Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДеМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ЗАХИСТУ ДЕТАЛЕЙ АВІАЦІЙНИХ ДВИГУНІВ ВІД ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОЇ ЕРОЗІЇ

Зайцев Олександр Вікторович

Дніпропетровськ - 2008

Анотація

Зайцев А.В. Розробка матеріалів для захисту деталей авіаційних двигунів від високотемпературної ерозії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 - матеріалознавство. Придніпровська державна академія будівництва та архітектури. Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація спрямована на розробку термозахисних газотермічних покриттів, які підвищують експлуатаційні характеристики жаростійкого сплава ВЖ-98, з якого виготовлена жарова труба камери згоряння газотурбінного двигуна. При цьому підвищується температура в камері згорання до 1200 С, а також підвищується строк експлуатації до 20000 годин.

Визначені вимоги до покриття, досліджені його структури, фазовий склад, кінетика і механізм його формування.

Запропоновано термозахисне покриття, яке складається з трьох шарів, призначення яких різне.

Вперше розглянуто процес формування покриття з боку основи і показано, що після удару каплі об поверхню основи вона перетворюється в павукоподібну форму, а після охолодження формується як “розетка”, тому і утворюються пори у покритті.

Виконано математичну оптимізацію технологічних параметрів газотермічного напилення.

Розроблена технологія захисту жарових труб камери згоряння газотурбінних двигунів, показана економічність впровадження розробленої технології у промисловість.

Ключові слова: плазма, адгезія, когезія, міцність, термостійкість, композиційне покриття, пористість.

Аннотация

Зайцев А.В. Разработка материалов для защиты деталей авиационных двигателей от высокотемпературной эрозии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01. - материаловедение. Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры. Днепропетровск, 2007.

Диссертация посвящена созданию нового материала с высокими теплозащитными свойствами применительно к жаровым трубам камеры сгорания газотурбинного двигателя, а также технологии его получения с использованием плазмотехнологии. В литературном обзоре детально проведен анализ работы жаровых труб камеры сгорания газотурбинных двигателей, что позволило определить требования к разрабатываемому композиционному термозащитному покрытию. Оно должно иметь высокую температуру эксплуатации (до 1200 ^оС), высокую термостойкость в пределах перепада температур (1200 ^оС - 20 ^оС), не меньше, чем 1000 циклов, высокие когезионные возможности (у_р?50МПа), высокие технологические свойства и невысокую стоимость. В работе установлены закономерности формирования композиционного покрытия на жаростойком сплаве типа ВЖ98 при использовании кинетической энергии плазмы. Установлено, что заданную композицию, состоящую из двуокиси циркония и никеля, можно получить, минуя механическое перемешивание порошков, непосредственно в струе плазмы, подавая раздельно в сопло плазмотрона порошок двуокиси циркония и никеля, через два диаметрально противоположных отверстия. При этом погрешность распределения керамической и металлической составляющих уменьшалась до 5-6%. Кроме того, такое формирование композиционного покрытия позволило также получать градиентные покрытия, состав которых можно менять в процессе его напыления. Определены морфологические особенности образования покрытий на основе изучения микроструктур с помощью микроскопии и электронноскопии со стороны основного материала.

Показано, что капля расплавленного материала в плазменной струе изменяет свою форму и после удара о поверхность защищаемого металла приобретает паукообразную форму, а после застывания напоминает форму «розетки». Этим и объясняется наличие пор в покрытии и снижение прочностных характеристик.

Применяя математические методы моделирования, проведена оптимизация технологического процесса газотермического напыления с представлением графически области компромисса критериев позволяющие получать покрытие с наперед заданными свойствами.

Полученные математические уравнения позволяют, предварительно задавшись требуемыми свойствами покрытия, определить технологические параметры работы плазменной установки.

Разработано трехслойное теплозащитное покрытие, которое является градиентным с постепенным переходом от металла к керамике. Первое покрытие - подслой, состоящий из интерметаллида NiAl; второе покрытие - промежуточный слой, который состоит из металлокерамики (ZrO₂^.CaO+30%Ni+50%NiAl); а третий слой - защитный (состав ZrO₂^.CaO+30%Ni). Такое покрытие обладает высокой термостойкостью (до 1000 термосмен) и достаточной прочностью.

Приведенный послойный рентгеноструктурный анализ материала основы, (сплава ВЖ-98), подслоя, промежуточного слоя и защитного слоя композиционного покрытия показал, что при напылении и при эксплуатации такого покрытия при высокой температуре (свыше 1200 ^оС) наблюдается в двуокиси циркония переход б-фазы в г-фазу. Полиморфизм значительно снижает теплотехнические свойства покрытия. Повысить температуру начала полиморфных превращений можно, стабилизировав двуокись циркония окисью кальция, окисью иттрия или термической обработкой порошков перед напылением.

Для внедрения в производство разработанного покрытия были проведены исследования свойств покрытия при изменении энергетических параметров работы плазменных установок. В исследованиях применялись установки как отечественного производства (Киев-7), так и зарубежные (УПУЗ, УПУ-8, Metco). Показано, что режимы работы всех типов установок влияют на свойства покрытий (термостойкость, когезионные и адгезионные свойства, теплопроводность). Однако, влияние их различно.

Разработанное трехслойное термозащитное покрытие прошло промышленные стендовые испытания и в настоящее время успешно проходит летные испытания.

В настоящее время в процессе летных испытаний двигателей с покрытиями наработки составляют: на двигателе Д-18Т больше 20000 часов, на двигателе 117 ВМА больше 12000 часов, на двигателе Д336 более 10000 часов. Эксплуатация двигателей с термозащитным покрытием продолжается.

На основе исследований разработана технологическая инструкция по напылению термозащитного покрытия на жаровые трубы, которая внедрена в промышленное на производство.

Экономическая эффективность применения разработанного трехслойного композиционного теплозащитного покрытия только по жаровым трубам на двигателе Д18Т составляет 150,5 тыс. гривен в пределах 20000 часов.

Ключевые слова: плазма, когезия, адгезия, прочность, термостойкость, композиционное покрытие, пористость.

The summary

Zaycev A.V. Development of materials for protection of details aviation from high-temperature erosion. - The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.02.01 - materiology. Pridneprovskaya State Academy of Civil Engineering and Architecture. Dnepropetrovsk, 2007.

The dissertation represents creation of a new material and technology of his(its) reception with high is warm protective properties with reference to high-temperature to pipes gastoorbo the engine. Laws of formation of a composite covering on a heat resisting alloy such as ВЖ98 are established at use of kinetic energy of plasma. Morphological features of formation(education) of coverings are determined on the basis of studying with the help of microscopy and elekronnoscope on the part of the basic material.

Applying mathematical modelling conducted optimization of technological process thermal spraying with representation graphically areas of the compromise of criteria with beforehand set properties of a covering.

Developed three-layer heat a sheeting has passed industrial bench tests and now successfully passes flying tests.

On the basis of researches the technological instruction on a heat-shielding covering on high-temperature pipes which has found industrial application on manufacture is developed.

Key words: plasma, kogesia, adhesion, durability, thermostability, a composite covering, porosity.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Основна тенденція розвитку машинобудування - зниження матеріалоємкості машин і механізмів при одночасному підвищенні їхньої надійності й довготривалості досягається, головним чином, в результаті вибору конструкційного матеріалу, який би найбільш повно відповідав умовам експлуатації виробу.

У зв'язку зі створенням газотурбінних двигунів (ГТД) п'ятого покоління, у тому числі камер згоряння, які вимагають більш жорстких параметрів експлуатації, необхідні принципово нові технологічні рішення.

Матеріали, що йдуть на виготовлення камер згоряння, повинні мати цілий ряд фізико-хімічних властивостей, таких як висока жароміцність, жаростійкість, корозійна стійкість, а також мати технологічні можливості обробки цих матеріалів, тому створення таких матеріалів стає проблемою.

У зв'язку з висловленим технічно і економічно доцільно реалізувати новий підхід до вибору матеріалів. Механічна міцність деталі гарантується за рахунок застосування одного матеріалу, а опір впливу зовнішніх факторів (корозія, зношування) забезпечується локальним формуванням на її поверхні тонких шарів зі спеціальними функціональними властивостями.

В результаті забезпечується підвищена довговготривалість деталі. При цьому можливо створення виробів з унікальним сполученням властивостей, недосяжних при використанні традиційних конструкційних матеріалів, наприклад, жаростійкість і жароміцність.

Захисне покриття чисто металеве або чисто керамічне частково відповідає вимогам, щодо жаростійкості. Наприклад, якщо металеве покриття має високі міцнісні властивості, то воно слабо чине опір жаростійкості; керамічні покриття мають високу жаростійкість, але при знакозмінних навантаженнях можуть розтріскуватися.

Серед різноманітних технологій нанесення захисних покриттів за останнім часом інтенсивний розвиток отримала група газотермічних методів, до яких відносять газополуменеве, плазмове і детонаційне напилювання, а також електродугову металізацію. У їхній основі лежить єдиний принцип формування захисного шару з дискретних часток матеріалу, нагрітих і прискорених струменем високотемпературного газу. У наведених нижче дослідженнях використовувалося плазмове напилювання як метод одержання жаростійкого покриття.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертаційної роботи досягнуті в результаті виконання наукової держбюджетної роботи "Розробка технології захисту деталей авіаційних двигунів від високотемпературної ерозії", номер державної реєстрації 0104V00235, відповідно до наказу №746 від 07.11.2003 ОНР МОН, а також Рішенням ПДАБА НТР академії від 27.11.2000 р. (протокол № 4).

Мета і завдання досліджень. Мета роботи полягала в розробці складу композиційного покриття з високими фізико-технічними характеристиками при використанні високотемпературного плазмового струменя з визначенням цих характеристик для розробки конкретної технології нанесення покриттів.

Для досягнення поставленої мети в роботі були поставлені й вирішені наступні завдання:

- отримано залежності, які дозволяють міняти властивості покриттів з кермету (двуокису цирконію і нікелю) залежно від співвідношення компонентів від 10 до 90% вагових;

- на основі отриманих залежностей розроблені способи одержання композиційних покриттів, які використовують конгломерування, плакування, а також механічне перемішування компонентів у струмені плазми;

- вивчено механізм утворення плазмового покриття при розгляді формування його з боку основи, причини утворення пор;

- досліджено вплив кількості шарів у покритті на кінцеві властивості і розроблено склад тришарового покриття з високими фізико-механічними і службовими характеристиками;

- використовуючи математичні методи, проведена оптимізація технологічних режимів формування покриттів і визначена область компромісу критеріїв та оптимальна область процесу газотермічного напилювання термозахисних покриттів;

- експериментально методом рентгенографії встановлені поліморфні перетворення ZrО₂ стабілізованого CaО і критеріальні умови експлуатації (до 1200 °С);

- у промисловому масштабі за розробленою технологією проведені випробування розробленого складу покриття і здійснене впровадження технології нанесення цих покриттів на реальні деталі газотурбінних двигунів.

Об'єктом досліджень були жарові труби камери згоряння.

Предмет дослідження: процеси формування композиційного покриття газотермічним напилюванням з визначенням властивостей покриттів при статичних і динамічних навантаженнях.

Методи дослідження. З метою вивчення формування покриття отриманого плазмовим напиленням застосовували мікроскопію матеріалів, при використанні світлових і електроннопроменевих мікроскопів. При дослідженні впливу температурних факторів на поліморфні перетворення ZrО₂ використовувався метод рентгеноструктурного аналізу. З метою математичної оптимізації технологічного процесу і прогнозування отриманого композиційного покриття з наперед заданими властивостями використовували метод планування експериментів, що передбачає проведення активних експериментів у заданій робочій області процесу.

Наукова новизна одержаних результатів:

Встановлено, що задану композицію, яка складається з керамічної та металевої складових, можна одержувати безпосередньо в плазмовому струмені, використовуючи для подачі компонентів два діаметрально протилежних отвори в соплі плазмотрона, плавно змінюючи співвідношення компонентів в процесі формування покриття.

Завдяки застосуванню методу математичного планування експериментів, отримано залежності, які описують вплив технологічних параметрів роботи плазмової установки на показники адгезії, когезії, термостійкості та пористості.

Вивчено механізм формування покриття з боку основного металу і показано, що капля під час польоту в газопорошковому струмені зазнає кілька формозмін і досягає поверхні, утворюючи після удару форму "розетки". Пояснюється механізм утворення пор.

Отримано дані про вплив термічної обробки порошків з діоксиду цирконію стабілізованого окисом кальцію на поліморфізм. Визначено граничні температури експлуатації покриття.

Запропоновано методику формування тришарового термостійкого покриття, у якому кожний шар виконує певну функцію.

Практична цінність отриманих результатів.

Розроблено схему одержання композиційного покриття безпосередньо в струмені плазми, що дозволяє безпосередньо в процесі напилювання змінювати процентне співвідношення компонентів і одержувати градієнтне покриття.

Розроблені рівняння регресії за заданими критеріями (математичне планування експериментів) дозволяють практично вибрати параметри роботи плазмової установки, щоб одержати задані властивості покриттів.

На основі отриманих експериментальних даних для промислового впровадження розроблено технологічну інструкцію з нанесення теплозахисного покриття газотермічним напилюванням на жарові труби газотурбінних двигунів.

Результати промислових випробувань жарових труб з теплозахисним покриттям показали, що стійкість їх збільшилася і перевищує 20000 годин, підвищилася температура в камері згоряння до 1200 °С, зменшились витрати охолоджуючого повітря.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які визначають суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, які написані в співавторстві здобувачем:

- застосовуючи сучасні методи досліджень, проведено аналіз способів формування композиційних покриттів і запропоновано оригінальний спосіб - використовувати для перемішування порошків кінетичну енергію струменя плазми [3];

- застосовуючи метод математичного планування експериментів, визначені рівняння регресії, які дозволяють наперед визначити властивості покриттів [7];

- використовуючи світлову і електронну мікроскопію, показані морфологічні особливості формування покриття [5];

- розроблена технологічна інструкція з нанесення тришарового покриття на жарові труби газотурбінних двигунів;

- в КБ "Прогрес" проведені промислові випробування жарових труб з термозахисним покриттям, як на стендах, так і в реальних умовах, і визначені граничні умови експлуатації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на міжнародній конференції "Стародубовські читання", м. Дніпропетровськ в 2004, 2005, 2006, 2007 роках, а також на науковому 15 україно-польскому семінарі, м. Варшава та семінарах опорної кафедри "Технологія металів" в 2004, 2005, 2006 та 2007 роках.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 7 друкованих працях, всі публікації в спецвиданнях, які входять у перелік ВАК.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається із вступу, семи розділів, висновків і додатка. Обсяг основного тексту дисертації містить 157 стор. Вона містить 15 таблиць, 67 ілюстрацій, у тому числі і фотографії, список використаних першоджерел на 100 найменувань, а також 4 додатки.

2. Основний зміст дисертації

У вступі розглянута актуальність роботи, обґрунтована мета і сформульоване завдання, охарактеризовані об'єкт і предмет досліджень, розглянуті новизна і практична цінність роботи.

В першому розділі на основі літературного аналізу, а також вивчення умов роботи теплонавантажених деталей газотурбінних двигунів (ГТД), на основі аналізу патентів запропоновано метод газотермічного напилення як самий перспективний для вирішення поставленої задачі.

Вивчення умов роботи жарових труб показало, що високі температури в камері згоряння (до 1000 С), а також висока газоабразивна ерозія зумовили відмовлення від емалірування поверхонь жарових труб і застосування газотермічного напилення. Особливо гостро постає питання розробки нових матеріалів у зв'язку із створенням ГТД нового покоління, які характеризуються більш жорсткими параметрами експлуатації деталей (Тг= 1150-1200 °С, t=5000 - 20000 годин).

Аналіз умов роботи жарових труб та напрямних лопаток, дозволив виробити вимоги щодо термозахисних покриттів. Вони повинні мати високу температуру експлуатації (до 1200 С), високу термостійкість (в межах перепаду температур 1200 С - 20 С) не менше ніж 1000 циклів, високі когезійні властивості (_р50 Мпа), високі технологічні властивості, невисоку вартість.

Аналіз патентів по захисту деталей газотурбінних двигунів показав, що напрям досліджень - це розробка композиційного багатошарового покриття на основі кераміки ZrO₂, яка має дуже малий коефіціент термічного розширення. Підвищити адгезійну міцність кераміки на поверхні металу можна за рахунок створення проміжного шару матеріалу на основі кермету (метал-кераміка). Найбільш універсальним способом нанесення такого покриття є плазмове напилення.

У другому розділі розглядаються основні методологічні аспекти роботи, спрямовані на визначення властивостей покриттів і їхнього зв'язку з технологічними параметрами роботи плазмової установки.

Жаростійкість матеріалів, що експлуатуються в гарячій зоні турбіни ГТД, є одним з показників, який має значний вплив на їхню надійність і довговічність. Площі теплозахисного покриття на деталях (жарова труба) мають розвинені поверхні і кількісному визначенню практично не піддаються. Тому існуючі методи оцінки жаростійкості до цих матеріалів не застосовуються. Розроблена методика базується на визначені відносної зміни маси зразка при впливі на нього температури. Випробування на термостійкість здійснювали відповідно до СТП 14-150-85 від 1.10.85 на зразках-проставках з підготовленою поверхнею (нарізування на поверхні зразків-проставок спеціальних канавок з наступним їхнім заповненням композиційним покриттям). Температура випробувань при термоциклувані була в межах 1300 єС - 20 єС -1300 ^оС.

Пористість композиційних покриттів оцінювали гідростатичним зважуванням за ДСТ 18893-73.

При світловій мікроскопії використовувався мікроскоп відбитого світла "Неофот" у режимі "прямого і косого висвітлення", автоматичний аналізатор структури "Эпиквант" у напівавтоматичному режимі, що дає можливість одержувати найбільш достовірні результати. Електронно-мікроскопічні дослідження проводили двома основними методами. Перший - на просвічування з метою визначення структурного стану покриття, параметрів його кристалічних решіток і їх сингонії. Другий - на відбиття в растровому мікроскопі РЭММА-100 - для візуалізації поверхневого рельєфу, відповідального за параметри зчеплення з наступними шарами.

Дослідження фазового складу компонентів композиційного покриття проводили рентгеноструктурним і рентгеноспектральним методами (ДЕРЖСТАНДАРТ 19863.1-91... ГОСТ 1986.12-91).

Обробка експериментальних даних і визначення функціональних зв'язків "склад - властивості" проводилася стандартними методами регресивного аналізу і математичної статистики.

У третьому розділі розглянуті теоретичні аспекти, спрямовані на одержання композиційного покриття.

Розглянуті умови польоту частки порошку в плазмовому струмені і способи одержання композиційного покриття системи кераміка - метал.

Дослідивши характер обтікання частки порошку в плазмовому струмені, був запропонований оптимальний розмір керамічного порошку типу ZrО₂^.СаО у межах 40 мкм, а часток металевого компонента типу Ni в межах 80- 100 мкм.

На прикладі системи кераміка (двоокис цирконію і метал нікелевий порошок) проведено аналіз способів одержання композиції при використанні плакування, механічного перемішування порошків перед напилюванням і формування композиції безпосередньо в струмені плазми.

Проведені дослідження по перемішуванню порошків нікелю і двоокису цирконію безпосередньо в плазмовому струмені.

Розглянуті три способи подавання порошків нікелю і двоокису цирконію в плазмовий струмінь:

а) подавання порошків через один отвір, розташований на зрізі сопла;

б) подавання порошків через два діаметрально протилежних отвори, які розташовані на зрізі сопла;

в) подавання порошків через два протилежних отвори, які розташовані на різних відстанях від зрізу сопла.

Проведені дослідження показали, що, подаючи порошки металу і кераміки через два діаметрально протилежних отвори, які розташовані на різних відстанях від зрізу сопла, можна одержати композиційне покриття з рівномірним розподілом компонентів і мінімальним відхиленням від заданого складу (5-6%).

У четвертому розділі на основі вивчення морфологічних особливостей формування покриття при газотермічному напилюванні запропонована модель одержання багатошарового покриття і процес утворення пор у покритті.

Візуальний огляд плазмового покриття, нанесеного на блискучу основу, показує, що воно має сірий або темно-сірий відтінок. Це свідчить про те, що зовнішня поверхня покриття має значну шорсткість і розгалужений рельєф, що розсіює світлові промені. Систематичні спостереження під оптичним мікроскопом показали, що найбільш типовими елементами рельєфу є ті, яким властиві каплі рідкого металу, що розтікається по твердій поверхні. Капля, розтікаючись по поверхні-основі, утворює характерний "струмковий візерунок" або тонкі плоскі відгалуження зі зменшуваною шириною і з утворенням дрібних вторинних капель по кінцях.

Найбільш достовірні відомості про характер контакту плазмового покриття з основним матеріалом одержано шляхом спостереження контактної сторони напиленого шару. Вивчення поверхні напиленого шару, що контактував з основним матеріалом, дозволило зрозуміти, яким чином відбувається процес формування і кристалізації каплі при її контакті з основним матеріалом.

Шарувата структура, яка утворюється в покритті, має високі теплоізоляційні властивості, але ослаблене зчеплення з підложкою, оскільки приварювання (утворення зварених містків, по міцності не уступають міцності основного металу) відбувається на обмежених ділянках, як це показали мікродослідження контактної сторони напиленого шару.

У п'ятому розділі, використовуючи метод рентгеноструктурного аналізу, проведені дослідження порошків і твердих покриттів, отриманих методом плазмового напилювання. Розглянуті два механізми підвищення ударної в'язкості і міцності покриття з кераміки типу ZrO₂^.СаО. Перший ґрунтується на механізмі поглинання енергії при фазовому переході тетрагональних часток біля вістря тріщини, що розвивається. Другий - пов'язаний із розвитком і поширенням мікротріщин у матриці, що є результатом фазового переходу ZrO₂^.СаО при охолодженні нагрітих матеріалів і поглинанні енергії при поширенні тріщин, що розгалуджуються. Тому контроль фазового складу досліджувальних зразків при відпрацьовуванні технології одержання матеріалів з необхідними властивостями є актуальним завданням.

Якісний фазовий аналіз досліджуваних гетерогенних матеріалів здійснювався порівнянням міжплощинних відстаней d_екс із відповідними еталонними даними.

Дослідженню піддавалися композиційний порошок ZrО₂·CaО+30%Nі і композиційне покриття, отримане з такого порошку плазмовим напилюванням.

Результати вимірів порівнювались з аналогічними даними картотеки jcpds (міжнародна база рентгенівських даних з усіх відомих фаз). Критерієм наявності фази був збіг не менш трьох значень міжплощинних відстаней, що відповідають найбільш інтенсивним її лініям на дифрактограмі.

Порівнювалися експериментальні та теоретичні значення міжплощинних відстаней d/n, а також інтенсивність 4 ліній, положення яких повторювалися на двох рентгенограмах. У процесі досліджень виявлена присутність семи фаз, які в основному є оксидами.

У досліджуваному покритті присутня: фаза ZrО₂·CaО, що має кубічну гранецентрировану решітку. З дев'яти ліній найбільш сильні: (111), (220), (311) і окис нікелю NіО з гексагональною решіткою, представлений шістьома дифракційними максимумами. З них найбільш інтенсивні лінії (012), (101), (110).

Термообробка порошку і покриття значно підвищує температуру поліморфних перетворень діоксида цирконію, стабілізованого окисом кальцію (до 1200 °С), а це дозволило підняти температуру експлуатації композиційного покриття складу 70% ZrО₂·CaО+30% Nі до 1200 °С.

У шостому розділі розглядаються питання оптимізації процесу напилювання за умови одержання покриттів із заздалегідь заданими властивостями.

Завдання оптимізації технології газотермічного напилювання є багатокритеріальним і включає чотири основних показники, що характеризують якість покриття: Y₁ - адгезія покриття (МПа), Y₂ - когезія покриття (МПа), Y₃ - термостійкість покриття (термоцикли); Y₄- пористість покриття (%). Таким чином, завдання оптимізації: виявлення з безлічі керованих змінних визначальних параметрів досліджуваного процесу; визначення області компромісу критеріїв, а також визначення оптимальної області, в якій показники якості газотермічного напилювання (названі критеріями) не будуть суперечливими і не будуть нижче (вище) деяких чисельно заданих значень.

Як інструмент, що сприяє встановленню визначальних параметрів, був обраний метод планування експериментів, що передбачає проведення активних експериментів у деякій робочий частині процесу, яка задана чисельними значеннями керованих змінних.

Матриця планування формувалася так, що всі змінні були представлені на двох рівнях - верхньому (+) і нижньому (-). Перевірка на відтворюваність проведених експериментів здійснювалася за критерієм Кохрена.

На основі аналізу рівнянь і фізики технологічного процесу були отримані гістограми, які показують вплив керованих змінних Х₁- сила струму (А), Х₂- напруга на дузі (В), Х ₃-витрати плазмотворного газу аргону(л/хв), Х ₄- витрати плазмотворного газу азоту(л/хв), Х₅- витрати порошку, який напилюється (г/хв), Х ₆- витрати транспортуючого газу(л/хв), Х₇- дистанція напилення (мм), Х ₈ - відстань від електрода до зрізу сопла (мм), Х₉ - діаметр сопла (мм), на критерії (Y₁,Y₂,Y₃,Y₄). Y₁ - адгезія і Y₂ - когезія_, МПа, Y₃ - термозміни (цикли), Y₄ - пористість, (%).

Аналіз гістограм показав, що три параметри, а саме, Х₁ - сила струму, Х₂ - напруга на дузі; Х₃ - витрати плазмотворного газу - аргону, викликають значущий і односпрямований вплив на обрані критерії.

Були встановлені області компромісу критеріїв якості процесу газотермічного напилювання термозахисних покриттів графоаналітичним методом. Рівняння для побудови графіків представлені нижче:

В наведених вище рівняннях (2,3) х₁ - сила струму, А; х₂ - напруга на дузі, В; х₃ - витрати плазмотворного газу л/хв.

Були визначені оптимальні області процесу газотермічного напилювання термозахисних покриттів. Ця область визначалася такими чисельними значеннями показників його якості, за якими вони не будуть суперечливими і не будуть нижче (вище) деяких чисельно заданих значень, названих обмеженнями.

Оптимальна область FGDE обмежена чисельними значеннями визначальних параметрів, заданих обмеженнями X₁>300A (сила струму), X₂>57B (напруга на дузі) і Х₃>10 л/хв (витрати плазмотворного газу - аргону).

ABCDE - область компромісу критеріїв, FGDE - оптимальна область процесу газотермічного напилювання термозахисних покриттів. х₁-сила струму(А), х₂- напруга на дузі (В), х₃- витрати аргону (л/хв).

Таким чином, спосіб застосування графоаналітичного аналізу дозволяє визначити область компромісу критеріїв якості процесу газотермічного напилювання термозахисних покриттів у вигляді систем рівнянь і визначити область процесу газотермічного напилювання термозахисних покриттів, задану чисельними значеннями визначальних параметрів.

Застосування рівнянь (2, 3) сприяє створенню програми комп'ютерного прогнозування ходу технологічного процесу з імовірними пророкуваннями чисельних значень показників якості покриття на стадії планування процесу, що мінімізує можливі помилки, які виникають внаслідок недосконалості технології його проведення.

Сьомий розділ присвячений аналізу існуючих плазмових установок вітчизняного і імпортного виробництва, а також визначенню впливу умов одержання покриттів на різних плазмових установках на їхні кінцеві властивості. Кінцевими властивостями були: адгезія (у_а), когезія (у_к), термостійкість і пористість.

Для дослідження використовували порошки:

- алюмінід нікелю ПН70Ю30 по ТУ 14-1-3282-81;

- діоксид цирконію (стабілізований СаО) плакований нікелем (30% Ni, вагових) за ТУ015-00201365-98;

- діоксид цирконію стабілізований СаО (ПЦПК-63) за ТУ 00190503-146-98.

Одержання покриттів здійснювали на установках: «Київ-7» (Україна), УПУ-3 (Росія), УПУ-8 (Росія), «Меtсо» (США).

На прикладі NiAl і діоксида цирконію (стабілізованого СаО і плакованого 30% Ni) представлені графічно результати дослідження адгезійної (у_а) і когезійної міцності (у_к) покриттів отриманих на різних плазмових установках.

Аналогічні дослідження були проведені по теплопровідності та пористості одержаних покриттів (NiAl, ZrO₂СаО+30% Ni, ZrO₂СаО).

Проведені дослідження показали, що покриття, які складаються з алюмініда нікелю, отримані на установці УПУ-3 мають досить високу міцність: адгезійна міцність до 63 МПа і когезійна міцність до 68 МПа.

Для цих же покриттів, отриманих на установці «Київ-7», адгезійна і когезійна міцність значно нижча. Покриття, отримані на установці «Меtсо», відрізняються підвищеними адгезійними (до 73 МПа) і когезійними (до 81,0 МПа) властивостями. Для покриття ZrO₂СаО +30% Ni високі міцностні характеристики досягаються при застосуванні установки Київ-7.

Досліджені покриття є термозахисними, тому що мають низьку теплопровідність від 0,38 Вт/м ^оС у ZrO₂^.СаО до 1,5 Вт/м ^оС у ZrO₂^.СаО + 30% Ni.

Для покриттів з діоксиду цирконію з підвищенням температури від 100 ^оС до 1000 ^оС теплопровідність збільшується від 0,38 ч0,6 Вт/м ^оС до 0,84 ч1,1 Вт/м ^оС, що підтверджує їх термоізоляційні властивості.

Зменшення пористості покриттів з 12% до 3% приведе до збільшення теплопровідності. Збільшення кількості шарів у багатошаровому покритті збільшує термостійкість. Оптимальним є тришарове покриття, що складається з підшару (ПН70Ю30), проміжного шару (двоокис цирконію ПЦПК-63-Н30 плакованого нікелем і жаростійкого сплаву типу ПН70Ю30) і захисного шару із двоокису цирконію плакованого нікелем (ПЦПК+30% Ni).

У цьому розділі розглянуті також результати виробничого випробування розробленого тришарового термозахисного покриття на промисловому стенді та в реальних умовах експлуатації газотурбінних двигунів на літаках.

Розглянуті також економічні передумови для впровадження розробленої технології у виробництво.

Розроблене термозахисного покриття дозволило:

1. Впровадити термозахисне покриття на жарових трубах, що дає можливість замінити емаліруваня, яке викликає втрату геометрії поверхні через її нагрівання до високої температури при оплавленні шлікера.

2. Вперше впровадити технологію багаторазового ремонту деталей газотурбінних двигунів (завихрювачів жарових труб, лопаток соплового апарату, корпусів турбіни та ін.).

3. Знизити температуру основного матеріалу деталі, тим самим збільшити міжремонтний ресурс експлуатації.

На цей час наробок покриттів ТЗП-3 становить:

- на двигуні Д18Т - більше 20000 годин;

- на двигуні 117-ВМА- СБМ - 12000 годин;

- на двигуні Д336 - більше 10000 годин.

Експлуатація двигунів з покриттями на жарових трубах триває, що підтверджує їх конкурентоспроможність на світовому ринку.

Розрахункові дані ефективності двигунів з теплозахисними покриттями показали, що по двигуну Д18Т тільки жарові труби камери згоряння з розробленим тришаровим теплозахисним покриттям дають економічний ефект 150,5 тис. гривень на один двигун (ефективність підтверджена відповідним актом).

Висновки

1. Проведений літературний огляд вітчизняних і закордонних патентів дозволив обґрунтувати спосіб газотермічного напилювання як найбільш перспективний для захисту деталей камери згоряння сучасних газотурбінних двигунів. Встановлено, що для формування покриття з оксидів типу двуокису цирконію треба застосувати плазмовий струмінь.

2. Вивчення умов роботи найбільш температурно-навантажених деталей газотурбінних двигунів, а саме: жарової труби камери згоряння, визначило вимоги до високотемпературного покриття. Їх здатне задовольнити тільки композиційне покриття на основі металу і кераміки.

3. Відсутність необхідної композиції порошків для одержання високотемпературного покриття із заданими властивостями вимагала проведення досліджень по одержанню необхідного співвідношення компонентів у покритті. Проведені дослідження із плакування, конгломерування й змішування порошків механічно і в плазмовому струмені показали, що самим універсальним способом є змішування порошків у струмені плазми.

4. Вперше розглянуто процес формування покриття з боку основи. При цьому була розроблена методика виготовлення мікрошліфів для світлової і електронної мікроскопії. Показано, що капля при її польоті в газопорошковому струмені змінює свою форму і після удару об поверхню металу набуває павукоподібної форми, а після остигання нагадує форму "розетки". Цим пояснюється наявність у покритті пор і зниження міцності покриття в порівнянні з компактним матеріалом.

5. Застосовуючи математичні методи, проведена оптимізація технологічного процесу плазмового напилювання, яка дозволила провести розрахунки кращих режимів технологічного процесу для одержання заздалегідь заданих властивостей. Розроблені рівняння є універсальними і можуть бути застосовані для інших композицій матеріалів.

6. Рентгеноструктурний аналіз покриття на основі нікелю й діоксиду цирконію показав, що при напилюванні і експлуатації даної композиції при високій температурі понад 1200 °С спостерігається перехід - фази в -фазу. Поліморфізм значно знижує теплотехнічні властивості покриттів. Підвищити температуру початку поліморфізму можливо стабілізацією діоксиду цирконію окисом кальцію, окисом іттрія або термічною обробкою порошків перед напилюванням.

7. Розроблена на основі проведених досліджень технологічна інструкція з нанесення тришарового термозахисного покриття на основі діоксиду цирконію є практичним керівництвом для інженерів, техніків і робітників, які працюють в областях одержання захисних покриттів.

8. Промислові випробування жарових труб камери згоряння газотурбінного двигуна показали, що температуру в камері згоряння можна підняти до 1200°С, а довговічність роботи деталі з покриттям збільшити до 20000 годин.

9. Даний технологічний процес впроваджений на підприємстві ОАО "Мотор Січ", у ЗМКБ "Прогрес". У цей час наноситься жаростійке покриття на жарові труби 7 моделей двигунів.

10. Економічний ефект від впровадження жаростійких покриттів на жарові труби становить 150,5 тис. гривень на один двигун в межах ресурсу 20000 годин.

газотурбінний двигун сплав термостійкий

Список опублікованих праць

1. Зайцев А.В. Оптимизация процесса газотермического напыления термозащитных покрытий / Большаков В.И., Зайцев А.В.// Металознавство та термічна обробка металів. - 2006. - №2 (33). С.19-31 Особистий внесок автора: математично визначені критеріальні умови газотермічного напилення тришарового покриття.

2. Зайцев А.В. Анализ способов получения композиционного покрытия типа металл - керамика газотермическим напылением / Большаков В.И., Зайцев А.В., Вашкевич Ф.Ф. // Новини науки Придніпров'я. -2006. - № 2. С. 3-13. Особистий внесок автора: експериментально доведена можливість одержання багатокомпонентного покриття, застосовуючи кінетичну енергію плазми.

3. Зайцев А.В. Послойный рентгенофазовый анализ жаростойкого композиционного покрытия сплава ВЖ-98 / Большаков В.И., Зайцев А.В., Веселова С.И., Волчук В.Н., Журавель В.И.// Металознавство та термічна обробка металів. - 2007. - №1 (36). С. 31-50. Особистий внесок автора: виконані рентгеноспектральні аналізи пошарово трикомпонентного покриття та визначенні температури поліморфних перетворень.

4. Зайцев А.В. Особенности применения световой и электронной микроскопии при изучении структурообразования покрытий / Большаков В.И., Зайцев А.В., Сухомлин Г.Д., Вашкевич Ф.Ф. // Металознавство та термічна обробка металів. - 2007. - №1 (36). С.5-11. Особистий внесок автора: застосовуючи світлову та електронну мікроскопію показано морфологію газотермічного покриття та причини утворення пор.

5. Зайцев А.В. Перспективные направления по пути совершенствования жаростойких плазменных покрытий / Большаков В.И., Зайцев А.В., Журавель В.И. / Новини науки Придніпров'я. - 2006. -№2. - С.50-54 Особистий внесок автора: проведений аналіз високотемпературних покриттів отриманих плазмовим напиленням із застосуванням прискореної методики термовипробувань, визначені перспективні.

6. Зайцев А.В. Повышение качественных характеристик плазменных покрытий / Спильник А.Я., Зайцев А.В., Вашкевич Ф.Ф., Лебедева-Коцюбан С.В.// Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб.науч.трудов. - Днепропетровск. - 2007. С. 155-161 Особистий внесок автора: виконаний аналіз існуючих способів поліпшення якісних характеристик плазмових покриттів та запропоновані нові рішення по цьому питанню.

7. Зайцев А.В. Определение критериев качества напыленных термозащитных покрытий / Большаков В.И., Зайцев А.В., Вашкевич Ф.Ф. // Теоретические основы строительства: Сб. научных трудов. - Варшава. - 2007. С. 59-68 Особистий внесок автора: визначені критерії якості газотермічних покриттів, які впливають на працездатність деталей та запропоновані технічні рішення їх отримання.

Размещено на Allbest.ru