Изнашивание жаропрочных материалов при вибрациях

УДК 621.891:669.018.44

Л. И. Ивщенко, А. Я. Качан

ИЗНАШИВАНИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ

ВИБРАЦИЯХ

В работе рассматриваются основные закономерности изнашивания деталей горячей части газотурбинных двигателей. Предложен комплексный подход к решению поставленных задач, заключающийся в исследовании трибологических процессов как в лабораторных условиях, так и на натурных объектах.

Для современных энергетических установок и, в частности, авиационных двигателей ресурс определяется долговечностью наиболее ответственных деталей горячей части, таких как диски, рабочие и сопловые лопатки турбины, срок службы которых во многом зависит от износа контактных поверхностей. Так, например, износ бандажных полок лопаток турбины на 0,5 мм вызывает почти десятикратное повышение вибрационных напряжений в пере лопатки, что может привести к усталостному разрушению последней и отказу двигателя в целом. Если же учесть, что только в одном рабочем колесе турбины таких лопаток может быть более 100 (в зависимости от конструкции двигателя), то вероятность отказа изделия при разрушении лопатки значительно повышается.

Особенностями узлов трения является их конструкция, кинематика взаимного перемещения контактных поверхностей, условия работы, включающие высокие, циклически меняющиеся температуры, характер приложения внешних нагрузок (наличие удара с последующим проскальзыванием, химическое воздействие газовой среды).

Из классификации узлов трения горячей части ГТД следует, что все детали подразделяются в основном на плоскостные (~ 40 %), корпусные (~ 20 %), детали типа диск, кольцо (~18 %), вал, ось (~ 12 %), прочие - 4 %. К группе плоскостных деталей следует отнести рабочие и сопловые лопатки турбины, у которых изнашиваются бандажные полки, а также хвостовики замковых соединений, установочные фланцы, дистанционные пластины и другие элементы, испытывающие высокие уровни вибраций. К корпусным деталям относятся корпуса сопловых аппаратов всех ступеней турбины, в которых интенсивному изнашиванию подвержены торцы передней фиксации лопаток.

Анализируя характер износных повреждений приходим к выводу, что в зависимости от состояния сопряжения контактирующих деталей (зазор, натяг) при повышенных температурах в зоне контакта протекают процессы схватывания, окисления и усталостные процессы. По мере увеличения тем-

пературы и напряженности узлов трения изменяется не только исходная структура, но и структура, образовавшаяся в результате сложной совокупности процессов трения. Изменения в структуре поверхностных слоев при контактном взаимодействии в условиях повышенных температур происходит в результате молекулярно-механического взаимодействия, пластической деформации и диффузионных процессов.

В литературных источниках рассматриваются различные механизмы изнашивания как в условиях повышенных температур, так и в газовой среде. Однако следует отметить, что достаточно основательно исследовано влияние внешних механических факторов нагружения сопряженных тел, среды, температуры, природы контактирующих материалов на развитие процессов при трении скольжения. Вместе с тем в литературе практически отсутствуют данные по закономерностям изнашивания в условиях динамического контактного нагружения. В особенности это относится к исследованию влияния качества поверхности на трибологические характеристики жаропрочных материалов.

Методология исследования физико-химической механики взаимодействия тел в трибосопряжениях горячей части ГТУ предусматривает: моделирование с помощью физических моделей; изучение закономерностей изнашивания материалов деталей пар трения как при раздельном, так и комплексном воздействии нагрузочных факторов, а также состояние их фрикционных характеристик посредством созданного специального оборудования; установление закономерностей изменения характеристик материалов в зоне контакта, структурных, фазовых превращений как в натурных деталях, так и в модельных условиях. Для проведения таких исследований необходимо: произвести анализ особенностей изучения трибологических характеристик жаропрочных материалов, эксплуатируемых в экстремальных условиях; определить диапазоны величин нагрузочных факторов, действующих в реальных трибоузлах, и разрабатывать комплекс экспериментальных установок; выбрать и доработать методы исследований

© Л. И. Ивщенко, А. Я. Качан, 2008 - 160 -

качественных изменении в поверхностном слое контактирующих материалов.

Применяемый в исследованиях комплекс экспериментального оборудования [1] включает:

- газодинамический стенд ДКН-1, позволяющий моделировать кинематику перемещений, тепловое и напряженное состояние реальных трибоузлов, исследовать кинетику повреждаемости поверхностного слоя без снятия образцов с установки. Предназначен для опробования конструктивно-технологических способов повышения износостойкости деталей, а также осуществления экспресс-метода оценки работоспособности покрытий;

- газодинамический стенд ДКН-2 для исследования изнашивания при динамическом контактном нагружении, позволяющий изучать раздельное влияние параметров нагружения (амплитуды, давления в контакте, частоты, температуры, газовой среды) на трибологические характеристики материалов, а также производить испытания при программируемом изменении режимов нагружения;

- установку для исследования изнашивания при нормальном приложении нагрузки к образцам («чистый» удар) как при комнатных, так и повышенных температурах.

Вследствие специфики экспериментального оборудования разработаны методики определения нагрузочных параметров для каждой из установок. Предусмотрен контроль параметров, которые определяют протекание процессов разрушения поверхностного слоя (сила трения, нагрузка в контакте, частота и амплитуда колебаний, число циклов на-гружения, температура, скорость газовой среды). Количественно повреждаемость оценивается величиной объема изношенного материала, а также максимальной глубиной повреждаемости методом про-филографирования.

Проведены исследования влияния внешних факторов нагружения на износостойкость жаропрочных материалов, применяемых для изготовления деталей трибосопряжений горячей части ГТД. Исследования проведены при различных схемах контактного взаимодействия: в условиях без разрыва контакта; при ударе; при динамическом нагружении с разрывом контакта. Проведены также испытания износостойкости жаропрочных сплавов при программируемом изменении нагрузочных режимов в соответствии с разработанными принципами моделирования эквивалентных состояний трибологических пар [2].

Проведенные исследования позволили установить наиболее общие закономерности сопротивляемости изнашиванию сплавов на никелевой основе, в частности, в условиях без разрыва контакта установлено, что:

- характер зависимостей по влиянию внешних

параметров нагружения на интенсивность изнашивания подобен полученным ранее при исследованиях в условиях фреттинг-коррозии. Однако значения коэффициента интенсивности изнашивания (Ку) отличаются по абсолютной величине. Поскольку эксперименты проводились при различных значениях нагрузок и амплитуд, то полученные экспериментальные результаты целесообразно было привести к одному критерию:

КУ -

рА''

где Зу - интенсивность изнашивания, мм3/цикл;

р - нагрузка в контакте, Н;

А - амплитуда взаимного перемещения образцов, мм;

- число циклов нагружения до появления равновесной шероховатости, определяющей переход от интенсивного износа к установившемуся, зависит в основном от пластичности материала и температуры, с повышением которых это число снижается и находится в пределах (0,08-0,2)106 циклов для исследованных материалов. Следует отметить, что для сплавов типа ЖС продолжительность перехода от интенсивного износа к установившему несколько больше, чем для ХН77ТЮР (если судить по времени появления равновесной шероховатости). В этом случае, по-видимому, основную роль играет сдвиговая прочность молекулярных связей, являющаяся одним из наиболее существенных параметров, влияющих на установление равновесной шероховатости [3]. Кроме того, диссипация энергии в точках контакта сплава ХН77ТЮР будет меньше, следовательно, и период перехода меньше. В процессе приработки, когда перестраивается микрорельеф поверхности путем избирательного разрушения энергетически перегруженных микронеровностей, сохраняется в большей части те из них, которые обеспечивают минимум перехода части энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного;

- температура в зоне контакта является одним из существенно влияющих на трибологические характеристики факторов и проявляет себя в снижении интенсивности изнашивания. Зона температур, при которых происходит снижение коэффициента интенсивности изнашивания для сплава ХН77ТЮР выражена явно (в отличие от сплавов ЖС6У и ВЖЛ-2), составляет величину порядка 450-500 °С. Исследования топографии изношенных поверхностей после испытаний при различных температурах показывает, что при температурах ниже 450-500 °С износ обусловлен усталостными и адгезионными процессами, а свыше - скоростью изнашивания управляет окисление.

Исследования изнашивания жаропрочных мате-

188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008

- 161 -

риалов при переходе от трения в условиях без разрыва контакта к взаимодействию при ударе показывают, что упорядоченная последовательность изнашивания полностью нарушается (рис. 1). При этом наиболее существенно влияющим на износостойкость фактором является энергия удара. С ее увеличением интенсивность изнашивания возрастает, подчиняясь зависимостям типа: Для сплава ВЖЛ-2 при г = 20 °С - /у = 2,56-10"3 W2--1,15-ш-6ехр(М1)+з,48-10-9^+1,16-10-4 W; при г = 600 °С - /у = 1/(-8,88-107/ехр -2,07-109 W2-2,6•107 ln(W)); Для сплава ЖС6У при г = 20 °С - /у = 1п(1/ехр -0,49W2+0,99W);

при г = 600 °С - /у = ехр (3,6-104 W2-

-6,92-10"2т-1,41-103 W),

где ./у - интенсивность изнашивания,

мм3/цикл;

W - энергия удара, Дж.

Повышение температуры испытаний до 600 °С вызывает снижение интенсивности изнашивания. С ростом энергии удара это снижение имеет тенденцию к увеличению. Более низкие значения интенсивности изнашивания обусловлены образованием на поверхностях контакта тонких оксидных пленок, служащих буферным слоем, замедляющим процесс передеформирования материала, а следовательно, и процесс «упрочнения-разупрочнения» и последующего разрушения материала.

С повышением температуры на поверхности контакта протекают два альтернативных процесса:

- разрушение оксидных поверхностных слоев (более хрупких, чем основной металл), образование которых интенсифицируется с повышением температуры. При достижении критической толщины эти слои откалываются, дробятся, способствуя увеличению износа;

- образование поверхностных пленок, обладаю-

Рис. 1. Влияние характера нагружения на трибологические характеристики сплавов

щих демпфирующей способностью и служащих барьером для передачи энергии, расходуемой на деформирование нижележащих слоев, вследствие чего контактная деформация уменьшается. Поскольку скорость окисления жаропрочных сплавов относительно невысокая, то «защитный» эффект оксидного слоя значительно выше, чем «разрушительный».

Сплав ВЖЛ-2 как в условиях комнатных температур, так и повышенных имеет интенсивность изнашивания более высокую, чем ЖС6У, что, по-видимому, является следствием наличия в нем избыточной хрупкой карбидной фазы типа Ме6С, которая склонна к более быстрому разрушению при жестком ударе. Присутствие в поверхностном слое хрупких фаз облегчает зарождение хрупких трещин, их развитие, благодаря чему снижается износостойкость при ударе [4, 5]. Этим можно объяснить тот факт, что в условиях без разрыва контакта интенсивность изнашивания исследованных сплавов имеет обратную последовательность (рис. 1). При взаимодействии без разрыва контакта твердая карбидная фаза выполняет функцию опорных площадок, снижая как абсолютную величину износа, так и интенсивность изнашивания. Поскольку в сплаве ЖС6У карбидной фазы типа Ме6С образуется почти в 6-10 раз меньше, чем у сплава ВЖЛ-2, то интенсивность изнашивания его в условиях без разрыва контакта выше.

Как уже отмечалось выше, в условиях вибраций, т.е. при ударе с проскальзыванием, работают рабочие лопатки турбины, в которых наиболее интенсивно изнашиваются бандажные полки. Исследованиями их изнашивания показано, что:

- с увеличением наработки линейный износ меняет свой характер от монотонного возрастающего (наработка менее 1000 ч) до резкого увеличения. Такой характер определяется эволюцией нагрузочных параметров (амплитуды, давления в контакте) в сторону их ужесточения. При этом исследование топографии изношенных поверхностей полок лопаток, отработавших различное время в эксплуатации, позволяет выделить три характерных типа разрушения поверхности. Для первого типа характерно сравнительно равномерное изнашивание со следами в направлении скольжения (поперечными бандажной полке). На отдельных участках имеет место перенос материала. Третий тип характеризуется ямочным повреждением поверхности, образованием питтин-гов, типичным для разрушения по механизму контактной усталости. Второй тип разрушения контактирующих поверхностей является промежуточным между первым и третьим. Здесь наблюдаются вмятины, расположенные в направлении перемещения полок. Имеются участки со сравнительно гладким

рельефом. Следует отметить, что все три типа изношенных поверхностей можно наблюдать и в начале наработки в эксплуатации, и в средней период, и в конце. Однако при этом меняется их распределение в процентном отношении, что может свидетельствовать об изменении состояния сопряженных полок, т. е. зазором или натягом между ними. В зависимости от характера сопряжения будут меняться нагрузка в контакте и ее характер приложения, амплитуда как колебаний (соударений), так и взаимного проскальзывания;

- в зависимости от наработки имеет место периодическое изменение характеристик качества поверхностного слоя, таких как микротвердость, структура, уг - фаза, параметр основного твердого раствора. Поскольку исследование влияния времени работы на изменение характеристик поверхностного слоя бандажных полок проводилось на серийных лопатках, снятых с различных двигателей, то, естественно, имел место большой разброс этих характеристик. Поэтому определение ведущих процессов изнашивания и их изучение в таких условиях затруднено. Однако можно предполагать, что изнашивание является результатом чередующихся процессов упрочнения и разупрочнения, протекающих в тонком поверхностном слое бандажных полок и сопровождающихся окислением поверхностей. Более полное распознавание причин изнашивания возможно в случае проведения лабораторных исследований в условиях, моделирующих процессы контактного взаимодействия в натурных трибосопряже-ниях.

Проведение исследований в модельных условиях, в частности, при программируемом изменении нагрузочных режимов возможно при соблюдении основных принципов и критериев моделирования эквивалентных состояний трибологических пар:

- подобие нагрузочных режимов в модельных и натурных условиях (определяющими являются критерии Гука и Ньютона);

- подобие геометрических параметров (равенство отношений поверхностей теплоотдачи, равенство жесткостей и др.);

- подобие топографии изношенных поверхностей (равенство усредненных значений максимальных глубин повреждаемости, равенство количества повреждений на единицу площади и др.);

- подобие структурных и фазовых превращений

в поверхностном слоев в процессе работы (равенство соотношений уг- фазы до и после наработки, отношение параметров основного твердого раствора);

- эквивалентность напряженных состояний;

- эквивалентность интенсивностей изнашивания;

- принцип суммирования повреждений (в предположении линейной гипотезы суммирования повреждений критерием является эквивалентность числа циклов нагружения).

Испытания износостойкости сплава ЖС6У и ВЖЛ-2 в условиях программируемого изменения нагрузочных режимов показали, что:

- интенсивность изнашивания при испытаниях в цикле «пуск-останов» в среднем в 1,8 раз выше, чем при испытаниях на усредненных установившихся режимах;

- трибологические характеристики испытываемых материалов более близки к полученным при испытаниях на натурных двигателях. Степень приближения определяется числом учитываемых параметров на-гружения (сложностью программы);

- рассеивание значений интенсивности изнашивания почти на порядок меньше, чем при испытаниях на натурном двигателе.

Таким образом, предложенная методика исследований и проведенные исследования износостойкости жаропрочных материалов, работающих в условиях повышенных вибраций, дают возможность определить основные закономерности изнашивания, раскрыть механизм процесса, что позволяет целенаправленно разрабатывать мероприятия по повышению сопротивляемости изнашиванию натурных деталей ГТД.

Перечень ссылок

1. 1вщенко Л.Й., Андаенко А.Г. Метод триболоп-чних випробувань за умов циктчного силового i температурного навантаження // Металоз-навство та обробка металiв. - 1996. - № 3. - С. 62-65.

2. Ивщенко Л. И. Принципы моделирования эквивалентных состояний трибосопряжений // Висош технологи в машинобудуванш: збiрник наукових праць ХДПУ - Харшв. - 1998. - Вип. 1. - С. 121-123.

3. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Ма-

шиностроение, 1977. - 526 с.

В po6omi розглянуто ocHoeHi 3aK0H0MipH0cmi зн'?йНенбауЯ1дмт^еСЙопарЯт^лениег^1РааивномУ зотурбтних двигутв. Запропоновано комплексный /йШШИВвркетМ?: П^^ШИНОСТРО^ИОч,1976. -який полягае в до^дженш трибологiчних процес27ОгКг в лабораторных умовах, так i на натурних об 'ектах. 5. Фридман Я.К Механические свойства матери-

D * т i г fj < ч п длов. — М.: Машиностроение, 1974. - 427

Basic conformities of the law of wear of details of hoipart of gas-turbine engines are'considered:

The complex approaches for decision ofthe problems, consisting in rt both in laboratory terms and on model objects, is offered.

с.

.2008

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008

- 163 -