Підвищення зносостійкості деталей з титанових сплавів плазмовими покриттями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

Підвищення зносостійкості деталей з титанових сплавів плазмовими покриттями

Хімко Андрій Миколайович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Краля Віталій Олексійович Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, м. Київ, доцент кафедри технологій відновлення авіаційної техніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кравець Іван Андрійович Національна академія оборони України Міністерства оборони України, м. Київ, професор кафедри логістики

доктор технічних наук, професор Шевеля Валерій Васильович Хмельницький національний університет Міністерства освіти і науки України, м. Хмельницький, професор кафедри фізики

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук О.Ю. Корчук

Анотація

Хімко А.М. Підвищення зносостійкості деталей з титанових сплавів плазмовими покриттями. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. Національний авіаційний університет, Київ, 2008.

Виконано аналіз існуючих методів зміцнення і досліджень, пов'язаних з відновленням титанових деталей. Проаналізовано демпфуючі здатності деяких матеріалів. Представлено результати випробувань плазмових покриттів на фретинг-корозію, а також при постійній швидкості ковзання і шляху тертя; визначено вплив плазмових покриттів на межу витривалості високоміцного титанового сплаву ВТ-22; проведено випробування в умовах динамічного навантаження; досліджено міцність зчеплення покриттів залежно від товщини і підшару. Визначено перехідні області параметрів зовнішнього навантаження у зв'язку зі зміною процесів контактної взаємодії з механохімічних на втомно-абразивні і закономірностей зношування з лінійних на параболічні. Визначено основні закономірності контактної взаємодії плазмових покриттів і сплаву ВТ-22 при динамічному навантаженні з просковжуванням і динамічному навантаженні з циклічним знакозмінним ковзанням. Встановлено чинники зовнішнього навантаження, що визначають знос та проведено їх числову оцінку. Визначено оптимальне покриття для нанесення на поверхні деталей з титанових сплавів, що володіє високою зносостійкістю в умовах фретинг-корозії. Показано істотне значення демпфуючої здатності покриттів у забезпеченні високої зносостійкості. Розроблено пристосування для підготовки рейок до відновлення і обробки поверхні рейки після напилення покриття. Розроблено методику проведення випробувань.

Ключові слова: титанові деталі, знос, рейки механізації крила, демпфуюча здатність, плазмові покриття, фретинг-корозія, динамічні навантаження, зносостійкість, вибір покриття, зміцнення і відновлення.

Аннотация

Химко А.Н. Повышение износостойкости деталей из титановых сплавов плазменными покрытиями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - трение и изнашивание в машинах. Национальный авиационный университет, Киев, 2008.

Рассмотрена научно-техническая проблема изнашивания деталей летательных аппаратов, выполненных из высокопрочных титановых сплавов. Предложено упрочнение и восстановление изношенных участков рельсов механизации крыла плазменными покрытиями. Проанализированы литературные данные по повреждениям деталей авиационной техники, возникающим от контактных взаимодействий. Показано, что одними из наиболее ответственных деталей, поврежденных фреттинг-коррозией, являются рельсы механизации крыла. Проведен анализ существующих методов упрочнения и исследований, связанных с восстановлением титановых деталей.

Представлены результаты испытаний плазменных покрытий ПГ10Н-01, ПС12НВК, ВКНА и молибдена на фреттинг-коррозию, а также при постоянной скорости скольжения и пути трения; показано влияние плазменных покрытий на предел выносливости высокопрочного титанового сплава ВТ-22; проведены модельные испытания при динамическом нагружении с проскальзыванием и динамическим нагружении с циклическим знакопеременным скольжением; исследовано влияние прочности сцепления плазменных покрытий в зависимости от их толщины и подслоя. Проведены фрактографические исследования и исследования элементного состава поверхностей трения.

Установлены основные закономерности процессов контактного взаимодействия плазменных покрытий на титановых сплавах в условиях фреттинг-коррозии. Определены переходные области параметров внешнего нагружения в связи с изменением процессов контактного взаимодействия с механохимических на усталостно-абразивные и закономерностей изнашивания с линейных на параболические. Определены основные закономерности контактного взаимодействия плазменных покрытий и сплава ВТ-22 при динамическом нагружении с проскальзыванием и динамическом нагружении с циклическим знакопеременным скольжением. Установлены определяющие износ факторы внешнего нагружения, проведена численная оценка. Определено оптимальное покрытие для нанесения на поверхности деталей из титановых сплавов, обладающее высокой износостойкостью в условиях фреттинг-коррозии. Показано существенное значение демпфирующей способности покрытий в обеспечении высокой износостойкости.

Разработаны практические рекомендации технологического характера по восстановлению рельсов механизации крыла самолетов. Разработаны приспособления для подготовки рельсов к восстановлению и обработки поверхности рельса после напыления покрытия. Разработан алгоритм выбора оптимального покрытия. Установлена методика проведения испытаний. Определены принципы и требования, которым должно соответствовать покрытие.

Ключевые слова: титановые детали, износ, рельсы механизации крыла, демпфирующая способность, плазменные покрытия, фреттинг, динамические нагружения, износостойкость, выбор покрытия, упрочнение и восстановление.

Annotation

Khimko A.N. Increasing the wearproof of titanium alloy units with plasma cover. - Manuscript.

The dissertation for the PhD in Technology upon the speciality 05.02.04 - friction and wear of machines. National Aviation University, Kyiv, 2008.

The analysis of the existing methods of intensification and renovation of titanium units was carried out. The damping characteristics of some materials were investigated. The results of trials of plasma covers against fretting corrosion at constant gliding speed and friction way have been presented; the impact of covers on the titanium alloy ВТ-22 maximum wearproof has been defined; the trials at the dynamic load have been carried out; the strength of covers binding depending on the thickness and underlayer has been investigated. The transitional areas of external load parameters of the materials in contact with the cover were identified. The conditions of transition of mechanic and chemical processes to atomic and abrasive processes were defined. The peculiarities from linear to parabolic wear have been stated. The main peculiarities of contact interaction at dynamic load with gliding and at dynamic load with cyclic sliding accompanied by change of signs have been identified. The optimum material for covers of titanium alloy details operated at fretting corrosion and changeable loads were investigated. The equipment for preparing the rails for restoration and working on the rails after spraying the cover has been designed. The methodology of carrying out the trials has been developed.

Key words: titanium details, wear, rails of wing mechanization, damping capacity, plasma cover, fretting corrosion, dynamic load, wearproof, choice of cover, intensification and restoration.

1. Загальна характеристика роботи

титановий авіаційний зносостійкий покриття

Актуальність теми. Забезпечення високих показників зносостійкості та рівня міцності контактуючих деталей - один з вирішальних факторів підвищення надійності і ресурсу сучасних машин. Статистика свідчить, що близько 80 % несправностей у роботі машин виникає внаслідок зносу і руйнування поверхонь тертя деталей машин. Для авіаційної техніки, як показав аналіз, втрата працездатності деталей в вузлах тертя, найчастіше спричиняється розвитком фретинг-корозії.

У сучасному машинобудуванні та авіабудуванні дедалі ширше застосовують титанові сплави. З титанових сплавів виготовляють одні з найбільш відповідальних деталей, такі як рейки випуску-збирання закрилків, деталі шасі, диски турбін двигунів, вхідні лопатки газотурбінних двигунів та ін. Більшість цих деталей працюють на вигин, крутіння, зношування. Але, як відомо, титан і його сплави мають незадовільні характеристики щодо зносостійкості.

До найбільш поширених і дорогих деталей сучасних пасажирських і транспортних літаків належать рейки механізації крила. У процесі експлуатації на бігових доріжках рейок, у місцях зупинки роликів утворюються зноси, класифіковані як фретинг-корозія, глибина яких уже до першого ремонту може перевищувати граничнодопустиме значення. Внаслідок цього збільшується вібрація крила під час таких відповідальних етапів польоту, як зліт та посадка, в зв'язку з чим виникає потреба у заміні рейки. Відмова або затримка в роботі випуску-збирання закрилків і передкрилків може призвести до надзвичайних наслідків.

Заміна пошкоджених рейок під час ремонту зумовлює великі матеріальні витрати на закупівлю запасних частин. У зв'язку з цим потрібно, з одного боку, підвищити зносостійкість робочих поверхонь рейок у процесі виготовлення, з другого боку - розробити технологію їх відновлення. На сьогодні ця проблема залишається не вирішеною, зокрема пошуку найбільш дешевого й оптимального шляху відновлення рейок.

Слід зазначити, що резерви підвищення зносостійкості мають свою межу і цілком виключити знос не можливо, тому важливе значення має розроблення технології відновлення рейок механізації крила літаків.

На закономірність розвитку фретинг-корозії впливає чимало факторів - амплітуда переміщення, питоме навантаження, частота коливання, форма контакту сполучених деталей та ін. Зміна цих факторів приводить до зміни процесів в контакті тертя, що виявляється в характері пошкодження поверхонь. Знання ролі різних факторів, наявність даних про характер проходження процесів залежно від механохімічних матеріалів дозволить науково обґрунтовано вибирати матеріали сполучених поверхонь для відновлення деталей.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов'язана з чотирма науковими госпдоговірними темами: № 482-В83 «Провести дослідження з оцінки експлуатаційних властивостей зносостійких газотермічних покриттів і розробити рекомендації з їх застосування для відновлення деталей АТ» - замовники: завод 402 ЦА, Пермське ВО «Моторостроитель», Казанське проектне бюро машинобудування, ОКБ ім. С.В. Ільюшина і ВГПО «Авіаремонт»; № 133Х-92 «Виконати дослідження працездатності захисних покриттів і зміцнюючих технологій для відновлення рейок механізації крила літака» - замовник Авіаційний науково-технічний комплекс (АНТК) ім. О.К. Антонова; № 902-Х99 «Розробка технологічних рекомендацій з відновлення монорейок 24-3800-2 та 24-3800-29» - замовник ДП завод 410 ЦА; № 091-Х02 «Розробка рекомендацій з відновлення деталей літаків типу АН, які виготовлені зі сплаву ВТ-22» - замовник АНТК ім. О.К. Антонова.

Автор дисертаційної роботи є відповідальним виконавцем теми № 091-Х02.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є дослідження закономірностей зношування титанових деталей авіаційної техніки в умовах контактного динамічного навантаження і розробка рекомендацій по підвищенню їх ресурсу і надійності.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі дослідження:

1. Аналіз експлуатаційної пошкодженості деталей авіаційної техніки з титанових сплавів і способів їх попередження і відновлення.

2. Проведення комплексу порівняльних досліджень і випробувань для вибору оптимального покриття.

3. Встановлення закономірностей зношування покриттів залежно від умов зовнішнього навантаження. Проведення металографії, рентгеноструктурних і фрактографічних досліджень поверхонь тертя, вивчення механізмів зношування титанових сплавів з різними покриттями при терті в умовах фретинг-корозії.

4. Визначення впливу зносостійких покриттів на межу витривалості високоміцних титанових сплавів.

5. Розробка рекомендації по зміцненню і відновленню рейок механізації крила літаків, виконаних з титанового сплаву ВТ-22.

Об'єкт дослідження - процеси взаємодії плазмових покриттів із сталлю 95Х18Ш в умовах фретинг-корозії.

Предмет дослідження - встановлення закономірностей взаємодії плазмовий покриттів із сталлю 95Х18Ш в умовах фретинг-корозії.

Методи дослідження. Комплексна методика дослідження якісних і кількісних параметрів тертя сполучених поверхонь, що включає визначення фретингостійкості згідно ГОСТ 23.211-80, вимірювання лінійного зносу, оцінку опору утомленості згідно ГОСТ 25.502-79, оптичну і растрову мікроскопію, мікрорентгеноспектральний аналіз, визначення механічних характеристик поверхневого шару. Використовувалися прилади типу: твердоміри ПМТ-3, ТЕМП-4, ТШ, ТК-2М, ТП; мікроскопи МБС-9, МБС-10, МІМ-7, МИМ-8, ММР-2Р, Olympus-500, НЕОФОТ 21; оптиметр вертикального типу ІКВ; профілограф-профілометр моделі 201, моделі 250, Абрис-ПМ7; скануючий електронний мікроскоп CamScan 4D; мікрорентгеноспектральний аналізатор INCA 200 Energy.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Встановлено основні закономірності процесів контактної взаємодії плазмових покриттів на титанових сплавах в умовах фретинг-корозії. Визначено перехідні області параметрів зовнішнього навантаження (амплітуди і навантаження) у зв'язку із зміною процесів контактної взаємодії з механохімічних на втомно-абразивні і закономірностей зношування з лінійних на параболічні.

2. Вперше визначено основні закономірності контактної взаємодії плазмових покриттів і сплаву ВТ-22 при динамічному навантаженні з просковжуванням і динамічному навантаженні з циклічним знакозмінним ковзанням. Встановлено чинники зовнішнього навантаження, що визначають знос та проведено їх числову оцінку.

3. Визначено склад оптимальних покриттів поверхонь деталей з титанових сплавів, що володіють високою зносостійкістю в умовах фретинг-корозії. Показано істотне значення демпфуючої здатності покриттів у забезпеченні високої зносостійкості.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено методику дослідження зносостійкості покриттів на проблемних матеріалах.

2. Розроблено технологічні рекомендації щодо зміцнення і подальшого відновлення зношених ділянок рейок механізації крила літака Ан-148-100 (моделі Ан-148-100А, Ан-148-100В, Ан-148-100Е), підтверджені інженерним аналізом № 148.01.7500.001Д13 і актом впровадження заводу АНТК.

3. Підвищено ресурс рухомих з'єднань крила літаків і захист їх від зниження або втрати міцності в процесі експлуатації від стирання.

Одержані результати випробувань упроваджено на заводі АНТК ім. О.К. Антонова і рекомендовано для упровадження на ДП завод № 410 ЦА, на рейки механізації крила літаків, що виготовлені зі сплаву ВТ-22. Упровадження результатів досліджень дозволило відновлювати високотехнологічні деталі, які раніше відбраковувались, що дає значну економію засобів і матеріалу.

Достовірність результатів. Достовірність результатів підтверджується даними лабораторних випробувань і натурними випробуваннями в умовах реального виробництва літака Ан-148, а також підтверджено упровадженням технології в серійне виробництво.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати були отримані здобувачем особисто, чи за його особистої участі. Здобувач брав безпосередню участь у підготовці і проведенні експериментів, аналізі та обговоренні отриманих результатів, написанні статей і звітів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися, обговорювалися і одержали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях і семінарах: Міжнародній конференції Ti-2006 у СНД (21-24 травня, Суздаль, Росія); семінарах кафедри ТВАТ НАУ 2004 - 2007; VII Міжнародній науково-технічній конференції «Авіа-2006» (25-27 вересня, Київ, Україна); VIII Міжнародній науково-технічній конференції «Авіа-2007» (25-26 квітня, Київ, Україна); Міжнародній конференції Ti-2007 у СНД (15-18 квітня, Ялта, Україна); Міжнародній науково-практичній конференції «Державна політика розвитку цивільної авіації XXI століття: економічний патріотизм і стратегічні можливості України» (5-8 лютого 2008 р., м. Київ, Україна); робота в цілому доповідалась на засіданні науково-технічного семінару зі спеціальності 05.02.04 - тертя та зношування в машинах в НАУ (24 січня 2008 р., м. Київ, Україна).

Публікації. Основні положення та результати наукових досліджень опубліковано в 12 друкованих працях, з них 8 статей у фахових виданнях за переліком ВАК України, в тому числі 1 одноосібна та 3 тези конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти глав, висновків, списку використаної літератури з 171 найменувань і додатків. Повний обсяг складає 206 сторінок, у тому числі 62 рисунка і 7 таблиць, список використаної літератури на 16 листах, три додатки на 24 сторінках.

2. Основний зміст роботи

У вступі розкрито важливість обраної проблеми, обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та задачі дослідження, показано наукову новизну отриманих результатів, наведено практичну цінність, упровадження результатів дослідження, зазначено джерела апробації та публікації основних положень дисертації.

У першому розділі дисертації викладено аналіз літературних даних першоджерел з пошкодження деталей авіаційної техніки. Встановлено, що в загальному обсязі дефектів фретинг-корозія займає одне з перших місць і становить понад 60 % усіх дефектів, спричинених контактними взаємодіями. Аналіз пошкоджуваності деталей літальних апаратів показав, що 30 - 40 % від загальної кількості деталей з поверхневими пошкодженнями припадає на деталі з титанових сплавів, для яких вібрація - супутний фактор нормальної експлуатації, а фретинг-корозія - одне з основних пошкоджень, що визначає їх працездатність - ресурс.

Показано значні пошкодження внаслідок експлуатації одних з найбільш масових і дорогих деталей сучасних пасажирських і транспортних літаків - рейок механізації крила. З'ясовано, що найбільш інтенсивні пошкодження виникають за злітного й посадкового положень закрилків, спричинені просковжуванням і динамічною взаємодією контактуючих поверхонь у сполученні рейка-ролик і за своїми ознаками класифікується як фретинг-корозія.

Виконано аналіз існуючих методів зміцнення рейок. Проведено огляд праць з підвищення зносостійкості рейок механізації крила. Вагомий внесок у вирішення проблем зробили: П.В. Назаренко, Н.Ф. Григор'єв, Л.М. Димитрієнко, О.І. Духота, В.В. Перемитько. Ці вчені плідно вирішували проблеми підвищення зносостійкості рейок. Однак і натепер багато проблем залишаються не вирішеними, зокрема пошук найбільш дешевого й оптимального способу відновлення рейок.

Викладено існуючі уявлення про фретинг-корозію. Встановлено, що існують принципово різні підходи до опису механізмів фретинг-корозії, але жоден з них не може роз'яснити всі особливості закономірностей, що спостерігаються. Істотний внесок у вирішення проблеми фретинг-корозії зробили такі відомі вчені, як: Г.А. Томлінсон, І.А. Одінг, В.С. Іванова, А.С. Ахматов, В.Н. Степанов, М.С. Островський, Р. Уотерхауз, К. Райт, Г.Г. Уліг, І. Мінг-Фенг, Д. Годфрі, А. Бартель, Н.Сода, Д. Мак-Доуєл, І. Холідей, М.Л. Голего, А.Я. Алябьев, В.В. Шевеля, Г.С. Калда, В.П. Олександренко, О.В. Карасев, В.О. Краля, О.І. Духота та ін.

Викладено особливі властивості титану і його сплавів. Встановлено, що титанові сплави, в зв'язку зі схильністю до задирів, холодного схоплювання та налипання, завдяки додатковим активним поверхням ковзання, мають задовільні характеристики зносостійкості. Визначено, що збільшення використання високоміцних титанових сплавів в авіаційній промисловості потребує розроблення та застосування спеціальних технічних і технологічних засобів, які підвищують їх антифрикційні властивості та ресурс вузлів.

Розглянуто аналіз відомих методів підвищення зносостійкості і відновлення трибосистем, що ґрунтуються на явищах, реалізація яких призводить до значного зменшення зносостійкості вузлів тертя машин і механізмів. Показано, що найбільш оптимальний метод підвищення зносостійкості та відновлення рейок механізації крила - напилювання газотермічними покриттями, зокрема плазмових, як один з найбільш універсальних і технологічних методів.

У другому розділі розкрито комплекс методик проведення досліджень з вивчення зносостійкості газотермічних покриттів та інших матеріалів для підвищення зносостійкості та надійності деталей, що виготовлені з високоміцних титанових сплавів.

Виконано аналіз методик для проведення дослідження на зношування в умовах фретинг-корозії. Встановлено, що найбільш прийнятною для дослідження є установка МФК-1 (ГОСТ 23.211-80), яка дозволяє змінювати амплітуду переміщення від 10 до 1000 мкм і навантаження від 0,2 до 2 кН, а також контролювати коефіцієнт тертя. Описано загальну методику проведення досліджень, обладнання та інструменти для вивчення фретингостійкості конструкційних матеріалів та газотермічних покриттів. Зразки для дослідження фретингостійкості плазмових покриттів, виготовлялися з титанового сплаву ВТ-22 діаметром 20 мм і довжиною 25 мм, на торці яких напиляли покриття. Товщина покриття становила 400 мкм після шліфування, включаючи підшар 50 мкм. Напилювання робили на плазмовій установці УПУ-3Д. Контрзразок у всіх випробуваннях виготовлявся зі сталі 95Х18Ш.

Критерієм фретингостійкості вибрали середній лінійний знос покриттів, що визначали по восьми рівностоячих ділянках на профілометрі-профілографі моделі 251 тип А1 «Калібр» і вертикальному оптиметрі типу ІКВ.

Крім стандартних випробувань на фретинг-корозію, використовували модельну установку для умов динамічного навантаження з просковжуванням та динамічного навантаження з циклічним знакозмінним ковзанням. На установці реалізовували схему контакту зразків площина-циліндр. Зразки для випробувань являли собою шестигранник із плоскими робочими поверхнями, на які напиляли покриття. Як рухомий контрзразок використовували кільця шириною 5 мм, вирізані з роликів каретки.

Для визначення впливу плазмових покриттів на рівень утомної міцності титанового сплаву ВТ-22 були проведені втомні випробування з об'ємним циклічним навантаженням відповідно до ГОСТ 25.502-79. Випробування проводили на циліндричних зразках за схемою вигину обертанням на установці МУИ-6000. Діаметр робочої частини зразків становив 7,5 мм основи і по 300 мкм з кожного боку напиленого покриття, тобто загальний діаметр становив 8,1 мм. У розрахунках припускали, що покриття працює як концентратор напруження. Опір утоми оцінювали кількістю циклів знакозмінного навантаження, що витримує зразок до руйнування за заданого навантаження, чи межею витривалості на встановленій базі випробувань.

Міцність зчеплення з основою плазмових покриттів визначали за методом «штифта» на зразках свідках, виготовлених зі сплаву ВТ-22. Відділяли штифт від покриття розривною машиною типу NЕСКЕRТ 100/1 з плавним регулюванням переміщення захоплювачів.

Аналізували поверхню покриттів за допомогою оптичної та електронної мікроскопії. Фрактографічні дослідження доріжок тертя здійснювали за допомогою бінокулярного мікроскопа МБС-9, мікроскопів МИМ-8, НЕОФОТ 21, Olympus - 500 за збільшень від 10 до 500 крат. Металографічні дослідження структурних складових проводили на приладі ПМТ-3 з навантаженням 20 і 50 г. Елементний аналіз доріжок тертя виконували на растровому, скануючому електронному мікроскопі CamScan 4D за допомогою мікрорентгеноспектрального аналізатора ІNCA 200 Energy у вторинних та обернено відображених електронах.

Третій розділ присвячено дослідженням фретингостійкості плазмових покриттів і вибору підходів до підвищення зносостійкості деталей, виготовлених з титанових сплавів. Викладено результати експериментальних, металографічних і фрактографічних досліджень покриттів при зношуванні в умовах фретинг-корозії. Виконано якісний аналіз поверхонь доріжок тертя і структури покриттів.

Показано комплекс конструкторсько-технологічних заходів щодо підвищення зносостійкості рейок механізації крила. Визначено загальні вимоги до вибору матеріалу покриття, який треба вибирати по можливості за характеристиками, отриманими під час стандартних випробувань. Розроблено алгоритм вибору покриття, визначено механізм проведення досліджень з вибору покриття для зміцнення робочих поверхонь і відновлення зношених ділянок рейок механізації крила. Визначено принципи, якими потрібно керуватися при виборі матеріалів для відновлення титанових деталей. Визначено вимоги, які ставляться до покриття.

Проведено аналіз демпфуючої здатності матеріалів. Визначено, що молібден має підвищену унікальну здатність демпфувати зовнішні навантаження у поверхневих шарах - більшу ніж інші матеріали. Виходячи з цього було обрано покриття молібдену і три покриття на основі нікелю ВКНА, ПС12НВК-01, ПГ10Н-01, що напилювали плазмовим способом.

Дослідження на фретинг-корозію проводили на машині тертя МФК-1 у діапазоні навантажень від 10 до 40 МПа й амплітуд від 50 до 300 мкм. Частота коливань і база випробувань залишалися незмінними і становили 30 Гц та 500 тис. циклів відповідно.

Дослідженнями встановлено, що в разі постійної кількості циклів, незалежно від видів покриттів, лінійний знос у діапазоні від 50 до 200-215 мкм зростає прямо пропорційно амплітуді переміщення і різко зростає за амплітуди 200-240 мкм. Слід зазначити, що швидкість зміни лінійного зносу для різних покриттів неоднакова. Встановлено, що існує деяка область, у якій відбувається зміна процесів з механохімічного на втомно-абразивний, у наслідок чого змінюються характери зношування з лінійних на параболічні.

Досліджено фретингостійкість покриттів за постійної швидкості ковзання і шляху тертя. Встановлено, що зі збільшенням амплітуди переміщень і частоти коливань знос зразків значно збільшується внаслідок активізації на поверхнях тертя втомних процесів, які спричиняють випадання окремих ділянок покриттів.

Фрактографічними дослідженнями доведено існування трьох основних типів пошкоджень плазмових покриттів у наслідок фретинг-корозії: ямкове, борознисте, макроямкове. Визначено, що різні стадії пошкодження залежать не тільки від матеріалу, але й від параметрів навантаження: амплітуди переміщення, навантаження і кількості циклів. Показано, що зі зміною параметрів тертя змінюються провідні процеси контактної взаємодії, про що свідчить неоднозначність зміни коефіцієнта тертя.

Дослідження поверхонь тертя та оксидів, які утворювалися в процесі тертя, дозволили визначити механізми зношування та встановити області працездатності покриттів при фретинг-корозії: нормальної фретингостійкості, помірної фретингостійкості і область неприпустимих умов експлуатації.

Проведено аналіз отриманих результатів з погляду реології контактної взаємодії. Визначено, що молібден, будучи міцним тугоплавким металом, після пластичної деформації проявляє високу мікропластичність, що відображається на підвищеному рівні амплітудозалежної області внутрішнього тертя. Невисока енергія зв'язку атомів домішок з дислокаціями, низьке порогове напруження старту роботи джерел дислокацій призводить до швидкого розмноження легкорухомих дислокацій унаслідок дії циклічних навантажень. Механізми гістерезисного і мікропластичного внутрішнього тертя забезпечують дисипацію підведеної механічної енергії з переведенням її в теплоту, одночасно будучи механізмами релаксації дислокації напруження - чинником зниження динамічної напруженості поверхонь тертя. На фоні дії дифузійних механізмів внутрішнього тертя (піки Сноєка і Кестера) релаксації і можливого розвитку зміцнення унаслідок динамічного деформаційного старіння молібден виявляє високу здатність релаксації дислокації в широкому діапазоні амплітуд ковзання при фретингу. Будучи парамагнетиком, молібден за низьких амплітуд деформацій виявляє меншу демпфуючу здатність, ніж феромагнітні матеріали, через відсутність втрат на магнітопружному гістерезисі.

За певних амплітуд фретингу, що викликають значні мікропластичні деформації, наклепи і підвищення контактної температури до 100-200 °С, ефективність магнітопружного гістерезису істотно знижується, що виявляється в погіршенні демпфуючих властивостей феромагнітних матеріалів. Молібден зберігає досить високу релаксаційну здатність в широкому амплітудно-температурному діапазоні фретингу. Нікель у жорстких режимах фретингу значно втрачає здатність до загасання коливань через зниження ефективності магнітопружного гістерезису. Тому за високоамплітудного фретингу молібден поводиться більш стійко.

Четвертий розділ присвячено дослідженню експлуатаційних властивостей плазмових покриттів для зміцнення та відновлення деталей з титанових сплавів. Проведено комплекс досліджень з визначення впливу плазмових покриттів на межу витривалості титанового сплаву ВТ-22, міцності зчеплення покриттів з основним матеріалом і випробування в умовах динамічного навантаження на зносостійкість.

Встановлено, що всі досліджені плазмові покриття знижують межу витривалості титанового сплаву ВТ-22, а піскоструменева обробка підвищує її з 510 до 560 МПа. Найменше зниження втомної міцності відбувається при нанесенні плазмового покриття молібдену, що має схожий з основою значення модуля пружності та невисоку загальну твердість та коли зберігається вплив попереднього обдуву корундом.

Показано, що в ході проведення експерименту плазмові покриття розтріскувалися, але трималися на поверхні. Сколювання покриттів з поверхні відбувалося у випадку напилення ВКНА і ПС12НВК-01, що свідчить про низьку міцність зчеплення покриттів до титанового сплаву і високу твердість покриття.

У ході дослідження міцності зчеплення плазмових покриттів з титановим сплавом ВТ-22 встановлено, що покриття молібдену мало майже однакову міцність зчеплення за товщін покриття 500 мкм та 1 мм. Слід зазначити, що покриття молібдену і ВКНА під час випробувань на міцність зчеплення відшаровувалися, тобто на поверхні залишалися місця, де покриття не відійшло від поверхні (адгезійно-когезійний характер). Виходячи з цього, можна зробити висновок, що дійсна міцність зчеплення покриттів молібдену і ВКНА зі сплавом ВТ-22 вища. Встановлено також, що використання підшару ВКНА для покриттів ПГ10Н-01 і ПС12НВК-01 збільшує їх адгезію на 4 і 10 МПа відповідно.

Для більшої достовірності результатів зношування покриттів проведено дослідження зношування покриттів за схемою циліндр-площина на напівнатурній установці в умовах динамічного навантаження.

Уперше проведено випробування в умовах динамічного навантаження з просковжуванням та динамічного навантаження з циклічним знакозмінним ковзанням (експерименти з роликом, що вільно обертається, і жорстко закріпленим роликом). Виявлено частку циклічного знакозмінного ковзання, яка визначається аналітично - відніманням результатів зносу при динамічному навантаженні з просковжуванням від динамічного навантаження з циклічним знакозмінним ковзанням.

Мінімальний знос відповідає умові випробування з роликом, що вільно обертається, тобто динамічному навантаженні з просковжуванням. Знос титанового сплаву ВТ-22 в 2-3 рази вищий за знос плазмових покриттів. Найбільший знос спостерігається за динамічного навантаження з циклічним знакозмінним ковзанням - окрім ударів покриття піддається і тертю ковзання у разі максимального відхилення консольно-закріплених пружин в обидва боки.

У разі відносного руху ролика поверхня покриття сприймає вібраційні навантаження, внаслідок чого в поверхневих шарах поширюються затухаючі хвилі деформацій - напружень. Механічна енергія, що підводиться при зовнішньому терті, передається в матеріал покриття за допомогою цих хвиль, що зумовлено непружними явищами, і характеризує здатність твердого тіла необоротно розсіювати енергію механічних коливань, перетворюючи її в тепло.

Дослідження свідчать про різні процеси, що відбуваються в контакті. У випадку плазмових покриттів ведучим механізмом зношування є нормальний механічний знос, спричинений утворенням і видаленням з поверхні тонких вторинних структур. У випадку зношування сплаву ВТ-22 виявляються більш характерні для фретинг-корозії втомно-корозійні процеси.

П'ятий розділ присвячено розробленню рекомендацій і удосконаленню технологічного процесу щодо зміцнення та відновлення рейок механізації крила літаків, виконаних з титанового сплаву ВТ-22.

Проведено аналіз літературних даних по фретингостійкості та електродному потенціалу газотермічних покриттів, нанесених плазмовим, детонаційним та імпульсно-плазмовим способами щодо авіаційних матеріалів. Встановлено, що покриття, нанесені плазмовим способом і детонацією, більш фретингостійкі. Порівняльним аналізом встановлено, що плазмове покриття молібдену в 1,5-2 рази більш зносостійке, ніж покриття ВТН-26 (випробування згідно ГОСТ 23.211-80), яке планувалось використовувати для відновлення рейок механізації крила.

Розроблено пристосування для видалення дефектного шару ділянок рейок механізації крила літаків при відновленні та обробці їх після газотермічного напилювання. Пристосування дозволяють з високою точністю, мінімально пошкоджуючи основний матеріал, ремонтувати пошкоджені ділянки рейок механізації крила літаків.

Показано схеми оцінювання потрібної товщини для підготовки поверхні рейки до механічної обробки і товщини напиленого покриття з урахуванням припуску на механічну обробку.

У додатках наведено: акт упровадження виконаних досліджень у виробництво на рейки механізації крила літаків серії Ан-148; інженерний аналіз оцінки відповідності захисту елементів конструкції крила, пілона навіски МДУ та оперення від стирання в процесі експлуатації, що відповідає вимогам 25.609(а)(3) сертифікаційного базису СБ-148 літаків моделей Ан-148-100А, Ан-148-100В, Ан-148-100Е, який показує впровадження результатів дослідження на ці літаки; схему розміщення рейки механізації крила на літаку і місця контакту роликів каретки з рейкою; схему розміщення зносів на рейках механізації крила; таблиці довідково-інформаційного призначення; підпрограму для статистичної обробки результатів дослідженнь.

Висновки

Виконані дослідження дозволили зробити такі основні висновки:

1. Встановлено основні закономірності процесів контактної взаємодії плазмових покриттів на титанових сплавах в умовах фретинг-корозії. Визначено перехідні області параметрів зовнішнього навантаження (амплітуди і навантаження) у зв'язку зі зміною процесів контактної взаємодії з механохімічних на втомно-абразивні і закономірностей зношування з лінійних на параболічні (наприклад, якщо 10-30 МПа то 200-230 мкм, 40 МПа то 170-180 мкм). Визначено області працездатності плазмових покриттів в умовах фретинг-корозії.

2. Вперше визначені основні закономірності контактної взаємодії плазмових покриттів і сплаву ВТ-22 в парі зі сталлю 95Х18Ш в умовах динамічного навантаження з просковжуванням і динамічного навантаження з циклічним знакозмінним ковзанням. Показано, що використання покриття молібдену збільшує зносостійкість високоміцного титанового сплаву ВТ-22 в 20 разів в умовах динамічного навантаження з циклічним знакозмінним ковзанням. Показано, що зносостійкість сплаву ВТ-22 погіршується в десятки разів, а плазмових покриттів в 3-5 раз при випробуваннях на динамічне навантаження з циклічним знакозмінним ковзанням порівняно з динамічним навантаженням з просковжуванням.

3. Визначено, що плазмові покриття знижують межу витривалості сплаву ВТ-22. Запропоновано, що при виборі покриттів необхідно ґрунтуватися на близькість значення модуля пружності покриття до матеріалу деталі, що забезпечує мінімум зниження. Встановлено, що зі збільшенням амплітуди і зменшенням частоти та кількості циклів напрацювання, при постійному шляху тертя пошкоджувальність плазмових покриттів збільшується унаслідок дії на поверхні тертя втомних процесів.

4. Встановлено, що молібден зберігає достатню здатність релаксації в широкому діапазоні фретинг-корозії, що підтверджують наші експериментальні результати досліджень.

5. Розроблено практичні рекомендації щодо зміцнення і відновлення рейок механізації крила літаків, виконаних з високоміцного титанового сплаву ВТ-22, які упроваджені на АНТК ім. О.К. Антонова на літаки Ан-148-100 (моделі Ан-148-100А, Ан-148-100В, Ан-148-100Е). Розроблено алгоритм, визначено принципи і вимоги до покриття для відновлення рейок механізації крила літаків.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сідоров В.Б., Краля В.О., Хімко А.М. Вплив знаку зовнішнього статичного навантаження на опір деформації матеріалів з газотермічними покриттями // Проблеми тертя та зношування: Наук.-техн. зб. - К.: НАУ, 2006. - Вип. 45. - С. 151-159. (Здобувачем проведено лабораторні випробування та обробка результатів (25 %)).

2. Краля В.О., Моляр О.Г., Хімко А.М., Пугачевський Д.О. Вибір газотермічного покриття для відновлення монорейок механізації крила літаків // Вісн. НАУ. - 2006. № 2. - С. 85-88. (Здобувачем проведено теоретичні та експериментальні дослідження міцності зчеплення та фретингостійкості газотермічних покриттів до високоміцного титанового сплаву ВТ-22 (60 %)).

3. Краля В.О., Хімко А.М., Бородій В.М. Зносостійкість плазмових покриттів при постійній роботі тертя // Проблемы прочности - 2007. № 5 - С. 94-100. (Здобувачем проведено теоретичні та експериментальні дослідження зі зносостійкості покриттів при постійній роботі тертя, обробку результатів випробувань та фрактографічні дослідження (70 %))

4. Краля В.О., Моляр О.Г., Хімко А.М., Пугачевський Д.О. Втомні характеристики титанового сплаву ВТ-22 із зносостійкими покриттями // ФХММ. - Л. 2006. - № 6. - С. 119-122. (Здобувачем проведено дослідження, обробку результатів випробувань та фрактографічні дослідження (45 %)).

5. Краля В.О., Хімко А.М., Якобчук А.Є. Фретингостійкість плазмових покриттів // Вісн. НАУ. - 2006. № 4. - С. 108-113. (Здобувачем проведено лабораторні випробування газотермічних покриттів, теоретично та практично обґрунтовано механізми їх зношування, визначено оптимальне покриття (70 %)).

6. Kralya V.A., Khimko А.N., Borodiy V.N., Yakobchuk А.Y. Facilities for restoration of monorail of mechanization of a wing of aircrafts // Вісн. НАУ. - 2006. № 3. - С. 57-59. (Здобувачем розроблено пристосування для підготовлення монорейок до напилювання та наступного їх шліфування після відновлення (60 %)).

7. Хімко А.М. Фретингостійкість сплаву ВТ-22 з авіаційними матеріалами // Проблеми тертя та зношування: Наук.-техн. зб. - К.: НАУ, 2006. - Вип. 46. - С. 84-90.

8. Краля В.А., Химко А.Н. Рекомендации по восстановлению повреждений деталей самолетов, изготовленных из титановых сплавов // Матеріали VII Міжнар. наук.-техн. конф. «Авіа-2006» (Україна, м. Київ, 25-27 вересня) - К.: НАУ. - 2006. - Т.II. - С. 3.46-3.49. (Здобувачем проведено трибологічні та фрактографічні дослідження, розробка пристосувань для відновлення деталей, виготовлених із титанових сплавів (60 %)).

9. Химко А.Н., Краля В.А., Пугачевский Д.А., Моляр А.Г. Влияние плазменных газотермических покрытий на предел выносливости титанового сплава ВТ-22 // Науч.-техн. журн. «Титан», - М., 2007. - № 1 (20). - С. 49-52. (Здобувачем проведено теоретичні та експериментальні дослідження із впливу газотермічних покриттів на межу втоми титанового сплаву ВТ-22 (50 %)).

10. Краля В.А, Химко А.Н, Пугачевский Д.А. Восстановление деталей из титановых сплавов работающих в условиях фреттинг-коррозии, методами газотермического напыления // Матеріали VIII Міжнар. наук.-техн. конф. «Авіа-2007» (Україна, м. Київ, 25-26 квітня), - К.: НАУ. - 2007. - Т.II. - С. 32.5-32.8. (Здобувачем проведено дослідження зі зносостійкості газотермічних покриттів, зроблено аналіз покриттів, які використовуются для відновлення деталей з титанових сплавів (60 %)).

11. Моляр А.Г., Ивасишин О.М., Краля В.А., Химко А.Н., Пугачевский Д.А., Антонюк С.Л., Мисан Л.Г. / Выбор износостойких покрытий для титановых деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок и упругих деформаций // Тр. Междунар. конф. Тi-2007 в СНГ (Украина, г. Ялта 15-18 квітня). - К.: ИМФ НАН Украины, 2007. - С. 287-292. (Здобувачем проведено лабораторні випробування та обробку результатів (20 %)).

12. Хімко А.М., Краля В.О., Якобчук А.Є. Методика вибору покриття для відновлення елементів крила літаків // Проблеми тертя та зношування: Наук.-техн. зб. - К.: НАУ, 2007. - Вип. 48. - С. 204-213. (Здобувачем проведено аналіз методів щодо відновлення елементів крила, розроблено алгоритм вибору оптимального покриття для зміцнення та відновлення монорейок механізації крила літаків (70%)).

Размещено на Allbest.ru