Процеси контактної взаємодії в трибоз’єднаннях і зносостійкість жароміцних сплавів в екстремальних умовах

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Хмельницький технологічний університет Поділля

УДК 621.891: 669.018.44

Процеси контактної взаємодії в трибоз'єднаннях і зносостійкість жароміцних сплавів в екстремальних умовах

Спеціальність 05.02.04 - тертя та зношування в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Івщенко Леонід Йосипович

Хмельницький 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті, Міністерство освіти України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Внуков Юрій Миколайович, Запорізький державний технічний університет, проректор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Дідик Ростислав Петрович, Дніпропетровська національна гірнича академія, завідувач кафедри технології гірничого машинобудування, м. Дніпропетровськ;

доктор технічних наук, професор Кузьменко Анатолій Григорович, Технологічний університет Поділля, завідувач кафедри зносостійкості і надійності машин, м. Хмельницький;

доктор технічних наук, професор Любченко Анатолій Петрович, ДП “з-д ім. Малишева”, керівник Центральної лабораторії, м. Харків.

Провідна установа: Київський міжнародний університет цивільної авіації, кафедра технології ремонту та виробництва літальних апаратів та авіаційного матеріалознавства, Міністерство освіти України.

Захист дисертації відбудеться “ 19 “ жовтня 1999р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 70.052.02, Технологічний університет Поділля, 280016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Технологічного університету Поділля, 280016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11.

Автореферат розісланий “ “ вересня 1999р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кіницький Я.Т.

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 1000оС) циклически меняющихся температурах (скорость нагрева может достигать 250оС/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.

устаткування трибовузел конструктивний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Конкурентноздатність машин залежить від ряду чинників, серед яких одне з перших місць займає ресурс. Для сучасних енергетичних установок і зокрема авіаційних двигунів ресурс визначається довговічністю найбільше відповідальних деталей гарячої частини таких як диски, робочі і соплові лопатки турбіни, термін служби яких багато в чому залежить від зносу контактних поверхонь. Так, наприклад, знос бандажних полиць турбіни на 0,5мм викликає майже десятикратне підвищення вібраційних напруг у пері лопатки, що призводить до руйнування від втомленості останньої і відмови двигуна в цілому. Якщо врахувати, що тільки в одному робочому колесі турбіни кількість таких лопаток може бути більше 100 (у залежності від конструкції двигуна), то можливість відмови виробу при руйнуванні лопатки значно підвищується.

Процеси тертя і зношування, а також руйнування поверхневих прошарків деталей гарячої частини газотурбінних установок, визначаються динамічним характером навантажень у контакті, амплітудами взаємного переміщення, що створюють специфічні умови контактної взаємодії (удар із наступним просковзуванням). При цьому на трибосполучення впливають високі (до 1000оС) циклічно мінливі температури (швидкість нагрівання й охолодження може досягати в деяких випадках 250 град/c), утворювані високотемпературним агресивним газовим потоком, що складається з продуктів згоряння палива. Такий комплекс умов навантаження викликає складний об'ємний напружений стан поверхневих прошарків матеріалів пар, що контактують. Цим пояснюються обмежені можливості загальних положень теорій тертя, а також більшості результатів експериментальних досліджень. Крім того, традиційні методи досліджень засновані на роздільному вивченні впливу одного або вкрай обмеженого числа факторів без урахування їхньої взаємодії, а також без урахування динаміки системи в цілому.

У світовій практиці просліджується напрямок розвитку функціонально орієнтованих методів досліджень і їхньої кореляції з даними, одержуваними при дослідженні на реальних виробах. Це цілком закономірно, оскільки проектування трибовузлів на основі звичайних конструкційних рішень без урахування специфічності умов їхньої експлуатації (насамперед зміни навантажувальних параметрів у часі) найчастіше призводить до того, що такі трибоз'єднання виявляються недостатньо надійними. Підтвердженням сказаному є аналіз статистичних даних, відповідно до якого число відмов двигунів збільшується з підвищенням часу їхньої роботи на несталих динамічних режимах. Доречно відзначити, що достовірність одержуваних результатів при натурних випробуваннях дуже низька через великий розкид контрольованих величин, що є наслідком характеру контактної взаємодії, яка змінюється в часі. Цей характер у кожної окремо взятої машини (двигуна) є своїм і буде залежати як від конструктивних особливостей виробу, так і від технології його виготовлення. Тому виникає нагальна потреба у визначенні характеру навантаження трибовузлів, діапазонів навантажувальних параметрів, їхньої еволюції в процесі експлуатації, упорядкуванні на базі статистичних даних типового комплексу навантажувальних режимів і їхньої зміни за встановлений період часу (для авіаційного двигуна це буде типовий політ літака). Дослідивши вплив кожного з параметрів навантаження окремо або в сукупності на трибохарактеристики вузла (деталі), можна визначити еквівалентний стан взаємодіючих поверхонь і потім моделювати ці стани в лабораторних умовах. Таке моделювання дає можливість підвищити достовірність одержуваних результатів і значно скоротити терміни випробувань. З іншого боку дослідження механізму пошкоджуваності матеріалів, створення моделей зношування контактних поверхонь деталей, що працюють в екстремальних умовах, дозволяють цілеспрямовано створювати (або вибирати з числа існуючих) зносостійкі матеріали, розробляти конструктивно-технологічні заходи, спрямовані на підвищення довговічності деталей, що зношуються.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт Міністерства авіаційної промисловості, що входили в державні програми підвищення технічного рівня і конкурентноздатності авіаційних двигунів, а також згідно з наказом МО України 20-Д 07.02.96 р.

Мета і основні задачі досліджень.

Мета: вирішення наукової проблеми підвищення довговічності трибоз'єднань, що експлуатуються в умовах динаміки навантаження, високих циклічно мінливих температур і газових середовищ.

Для досягнення поставленої мети визначені такі основні задачі досліджень:

1. Виконати аналіз конструктивних особливостей трибовузлів гарячої частини ГТУ та умов їхньої експлуатації.

2. Обгрунтувати і розробити комплекс методик і експериментального устаткування для дослідження трибохарактеристик матеріалів, що працюють в екстремальних умовах.

3. Визначити основні закономірності тертя і зношування жароміцних матеріалів при контактній взаємодії в екстремальних умовах.

4. Розробити, дослідити і застосувати у виробництві ГТУ конструктивно-технологічні заходи, спрямовані на підвищення зносостійкості деталей.

Наукова новизна отриманих результатів. З використанням спеціально створеного газодинамічного стенда, ряду експериментальних установок і розроблених методик, що забезпечують фізичне моделювання умов навантаження трибовузлів стаціонарних і авіаційних ГТУ і дозволяють досліджувати процеси тертя і зношування матеріалів в умовах динаміки навантаження в широкому діапазоні контактного тиску, частот, амплітуд взаємного переміщення, температур як постійних, так і циклічно мінливих, а також при зміні перерахованих параметрів, що програмуються:

1. Встановлено основні закономірності тертя і зношування за умов динамічного навантаження та високих температур. Зокрема визначено:

- температура поверхонь, що контактують, впливає на трибохарактеристики (абсолютний розмір зносу, інтенсивність зношування, коефіцієнт тертя) найбільш істотно і, як правило, призводить до їх зниження. При цьому має місце критична температура, де зниження найбільш суттєве;

- 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;

- 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 однієї поверхні на іншу. Перенесені об'єми матеріалу руйнуються внаслідок малоциклової втомленості. Поява зазору в з'єднанні призводить до розвитку процесів удару, що можуть цілком порушити упорядковану послідовність швидкостей зносу матеріалів, що має місце при взаємодії поверхонь в умовах без розриву контакту;

- в умовах термоциклування підвищений знос робочих поверхонь визначається протіканням протягом одного термоциклу процесів окислення та втомленості.

2. Встановлено вплив параметрів газоповітряного потоку на трибохарактеристики жароміцних сплавів при контактній взаємодії. Показано роль, що превалює, мікроударного, теплового і корозійного процесів.

3. Розроблені за допомогою методу групового урахування аргументів математичні залежності впливу зовнішніх параметрів навантаження на інтенсивність зношування, а також модель зношування, що враховує фізико-механічні властивості поверхневого прошарку матеріалів.

4. На основі проведених трибологічних і металофізичних досліджень поверхонь тертя як у натурних, так і в лабораторних умовах сформульовані основні принципи моделювання еквівалентних станів трибологічних пар, що експлуатуються в особливих умовах, які включають трибологічні, кінематичні, навантажувальні, металофізичні і фізико-механічні критерії.

Теоретична і практична цінність отриманих результатів і їхня реалізація. Теоретична цінність дисертації визначається створенням комплексу методик і експериментального устаткування, а також одержанням закономірностей зношування жароміцних матеріалів в умовах контактування при ударі, ударі з просковзуванням, газового середовища, підвищених температур як постійних, так і циклічно мінливих, установленням механізму зношування в особливих умовах, розробкою основних принципів моделювання еквівалентних станів трибологічних з'єднань. Використання отриманих закономірностей дозволяє цілеспрямовано розробляти зносостійкі матеріали і технології, застосування котрих істотно підвищує ресурс виробів. Практична цінність визначається обсягом розроблених і впроваджених у виробництво конструктивно-технологічних рішень.

1. Розроблено і впроваджено у виробництво ЗМКБ «Прогрес» метод прискорених випробувань трибоз'єднань замість тривалих еквівалентних випробувань, що дозволяє в 18 - 22 рази підвищити достовірність випробувань і на порядок знизити їхню тривалість.

2. Розроблено і впроваджено на підприємствах №400, 410, ЗМКБ «Прогрес» зносостійкий евтектичний сплав системи 12Х18Н10Т-TiCrB2 (ХТН-23) для відновлення зношених поверхонь деталей гарячої частини авіаційних ГТД, що дозволив підвищити зносостійкість в 4 - 4,7 рази у порівнянні зі сплавом, що застосовується серійно.

3. Розроблені і пройшли апробацію в промислових умовах зносостійкі сплави на основі кобальту, призначені для бандажних полиць робочих лопаток турбіни (ХТН-37, ХТН-61), застосування яких збільшує довговічність елементів лопаток у 4 - 6 разів (у порівнянні із серійно використовуваним сплавом ВЖЛ-2).

4. Розроблені та впроваджені на підприємствах №400, 410, АТ «Мотор Січ», ЗМКБ «Прогрес» метод і устаткування для експрес-оцінки якості відновлення зношених поверхонь.

5. Розроблено і впроваджено методичний посібник із відновлення і складання робочих лопаток турбіни ГТД.

Економічний ефект від впровадження у виробництво розробок дисертаційної роботи склав 28,63 тис. руб. у розрахунку на один двигун (ціни 1989 р.)

Особистий внесок автора в розробку отриманих результатів. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, зокрема: розробка програм і методик досліджень, експериментального устаткування, захищених авторськими посвідченнями і патентами; особиста участь в експериментальних дослідженнях; аналіз і узагальнення результатів, виробничі випробування і впровадження.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались і були обговорені на Міжнародних, Всесоюзних, Республіканських науково-технічних конференціях і семінарах, а саме: Міжнародній науково-технічній конференції «Износостойкость машин» (Брянск, 1994), Міжнародних конференціях «Износостойкость и надежность машин» (Хмельницкий, 1996, 1997), International Conference «New Structurual Steels and Alloys» (Zaporohye, 1995), Міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва» (Київ, 1998), I - V Всесоюзних конференціях «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (Запорожье, 1980, 1983, 1986, 1989, 1992), Республіканській науково-технічній конференції «Размерный анализ и статистические методы регулирования технологических процессов» (Запорожье, 1981), IX Всесоюзній нараді по жаростійким покриттям (Запоріжжя, 1979), Міжнародному науково-технічному семінарі «Высокие технологии в машиностроении) Interpartner-99 (Харьков, 1999), а також науково-технічних радах КБ по двигунах моторобудівних та мотороремонтних підприємств України (ЗМКБ «Прогрес», АТ «Мотор-Січ», завод №410), Росії (КБ «Сатурн», КБ «Салют», завод №400) та інш.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 29 друкованих працях, зокрема: в одній монографії; у 24 статтях (11 одноособових); 2-х авторських посвідченнях на винаходи; у 2-х патентах.

Характеристика методології, методу дослідження й об'єкта. Робота присвячена проблемі підвищення зносостійкості трибоз'єднань, що працюють в особливих умовах, шляхом розробки нових матеріалів і технологій. Тому методологія досліджень передбачає: моделювання процесів контактної взаємодії в трибоз'єднаннях за допомогою фізичних моделей; вивчення закономірностей зношування матеріалів деталей пар тертя як при роздільному, так і комплексному впливі навантажувальних параметрів, а також стан їхніх фрикційних характеристик за допомогою створеного спеціального устаткування; встановлення закономірностей зміни характеристик матеріалів у зоні контакту, структурних і фазових перетворень як у натурних деталях, так і в модельних умовах, із використанням методів і засобів металофізичних досліджень. Необхідність проведення таких досліджень викликала потребу: аналізу особливостей вивчення трибологічних характеристик жароміцних матеріалів, що експлуатуються в екстремальних умовах; визначення діапазонів величин навантажувальних параметрів, що діють на реальні трибовузли, і розробку на цій основі комплексу експериментального устаткування; вибору і доробки методів досліджень якісних змін у поверхневому прошарку матеріалів , що контактують. Об'єктом досліджень були трибовузли гарячої частини газотурбінних установок.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 284 найменувань і додатків щодо практичної реалізації результатів роботи. Основна частина дисертації включає 380 сторінок друкарського тексту, містить 173 рисунка (113 сторінок) і 32 таблиці.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі визначена актуальність проблеми, що вирішена в дисертації, сформульована мета, наукова новизна та основні положення, що автор виносить на захист.

У першому розділі дисертаційної роботи проведено:

1. Аналіз особливостей вузлів тертя й пошкодження деталей ГТУ в зв'язку зі зносом при контактній взаємодії.

2. Оцінку зміни працездатності робочих лопаток турбіни в залежності від ступеня зносу бандажних полиць.

3. Аналіз пошкоджень типових з'єднань в зв'язку з технологічними факторами.

4. Аналіз характеру пошкоджень від зношування.

5. Оцінку умов формування пошкоджень.

6. Аналіз стану досліджень в області зношування матеріалів в екстремальних умовах.

7. Вибір основних етапів досліджень.

Аналіз вузлів тертя гарячої частини ГТУ показав, що їхніми особливостями є конструкція, кінематика взаємного переміщення контактних поверхонь, умови роботи, що включають високі циклічно мінливі температури, характер прикладання зовнішніх навантажень (наявність удару з наступним просковзуванням), хімічний вплив газового середовища. З аналізу статистичних даних по пошкоджуваності деталей випливає, що більш 60% деталей із загального числа зношених підлягають дії динамічного контактного навантаження, що характеризується циклічною зміною навантаження (змінюється від нуля до максимуму). До таких деталей відносяться: корпуси соплових апаратів, елементи фіксації камери згоряння, діафрагми, соплові лопатки (пошкоджуються елементи передньої фіксації), робочі лопатки турбін (зношуються бандажні полиці) та ін.

Аналіз характеру пошкоджень контактних поверхонь (залежить від поєднання параметрів навантаження, фізико-механічних властивостей матеріалів, стану поверхонь, наявності плівок та ін.) показує, що пошкодження можуть виникати внаслідок: зминання та пластичного відтиснення металу в різні боки; схоплення поверхонь і переносу металу; контактної втомленості; інтенсифікації окислювальних процесів; накладання перерахованих процесів одного на інші.

Характерні пошкодження, що спостерігаються в окремих деталях гарячої частини ГТУ, як показує аналіз топографії зношених поверхонь, завжди мають місце в бандажних полицях робочих лопаток турбіни. Останнє не випадково, оскільки ці елементи зазнають весь спектр навантаження, частот і температур, у той час як окремі деталі знаходяться в більш вузьких діапазонах навантаження. Підвищений знос контактних поверхонь бандажних полиць лопаток може призвести до втрати початкового натягу (тобто появи зазору), а отже, до підвищення вібраційних напруг у критичних перерізах лопаток, що, в кінцевому рахунку, може призвести до руйнування від втомленості останніх і відмови двигуна в цілому. Тому як основний об'єкт дослідження були вибрані бандажні полиці лопаток турбіни.

З аналізу типових з'єднань виходить, що деталі трибоз'єднань, які зношуються в екстремальних умовах, виготовлені з матеріалів: ЖС6У, ЖС6К, ЖС26 - 34%; ХН77ТЮР - 25%; ХН62МВКЮ - 10%; ВЖ98 - 8%; ХН80Т6Ю - 8%; інші матеріали - 15%. Окрім того, в ремонтному і частково в основному виробництві для підвищення зносостійкості використовуються сплави ВЖЛ2, сплави типу ХТН, для відновлення зношених поверхонь - ВЗК, Х30Н50Ю5Т2 та ін. Слід визначити, що підбір матеріалів виконується (за рідким виключенням) перш за все з метою забезпечення міцності конструкції. Використання ж покриттів (алітування, алюмосіліціювання, латуніювання, наплавок для відновлення поверхонь зношування, напайок пластин) виконуються з точки зору підвищення зносостійкості при терті ковзання, що не задовольняє потребам забезпечення необхідних характеристик працездатності при динамічних контактних навантаженнях в умовах термоциклування.

Аналіз умов формування пошкоджень деталей гарячої частини ГТУ, що експлуатуються в екстремальних умовах, виконаний в основному на прикладі бандажних полиць робочих лопаток турбіни двигунів різноманітних конструкцій, дозволив оцінити діапазони параметрів навантаження, що знаходяться в межах: питоме навантаження в контакті - 10 - 70 МПа, амплітуда взаємних переміщень - 0,005 - 0,2мм, температура - до 1000оС. Результати проведеного аналізу були покладені в розробку експериментального устаткування для випробувань трибологічних характеристик матеріалів, що працюють в екстремальних умовах.

Оскільки в літературних джерелах майже відсутні відомості в області дослідження процесів контактної взаємодії та зношування матеріалів за екстремальних умов, в яких би переслідувались ті ж цілі, що і в цій роботі, то в дисертації наведено стислий літературний огляд, однак обговорення літературних джерел з окремих питань дисертаційної роботи дається у відповідних її розділах. Внаслідок аналізу літературних даних слід зазначити грунтовність досліджень впливу зовнішніх параметрів навантаження на зносостійкість матеріалів. Питанням впливу динамічних режимів роботи на процеси тертя і зношування, на довговічність деталей машин присвячені роботи А.Я. Аляб'єва, С.В. Венцеля, Н.Л. Голега, В.А. Гришка, В.В. Запорожця, В.Е. Канарчука, В.Н. Лозовського, В.Д. Євдокімова, С.В. Серенсена, Е.А. Чудакова, В.В. Шевелі, Д.М. Годфрі, Р. Уотерхауза, И. Холлідея й ін. Проте виконані дослідження не дають відповіді на багато питань практики конструювання, експлуатації і відновлення трибовузлів ГТУ, оскільки мають відношення, в основному, до конструкційних сталей і сплавів, що експлуатуються в умовах нормальних температур.

Зносостійкість матеріалів при підвищених температурах досліджувалася А.П. Семеновим, Ю.Г. Ткаченком, В.В. Шевелею, А.В. Карасьовим, Л.А. Чатиняном, И.Г. Носовським, И.В. Петерсоном, Дж. Гласготом, Г. Вудом, М. Оверсом та ін. Водночас, у роботах цих авторів досліджуються процеси тертя та зношування в умовах однонаправленого тертя ковзання, або реверсивного тертя (без розриву контакту) і не враховується динамічний характер контактного навантаження, який прикладається нормально до поверхні тертя. Між тим, розрив контакту призводить до появи значних ударних навантажень, що не може не відбитись на процесах тертя та зношування. Основні положення проведених раніше досліджень використані для порівняння з результатами, отриманими автором у більш жорстких умовах навантаження.

Послідовність етапів наукового пошуку закономірностей зношування робочих поверхонь деталей гарячої частини ГТУ і розробки заходів щодо підвищення їхньої довговічності деталізовані на рис. 1.

Другий розділ присвячений питанням методичного обгрунтування досліджень. Визначено, що вибір методики досліджень потребує урахування специфіки навантаження, що полягає в циклічному навантаженні, кінематиці руху (удар із наступним просковзуванням), періодичному тепловому впливі, корозійно-ерозійному впливі високошвидкісного газового потоку, що складається з продуктів згоряння палива. Спільна дія навантажувальних факторів ініціює в поверхневому прошарку деформаційні процеси, що сприяють зміні структурного, фазового і напруженого станів, інтенсифікації дифузійних і окислювальних процесів, які мають істотний вплив на зношування деталей.

Вибір тих або інших заходів, спрямованих на підвищення зносостійкості деталей, потребує системного підходу до розв'язання поставлених задач. Так, наприклад, розробка або добір матеріалів (покриттів) для робочих поверхонь трибовузлів диктує необхідність розробки механізмів зношування, що базуються на основних закономірностях зношування поверхні в цих умовах, дослідженнях деформаційних, хімічних, термодинамічних процесів у зоні контакту, виявлення внеску кожного з факторів, що викликають пошкоджуваність матеріалу поверхонь тертя. Вибір раціональної конструкції вузла або оптимізація навантажувальних режимів потребує дослідження впливу зовнішніх механічних і теплових параметрів на розмір і характер зносу робочих поверхонь. І, нарешті, - перевірку ефективності того або іншого технічного рішення можна здійснити або на реальній машині, що потребує дуже великих витрат, або на стенді, що адекватно моделює умови роботи вузла тертя. В останньому випадку повинно ставитися питання про ступінь надійності отриманих результатів, що забезпечується можливістю виміру параметрів зносу оригіналу і моделі, а також ідентичністю топографії зношених поверхонь.

Реалізація такого підходу здійснюється фізичним моделюванням процесів контактної взаємодії, що протікають у парах тертя, навантажених змінними температурним і силовим полями, за допомогою комплексу експериментальних установок. Розроблений комплекс експериментального устаткування включає:

- газодинамічний стенд ДКН-1 (рис. 2), що дозволяє моделювати кінематику переміщень, тепловий і напружений стан реального трибовузла, дає можливість досліджувати кінетику пошкоджуваності поверхневого прошарку без зняття зразків з установки. Служить для опробування конструктивно-технологічних засобів підвищення зносостійкості деталей, а також здійснення експрес-методу оцінки працездатності покриттів;

- установку для дослідження зношування при динамічному контактному навантаженні ДКН-2 (рис. 3), що дозволяє досліджувати роздільний вплив параметрів навантаження (амплітуди, навантаження, частоти, температури, газового середовища) на трибологічні характеристики матеріалів, а також проводити випробування при програмованій зміні режимів навантаження;

- установку для дослідження зношування при нормальному прикладенні навантаження до зразків («чистий» удар) як при нормальних, так і підвищених температурах (рис. 4).

Внаслідок специфіки експериментального устаткування розроблені методики визначення навантажувальних параметрів для кожної з установок.

При випробуваннях передбачався контроль параметрів, які визначають протікання процесів руйнування поверхневого прошарку (сила тертя, навантаження в контакті, частота й амплітуда коливань, число циклів навантаження, температура, швидкість потоку газоповітряного середовища). Кількісно пошкоджуваність оцінювалася величиною об'єму зношеного матеріалу, а також максимальною глибиною пошкоджуваності із використанням методу профілографування.

Матеріалами для досліджень служили жароміцні матеріали на нікелевій основі, зміцнені інтерметалідною фазою Ni3(Al, Ti): ЖС6К, ХН77ТЮР, ЖС26, ЖС6У-ВИ, ХН62МВКЮ, ВЖЛ-2, а також ряд зносостійких покриттів, що наносяться на контактні поверхні наплавленням, напайкою пластин, електроіскровим легуванням, дифузійним насиченням із наступною механічною і термічною обробкою. Вибір матеріалів обумовлений частотою застосування їх у трибоз'єднаннях гарячої частини газотурбінних енергетичних установок і, зокрема, авіаційних двигунів. Контакт здійснювався за формою площина - площина, матеріали зразків однойменні. Зразками для випробувань служили натурні деталі (робочі лопатки турбіни), а також Т-образної форми зразки, при виборі яких керувалися прагненням максимально наблизити умови випробувань до експлуатаційних і, по можливості, виключити вплив масштабного фактора. Для досліджень в умовах «чистого» удару використовувалися конусні зразки.

Вибір режимів випробувань здійснювався відповідно до типу задач вирішуваних при дослідженнях:

- задача оптимального конструювання трибоз'єднань із погляду забезпечення максимальної зносостійкості;

- визначення опору зношуванню різноманітних матеріалів і покриттів, призначених для роботи в конкретному трибоз'єднанні;

- дослідження ступеня впливу реальних режимів експлуатації для побудови моделі зношування при програмованій зміні режимів навантаження;

- дослідження впливу газового середовища, що складається з продуктів згоряння палива, на зносостійкість матеріалів;

- дослідження впливу на зносостійкість матеріалів статичних і перемінних (динамічних) як механічних, так і теплових навантажень.

Дослідження трибологічних процесів із метою визначення основних закономірностей потребує комплексної оцінки характеристик поверхневих прошарків, їхньої структури і напруженого стану. Вивчення структури поверхневих прошарків деталей і зразків передбачає фотографування місць ушкодження, металоструктурний, електронномікроскопічний, рентгеноструктурний і рентгеноспектральний мікроаналіз (РСМА). У процесі досліджень визначалася мікротвердість поверхонь тертя, виявлялися характерні зміни, що відбуваються при динамічному контактному навантаженні: накопичення пошкоджуваності в поверхневих прошарках, окислювання і руйнування поверхонь, виділення і коагуляція інтерметалідних фаз і т.д.

Вивчення мікроструктури поверхонь контактної взаємодії проводилося за допомогою світлових оптичних мікроскопів типу МБС. Металоструктурний аналіз поверхні тертя здійснювався на мікроскопах МИМ-8, МИМ-10. Для дослідження розходжень між фазами застосовувався растровий мікроскоп JSM-43. Дослідження характеру руйнування поверхневих прошарків проводилося на просвітчастому електронному мікроскопі УЭМБ-100К, а також електронному растровому мікроскопі JSM T-300. Фазовий склад робочих поверхонь оцінювався методом рентгеноструктурного фазового аналізу на дифрактометрах ДРОН-1, рентгенівському дифрактометрі IIHZC-4A/2. Ідентифікацію фаз, що зміцнюють, проводили за допомогою рентгеноспектрального мікроаналізу (РСМА) на мікроаналізаторі МАР-3. Тип карбідів, причини їхньої нестабільності, а також природа структурних змін матриці в приповерхневій зоні деяких сплавів визначалися рентгеноспектральним мікроаналізом на приладі «Саmеса MS46». Якісні зміни структури в зоні контакту оцінювалися за допомогою растрового електронного мікроскопа «StereoskanS4» із приставкою РСМА.

При одержанні кількісних залежностей, з огляду на статистичний характер параметрів, що реєструються, у роботі застосовані методи планованого експерименту і кореляційного аналізу.

У третьому розділі досліджуються процеси зношування при динамічних режимах навантаження. На достатньо великій вибірці (більш 90 комплектів лопаток двигунів) проведені дослідження процесів зношування бандажних полиць, у результаті чого встановлено, що: лінійний знос лопаток по робочому колесу має нерівномірний характер (рис. 5), коли абсолютна величина зносу коливається в межах від 0,1 до 1,5 мм; із збільшенням часу експлуатації лінійний знос змінює свій характер від монотонно зростаючого (наробіток нижче 1000 годин) до різкого збільшення внаслідок еволюції навантажувальних параметрів (амплітуда, навантаження в контакті) у бік їхнього збільшення; спостерігаються три характерних типи зношених поверхонь у зоні контакту (відповідно до характеру з'єднання натяг, зазор, «нульовий» зазор), які обумовлені як технологією складання деталей, так і зносом останніх у процесі експлуатації; у залежності від наробітку має місце періодична зміна характеристик якості поверхневого прошарку (мікротвердості, деформаційної структури, /-фази, параметра решітки основного твердого розчину). У загальному випадку процес контактної взаємодії натурних деталей складається з ряду складових (див. схему рис. 6). Найбільш істотний внесок у загальний знос можуть вносити процеси взаємодії без розриву контакту, при ударі й ударі з наступним просковзуванням.

Випробуваннями зносостійкості матеріалів в умовах без розриву контакту встановлено, що: характер залежностей впливу параметрів навантаження на інтенсивність зношування подібний отриманим раніше при дослідженнях в умовах фреттінг-коррозії, хоча значення коефіцієнта інтенсивності зношування відрізняються за абсолютною величиною; число циклів навантаження до появи рівноважної шорсткості залежить від пластичності матеріалу і температури, із підвищенням котрих це число знижується і знаходиться в межах (0,08 - 0,1)·106; зона температур, при яких відбувається зниження коефіцієнта інтенсивності зношування для сплаву ХН77ТЮР виражена явно (на відміну від сплавів ЖС6У і ВЖЛ-2), складає розмір порядку 450 - 500оС і визначається окислювальною спроможністю матеріалів.

В умовах із розривом контакту без тангенціального зміщення досліджено вплив кількості ударів та енергії удару на інтенсивність зношування. Показано, що з підвищенням кількості ударів остання відносно швидко спадає і досягає практично сталого значення при 15 - 20*103 циклів. У порівнянні з початковою інтенсивністю зношування цей спад сягає 1,7 - 2 рази. Підвищення температури випробувань до 600оС зменшує критичну кількість ударів на 1/3 і знижує інтенсивність зношування випробуваних сплавів в 3 - 3,5 рази. Зі зростанням енергії удару це зниження має тенденцію до зменшення. Поверхневий оксидний прошарок, що утворюється з підвищенням температури, грає двоїсту роль: з одного боку інтенсифікація зростання оксидного прошарку викликає його роздрібнення і самовідшарування, збільшуючи тим самим інтенсивність зношування, і з іншого боку - поверхневий оксидний прошарок, володіючи спроможністю, що демпфірує, служить у ролі бар'єра для передачі енергії, яка витрачається на деформування основного матеріалу, внаслідок чого сповільнюються явища втомленості в ньому. Упорядкована послідовність інтенсивностей зношування сплавів ЖС6У і ВЖЛ-2 при переході від тертя в умовах без розриву контакту до взаємодії при ударі цілком порушується (рис. 7), що є наслідком руйнування при ударі надлишкової крихкої фази типу М6С, наявність якої в сплаві ВЖЛ-2 у 6-10 разів більше, ніж у ЖС6У.

В умовах удару з наступним просковзуванням має місце багатоосьовий напружений стан із переваженням стиску над розтягом (рис. 8), а не одноосьовий стан типу розтяг-стиск, як при втомленості, що сприяє збільшенню інтенсивності зношування за рахунок більшої сумарної напруги, ніж у випадку одноосьового напруженого стана. Крім того, при збільшенні зазору в з'єднанні час стиску і розтягу в повному циклі навантаження зменшується, а час відпочинку (відповідає часу вибору зразком зазору) - зростає. Отже, амплітуда напружень більше, оскільки цикл навантаження і розвантаження реалізується повністю. При проходженні зазору прискорення зразка буде максимальним і динамічна складова навантаження до моменту контакту також буде збільшуватися. Порівняння швидкостей стиску і розвантаження локальних обсягів (характеризується кутами нахилу і на рис. 9) в умовах без розриву контакту (рис. 9а), без розриву контакту, але з динамічним навантаженням (рис. 9б) і з розривом контакту при ударі з просковзуванням (рис. 9в) показує, що в разі динамічного навантаження збільшується швидкість стиску при рівності швидкостей розвантаження (повернення). Напружений стан у зоні контакту залежить від впливу зовнішніх умов навантаження таких як температура, тиск у контакті, амплітуда коливань, тривалість випробувань. Дослідження впливу цих параметрів на зношування матеріалів показує, що в умовах з розривом контакту коефіцієнт інтенсивності зношування в 3,75 - 7,02 разів вище в порівнянні з умовами без розриву контакту. Окрім цього в разі удару з просковзуванням має місце дискретний характер зміни сумарного зносу в залежності від кількості циклів навантажування, який свідчить про періодичне накопичування пошкоджень в матеріалі, що призводить до руйнування поверхневого шару. Тривалість циклу накопичування та руйнування матеріалу змінна і залежить від його природи (перш за все від кількісного складу /-фази та ступеня її коагуляції), а також тиску в контакті. Підвищення температури випробувань призводить до значного розкиду значень тривалості циклу, що пов'язане з підсиленням окислювальних процесів.

Вплив параметрів навантаження на інтенсивність зношування може бути виражена математичною залежністю, отриманою методом групового урахування аргументів (розроблено разом з співробітниками кафедри металорізального інструменту НТУУ “КПІ”. Для сплаву ЖС6У такою залежністю буде:

,

де JV - інтенсивність зношування, мм3/цикл;

Ак - амплітуда коливань зразків, мм;

t - температура випробувань, оС;

Р - навантаження в контакті, Н.

Аналіз отриманої залежності дозволяє визначити найбільш небезпечні діапазони навантажень і взаємодії навантажувальних параметрів. Так, у до-критичній області температур такими є P і t, у докритичній області тисків - P і Aк.

Оцінено частку удару в зношуванні при ударі з просковзуванням шляхом зіставлення інтенсивностей зношування сплавів ЖС6У і ВЖЛ-2, отриманих по двох схемах навантаження - «чистому» ударі й ударі з просковзуванням. Критерієм порівнянності умов навантаження була прийнята рівність ударних імпульсів у порівнюваних схемах. Внесок удару в процесі зношування складає біля 75% для сплаву ВЖЛ-2 і 55 - 60% для ЖС6У. Більш висока частка удару для ВЖЛ-2 обумовлена меншим опором ударному зношуванню крихких фаз сплаву. Динамічне (ударне) навантаження створює умови для розколювання і роздрібнення основної карбідної фази сплаву, що зміцнює (рис. 10) , інтенсифікуючи тим самим процес зношування.

Проведено дослідження зносостійкості матеріалів при програмованій зміні навантажувальних параметрів, проведення котрих можливе лише при дотриманні таких основних принципів і критеріїв моделювання еквівалентних станів трибологічних пар:

- подібність навантажувальних режимів у модельних і натурних умовах (визначальними є критерії Гука і Ньютона);

- подібність геометричних параметрів (рівність відношень поверхонь тепловіддачі, рівність жорсткостей і ін.);

- подібність топографії зношених поверхонь (рівність усереднених значень максимальних глибин пошкоджуваності, рівність кількості ушкоджень на одиницю площі й ін.);

- подібність структурних і фазових змін у поверхневому прошарку в процесі роботи (рівність співвідношень розмірів / - фази до і після наробітку, відношення параметрів основного твердого розчину);

- еквівалентність напружених станів, яка визначається сумою напружень від механічного прикладання навантажень та напружень, які виникають в наслідок фізико-хімічної дії (в першу чергу, температурної);

- еквівалентність інтенсивностей зношування, яка полягає в пропорціональності зношування в модельних (JVм) та натурних (JVо) умовах:

JVм = КJVо ,

де коефіцієнт еквівалентності К>1. Подібність досліджуваних процесів може бути отримана за умови ідентичності провідних механізмів зношування оригіналу та моделі;

- принцип підсумовування ушкоджень (у припущенні лінійної гіпотези підсумовування ушкоджень критерієм є еквівалентність числа циклів навантаження). Оскільки величини інтенсивностей зношування при випробуваннях в модельних та натурних умовах різні, то імовірність накопичення пошкоджень буде різною. Ступінь відмінності накопичених пошкоджень може бути оцінена як:

де dn - кількість циклів навантаження для досягнення елементарної частки зносу;

nц - кількість циклів навантаження;

nРАТ - кількість циклів навантаження для досягнення сумарного зносу при амплітуді А, навантаженні в контакті Р та температурі Т.

Найбільш близькі умови зношування слід очікувати при =1. В разі невиконання цієї умови варіацією режимів навантаження можна підібрати такі їх значення, при яких ступінь відмінності буде дорівнювати одиниці.

Випробуваннями зносостійкості жароміцних сплавів в умовах програмованої зміни режимів навантаження за різними програмами (приклад для сплаву ЖС6У наведено в табл. 1) показано, що:

- інтенсивність зношування при випробуваннях у циклі «пуск - зупинка» у середньому в 1,8 раза вище, ніж при випробуваннях на усереднених сталих режимах;

- при програмованій зміні режимів навантаження трибологічні характеристики випробовуваних матеріалів більш близькі (у порівнянні з випробуваннями на сталих режимах) до отриманих при випробуваннях на натурних двигунах. Ступінь наближення визначається числом врахованих змін параметрів навантаження (складністю програми);

- розкид значень інтенсивності зношування при програмованій зміні режимів майже на порядок менше, ніж при випробуваннях на натурному двигуні.

Таблиця 1 Зносостійкість сплаву ЖС6У за умов програмованої зміни параметрів навантаження і в сталому режимі

Навантаження за програмою	Параметри навантаження	Інтенсивність зношування, мм3/цикл	Відносна зносостійкість
Пуск - випробування - зупинка	Р=240-564Н Ап=0,039-0,169мм T=20-800оС	0,907·10-6	0,88
Пуск - зупинка		1,446·10-6	0,55
Сталий режим		0,8·10-6	1

На підставі проведених досліджень при програмованій зміні режимів навантаження розроблено метод прискорених випробувань. Суть методу полягає у випробуванні зносостійкості контактних поверхонь деталей на спеціальному газодинамічному стенді (ДКН-2), у якому режими випробувань (амплітуда взаємних переміщень зразків , тиск у контакті , температура) змінюються за абсолютною величиною в процесі випробувань. Зміна кожного навантажувального параметра при цьому здійснюється за заданою програмою. Програма складається на підставі досліджень робочих режимів виробу в експлуатації і визначення типового циклу його роботи . Для газотурбінного двигуна таким є типовий політ літака. Відповідно до типового циклу роботи виробу складається цикл змін режимів на стенді. Режими випробувань повинні бути еквівалентними робочим в експлуатації. Зміна режимів навантаження в процесі випробувань реалізується за допомогою устрою з числовим програмним керуванням. При випробуваннях після кожного циклу зміни навантажувальних параметрів провадиться вимір сумарного зносу пари зразків, без зняття останніх зі стенда. За отриманими результатами виміру будується графік залежності сумарного зносу від кількості циклів змін режимів навантаження, екстраполяцією якого визначається ресурс роботи трибовузла.

Четвертий розділ містить результати досліджень контактної взаємодії матеріалів при терті в умовах підвищених температур і газового середовища. Зі збільшенням температури поверхонь, що контактують, відбувається, як правило зниження таких трибологічних характеристик, як лінійний знос, інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя. При цьому є інтервал температур, у якому зниження відбувається найбільш інтенсивно. Зниження трибологічних характеристик визначається умовами утворення і руйнування захисного прошарку, що є наслідком окислювання поверхні з наступним механічним ущільненням продуктів зношування (як ті, що утворилися знову, так і частково окислених раніше) і оксидів. Крім того зниження трибохарактеристик із зростанням температури може бути пояснене з позицій адгезіонної взаємодії поверхонь, коли сили адгезії пропорційні кількості точок схоплення. Так число точок контакту для сплаву ЖС6У при температурі 400 і 8000С складало відповідно, 109. 107 і 80. 107 при навантаженні 564Н. Одночасно з утворенням захисного прошарку з підвищенням температури в приповерхневій зоні ідуть процеси коагуляції інтерметалідної /-фази та розпад карбідної фази. З підвищенням температури до 900оС окрім коагуляції відбувається часткове розчинення та повторне виділення /-фази. Ці процеси є альтернативними процесам утворення захисного прошарку і сприяють збільшенню інтенсивності зношування.

...