Влияние поверхностной модификации на фреттингостойкость материалов энергоустановок и газотурбинных двигателей

МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИННОВАЦИИ

Вестн. Ом. ун-та. 2012. № 2. С. 241-244.

УДК 621.793.184:620.22:620.1

В.Н. Горюнов, П.Б. Гринберг, Е.Е. Тарасов, К.Н. Полещенко

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ НА ФРЕТТИНГОСТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ЭНЕРГОУСТАНОВОК И ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Проведен анализ проблемы фреттингостойкости материалов энергоустановок и газотурбинных двигателей. Предложен подход к созданию фреттингостойких поверхностных слоев посредством ионно-плазменного воздействия. Изучен характер разрушения материалов в условиях фреттинг-коррозии и проведен анализ механизмов формирования вторичных структур.

Ключевые слова: поверхностная модификация, фреттинг-коррозия, модифицированная поверхность.

Превалирующим видом износа конструктивных элементов энергоустановок и авиационных газотурбинных двигателей является износ от фреттинг-коррозии, который достигает 60 % от всех видов эксплуатационных дефектов [1; 2]. При фреттинг-коррозии металлических поверхностей характерно образование внутриокисленной структуры типа оксидов металла. Ниже, в приповерхностных слоях, происходят изменения усталостного характера. Характерные для фреттинг-коррозии повреждения (образование углублений, окисление, образование твердых частиц окислов) зависят от воздействия внешних факторов: температуры, нагрузки, частоты вибраций.

В зависимости от условий контакта выделяют две группы деталей узлов трения в изделиях авиационной техники. К первой группе относятся втулки с прессовой посадкой, заклепочные, резьбовые, болтовые соединения, замки лопаток и другие детали, находящиеся в неподвижном контакте, испытывающие небольшие периодические относительные перемещения. Ко второй группе относятся подшипниковые опоры, зубчатые и шпоночные соединения и другие детали, которые находятся в покое лишь в течение некоторого периода времени.

Для первой группы основными причинами снижения долговечности являются усталостные разрушения в результате фреттинга, для второй -схватывание и заедания пар трения. При разрушении от фреттинг-корро-зии зачастую наблюдается выделение порошкообразных мелкодисперсных продуктов износа, представляющих собой оксиды металлов пар трения.

Участки повреждения, как правило, покрыты кавернами сферической или почти сферической формы, занимающими значительную долю площади контакта. Участки фреттинг-коррозии на разных этапах образования имеют различное проявление и масштаб. При использовании смазки на первой стадии образуются блестящие следы приработки, а затем темно-серые или черные пятна; появляются микроуглубления, которые развиваются в глубь поверхностного материала. На заключительной стадии доминирующим становится накопление продуктов разрушения, приводящее к повышению интенсивности изнашивания [3-5]. Это обусловлено тем, что при взаимодействии малоподвижных поверхностей, происходящем в условиях вибрации, создаются благоприятные условия для схватывания, окислительных и коррозионно-усталостных процессов и абразивного разрушения. Образование и накопление твердых дисперсных частиц, обладающих высокой истирающей способностью, приводит к нарушению целостности граничного слоя и развитию износа.

© В.Н. Горюнов, П.Б. Гринберг, Е.Е. Тарасов, К.Н. Полещенко, 2012

Степень повреждения поверхностного слоя в зависимости от амплитуды Ар неоднозначна, поскольку зависит не только от величины давления в зоне контакта Р, но и от свойств контактирующих материалов изделий. При воздействии на малоподвижное соединение нормальных Ир и тангенциальных сил Тр сопряженные поверхности смещаются с амплитудой +- Ар. При этом у границ контакта образуются частицы материала поврежденных поверхностей, суб- и микротрещины (рис. 1) [6; 7]. Далее эти процессы циклически повторяются, однако при этом:

- увеличивается количество продуктов повреждения контактирующих поверхностей;

- меняются размеры и места участков активного контакта и зон влияния, а прямой контакт сопряжённых деталей может переходить в контакт через продукты повреждения (износа), возникают и развиваются вне зон контакта каверны;

- в зонах циклического контакта постоянно возникают условия для образования и развития суб- и микротрещин или абразивного износа.

Рис. 1. Схема процесса фреттинга и размещения зон с типичными повреждениями в виде образования каверн (а), подслойных (б) и поверхностных (в) усталостных трещин

По мнению профессора Д.Н. Гаркунова

[4], универсальные средства борьбы с фрет-тинг-коррозией отсутствуют. В общем случае для борьбы с фреттинг-коррозией следует:

• уменьшить микросмещения;

• снизить силы трения;

• сосредоточить скольжение в промежуточной среде.

Уменьшить повреждения от фреттинг-коррозии можно путем повышения твердости одной из деталей. При увеличении твердости уменьшается взаимное внедрение деталей, снижается размер продуктов износа и интенсивность изнашивания. Для этой цели рекомендуется применять методы, обеспечивающие повышение твердости деталей: термическую обработку (закалку),

азотирование, пластическое деформирование, электроискровую обработку [3; 4].

Кроме того, используют подходы, основанные на снижении силы трения или сосредоточения скольжения в промежуточной среде. В условиях фреттинг-коррозии смазочные материалы не влияют сколько-нибудь существенно на коэффициент трения, так как граничная пленка быстро разрушается. Выполнять роль твердых смазочных материалов могут свинцовистые и индиевые покрытия, а также твердосмазочные покрытия (ТСП) никель-графитового состава [8].

В работах [9; 10] предложен подход к решению проблемы повышения износо- и фреттингостойкости деталей путем использования композиционных материалов, а также нанесения многослойных пленок пластичных металлов, обладающих высокими демпфирующими свойствами. Теоретическую основу исследований составили математические модели демпфирования колебаний, дающие возможность создавать композиционные и многослойные материалы с послойно уменьшающимся модулем упругости.

Апробация методов модификации поверхности, сочетающих последовательно ионно-плазменную и ионно-лучевую обработку, показала, что в этом случае появляется возможность нивелировать недостатки, присущие каждому методу в отдельности [11].

Данное исследование посвящено влиянию комбинированного ионно-плазменного воздействия на фреттингостойкость материалов энергоустановок и газотурбинных двигателей. Ионно-плазменная обработка осуществлялась на установке ННВ-1.1 и включала распыление поверхности, формирование промежуточного слоя и нанесение нанострукту-рированного покрытия.

Испытания на фреттинг-коррозию проводились в соответствии с ГОСТом 23.21180 [12].

На рис. 2 показан вид типичных структур по глубине образцов после фреттинг-изнашивания. Разрушение исходных образцов происходит в результате образования как локальных очагов, так и попеченных трещин (рис. 2а). Такой вид характерен для превалирующего вклада усталостного разрушения материалов с относительно низкой пластичностью в условиях окислительных и колебательных процессов.

а б

Рис. 2. Вид поверхностного разрушения образцов в результате развития окислительных процессов: а - исходный, б - модифицированный

Влияние поверхностной модификации на фреттингостойкость материалов..

243

Учитывая, что характерная толщина слоя, накапливающего повреждения при трении и подверженного диспергированию, имеет мезоскопические размеры, можно предположить, что зародышевые микротрещины, которые, по С.Н. Журкову, являются главной причиной разрушения материалов, появляются в результате кинетического фазового перехода в области разориентированных диссипативных структур, а значит, указанный процесс растрескивания при содействии касательных сил способен инициировать диспергирование «уставшего» материала поверхностного слоя. Согласно данным, приведенным в работе [13], начало диспергирования материала поверхностного слоя соответствует достижению критической плотности дислокаций -0,5-5 х 10 х 10 см-2. В этой области, согласно работе [14], преобладающими являются разориентированные дислокационные субструктуры, а основными структурными элементами деформации - дислокации и дис-клинации. Результаты исследования кинетики изнашивания титанового сплава ВТ-9 [15] показали, что средняя плотность дислокаций в материале поверхностного слоя при разрушении составила 0,9 х 10 см.

Напротив, вид покрытия и основы модифицированного образца (рис. 2б) свидетельствуют об образовании структуры с деформируемыми слоями покрытия и наметившимся деформируемым мезообъемом

[16], включающим материал основы. Каких-либо признаков разрушения в области границы раздела «основа - покрытие» в этом случае не наблюдается, что свидетельствует о высокой адгезионной прочности сформированной композиции. Кроме того, не отмечается и явно выраженных очагов поверхностного разрушения в результате окислительных процессов.

Образование подобных структур, по-видимому, связано с механизмом согласованного развития деформационных процессов, протекающих на различных масштабных уровнях, определяющих кинетику процесса фреттинг-изнашивания (рис. 3). Повышение эксплуатационных свойств изделий в определенном температурно-скоростном диапазоне условий эксплуатации связано с

И, мкм

ю

5

формированием в результате образования диссипативных структур так называемого debris-слоя [17]. При постоянных условиях трения толщина и долговечность дебрис-слоя остаются в среднем неизменными. При достижении внутренней энергией Ли величины энергии активации диссипативного фазового перехода, ответственного за растрескивание материала, начинается фаза усталостного разрушения, которое проявляется как лавинообразное диспергирование материала поверхностного слоя в виде частиц износа на глубину Ы, охватывающее всю геометрическую площадь контакта.

б

Рис. 3. Изображение поверхностных слоев образцов по глубине после фреттинг-изнашивания: а - исходный с поперечными трещинами и очагами поверхностного разрушения; б - модифицированный с деформированным слоем

Критическая

область

12

16

I, часы

хаос - не разор иси-

тированнью

разор иен-тированныс

10э

10"

10" р, см*4

Рис. 4. Взаимосвязь процессов при усталостном изнашивании: а - кривая изнашивания титанового сплава ВТ-9 на макроуровне; б - эволюция дислокационных субструктур на мезоуровне; в - шкала плотности дислокаций на микроуровне; И - величина износа; ір - рабочий период; р - плотность дислокаций

а

б

в

Согласно схеме, приведенной на рис. 4, повышение рабочего периода эксплуатации изделия определяется периодом сохранения неразориентированных (диссипативных) структур. Полученные результаты свидетельствуют, что создание исследуемых поверхностных композиций служит не только барьером для развития окислительных процессов в условиях фреттинг-коррозии, но и препятствует локализации концентраторов напряжения за счет множественного скольжения дислокаций и образования поворотных мод, тем самым обеспечивая диссипацию энергии на всех структурных уровнях.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Елисеев Ю. С., Крымов В. В., Малиновский К. А., Попов В. Г. Технология эксплуатации, диагностики и ремонта газотурбинных двигателей. М.: Высш. шк., 2002. 355 с.

[2] Ключников И. П., Крюков М. А. Восстановление ответственных деталей и узлов ГТД методами высокотемпературной сварки и пайки // Технология восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций : матер. III Всерос. практ. конф.-выст. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2О01. С. 73-78.

[3] Уотерхауз Р. Б. Фреттинг-коррозия : пер. с англ. Л. : Машиностроение, 1976. 268 с.

[4] Гаркунов Д. Н. Триботехника. М. : Машиностроение, 1985. 424 с.

[5] Машков Ю. К., Полещенко К. Н., Повороз-нюк С. Н., Орлов П. В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. М. : Наука, 2000. 280 с.

[6] Петухов А. Н. Вопросы многоцикловой усталости для материалов и деталей современных ГТД // Вестн. Самар. гос. аэрокосм. ун-та. 2009. № 3(19). С. 172-177.

[7] Петухов А. Н. Метод оценки предела выносливости деталей при фреттинг-коррозии // Проблемы прочности и динамики в двигателе-строении. М., 1985. Вып. 3. С. 225-238. (Тр. ЦИАМ; № 1109).

[8] Лесневский Л. Н., Трошин А. Е., Тюрин В. Н., Гаврилов В. П., Клопов С. Г. Возможности использования покрытий ЩСд], напыленных методом АРБ, для защиты от фреттинг-износа в

производственных и ремонтных технологиях // Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструментов и технологической оснастки : матер. X юбилейной Междунар. науч.-практ. конф. СПб. : Изд-во СПбГТУ, 2008. Ч. 1. С. 193-200.

[9] Погонышев В. А., Самсонович Е. Н., Матан-цева В. А., Кузнецов Л. Д. Увеличение ресурса пар трения с помощью пленок пластичных металлов // Трение и износ. 1993. Т. 14. № 6. С. 1124-1126.

[10] Харченков В. С., Погонышев В. А., Заикин И. Д. Новый подход к решению задач о фреттинг-износе // Износостойкость машин : тез. докл. II Междунар. науч.-техн. конф. Брянск, 1996. Ч. 1. С. 47.

[11] Поворознюк С. Н., Гринберг П. Б., Полещенко К. Н. Модифицирование химических и механических свойств титановых сплавов посредством ионно-лучевой и ионно-плазменной обработок // Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах : тр. VI Междунар. науч. конф. Томск, 2008. С. 378-383.

[12] ГОСТ 23.211-80 - «Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытаний материалов на изнашивание при фреттинге и фреттинг-коррозии».

[13] Максимович Г. Р., Любарский И. М., Палат-ник Л. С. Физико-химические процессы при плазменном напылении и разрушении материалов с покрытиями. Киев : Наукова думка, 1983. 264 с.

[14] Рыбакова Л. М. Оценка степени микроразрушений - деструкции тонких металлических пленок // Изв. вузов. Северо-Кавказский регион. 2001. С. 121-122.

[15] Ковшов А. Г. Разработка трибохимических методов расчета и повышения фреттингостойко-сти деталей турбокомпрессоров из сплавов титана ВТ-9 и ВТ3-1 : дис. ... канд. техн. наук. Киев : Киевский ин-т гражд. авиации, 1988. 20 с.

[16] Панин В. Е., Егорушкин В. Е., Макаров П. В. и др. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов : в 2 т. Новосибирск : Наука, 1995.

[17] Ибатуллин И. Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев : монография. Самара : Самар. гос. техн. ун-т, 2008. 387 с.