической обработки (точение или шлифование) под напыление покрытий материалами ВКНА и ПВ-НХ16Ю6Ит и определению оптимальных режимов струйно-абразивной обработки.

Определена зависимость параметра шероховатости Ra поверхности основного материала ЭИ437Б от параметров процесса струйно - абразивной обработки: давления воздуха P , расстояния до сопла L и времени обработки t после обработки основы образцов шлифованием (рисунки 1, 2, 3) и точением.

Рисунок 1

Рисунок 2

Общая формула зависимости шероховатости поверхности Ra от технологических условий обработки при подготовке поверхности основного материала методом струйно-абразивной обдувки под напыление имеет вид:

, (5)

где k - коэффициент, зависящий от метода обработки поверхности основного материала (точение, шлифование) перед струйно-абразивной обдувкой; C1, С2, С3, x, y, z - величины, зависящие от метода и технологических условий обработки.

Рисунок 3

На основе математической обработки экспериментальных данных зависимости шероховатости поверхности от режимов обработки образцов, обработанных предварительно точением, формула (5) примет вид:

Ra = 4,2•10 4•P 0,64•t 0,14L -0,65. (6)

Для образцов, обработанных предварительно шлифованием, формула (5) примет общий вид:

Ra = 4,2•10 4•P 0,64•t 0,14L -0,65. (7)

Метод обработки оказывает существенное влияние на шероховатость поверхности. Последующая струйно-абразивная обработка изменяет шероховатость поверхности после точения от 22 до 36 %, а после шлифования от 28 до 34%.

Выполнен анализ результатов после плазменного напыления материалами ВКНА и ПВ-НХ16Ю6Ит. Микроструктура материалов покрытий представлена на рисунках 4 и 5. Металлографический анализ переходной зоны покрытие - основной материал показывает, что при напылении покрытий ВКНА и ПВ-НХ16Ю6Ит, оба плотно прилегают к основанию, так что границу между ними практически можно наблюдать только после проведения травления.

Рисунок 4 - Микроструктура покрытия ВКНА после токарной обработки

Рисунок 5 - Микроструктура покрытия ПВ-НХ16Ю6Ит после токарной обработки

Определены остаточные напряжения на приборе ПИОН-2 в материале покрытия, на границе покрытие - основной материал (рисунок 6) и в основном материале в зависимости от подготовки поверхности под напыление.

Рисунок 6 - Остаточные напряжения в материале покрытия

Анализируя график остаточных напряжений можно сделать вывод, что с увеличением толщины напыляемого слоя величина сжимающих напряжений в покрытии уменьшается, но на поверхности покрытия и основного материала присутствуют напряжения сжатия.

Определена эмпирическая зависимость величины усадки материала F от толщины напыленного слоя h на основании полученных экспериментальных данных (рисунок 7).

Определена прочность сцепления по методике вытягивания штифта (таблица 1) и клеевому методу (рисунки 8, 9).



Рисунок 7 - Зависимость усадки материала от толщины напыления: F=1,045h1,2; R2=0,97 - для ВКНА; F=1,65h1,2; R2=0,99 - для ПВ-НХ16Ю6Ит

Таблица 1 - Прочность сцепления в зависимости от метода механической обработки под напыление по методике вытягивания штифта

Покрытие	Прочность сцепления, усцср, МПа (после предварительной обработки под напыление точением)	Прочность сцепления, усцср, МПа (после предварительной обработки под напыление шлифованием)
ВКНА	17,43	15,87
ПВ-НХ16Ю6Ит	19,53	16,96

Рисунок 8 - Зависимость адгезионной прочности от шероховатости поверхности основного материала после предварительной обработки точением



Рисунок 9 - Зависимость адгезионной прочности от шероховатости поверхности основного материала после предварительной обработки шлифованием

Определены зависимости адгезионной прочности покрытия усц от шероховатости поверхности Ra на основе математической обработки результатов экспериментов.

После предварительной обработки точением:

усц = 29,28 · Ra 0,32 -для ВКНА,

усц = 30,46 · Ra 0,32 - для ПВ-НХ16Ю6Ит.

После предварительной обработки шлифованием:

усц = 41,85 · Ra 0,15 -для ВКНА,

усц = 46,47 · Ra 0,15- для ПВ-НХ16Ю6Ит.

На основании экспериментальных данных можно сделать вывод, что адгезионная прочность покрытия ПВ-НХ16Ю6Ит выше адгезионной прочности напыляемого материала ВКНА нанесенного на поверхность, после токарной обработки на (8-13)% по сравнению со шлифованием.

Анализ результатов сопоставления расчетных и экспериментальных значений прочности сцепления при различных методах обработки и материалов напыления показал, что наблюдается вполне удовлетворительное их совпадение от 2 до 10%. Выполнено сравнение остаточных напряжений, полученных теоретическим методом с остаточными напряжениями, полученных экспериментальным путём, погрешность составила от 3 до 35%.

По результатам исследований сделан вывод, что зависимости (1) и (2) являются достоверными и могут быть использованы для технологических расчётов.

Исследование триботехнических характеристик покрытий проводили на трибометре Т-11. Определён коэффициент трения, который составил для ВКНА - 0,14, для ПВ-НХ16Ю6Ит - 0,08.

Определены зависимости интенсивности изнашивания Ih от износа по массе ДG, коэффициента трения f , шероховатости поверхности Ra.

Для покрытия ВКНА: Ih = 0,52 f 0,93; Ih = 0,40ДG 0,19; Ih=0,10Ra0,79.

Для покрытия ПВ-НХ16Ю6Ит:Ih = 0,22f 0,28; Ih = 0,43ДG 0,18; Ih=0,10Ra0,31.

После произведённого напыления толщина покрытия плоских образцов материалами ВКНА и ПВ-НХ16Ю6Ит составила 0,3 мм. Определена взаимосвязь микротвёрдости покрытий от толщины нанесённого слоя:

НV0,3 = 315 h 0,03 - для ВКНА;

НV0,3 = 280 h 0,03 - для ПВ-НХ16Ю6Ит.

Определена пористость и плотность покрытий. Оба материала имеют низкие показатели пористости, что говорит о хорошей адгезионной прочности и качестве покрытия, которые обладают необходимой износостойкостью. При более низкой пористости покрытия ВКНА средняя интенсивность изнашивания меньше (Ih = 0,08 мкм/м), чем при более высокой пористости покрытия ПВ-НХ16Ю6Ит (Ih = 0,11 мкм/м).

На основании проведённых экспериментов автором предложена общая формула зависимости интенсивности изнашивания Ih от свойств материалов покрытий и технологических условий обработки при подготовке поверхности основного материала под плазменное напыление:

, (8)

где kт - коэффициент, учитывающий влияние твёрдости покрытия; kп- коэффициент, учитывающий влияние пористости покрытия; HRC - твёрдость материала покрытия.

Для материала покрытия ВКНА формула (8) примет вид:

. (9)

Для материала покрытия ПВ-НХ16Ю6Ит формула (8) примет вид:

. (10)

Выполнено сравнение интенсивности изнашивания покрытий, определённой теоретическим и экспериментальным методами. Для материала ВКНА погрешность составила от 3 до 15%, а для материала ПВ-НХ16Ю6Ит - от 3 до 14%. Экспериментальные исследования подтвердили правильность теоретического подхода к описанию процесса изнашивания по формуле (3).

Практическому использованию результатов исследования посвящена пятая глава.

Разработана методика и алгоритм восстановительного ремонта деталей турбины (рисунок 10). Работа алгоритма сводится к выбору метода восстановления изношенных поверхностей в зависимости от степени повреждений. Далее производится выбор метода обработки поверхности под напыление.



Рисунок 10 - Алгоритм выбора технологии ремонта

Литература

1. Анализ влияния технологических факторов на адгезионную прочность показал, что прочность сцепления основы с покрытием зависит от метода обработки материала основы. Установленные математические зависимости адгезионной прочности и остаточных напряжений в покрытии и основном материале от свойств материалов покрытия и подготовки поверхности под напыление могут быть использованы при проектировании процессов восстановления деталей.

2. Результаты экспериментальных исследований позволили определить возможности по обеспечению адгезионной прочности после подготовки поверхности под напыление точением и шлифованием. Определены зависимости шероховатости от технологических условий струйно-абразивной обработки, которые позволяют рассчитать требуемые режимы обработки: давление воздуха, расстояние детали до сопла и время обработки.

3. Полученные расчетные зависимости интенсивности изнашивания восстановленной поверхности от свойств материалов покрытий и шероховатости поверхности позволяют управлять процессом изнашивания при эксплуатации.

4. Полученная теоретическая зависимость задироустойчивости поверхности от свойств материала и технологических факторов обработки позволяет обеспечить требуемую шероховатость напыленной поверхности после механической обработки.

5. Разработанный алгоритм выбора технологии ремонта и определения технологических условий механической обработки для обеспечения адгезионной прочности позволяет технологу на стадии разработки технологического процесса определять методы и режимы обработки.

Литература

1. Аверьянов, И.Н. Технология повышения эффективности восстановительного ремонта поверхностей методом плазменного напыления / И.Н. Аверьянов, М.Н. Ситникова // Сборник научных трудов, Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева. - Рыбинск: РГАТУ, 2012. - С. 96 - 103.

2. Ситникова, М.Н. Технология восстановления выработки поверхностей деталей турбины ГТД методом газоплазменного напыления / М.Н. Ситникова // Научно-технический журнал, Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - Орёл: Госуниверситет - УНПК, 2012. - № 2.- С. 53- 58.

3. Безъязычный, В.Ф. Восстановительный ремонт поверхностей деталей методами аргонодуговой наплавки и газоплазменного напыления / В.Ф. Безъязычный, И.Н. Аверьянов, М.Н. Ситникова // Научно-технический и производственный журнал, Упрочняющие технологии и покрытия. - Москва:, 2012. - № 9.,- С. 34 - 37.

4. Ситникова, М.Н. Влияние шероховатости основы на адгезию при газоплазменном покрытии / М.Н. Ситникова // Труды IX Международной научно-технической конференции, Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства. - Ростов - на - Дону: ДГТУ, 2010.,- С. 501 - 504.

5. Ситникова, М.Н. Влияние механической обработки поверхности на адгезию при газоплазменном напылении / М.Н. Ситникова // Сборник трудов Всероссийской конференции молодых учёных и специалистов, Будущее машиностроения России. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2010, - С. 65 - 66.

6. Ситникова, М.Н. Изучение причин износа поверхностей деталей авиационных двигателей и методы повышения их износостойкости/ М.Н. Ситникова // Сборник материалов VIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, Физико-химия и технология неорганических материалов. - Москва: ИМЕТ РАН, 2011. - С. 111-113.

7. Ситникова, М.Н. Проблема разработки оптимальной технологии газоплазменного покрытия деталей ГТД / М.Н. Ситникова // Сборник научных трудов Международной научно - технической конференции, Механика ударно - волновых процессов в технологических системах. - Ростов - на - Дону: ДГТУ, 2012., - С. 140 - 144.

8. Ситникова, М.Н. Технология восстановления выработки поверхностей деталей турбины ГТД методом газоплазменного напыления/ М.Н. Ситникова // Сборник тезисов и аннотаций докладов XV международной научно-технической конференции, Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология - 2012. -Орёл: Госуниверситет - УНПК, 2012., - С. 128 - 130.

Размещено на Allbest.ru

...