автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Исследование конструкционной прочности материалов с газотермическими покрытиями и методы ее повышения

На правах рукописи

ИЛЬИНКОВА ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ С ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 9 АВГ 2013

Пермь-2013 г.

005532460

Работа выполнена в Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н.Туполева (КНИТУ-КАИ).

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Байгалиев Борис Ергазович

Официальные оппоненты:

Синани Игорь Лазаревич, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», доктор технических наук, профессор кафедры «Сварочное производство и технология конструкционных материалов», г.Пермь;

Трушин Владимир Алексеевич, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», доктор технических наук, профессор кафедры «Авиационная теплотехника и теплоэнергетика»;

Гуреев Виктор Михайлович, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе, заведующий кафедрой «Котельные установки и парогенераторы»;

Ведущая организация: Казанский национальный исследовательский технологический университет.

Защита состоится «15» октября 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.02 при Пермском национальном политехническом университете по адресу: 614000, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд.423б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПНИПУ.

Автореферат разослан

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.188.02

доктор техн. наук

/

Е.А.Кривоносова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современного машиностроения во многом связано с созданием и совершенствованием газотурбинных двигателей (ГТД) и энергоустановок. Применение прогрессивных ресурсосберегающих технологий нанесения защитных покрытий при производстве ГТД способствует решению данной задачи.

Использование защитных покрытий различного функционального назначения (износостойких, коррозионностойких, теплозащитных) на деталях ГТД дает возможность повысить кпд, надежность и ресурс двигателя. Поэтому в современных ГТД до 80% деталей имеют защитные покрытия. Большое распространение в настоящее время получают газотермические методы нанесения покрытий напылением, отличающиеся высокой производительностью, относительной простотой технологии и доступностью оборудования. Однако расширение сферы применения газотермических покрытий, в первую очередь плазменных и детонационных, ограничивается из-за недостаточной изученности процессов формирования покрытий, а также их влияния на свойства материала основы (детали). Это затрудняет разработку технологических процессов нанесения покрытий, обеспечивающих высокую надежность и долговечность деталей. На стадии проектирования не удается прогнозировать износ, усталость во всех их проявлениях сопровождающих эксплуатацию изделий с покрытиями. Влияние окружающей среды, а также недостаточная изученность сложных закономерностей изменения прочностных и деформационных свойств защитных покрытий и всей системы «покрытие — основа» (СПО) в процессе их работы, нестабильность технологических параметров нанесения осложняют получение надежных результатов.

Объем промышленного применения защитных покрытий в машиностроении остается все еще ограниченным. Это обусловлено малым количеством теоретических и экспериментальных работ, изучающих влияние покрытий на основные свойства конструкционных материалов, а именно на статическую и циклическую прочность. Специфичность СПО заключается в том, что первоначальные условия формирования покрытия, физико-химические процессы, протекающие на поверхности основы в период нанесения покрытия, существенно влияют на поведение конструкционных материалов при эксплуатации.

Плазменные и детонационные покрытия, в основном используемые на деталях ГТД, являются на настоящий момент наиболее эффективными с точки зрения сочетания качества покрытий и экономичности процесса их напыления. Фундаментальные работы в области исследования детонации принадлежат научной школе академика М.А. Лаврентьева (М.Е. Топчиян, В.В. Митрофанов, A.A. Васильев, Т.П. Гавриленко, Ю. А. Николаев, В.Ю. Ульяницкий, и др.),

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам отдела главного металлурга ОАО КМПО Валиуллину P.P., Савельеву В.М., а также своим аспирантам Абусделю A.M., Валиеву P.P., Ибрагимову А.Р., Тагирову А.Т., Барсуковой Е.А. за неоценимую помощь в проведении исследований.

С.С. Бартеневу, Ю.П. Федько, А.И. Григорову, Ю.А. Харламову; в области теории и технологии плазменного напыления - В.В. Кудинову, В.М. Иванову, А.Ф. Пузрякову, В.А. Барвинку, Ю.С. Борисову, JI.M. Петрову, Г.В. Боброву, А.А.Ильину, JI.X. Балдаеву и др.

Низкая пластичность большинства керамических материалов не позволяет применять их для создания покрытий. Однако известны такие уникальные порошковые сплавы, как WC-Co, Zr02 -Y203, которые обладают высокой вязкостью разрушения, соизмеримой с вязкостью стали и сочетание этой характеристики твердости с химической инертностью позволяет использовать данные керамики для защиты деталей ГТД, подвергающихся высоким истирающим, тепловым и механическим нагрузкам.

Значительный прогресс в повышении качества покрытий связан с использованием для напыления композиционных материалов. Применение композиционных порошковых материалов предполагает развитие технологических процессов нового уровня, основными чертами которого является: 1) сохранение исходного состава материала покрытий на стадии напыления, 2) точное регулирование структурообразования, 3) снижение до минимума повреждающего воздействия процесса напыления на свойства металла основы. Исследований в этой области проводится недостаточно.

В США, Германии, Англии, Японии, Италии проводятся интенсивные исследования по физическому и математическому моделированию процессов, происходящих в газотермических покрытиях, в первую очередь - плазменных теплозащитных покрытиях (ТЗП). Важное место в этих исследованиях уделено исследованиям термостойкости в различных условиях теплового нагружения и раскрытию механизмов разрушения ТЗП.

Отечественные публикации по получению, исследованию и расчетам термонапряженного состояния ТЗП принадлежат П.Г. Коломыцеву, E.H. Кобло-ву, С.А.Мубояджяну, Н.В. Абраимову, JI.H. Лесневскому, В.А.Трушину, Г.П.Нагоге, Ю.М. Анурову и др. Эти публикации немногочисленны и не дают полноты знаний о природе физико-механических и теплофизических процессов, происходящих в СПО при формировании ТЗП, не позволяют прогнозировать поведение этих покрытий в реальных условиях и устанавливать обоснованный ресурс.

В связи с этим, тема диссертационной работы, посвященная разработке теоретических и технологических основ повышения конструкционной прочности титановых и никелевых сплавов с газотермическими покрытиями представляется актуальной.

Цель настоящей работы заключается в повышении надежности материалов с газотермическими покрытиями путем разработки научных и технологических подходов к повышению их конструкционной прочности.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. На основе исследования закономерностей деградации и разрушения плазменных и детонационных покрытий различного функционального назначе-

ния в условиях, близких к эксплуатационным, разработаны методы повышения их конструкционной прочности;

2. Выявлены основные закономерности деформационной способности детонационных \VC-Co и плазменных Ег02-6-8У20з покрытий при статическом одноосном и двухосном нагружении в зависимости от составов, толщин покрытий, связанные с циклической долговечностью покрытий;

3. Проведены исследования термостойкости плазменных теплозащитных покрытий 7г02-6-8У20з и установлены закономерности изменения их долговечности в зависимости от режима термоциклирования, составов и толщин, а также изменения теплофизических характеристик покрытия;

4. Изучена кинетика основных механизмов деградации 2г02-6-8У203 теплозащитных покрытий - спекания керамического слоя и окисления металлического подслоя покрытия, и установлены основные технологические факторы, влияющие на эти процессы.

Научная новизна. Новым научным положением, основанным на раскрытии закономерностей сопротивления усталости материалов с газотермическими покрытиями и установлением критериев оценки их разрушения от действия механических и тепловых нагрузок, является создание научно обоснованных подходов к управлению процессами формирования покрытий при напылении и последующей обработки. Это позволяет повысить надежность и долговечность покрытий.

1. Обобщены и развиты представления о влиянии детонационных покрытий \VC-Co на сопротивление многоцикловой усталости двухфазных титановых сплавов. Установлено, что снижение сопротивления усталости титановых сплавов связано с появлением сильно наклепанной переходной зоны, а также стеснением пластической деформации титановой основы при совместном деформировании с хрупким покрытием.

2. Теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность снижения температуры и скорости порошково-газового потока при детонационном напылении, позволяющая создавать покрытия с упорядоченной структурой и минимальным количеством хрупких фаз. Это позволило повысить сопротивление многоцикловой усталости титановых сплавов с покрытиями до 5 раз и сопротивление в условиях фреттинг-коррозии до 4 раз.

3. Развиты представления о природе упруго-пластических и прочностных свойств газотермических покрытий при одно- и двухосном статическом нагружении системы «покрытие-основа». Предложенные энергетические характеристики упруго-пластической деформации являются более чувствительными к изменению напряженного состояния покрытий при высокотемпературной наработке, чем модуль Юнга;

4. Выявлены механизмы деградации и разрушения теплозащитных покрытий в условиях малоцикловой термической усталости, связанные с импульсным спеканием керамического пористого слоя, движущая сила которого имеет различную интенсивность в зависимости от режима теплового нагруже-ния и продолжительности воздействия. Установлено, что под действием неста-

ционарного температурного поля, в том числе при однократном тепловом ударе, в керамическом слое ТЗП возникает градиент механических свойств.

5. Развиты представления о кинетике процесса окисления плазменного жаростойкого подслоя теплозащитных покрытий и предложены методы ее оценки, позволяющие прогнозировать долговечность теплозащитного покрытия.

Практическая значимость. Разработан ряд технологических рекомендаций по методам повышения сопротивления усталости материалов с покрытиями различного функционального назначения, что послужило основой создания научно обоснованных технологий и критериев оценки кинетики процессов, происходящих в покрытиях при эксплуатации.

При разработке технологических рекомендаций обоснована необходимость регламентации и контроля стабильности режимов напыления покрытий по критерию сопротивления усталости СПО.

Для ОАО «Казанское моторостроительное производственное предприятие» разработан и внедрен технологический процесс детонационного напыления композиционного порошка ВК15В на бандажные полки лопаток компрессора ГТД, обеспечивающий в наименьшей степени снижение сопротивление усталости титановой основы, а также технологический процесс плазменного напыления двухслойных теплозащитных покрытий г02 - 7-8%У203. высокого ресурса применительно к деталям камеры сгорания ГТД.

В ОАО «Казанское отраслевое конструкторское бюро «СОЮЗ» и ООО «Технологические системы защитных покрытий» (г.Щербинка Московской области) переданы методики оценки механических свойств газотермических покрытий в условиях статического нагружения, методики и результаты испытаний на термостойкость плазменных теплозащитных покрытий ЪОг - 7-8%У203. в различных условиях теплового нагружения, позволившие предприятиям осуществить обоснованный выбор составов и толщин покрытий для защиты деталей разрабатываемых изделий.

Результаты, полученные в ходе исследований, используются в учебном процессе Казанского национального исследовательского технического университета, что отражено в учебных пособиях и лекциях для студентов направления подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов», 150700 «Машиностроение» по курсам «Теория и технологии получения, обработки и переработки материалов и покрытий», «Металлографический анализ», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Материалы и их поведение при сварке».

Основные положения, выносимые на защиту:

Научная концепция, заключающаяся в том, на стадии создании опытных образцов деталей ГТД (лопатки компрессора, наружные и внутренние кожухи, жаровые трубы камеры сгорания ГТД) с защитными покрытиями различного функционального назначения для принятия обоснованных технологических и конструктивных решений необходимо производить оценку работоспособности покрытий по критериям прочности и деформационной способности, полу-

чаемых при статических видах нагружения модельных образцов, однотипных реальным деталям ГТД.

Новая концепция позволяет обоснованно осуществлять выбор основных элементов технологии напыления покрытий: устройств и режимов для напыления, порошковые материалы, толщины покрытий, последующие после напыления обработки, а также значительно снижать трудоемкость этапа разработки опытного образца изделия и последующих длительных (стендовых или эквивалентных лабораторных) испытаний в условиях, близких к эксплуатационным. На основе данной концепции автор выносит на защиту:

1. Научно-экспериментальное обоснование статических характеристик конструкционной прочности газотермических покрытий применительно к реальным условиям эксплуатации деталей ГТД.

2. Основные закономерности формирования сопротивления усталости титановых сплавов с детонационными покрытиями (\VC-Co) и жарочных сплавов с теплозащитными покрытиями {7£>2 - 7-8%Уг03) в связи с технологическими факторами их создания (вида порошков, установок для напыления, подготовки поверхности и последующей механической и термической обработки).

3. Основные закономерности сопротивления термической усталости теплозащитных покрытий в зависимости от режимов тепловой нагрузки, состава и толщин компонентов покрытия.

4. Теплофизическую модель термостойкости теплозащитных покрытий.

5. Закономерности спекания керамического слоя теплозащитных покрытий при тепловом нагружении.

6. Научно-обоснованные методы повышения конструкционной прочности материалов с газотермическими покрытиями различного функционального назначения.

7. Методы испытаний и установки для испытаний материалов с газотермическими покрытиями в условиях близких к эксплуатационным.

Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается применением современных методов исследования, поверенных приборов и оборудования, стандартных методик определения структуры и свойств материалов, статистической обработкой результатов исследований, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, в том числе с результатами других авторов.

Личный вклад автора состоит в определении научного направления исследований, постановке задач, выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов, формулировании научных положений и выводов, внедрении практических результатов в производство, учебную работу ВУЗа.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих Международных, Всероссийских конференциях и совещаниях:

XI Всесоюзной конференции «Теория и практика газотермического напыления покрытий» (Севастополь, АН УССР, 1988г.); IV Всесоюз. н-т. конф. Запорожье: ЗМИ, 1989г.; XXIII Всесоюзном научном совещании по проблемам

прочности двигателей (Москва, ИМП АН СССР, 1990г.); II Международном симпозиуме по Трибофатике -96 (Москва, РАН, 1996г.); 5-й и 8-й Международной конференции «Пленки и покрытия» (г. Санкт-Петербург, Полиплазма, 1998, 2007гг.); XYII-й, XIX-й, XXI-й, XXII-й, XXIII-й Всероссийской Межвузовской конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2005, 2007, 2008, 2010, 2011 гг.); Международной научно-практической конференции «Современные технологии - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения», г. Казань, 2008 г. (АКТО-2008); 5-й и 6-й Всероссийской н-т. конф. «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта, и энергетики» АНТЭ-2009, АНТЭ-2011, г. Казань; V-й Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование», Казань-2010» (АКТО-2010); III Международной научно-технической конференции «Авиадвигатели XXI века» (г. Москва, 2010 г.); Международной н-т конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития России» (ВИАМ, г.Москва, 2012г.); YII Международном симпозиуме по фундаментальным и прикладным проблемам науки (г. Миасс, 2012г.). Труды межд.н-пр.конф.«Современные технологии, материалы, оборудование и ускоренное восстановление кадрового потенциала -ключевые звенья возрождения отечественного авиа-ракетостроения»., т.2., Казань, 2012г..

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 51 печатной работе, в том числе в 14 статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях, а также в 33 статьях, опубликованных в сборниках научных трудов различных конференций. Получены 2 авторских свидетельства, 1 патент на изобретение, 1 положительное решение на выдачу патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, приложения, списка литературы - 338 наименования; содержит 358 страниц текста, в том числе 101 рисунков, 47 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы актуальность, научная и практическая значимость проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, их научная и практическая новизна, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведена краткая характеристика работы. Отмечено, что научный и практический интерес представляет создание надежных методов оценки прочностных, деформационных и энергетических характеристик как непосредственно самих покрытий, так и системы «покрытие-основа», что позволяет научно обоснованно подходить к выбору материалов в каждом конкретном случае и создавать оптимальные технологические процессы их напыления.

В первой главе представлен обзор работ в области исследования сопротивления усталости материалов с газотермическими покрытиями.

Газотермические покрытия, имеют особые механические характеристики, обусловленные их слоистой структурой. Прочность таких покрытий обычно яв-

ляется пониженной по сравнению с литыми или спеченными материалами в результате отсутствия полной микросварки между отдельными слоями, наличия окисления слоев, а также пористости.

При создании покрытий часто возникает проблема снижения усталостных характеристик металла основы в случае нанесения твердых покрытий, например, на основе окиси алюминия, карбида вольфрама. Многие исследователи (С.С.Бартенев, Ю.П.Федько, В.И. Капылов, В.Ф. Шатинский, И.И.Горшков, М.И.Анисимов) отмечают, что улучшая характеристики износостойкости, коррозионной стойкости детали, часто можно получить снижение сопротивления усталости.

Обзор научно-технической литературы по результатам экспериментальных исследований термостойкости плазменных ТЗП и моделей прогнозирования их долговечности (М. Koolloos, С. Berndt, J. Nesbitt, D. Zhu, R. Miller, C. Barrett, K. Bouhanek, O. Adesanya, K. Schlichting, U. Leyens, Schulz, К. Frit-scher и др.) показал, что важно проведение исследований термостойкости на различных режимах ускоренных испытаний ТЗП с тем, чтобы было возможно прогнозировать поведение покрытий в различных условиях эксплуатации. Однако ускоренные испытания должны отражать действующие механизмы разрушения покрытий. Разрушение системы «ТЗП - основной материал» возникает вследствие термической усталости, горячей коррозии, окисления и ползучести металлического подслоя. Многие исследователи отмечают, что методы исследования термостойкости ТЗП плохо воспроизводимы, что создает трудности при сравнении результатов, полученных различными авторами.

Воздействие высоких температур на ТЗП при эксплуатации способствует процессам спекания в обоих слоях покрытия. Однако данные по количественному исследованию изменений, происходящих в пористом внешнем керамическом слое ТЗП и подслое, практически отсутствуют.

Важным теплофизическим параметром ТЗП является коэффициент его теплопроводности, который используется при расчетах температурного и теп-лонапряженного состояния охлаждаемых деталей, на которые нанесено ТЗП. Исследование его изменения в процессе высокотемпературной наработке позволяет прогнозировать долговечность ТЗП.

Важным направлением исследования работоспособности ТЗП являются исследование их механических свойств в зависимости от различных технологических факторов. Обзор исследований деформируемости теплозащитных покрытий при статическом четырехточечном изгибе, проводимых С.С. Berndt , М. Beghini, G. Benamati, L. Bertini, F. Frendo, C.H. Li, A. Ohmori, S. Kuroda, T. Fukushima, S. Kitahara, T.W. Clyne и др. показал, что этот метод позволяет принимать научно обоснованные технологические решения. В конце первой главы диссертации сформулированы задачи исследования.

Во второй главе описаны применяемые в работе материалы, технология приготовления образцов для исследования, методы исследования покрытий и

спо.

В качестве основы модельных образцов использовались титановые сплавы ВТ6, ВТ8, ВТ9, ВТ22, используемые для изготовления лопаток вентилятора компрессора ГТД, сплав на никелевой основе ВХ-4А (ЭП 648), используемый для изготовления жаровых труб камеры сгорания ГТД.

Порошковые материалы для создания детонационных и плазменных покрытий выбирались из числа серийно выпускаемых, с целью возможности разработки новых технологических процессов напыления для серийного производства деталей ГТД. Это композиционные порошковые сплавы ВК на основе WC-Со с различным содержанием кобальта и технологией изготовления: ВК25М сфероидизированный, порошки для создания подслоя ТЗП - ПВНХ16Ю6Ит по ТУ 14-22-34-90 и ПНХ20К20Ю13 по ТУ 14-22-11-88 (поставщик ООО НПФ «Материалы-К», г.Тула); для внешнего теплозащитного слоя ТЗП - порошки оксида циркония, стабилизированного 6-^8% оксида иттрия: ЦрОИ-7(ТУ-48-0502-01-89), ЦИО-7-10-50 (ТУ 1-595-2-659-2002), Z7Y-10-90 (ТУ 1762-00357012661-2004). Исследовались также механические свойства покрытий на основе зарубежных порошков: электроплавленный, Spheroidal Spray Dried SG204, Spheriodal HOSP™ M204, 204-NS.

Подготовка образцов с покрытиями осуществлялась в производственных условиях ОАО КМПО, ОАО УМПО с применением роботизированных комплексов современного отечественного детонационного и плазменного оборудования.

Испытания на сопротивление механической усталости титановых сплавов с детонационными покрытиями WC-Co при комнатной температуре проводили по ГОСТу 25.502 на машине МУИ-6000 на базе 107 циклов.

Для исследования термостойкости ТЗП при действии постоянного температурного градиента использовали оригинальный испытательный стенд. Регистрация температуры поверхности покрытия осуществлялась оптическим пирометром С-500.7 «Кристалл». Температура охлаждаемой поверхности образца измерялась четырьмя поверхностными хромель-алюмелевыми термопарами с разнесенным спаем. Измерение ЭДС термопар производилось с помощью АЦП L-761. Регистрация температуры выполнялась с помощью компьютерной программы «Power Graph» (№5 С2053). Основная база испытания составляла 103 циклов.

Кроме того, для исследования термостойкости ТЗП использовали импульсный итгербиевый волоконный лазер марки Fmark-20RL (Германия).

Испытание на термическую усталость в высокотемпературной печи проводили при температуре 1373 К до момента установления предельной долговечности ТЗП.

Износостойкость детонационных покрытий определяли в условиях фреттинг-коррозии при температурах 573К, 673К, 873К. Величину износа определяли по профилограммам дорожек трения, полученных на приборе «Калибр». В качестве параметра износостойкости принимали средний линейный износ Hj.

Прочностные и деформационные свойства ТЗП, прочность сцепления покрытий с основой оценивали на разрывной машине FPZ 100/1 (Германия). Регистрацию усилий, абсолютных деформаций при испытании проводили с помощью чувствительных датчиков и поверенных средств измерения.

Микротвердость, трещиностойкость и другие микромеханические характеристики определяли с помощью твердомера - микроскопа НХ 1000ТМ при нагрузках от 100 до 1000 г. Использовались инденторы Виккерса и Кнуупа.

Контроль качества порошковых материалов проводили стандартными методами: исследовались форма частиц, химический и гранулометрический составы.

Структурные исследования проводили на оптическом универсальном металлографическом микроскопе Axiovert 200 МАТ, электронном сканирующем микроскопе JSM6460-LV (Япония) и просвечивающем электронном микроскопе УЭМБ-Ю (Россия).

Объемная пористость в покрытиях исследовалась по ГОСТу методом гидростатического взвешивания, а также методом площадей, реализованном в прикладном пакете AxioVizion (№7348С56С78) применительно к оптическому универсальному металлографическому микроскопу Axiovert 200 МАТ.

Микрохимический состав покрытий определяли методами интегрального и поточечного анализа на сканирующем электронном микроскопе EVO 50 XVP Carl Zeiss, совмещенного с энергодисперсионным спектрометром OXFORD INCA ENERGY 350.

Результаты всех измерений и испытаний подвергали статистической обработке с помощью специально разработанных и стандартных программ. Оценивались рассеяние измеряемых характеристик и доверительные интервалы. Строились статистические модели. Тепловые модели создавались в пакете прикладных программ Ansys.

Комплекс применяемых методик согласовывался с отраслевым НИИ двигателей (г. Москва) и СНТК им. Н.Д. Кузнецова (г. Самара).

В третьей главе приведены результаты комплексного исследования титановых сплавов с детонационными покрытиями WC-Co. Применение данного типа покрытий на антивибрационных полках лопаток вентилятора компрессора низкого давления ГТД позволило значительно увеличить их износостойкость в условиях фретгинг-коррозии. Однако повреждающее воздействие детонационных покрытий на титановую основу оказалось настолько сильным, что лопатки с покрытием разрушались в результате усталости.

Исследование влияния детонационных покрытий на сопротивление усталости ряда (а+Р)-титановых сплавов позволило установить, что значение коэффициента поверхностного упрочнения Kv находится в пределах 0,11 -г 0,37 и варьируется в широких пределах в зависимости от типа применяемых порошков и конструкции детонационно-газовых установок.

Фрактографическими исследованиями установлено, что на снижение сопротивления усталости влияет структурно-фазовое состояние самого покрытия

и поврежденная поверхность основы, возникшая при ударном воздействии по-

Длительные усталостные испытания и последующие фрактографиче-ские исследования позволили отбраковать по данному критерию ряд технологий изготовления порошков ВК (гранулирование, сфероидизирование), также детонационно-газовые установки для напыления («Молния», Прометей»), не обеспечивающие возможность регулирования и поддержания на стабильном уровне технологических параметров. Установлено, что при напылении порошка ВК, входящий в него монокарбид вольфрама претерпевает значительный металлургический передел, в результате которого в составе покрытия формируются Г|'-фазы составов: Сох\Уу С/, Соз\У3С, Со3\У9С4, Со2\¥4С. Это способствует образованию хрупкой матричной фазы покрытия, при этом удельное содержание твердой карбидной фазы снижается, что приводит к ухудшению механических свойств покрытий: пластичности, твердости, прочности, а также износостойкости. Одним из наиболее эффективных способов снижения потерь углерода в порошках ВК является создание композиционных порошков. В таких порошках структура каждой гранулы представляет собой дисперсную фазу равномерно распределенную в кобальтовой матрице и тем самым надежно защищенную от воздействия агрессивной среды продуктов детонации. Каждая гранула сконструирована с учетом основных требований, предъявляемым к спеченным твердым сплавам: оптимальное сочетание количества упрочняющей фазы карбида вольфрама \¥С и пластичной матрицы кобальта, размер частиц \УС (3...5) мкм и расстояние между ними 0,4ч-1,0 мкм. Величина самой гранулы составляет 30ч40 мкм. Порошок ВК 15В (ТУ 48-4206-278-86), изготовленный по технологии компактиро-вания при участии автора, имеет высокую прочность и не распадается на исходные компоненты под воздействием ударной волны и высоких давлений продуктов детонации, что было установлено при исследовании свойств покрытий на его основе.

Предложены методы упрочнения поверхности основы перед напылением: детонационно-абразивная обработка, реализованная на ДГУ «Перун-С» и способствующая повышению предела выносливости СПО на 30%, а также обкатка роликом оптимальных диаметров, способствующая повышению сопротивления усталости СПО в 1,5-гЗ,8 раза.

Автором впервые установлены зависимости между технологическими параметрами процесса детонационного напыления - структурно-фазовым состоянием покрытий- механическими свойствами покрытий и усталостной дол-

рошково-газового потока (рис. 1).

Рис. 1. Вид поверхности титанового сплава после снятия детонационного покрытия, напыленного по серийному режиму

говечностью СПО. Установлено, что наибольшее влияние на сопротивление усталости СПО оказывают состав газовой смеси и параметр тх> - время запаздывания поджига горючей смеси, определяющее положение порошково-газовой смеси в стволе установки в момент инициирования взрыва. Указанные параметры в наибольшей степени влияют на степень фазовых превращений в момент полета порошковых частиц, а также величину ударного воздействия порошковых частиц на поверхности основы и тем самым обуславливают фазовый состав покрытия и механические свойства СПО, в том числе и сопротивление усталости (таблицы 1 и 2).

Влияние т, на фазовый состав и свойства покрытий ВК15В

Таблица 1

Режим Тх, мс Фазовый состав покрытий, вес.% Механические свойства покрытий

\УС \У2С Со Л '-фазы ГПа асц, МПа N260 103 N480, 103

1 (1-2) 24,1 20-23 6-8 55-58 6-7 7-10 9,45 63,5 325,0 -

2 (2-2) 31,8 21-23 7-9 53-55 6-8 8-12 9,75 60,0 615,2 -

3 (2-1) 42,1 20-25 5-7 50-54 10-12 6-8 9,78 65,0 10' 248,8

4 (1-1) 62,4 23-25 5-7 53 9-10 7-8 8,20 64,5 10' 149,7

Влияние состава газовой смеси на усталостную долговечность сплава ВТ8 с покрытием ВК15В

Таблица 2

№ п/п тх, мс Состав газовой смеси, С3Н8-С4Н10:О2:Аг (1-4) иСзН8-С4Н10:О2:^(5-7) N340 N240

1 24,1 1:3,5:2,5 52750 -

2 31,8 1:3,5:1 97207 -

3 31,8 1:3,5:1,75 132990 -

4 31,8 1:3,5: 2,5 279800 -

5 - 1:1,25:1,25 - 85078

6 - 1:1,25:1,8 - 171553

7 - 1:1,25:3,5 - 620100

Проведенный комплекс исследований позволил установить режимы напыления покрытий ВК15В и ВК25М на ДГУ «Перун-С» и «Объ» с наиболее благоприятной для сопротивления усталости СПО микроструктурой и фазовым составом. При условии предварительной классификации порошка следующие режимы напыления можно считать наилучшими:

-для ДГУ «Перун-С»: состав газовой смеси СзН8-С4Н10:О2:Аг=1:3,5:2,5; тх =42,1мс; дистанция напыления - 100 см; степень заполнения ствола- 1,0; скорострельность- 6,6 в/с;

-для ДГУ «Объ»: состав газовой смеси СзН8-С4Н10:О2: N2 = 1:1,25:3,5; дистанция напыления -150 см; степень заполнения ствола - 0,95; скорострельность - 4 в/с.

Ограничение пластической деформации из-за наличия жесткого и твердого покрытия на поверхности основы, многочисленные повреждения поверхности являются основной причиной зарождения усталостных трещин и их ускоренного развития при неоптимальных параметрах напыления.

На рис. 2 представлены экспериментальные данные по кинетике развития усталостной трещины (величина шага усталостной бороздки в зависимости от длины усталостной трещины) в зависимости от степени разбавления порошково-газовой смеси азотом, фактора, в наибольшей степени регулирующего температуру этой смеси. Оптимизация температурно-

кинетических параметров детонационного напыления с помощью расхода инертного газа способствует увеличению критического размера усталостной трещины в исследованных СПО с 1,5 мм до 3, 5 мм.

Применение разработанных методов нанесения детонационных покрытий позволило повысить сопротивление усталости СПО до 5 раз, за счет совершенствования фазового состава и структуры покрытий, снижения повреждающего воздействия напыления на титановую основу, что способствовало исключению усталостных разрушений лопаток компрессора ГТД с покрытием ВК. При этом износостойкость в условиях фреттинг-коррозии повысилась до 4 раз.

В четвертой главе представлены результаты исследования пластичности СПО различного химического состава (на титановом сплаве ВТ8, стали 45 покрытия ВК15В, ВК25М, КХН80, КНТ80) в условиях двухосного растяжения. Исследование пластичности СПО проводилось на трубчатых образцах

а, мм

Рис. 2. Зависимость шага усталостной бороздки (6. мкм) от длины усталостной трещины (а, мм) в СПО«ВТ8+ВК25М». х- жесткий" режим, О- средний" режим, А- мягкий" режим испытания

при соотношении компонент напряжений в осевом и окружном направлении <7г /Ое = 0,5 для реализации условий плоской деформации, при которой снижение характеристик пластичности материала происходит в наибольшей степени. Величина условных окружных деформаций СПО определялась по формуле:

>_0-1 -к'.-кт

7ГЭ„

-Д

X

(1)

где: £'в - величина условных окружных деформаций; ¡¿т - тарировочный коэффициент; [) - наружный диаметр образца в месте установки тензодатчика; к"„ - коэффициент усиления, устанавливаемый на приборе; АХ -абсолютное приращение линейных размеров образца.

Для расчета окружных напряжений, возникающих в тонкостенной трубе, использовалась формула Надаи, не учитывающая неоднородность напряжений по толщине стенки:

(Те ~0-^(1 + гв/ оа-';/ О"' р = р гср/ к , (2)

где: Ь0 - толщина стенки трубчатого образца; гв, г„, гср г- внутренний, наружный, средний, текущий радиусы поперечного сечения образца; р - давление, подаваемое во внутреннюю полость образца.

Кривые деформирования строились путем осреднения результатов испытаний трех образцов по каждому технологическому варианту. При этом расхождение экспериментальных данных не превышало 2%. На рис. За и 36 представлены кривые деформирования сплава ВТ8 и стали 45 в исходном состоянии и с детонационными покрытиями различного состава. Согласно приведенным зависимостям ресурс пластичности титановой основы снижается от 1,3 до 4 раз в случае нанесения покрытия ВК15В в зависимости от режима напыления (рис.За и таблица 3).

ш

—■— ВТ8 —•— ВК25М .....-А— ВК15В-Режим 1 —Т—ВК15В-Режим2 ВК158-Режим 3

1

1 - Ст. 45 2. - Ст.Ч5+КНТ 3 - его. Ч5*ВК25М

0,5 1,0 1,5 2,5 ЗМ 3,5 4,0 4,5 Е/,',

Яр» »р»ач». £„ (ю )

Рис. 3. Кривые деформирования титанового сплава ВТ8 с покрытиями ВК (а); стали 45 с покрытиями КНТ и ВК25М (б)

Покрытие КНТ80 снижает пластичность сплава ВТ8 в той же степени, что покрытие ВК15В, покрытие КХН80 не снижает пластичность сплава ВТ8. Сталь 45 с аналогичными покрытиями показала невысокую чувствительность к напылению (рис. 36): покрытия ВК25М и КНТ80 увеличивают пластичность стали 45 до 2,5 раз.

Разработанная методика оценки пластичности СПО в условиях статических двухосных нагрузок позволила установить взаимосвязь упругой и пластической компоненты объемной деформации СПО с усталостной долговечностью, а также показал высокую чувствительность к вариации технологических параметров напыления. Методика позволяет научно обоснованно выбирать материалы покрытия и корректировать режимы детонационного напыления, а также прогнозировать поведение СПО в условиях циклических нагрузок.

Значения упругой, пластической и предельной деформации сплава ВТ8

в зависимости от состава покрытия ВК _____ _Таблица 3

т, мс Состояние СПО £ упр,% £* пласт,,% £ пред , %

- ВТ8 0,4 2,0 2,4

42,1 ВТ8 +ВК15В (режим 1) 0,2 1,6 1,8

62,4 ВТ8 +ВК15В (режим 2) 0,2 1,4 1,6

31,8 ВТ8 +ВК15В (режим 3) 0,15 0,45 0,6

31,8 ВТ8 +ВК25 М (режим 3) 0,3 0,5 0,8

Актуальной проблемой является создание керамических теплозащитных покрытий повышенной толщины на деталях камеры сгорания ГТД, т.к. при этом повышается степень тепловой защиты деталей.

Однако с увеличением толщины керамического слоя растет количество структурных дефектов в покрытии и внутренние остаточные напряжения. Поэтому важной задачей является установление взаимосвязи между составом, условиями формирования напыленного покрытия, его толщиной и механическими свойствами.

Разработаны методики и проведено исследование механического поведения плазменных теплозащитных покрытий (ТЗП) на основе оксида циркония, стабилизированного 6-8% оксидом иттрия в условиях четырехточечного статического изгиба.

Установлено появление двух типов деформационного гистерезиса в зависимости от уровня приложенной растягивающей нагрузки к покрытию: гистерезис упругого последействия и упруго-пластический.

Гистерезис упругого последействия свидетельствует о том, изученные системы относятся к вязко-упругим средам. Пористый керамический слой по-

крытия при деформировании проявляет свойство неупругости, проявляющееся в запаздывании развития упругой деформации по сравнению с приложенным напряжением. Причинами отставания деформации от напряжения могут являться разного рода несовершенства структуры покрытия, в первую очередь наличие в упругом материале покрытия вязкой среды - пористости, межслоевых поверхностей, а также границ зерен. Причины, порождающие явление не-пругости, создают внутреннее трение в материале.

В деформационном гистерезисе упругого последействия при снижении внешнего напряжения растяжения, прилагаемого к покрытию, кривая нагрузки постепенно перемещается выше кривой нагружения. После полного снятия деформации в покрытии, независимо от его типа всегда остается остаточное напряжение (рис.4). Чтобы полностью снять напряженное состояние в вязких зонах покрытия, необходимо к образцу приложить деформацию сжатия. Доведя напряжение до нуля, получаем остаточную деформацию сжатия.

Для анализа напряженно-деформиро-Рис.4. Деформационный гистерезис упругого ванного состояния ТЗП предложены последействия

энергетические упругие характеристики ТЗП, получаемые при анализе деформационного гистерезиса упругого последействия:

- энергия высвобождения внутреннего напряжения в покрытии:

(3)

где: 51/ - площадь под кривой нагружения, Дж; 82- площадь под кривой разгрузки, Дж;

— энергия, необходимая для полного снятия внутреннего напряжения в покрытии А:

I

у'

уу

А

"А ч /1

4 Э 0 Ро 20 30 0 50 £0 70

Перемещение, к, мкм нагружение ««разгрузка

А = Ра

а2 +Рп

'со ыр

(4)

где: Р - усилие, Н; а - перемещение в области сжатия, мкм, Р0 - остаточное усилие, Н;

- плотность энергии, необходимой для полного снятия внутренних напряжений:

и

1Г'=-

и

вн1 2 е

где С — Рт/ ВН - растягивающее напряжение. При этом модуль упругости Е

трехслойной системы «основа -подслой-керамический слой» определяли по формуле, используя правило аддитивности:

£ _ ^осн.^х-«. ^подсло^одс-юй

Н (6) где: Еосн , Е„одслой, Ек с , - модули упругости основы, подслоя и керамического слоя, соответственно, МПа; /госн., Кодслой, кк,с, - толщины основы, подслоя и керамического слоя, соответственно, мкм.

Для газотермических покрытий, являющихся дискретными средами, модуль Юнга принято считать структурно чувствительной характеристикой, которая изменяется в зависимости от способа и режимов напыления, морфологии порошковых материалов и других условий формирования покрытий.

Установлено, что модуль Юнга керамического слоя ТЗП всех исследованных систем имеет широкое рассеяние (от 3,1 до 79,4 ГПа) в связи с рассеянием пористости и закономерно снижается с увеличением толщины керамического слоя ТЗП.

Покрытия, имеющие модуль Юнга в диапазоне 20-Н70 ГПа, обладают повышенными прочностными свойствами по сравнению с покрытиями, имеющими модуль Юнга, выходящий за эти пределы. Диапазон толщин керамического слоя для покрытий, имеющих указанный диапазон модуля Юнга, составляет 250Н-380 мкм. Примечательно, что в этом диапазоне находятся образцы, обладающие наивысшей прочностью - 1220-^1270 МПа. Для них значения модуля Юнга составляет 22н-35 ГПа. Величина остаточных напряжений в покрытиях, полученных при четырехточечном изгибе, в среднем находится на уровне 28- 42 МПа, и ее зависимость от толщины покрытия не установлена: высокие остаточные напряжения получены для покрытий с минимальной толщиной 270-^300 мкм и достаточно низкие для покрытий с толщиной свыше 500 мкм.

Плотность упругой энергии на участке сжатия деформационного гистерезиса наиболее полно отражает напряженное состояние СПО, поскольку связана с величиной модуля Юнга керамического слоя, его толщиной и величиной остаточных напряжений.

Длительная выдержка при температуре 1373 К, характерная для эксплуатации ТЗП, значительно изменяет упругие характеристики, а также уровень остаточных напряжений, возникающих в покрытии после напыления и двойной термической обработки (диффузионный и окислительный отжиги).

При выдержке в один час в покрытии ЦИО-7-10-50 происходит полная релаксация внутренних напряжений. За 2 часа выдержки в обоих покрытиях снижаются энергия А и плотность энергии и'0 до 80 раз. Энергия Б изменилась весьма значительно: в покрытии появляются остаточные пластические деформации, вследствие высокотемпературной ползучести металлического подслоя. Увеличение времени выдержки до 10н-50 часов способствует дальнейшему снижению остаточных напряжений, упругой энергии, ее плотности, однако уже в значительно меньшей степени.

Спекание керамического слоя покрытия является противодействующей силой, которая препятствует релаксации напряженного состояния покрытия. 100 часов изотермической выдержки являются критическим временем, когда процесс спекания преодолевают процесс релаксации внутренних напряжений. После выдержки 100 часов в обоих типах покрытий остаточные напряжения увеличиваются от 1,4 до 2 раз, а также все энергетические упругие характеристики: А, Б, и'0. При этом модуль Юнга изменился незначительно.

Таким образом, предложенные энергетические упругие характеристики для теплозащитных покрытий- Б, А, и'0 являются значительно более чувствительными к кинетике процесса спекания, чем модуль Юнга. Эти характеристики позволяют провести достаточно тонкие различия в поведении ТЗП разного состава и толщин, в том числе и при высокотемпературной наработке.

Для упруго-пластического гистерезиса (рис.5а) характерно сохранение остаточной деформации растяжения после полного разгружения системы. Вычисление разницы в значениях абсолютной деформации (перемещении) при фиксированных нагрузках (200, 400, 600Н) при нагружении и полной разгрузке позволило выделить пластическую долю деформации, возникающую в покрытиях. Установлено, что керамический слой покрытия из порошка ЦИО-7-10-50 является более пластичным в сравнении с 7ЛХ-10-90 (рис. 56), что связано с его повышенной пористостью.

Рис.5, а) Упруго-пластический тип деформационного гистерезиса. б) Ширина петли гистерезиса при фиксированных нагрузках 200, 400, 600Н двух систем ТЗП с различным составом керамического слоя

На жесткость СПО в наибольшей степени оказывает влияние состояние металлического подслоя (рис.ба). На основании фрактографических исследований установлено, что подслой ПНХ20К20Ю плохо сформирован, является рыхлым из-за неоптимального режима напыления. Это структурное состояние обуславливает высокую нестабильность деформационных характеристик СПО, независимо от толщин отдельных компонентов покрытия. При хорошо сформированном подслое ПВНХ16Ю6 СПО становится чувствительной к изменению важнейшего конструктивного параметра покрытия - толщины, что позволяет обоснованно ее выбирать по прочностным

17

и деформационным критериям. По полученным данным наилучшим соотношением толщин керамики и подслоя следует считать соотношение 2,0+3,0 при толщине подслоя не менее 150+200 мкм (рис.66). При этом прочность покрытия будет выше средней.

—-------------- ■ .................. ♦ ПНХ20К20Ю13 ЦИО-7-10-50(1) • ПНХ20К20Ю13 г7У(2) ПВНХ16ЮИтЦИО-7-10-50 (3) <ПВНХ16ЮИтг7У(4)

V,

к

40 60 80 100 120

I : ♦ ПНХ20К20Ю13 ЦИО-7-10-50(1) « ПН)СОК20Ю13 274(2) ПВНХ1 бЮИт ЦИО-7-10-50 (3) х ПВНХ16ЮИТ г7У(4)

1

" 1 : I I

- ' ^ 1

* ♦ •

I • ■

200 300 400 500 600 700

а б

Рис. 6. Взаимосвязь жесткости СПО: а - с величиной абсолютной деформации при Р=400Н; б - с толщиной керамического слоя

Аппроксимация экспериментальных зависимостей <^асг,0 — 8К С.» методом наименьших квадратов к линейному виду дает следующие уравнения: ЦИО-7-10-50+ ПВНХ16Ю6: 1§асп0 = -0,00528кх+ 4,971 (7)

ЦИО-7-10-50+ ПНХ20К20Ю13: tgаcп0 = - 0,0016 8К.С.+ 2,5625 (8)

27У-10-90+ПВНХ16Ю6: 1ёаспо = -0,0131 8КС+7,7309 (9)

г7У-10-90+ ПНХ20К20Ю13: tgacп0 = -0,00375кс + 3,5077 (10)

Величина достоверности аппроксимации И.2 принимает значения от 0,36...0,61 для систем с подслоем ПНХ20К20Ю13 и от 0,85...0, 91 систем с подслоем ПВНХ16Ю6.

Прочность большинства исследованных образцов ТЗП в широком диапазоне толщин находится на уровне 500+900 МПа, но снижается с увеличением соотношения толщины керамического слоя к толщине подслоя в соответствии со следующей зависимостью:

о = -1261п (бк.с-/3п.с.) + 921, (11)

что объясняется накоплением структурных дефектов и остаточных напряжений в покрытии с увеличением его толщины. Образцы с покрытием ЦИО-7-10-50, имеющие толщину керамического слоя 300+360 мкм в диапазоне соотношения толщин керамики/подслой 2,0+3,0, показали значительный прирост прочности 1220+ 1270 МПа.

Ниже приведены уравнения прямых, аппроксимирующих экспериментальные результаты оценки прочности различных покрытий в зависимости от толщины керамического слоя и соотношения толщин керамического слоя и подслоя (таблица 4).

Таблица 4

Система ТЗП Уравнения, аппроксимирующие экспериментальные данные

ЦИО-7-10-50 + ПВНХ16Ю6 <т = -2,0707(^.с.) + 1885,4; Я2 = 0,9154 (12) о = -У19.ЪЪ(8к.с/3„.с)+ 1534,5; II2 = 0,6441 (13)

ЦИО-7-10-50 + ПНХ20К20Ю13 а =-0,1091(<5КС.)+ 644,06; И2 = 0,0159 (14) о=-Ъ,Ш\(8к.с/8„.с) + 641,3; И2 = 0,1076 (15)

Ъ1Х-10-90 + ПВНХ16Ю6 <т = -0,4182(4.с.)+ 940,96; Л2 = 0,3491 (16) а = -34,43(8КС/8„.С)+ 913,74; Я2 = 0,4102 9 (17)

27У—10—90 + ПНХ20К20Ю13 а = -\,\12\{дк.с)+ 1120,6; 112 = 0,7178 (18) а = -8,1569(6к.с/ё„.с)+ 796,12 ; И2 = 0,05979 (19)

В пятой главе приведены результаты исследования термостойкости плазменных ТЗП при различных режимах термического воздействия. Термостойкость ТЗП является основным критерием оценки пригодности тех или иных технологических факторов создания ТЗП: порошковых материалов, основных операций подготовки перед напылением, режимов напыления и последующих термических обработок.

Печные испытания в отсутствие температурного градиента проводили по следующим режимам: 1) изотермическая выдержка-1 (нагрев до 1373К, выдержка 7 ч, охлаждение вместе с печью); 2) изотермическая выдержка-2 (нагрев до 1373К, выдержка 7 ч, охлаждение на воздухе до 473К); 3) термоцикли-рование (нагрев до 1373К, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе до 473К).

Термоциклирование при наличии температурного градиента выполняли на специальном стенде по режиму: нагрев поверхности покрытия до (1473 -г 1543)К за 30 с. При этом в условиях постоянного охлаждения воздухом температура обратной стороны образца составляла приблизительно 1233К; охлаждение воздухом лицевой и обратной стороны образца осуществлялось следующие 30 е., при этом температура обратной стороны образца достигала 443К.

Критерием разрушения ТЗП служило наличие полного или частичного (25 % от общей площади) отслоения керамического слоя покрытия, которое контролировалось визуально.

Проведенные исследования показали, что термостойкость ТЗП значительно изменяется в зависимости от режима испытания: частоты цикла, скорости охлаждения, наличия или отсутствия температурного градиента в покрытии. Режимы термического испытания можно поставить в следующий ряд в порядке возрастания негативного воздействия на структурно-механическое состояние покрытия: термоциклирование при постоянно действующем температурном градиенте, изотермическая выдержка, термоциклирование в отсутствие температурного градиента. Растягивающие напряжения, действующие в керамике

19

при охлаждении, наряду с ростом оксидной пленки на поверхности и внутри металлического подслоя являются главными факторами, определяющими термостойкость теплозащитных покрытий.

Наличие температурного градиента приводит к усилению макроскопической неравномерности деформаций и разрушения в различных зонах образца.

Установлено, что снижению термостойкости (Л^ способствует увеличение толщины керамического слоя (кк.с.) и соотношения толщин керамического слоя и подслоя (!1К С /¡¡подслоя ) ТЗП, а также снижение толщины подслоя (Ыодслоя).

Определены математические зависимости между указанными характеристиками:

N=163,4-43,8 Лк.с, (20)

N=65,8-26,6 ^ кк.Л"одслоЯ (21)

N=2,3+24,5 1ЙЛ подслоя (22)

Определены толщины отдельных слоев ТЗП, обеспечивающие высокую термостойкость для исследуемых систем: 300-г450 мкм для керамического слоя, 80 4150 мкм для подслоя.

С увеличением доли закрытой пористости в керамическом слое ТЗП повышается модуль Юнга керамического слоя, полученный методом индентиро-вания. Численные значения модуля Юнга, полученного этим методом, как правило, гораздо выше значений модуля Юнга, полученного при четырехточечном изгибе. Статический коэффициент интенсивности напряжения К1с для двух исследованных керамик имеет в среднем диапазон от 2,59 до 3,14 МПа м2 Ддя покрытий ЦИО-7-10-50 он имеет среднее значение примерно на 20% больше, чем для покрытий г7У-10-90.

Серьезное влияние на термостойкость оказывают свойства порошков керамического слоя и подслоя: гранулометрический состав, форма и однородность по химическому составу частиц порошков. Для покрытия ЦИО-7-10-50 термостойкость при термоциклировании в среднем на 60% выше термостойкости покрытия г7У-10-90 и ЦрОИ-7 за счет более однородного химического состава как по отдельным частицам, так и по всему объему, а также преобладания в гранулометрическом составе мелкой фракции - 45 мкм.

Установлены основные механизмы разрушения ТЗП при печных испытаниях на термостойкость. При коротком термоциклировании характерно разрушение по механизму частичного отслоения по границе керамка/подслой (55 % от общего количества разрушенных образцов). При испытании по режиму изотермической выдержки (малая частота нагрузки) преобладает механизм полного отслоения керамики (более 70 % от общего количества разрушенных образцов), что связано с более интенсивным ростом оксидной пленки на поверхности подслоя.

Экспериментально определены теплофизические характеристики ТЗП и закономерности их изменения в зависимости от продолжительности воздействия тепловой нагрузки. Уровень значений А.тзп У всех образцов изменяется в диапазоне от 0,7 Вт/(м-К) до 1,5 Вт/(м-К). Разброс значений ^тзп отдельных образцов относительно среднего значения не превышает (8... 10)%, т.е. находится в пределах доверительного интервала значений ^тзп при вероятности р= 0,95. что свидетельствует о стабильности тепловой защиты, создаваемой покрытием. Результаты расчета среднего ^тзп практически всех образцов укладываются в доверительный интервал +3 8П, что свидетельствует о достаточной однородности микроструктуры ТЗП.

Изменение температурного градиента от времени воздействия тепловой нагрузки может характеризовать состояние микроструктуры керамического слоя ТЗП. Установлено, что для покрытий, имеющих высокую наработку 50006000 циклов (рис.7а), разность температур на поверхностях покрытия и основы с течением времени монотонно увеличивается, что свидетельствует о постепенном накоплении повреждений в керамическом слое в виде мелких трещин, которые, однако, не превращаются в сквозные. В покрытии, имеющем низкую долговечность (513 циклов, рис.76) разность температур быстро снижается, что свидетельствует об образовании сквозных поперечных трещин в покрытии, через которые беспрепятственно проходит газ, конвекцией перенося теплоту. Такие трещины способствуют снижению тепловой защиты и достаточно быстро приводят к разрушению покрытия.

" 0,-100 I 0.200

тту 4

..........!

ЦТ- ИМ' П Т: | Т[ 7; 1

О 500 1000 1500 1000 1500 3000 3500 4000 4500 5000 Количество циклов, N

0.785 0,780 0.775 0.770 0,765 0.760 0.755 -

Рис. 7. Характер изменения тепловой защиты образца при испытании: а - с наработкой 5000 циклов, неразрушенный образец; б - разрушенный образец, долговечность 513 циклов

Разработанная численная тепловая модель показала, что с увеличением толщины керамического слоя ТЗП с 260 до 460 мкм (диапазон толщин со 100% надежностью покрытия) температура на границе с подслоем снижается приблизительно на 100 К. При этом интенсивность снижения температуры по толщине керамического слоя составляет 0,45-1-0,57 К/мкм (таблица 5). Таким образом, повышение толщины керамического слоя вплоть до 460 мкм представляется целесообразным, т.к. при этом эффект тепловой защиты улучшается, а напряженно-деформированное состояние покрытие обуславливает его целостность.

Температура на поверхности керамического слоя ТЗП и на границе

с подслоем

____Таблица 5.

Толщина керамического слоя 5ТЗП, мкм ТНа керамике? К Тна подслое9 К АТ, К АТК С. /8КХ.

260 1520 1382 138 0,53

300 1520 1348 172 0,57

460 1520 1313 207 0,45

В шестой главе приведены результаты моделирования процессов постепенной деградации, происходящих в ТЗП при тепловом воздействии. Установлено, что в результате воздействия циклической тепловой нагрузки с наработкой в керамическом слое ТЗП происходят процессы спекания, выражающиеся в постепенном снижении объемной пористости, количества и размеров пор, а также постепенной их сфероидизации. В условиях постоянно действующего температурного градиента объемная пористость в керамическом слое в исследуемом диапазоне наработки снижается приблизительно на 20%, что аппроксимируется зависимостью:

П=122,5№0'263 (23)

При этом средний радиус пор имеет небольшую тенденцию к снижению и составляет в 1,5н-1,7мкм.

Процессы спекания наиболее интенсивно протекают в первые циклы, но с различной скоростью в зависимости от режима испытания, далее скорость их значительно снижается. Процессы уплотнения керамических слоев при различных режимах термического испытания можно описать следующими уравнениями изменения микротвердости от времени (см. таблица 6):

Изменение микротвердости керамического слоя ТЗП в зависимости от времени высокотемпературной выдержки и стадии спекания

Таблица 6

Режим испытания Покрытие 1 стадия 2 стадия

Термоциклирование (в печи) 10-90 ну =538т + 7921 ну - 36т+11610

ЦИО-7-10-50 ну = 401т + 8503 ЯУ=29т+11427

Изотермическая выдержка (в печи) ъ1ч-10-90 ну = 81т + 7012 Я1/ = 4т+11254

ЦИО-7-10-50 НУ = 77т + 7992 ну = 2т+11916

Термоциклирование при термическом градиенте (центр образца) ЦИО-7-10-50 НУ = 7487,8 №-0783.

Под влиянием нестационарного температурного поля в условиях воздействия постоянного температурного градиента (газовый нагрев) процессы спе-

кания происходят более интенсивно в подповерхностных и центральных слоях керамики ТЗП относительно нижних и периферийных слоев (см. рис. 8 и 9).

ш!7

I_

Н I

■и;

гшти

рряя

16

Н500 1)500 I 12500

9500 8500

Л ..

§р! р г фЬг-Ь.

Л??

\ V» "XV

.......¿4—Ш~ I : ; N. :

"♦-5050 -^-1003 -#-1000 5 и —¡00 -»-115

Расстояние от поверхности керамического спой , шй

Рис. 8. Распределение твердости по толщине керамического слоя и по диаметру образца. Наработка 6040 циклов. Образец снят с испытания без разрушения

Рис. 9. Изменение микротвердости по толщине керамического слоя в центре образца с различной наработкой (газовый нагрев)

Тем самым создается градиентное покрытие, которое обладает неравномерными по сечению механическими свойствами. С увеличением наработки образца градиент микротвердости по сечению керамического слоя увеличивается от 8,3 до 14,3 МПа/мкм со скоростью:

§гас! НУ=0,001т+7,2 (24)

Нагрев поверхности ТЗП импульсным лазерным лучом различной мощности (табл.7) показал, что градиентные покрытия могут возникать при воздей-

Режимы лазерного воздействия на ТЗП

Таблица 7

Вариант Количество проходов (циклов), N Выходная мощность излучения РВЬ1Х, Вт, (%) Мощность в импульсе Римп, Вт *103 Интенсивность излучения q, Вт/см2* 107

1 (без обработки) - - - -

2 1 2.5 (12,5) 1,98 3,9

3 1 5(25) 3,96 7,8

4 1 10(50) 7,93 15,3

5 1 20 (100) 15,87 31,5

6 2 20(100) 15,87 31,5

7 4 20(100) 15,87 31,5

8 6 20 (100) 15,87 31,5

9 12 20(100) 15,87 31,5

ствии даже одного термоцикла высокой частоты (рис.10), что доказывает волновую природу спекания при лазерном термическом воздействии на керамику. Увеличение мощности излучения и количества циклов воздействия лазерного импульса усиливает степень неоднородности механических свойств по сечению керамики (рис.11 и рис.12).

Одновременно с уплотнением керамического слоя в нем возникает и усиливается новый процесс - растрескивание, что обуславливает увеличение рассеяния значений микротвердости. Это характерно для покрытий после печных испытаний и при высокочастотном термоциклировании. В начальный момент микротрещины, возникающие в местах локального напряжения, не влияют на теплопроводность (коэффициент теплопроводности остается достаточно стабильным в процессе спекания). Однако далее микротрещины сливаются, переходят в магистральные и способствуют разрушению покрытия. Разрушение покрытий в процессе различных термических испытаний происходит по разным механизмам. Очаги зарождения трещин в ТЗП различаются в зависимости от наличия или отсутствия температурного градиента в керамическом слое. Так, при наличии концентрированного источника тепла - газового пламени, очаги зарождения усталостных трещин возникают на поверхности керамического слоя ТЗП.

мощность Р (от максимальной). %

Рис. 10. Изменение микротвердости Рис.11. Влияние мощности лазерного излуче-

по толщине керамического слоя ния на изменение микротвердости в керами-

в центре образца с различной ческом слое ТЗП наработкой (лазерный нагрев)

Рис.12. Влияние количества проходов лазерного излучения на изменение микротвердости в керамическом слое ТЗП

Они имеют вид раковин, которые образуются при вскрытии подповерхностных пор. Быстрый нагрев керамического слоя с помощью горелки вызывает резкое повышение давления воздуха внутри таких пор. При этом давление внутри поры становится выше атмосферного давления, что приводит к разрушению тонкой перемычки керамического слоя и вскрытию поры с образованием характерной раковины на поверхности керамики. От раковины начинают развиваться трещины в

вертикальном и горизонтальном направлениях под поверхностью, что в конечном итоге вызывает так называемое «шелушение». Далее возникают следующие типы разрушения:

- полное отслоение керамического слоя от подслоя по границе раздела керамика-подслой;

- частичное отслоение керамического слоя по границе раздела керамика -подслой;

- разрушение по сегментальным трещинным в керамике.

Рост окисной пленки А12Оэ на поверхности подслоя, которому не препятствует пористая и трещиноватая керамика, является основной причиной разрушения ТЗП при печных испытаниях. Возникновению и росту окисной пленки предшествуют диффузионные процессы, происходящие при тепловом воздействии на подслой, приводящие к обеднению подслоя алюминием и миграции его к поверхности подслоя с образованием окисла. Установлено, что процесс окисления подслоя протекает с образованием не только окислов алюминия, но и хрома, никеля. Окисление происходит неравномерно как на поверхности подслоя, так и внутри на межслоевых поверхностях, а также на поверхности основы.

Признаками предразрушения ТЗП по микроструктуре подслоя можно считать разрывы пленки ТОО, которые со временем выдержки увеличиваются в размерах и становятся более объемными; достигнув критической толщины и увеличивая тем самым до предельных значений напряжение в системе, окисная пленка вызывает отслоение керамического слоя. Начальным этапом этого процесса следует считать «выпучивание» окисной пленки под влиянием изгибных напряжений, которые возникли в исследованных условиях при наработке 450 часов (рис.13). Между пленкой АЬ03 и керамикой начинает расти трещина по выступам шероховатости подслоя (рис. 14).

В условиях действия температурного градиента и достаточно интенсивного охлаждения подслоя (условия, более близкие к реальным) пленка А12Оэ достаточно заметных размеров (9-13 мкм) возникает лишь при большой наработке. «Выпучивание» окисной пленки в этих условиях возникло при наработке не менее 5000 циклов.

Рис. 13. Рост окисной пленки на поверхности подслоя, и ее выпучивание в процессе изотермической выдержки. Наработка 450 часов, образец без видимых разрушений х200

Рост пленки оксида алюминия вызывает резкое увеличение напряжений по границе керамика-подслой, уровень которых связан с параметрами шероховатости поверхности подслоя. Моделирование напряженного состояния границы «керамика-подслой" позволило установить наименьший уровень напряжений, который создается при длине волны L = 50 мкм и амплитуде волны Н=(10-г15) мкм. Напряжения растяжения и сжатия повышаются с увеличением соотношения параметров L и Н. Поэтому важным технологическим фактором следует считать снижение шероховатости подслоя перед нанесением внешнего керамического слоя ТЗП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Научно обоснована необходимость применения при разработке технологических процессов нанесения газотермических покрытий оценки характеристик сопротивления усталости и деформационной способности покрытий в составе СПО, определяющих их надежность и долговечность: предела выносливости СПО, модуля Юнга, предельной деформации покрытий при разрушении, жесткости, энергии высвобождения внутренних напряжений покрытия, плотности энергии, необходимой для полного снятия остаточных напряжений..

2. Установлены закономерности сопротивления усталости титановых сплавов с детонационными покрытиями WC-Co в зависимости от технологических факторов их создания: типа порошков, ДГУ, режимов напыления и последующей механической обработки. Ограничение пластической деформации из-за наличия жесткого и твердого покрытия на поверхности основы, многочисленные повреждения поверхности являются основной причиной зарождения усталостных трещин и их ускоренного развития при неоптимальных параметрах напыления.

3. Определена кинетика усталостного разрушения системы «покрытие-титановый сплав» в зависимости от степени разбавления порошково-газовой смеси инертным газом, фактора, в наибольшей степени регулирующего температуру этой смеси. Время зарождения и скорость развития усталостной трещины в основе тесно связаны со структурно-фазовым состоянием покрытия и степенью наклепа поверхности основы.

Проведенный комплекс исследований позволил установить режимы напыления на ДГУ «Перун-С» и «Объ» для получения покрытий ВК15В и ВК25М с наиболее благоприятной для сопротивления усталости СПО микроструктурой и фазовым составом. При условии предварительной классификации порошка следующие режимы напыления можно считать наилучшими:

-для ДГУ «Перун-С»: состав газовой смеси СзН8-С4Нш:02:Аг=1:3,5:2,5; тх =42,1мс; дистанция напыления — 100 см; степень заполнения ствола- 1,0; скорострельность- 6,6 в/с;

-для ДГУ «Объ»: состав газовой смеси СзН8-С4Н10:О2: N2 = 1:1,25:3,5; дистанция напыления -150 см; степень заполнения ствола - 0,95; скорострельность — 4 в/с.

4. Предложены методы упрочнения поверхности основы перед напылением, эффективно увеличивающие предел выносливости СПО: детонационно-абразивная обработка, реализованная на ДГУ «Перун-С» и способствующая повышению предела выносливости СПО на 30%, а также обкатка роликом оптимальных диаметров, способствующая повышению сопротивления усталости СПО в 1,5-гЗ,8 раза. Применение разработанных методов нанесения детонационных покрытий позволило повысить сопротивление усталости СПО до 5 раз, за счет совершенствования фазового состава и структуры покрытий, снижения повреждающего воздействия напыления на титановую основу, что способствовало исключению усталостных разрушений лопаток компрессора ГТД с покрытием ВК. При этом износостойкость в условиях фреттинг-коррозии повысилась от 4 до 10 раз в зависимости от температуры.

5. Разработанный метод оценки пластичности СПО в условиях статических двухосных нагрузок показал, что ресурс пластичности основы может значительно изменяться при нанесении покрытия. Так пластичность сплава ВТ8 системы снижается от 1,3 до 4 раз в случае нанесения покрытий ВК15В и КНТ-80 в зависимости от режима напыления. Покрытие КХН80 не снижает пластичность сплава ВТ8.

Сталь 45 с аналогичными покрытиями показала невысокую чувствительность к наличию покрытия. Детонационные покрытия ВК25М и КНТ80 увеличивают пластичность стали 45 до 2,5 раз.

7. Определен комплекс прочностных, деформационных и энергетических характеристик СПО для теплозащитных покрытий различного химического состава и соотношения толщин подслоя и керамического слоя в условиях четырехточечного статического изгиба. Установлены два типа деформационного гистерезиса в зависимости от уровня приложенной нагрузки: упругого последействия и упруго-пластического характера, что позволяет исследовать характер деформирования покрытий различного состава и толщины.

Предложены энергетические упругие характеристики напряженно-деформированного состояния: энергия высвобождения внутренних напряжений покрытия, Б; энергия, необходимая для полного снятия остаточных напряжений в покрытии А; плотность энергии, необходимой для полного снятия остаточных напряжений, и0. Эти характеристики являются чувствительными к напряженному состоянию покрытий. Поэтому их можно предложить в качестве критериев, определяющих термостойкость покрытий.

Показано, что наиболее интенсивное снижение энергетических упругих характеристик происходит в первые 1-2 часа изотермической выдержки, далее степень снижения падает и лишь, начиная с 100 часа изотермической выдержки, начинает увеличиваться напряженное состояние системы и происходит накопление упругой энергии.

8. Установлено, что для газотермических покрытий модуль Юнга является структурно зависимой характеристикой, изменяющейся в зависимости от технологических факторов напыления. Показано, что на жесткость системы «основа- двухслойное покрытие» оказывает наибольшее влияние состояние

металлического подслоя. Рыхлый, плохо сформированный подслой обуславливает высокую нестабильность деформационных характеристик, независимо от толщин отдельных компонентов покрытия. При хорошо сформированном подслое система ТЗП становится чувствительной к изменению важнейшего конструктивного параметра покрытия - его толщины, что позволяет оптимизировать эту характеристику по прочностным и деформационным критериям.

Для плазменных теплозащитных покрытий установлен оптимальный диапазон значений модуля Юнга - 20-70 ГПа, соответствующий наиболее высокой прочности покрытий. В этот диапазон входят покрытия, имеющие значение модуля Юнга 22-35 ГПа и наиболее высокую прочность - 1220-1270 МПа. Эти покрытия имеют толщину керамического слоя 250—380 мкм, которая в основном соответствует оптимальному диапазону толщин покрытий с наиболее высокой термостойкостью.

Прочность ТЗП снижается с увеличением соотношения толщины керамического слоя к толщине подслоя. Установлено наилучшее соотношение толщины керамики и подслоя -2,0 -г 3,0 при толщине подслоя не менее 150-200 мкм, при котором прочность покрытий будет выше 500-г900 МПа -усредненной прочности исследованных систем разных составов.

9. Термостойкость ТЗП значительно изменяется в зависимости от режима теплой нагрузки, что связано с различием основных действующих механизмов деградации и разрушения покрытия. В порядке возрастания негативного воздействия на структурно-механическое состояние покрытия режимы можно поставить в следующий ряд: термоциклирование при постоянно действующем температурном градиенте - изотермическая выдержка - термоциклирование в отсутствие температурного градиента, при котором долговечность всех исследованных типов покрытий минимальна.

Снижению термостойкости способствует увеличение толщины керамического слоя и соотношения толщин керамического слоя и подслоя ТЗП, а также снижение трещиностойкости и соотношения открытой и закрытой пористости керамического слоя.

10. Закономерности изменения коэффициента теплопроводности керамического слоя ТЗП с продолжительностью воздействия тепловой нагрузки до 1000 циклов свидетельствует о стабильности тепловой защиты, создаваемой покрытием. Уровень значений Х.-пп изменяется в диапазоне от 0,7 Вт/(м-К) до 1,5 Вт/(м-К). Разброс значений Хтзп отдельных образцов относительно среднего значения не превышает (8... 10)%, т.е. находится в пределах доверительного интервала значений ^тзп при вероятности р= 0,95.

11. Изменение температурного градиента от времени воздействия тепловой нагрузки характеризует состояние микроструктуры керамического слоя ТЗП. Для покрытий, имеющих высокую наработку 5000-6000 циклов, температурный градиент с течением времени монотонно увеличивается, что связано с постепенным накоплением в керамическом слое мелких трещин, которые, однако, не превращаются в сквозные. В покрытиях с низкой долговечностью температурный градиент быстро снижается, что свидетельствует об образова-

нии сквозных поперечных трещин в покрытии, через которые беспрепятственно проходит тепловой поток. Такие трещины способствуют снижению тепловой защиты и достаточно быстро приводят к разрушению покрытия.

12. Разработанная численная тепловая модель показала, что с увеличением толщины керамического слоя ТЗП с 260 до 460 мкм температура на границе с подслоем снижается приблизительно на 100К. При этом интенсивность снижения температуры по толщине керамического слоя составляет 0,45+0,57 К/мкм Таким образом, повышение толщины керамического слоя вплоть до 460 мкм представляется целесообразным, т.к. при этом эффект тепловой защиты улучшается, а напряженно-деформированное состояние покрытие обеспечивает его целостность.

13. Циклическая тепловая нагрузка при температурах 1373 -1543 К вызывает спекание керамического слоя теплозащитных покрытий всех составов, которое сопровождается постепенным снижением объемной пористости, количества и размеров пор, постепенной их сфероидизацией, а также увеличением микротвердости слоя. Спекание наиболее интенсивно протекает в первые термоциклы и затем его скорость снижается.

Увеличение частоты приложения тепловой нагрузки в значительной степени интенсифицирует процесс спекания. По интенсивности спекания режимы тепловой нагрузки можно поставить в следующий ряд: лазерный нагрев - тер-моциклирование в печи - изотермическая выдержка в печи - термоциклирова-ние при наличии температурного градиента.

14. Под влиянием нестационарного температурного поля газового нагрева в условиях воздействия постоянного температурного градиента, а также импульсного лазерного нагрева процессы спекания происходят более интенсивно в подповерхностных слоях керамики ТЗП относительно нижних слоев. Тем самым создается градиентное покрытие, которое обладает неравномерными по сечению механическими свойствами. С увеличением наработки градиент микротвердости по сечению керамического слоя увеличивается. Нагрев поверхности ТЗП импульсным лазерным лучом различной мощности показал, что градиентные покрытия могут возникать при воздействии даже одного термоцикла высокой частоты, что доказывает волновую природу спекания при лазерном термическом воздействии на керамику.

15. В подслое в процессе тепловой нагрузки происходят диффузионно-окислительные процессы, приводящие к обеднению подслоя алюминием и миграции его к поверхности подслоя с образованием окислов алюминия, а также хрома и никеля. Окисление происходит неравномерно: на поверхности подслоя, внутри подслоя на межслоевых поверхностях. А также на поверхности основы. Рост пленки оксида алюминия вызывает резкое увеличение напряжений по границе керамика-подслой, уровень которых связан с параметрами шероховатости поверхности подслоя. Численное моделирование позволило установить параметры шероховатости подслоя, при которых напряженного состояния границы «керамика-подслой" наименьшее.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Илъинкова Т. А.И Ибрагимов А.Р., Ильинкова Т.А. О модуле Юнга теплозащитных покрытий на основе оксида циркония// Упрочняющие технологии и покрытия, 2012, № 9, с. 3-7;

2. Илъинкова Т.А II Б.Е. Байгалиев, Т.А.Ильинкова, Ф.К. Смородин, А.Н.Гурьев, А. А. Трифонов Лазерная обработка теплозащитного покрытия на основе окиси циркония// Вестник КГТУ, 2012, № 2 , с.85-90;

3. Илъинкова Т.А II Ибрагимов А.Р., Ильинкова Т.А. Внутренние напряжения и плотность энергии упругой деформации в многослойных газотермических покрытиях// Вестник КГТУ, 2012, № 2, с.91-96;

4. Ильинкова Т.А. II Т.А.Ильинкова, А.Р. Ибрагимов //Исследование механических свойств плазменных теплозащитных покрытий в условиях статических нагрузок //Упрочняющие технологии и покрытия, 2011, № 10, с. 7-11;

5. Ильинкова Г.Л.//Микроиндентирование плазменных теплозащитных покрытий на основе оксида циркония// Е.А. Барсукова, Т.А. Ильинкова// Известия ВУЗов «Авиационная техника» 2011, № 4, с.60-63;

6. Илъинкова T.A.II Долговечность плазменных теплозащитных покрытий в условиях термического нагружения//Т.А. Ильинкова, Р.Р.Валиев, А.Т.Тагиров //ВестникКГТУ, 2010,№2, С.24-28;

7. Ильинкова T.A.II Теплопроводность термобарьерных покрытий//А.В. Ильинков, Т.А. Ильинкова, A.B. Щукин, P.P. Валиев, И.В. Басаргин// Известия ВУЗов «Авиационная техника» № 3, 2009, С.54-58;

8. Илъинкова T.A.II Влияние параметров напыления на свойства теплозащитных покрытий теплозащитных покрытий// A.M. Абосделл, Т.А. Ильинкова, P.P. Валиуллин, H.A. Протасова, В.М.Савельев.// Известия ВУЗов « Авиационная техника», 2006, № 4, С. 75-77;

9. Ильинкова Т.А. //Применение термобарьерных покрытий в современных газовых турбинах. I. Термобарьерный слой // Абосделл A.M., Ильинкова Т.А., Лунев А.Н. // Известия ВУЗов «Авиационная техника», 2005, № 1, С. 60-64;

10. Илъинкова Т.А.И Применение термобарьерных покрытий в современных газовых турбинах. II. Связующий слой// A.M. Абусдель, Т.А. Ильинкова.

A.Н.Лунев // Известия ВУЗов «Авиационная техника», 2005, № 3, С.47-50;

11. Ильинкова T.A.II Расчетная оценка деформационных характеристик теплозащитных покрытий//Абусдель A.M., Ильинков A.B., Ильинкова Т.А.// Сборник трудов Донецкого нац. техн. университета, выпуск 30, Донецк, 2005, т.1„ С.3-9;

12. Ильинкова Т.А. II Влияние параметров напыления детонационных покрытий на сопротивление усталости сплава ВТ8 // А.Н. Лунев, В.В. Сергеев,

B.М. Т.А. Ильинкова, В.М. Матухнов// Авиационная техника, 2000, № 1, с.71-74;

13. Илъинкова Т.А. //Сопротивление усталости титановых сплавов с детонационными покрытиями типа ВК //В.К.Федоренко, В.В. Сергеев, И.Н. Шка-нов, B.C. Клименко, A.M. Ильченко. Т.А. Ильинкова// Порошковая металлургия,1995, № 12, с.47-52;

14. Илъинкова Т.А.// Т.А. Ильинкова, A.M. Ильченко, И.Н. Шканов, В.В. Сергеев, О.И. Самойлов, Г.П.Пименова, В.С.Клименко Исследование влияния условий формирования детонационных покрытий типа ВК на титановый сплав ВТ8// Авиационная промышленность, 1989, № 8. С. 19-20;.

15.Илъинкова Т.А.// Исследование конструкционной прочности материалов с газотермическими покрытиями// Материалы YII Международного симпозиума по фундаментальным и прикладным проблемам науки г. Миасс, 2012 с.31-42.

16. Т.А. Илъинкова// Ильинкова Т.А., Ибрагимов А.Р., Мельникова Т.Н., Бакиров P.P. «Способ определения остаточных напряжений и энергетических характеристик газотермических покрытий», положительное решение на заявку на патент № 2012113993 от 22.04.2013. «Способ определения остаточных напряжений и энергетических характеристик газотермических покрытий».

17. Т.А. Ильинкова II Ильинкова Т.А., Ильинков A.B., Абусдель A.M., Саттаров Р.И. «Устройство для испытаний материалов и покрытий», Патент на полезную модель № 57903, 2006;

18. Т.А. Илъинкова II Логинов Н.З., Духота А.И., Гончаренко Ю.Н., Шканов И.Н., Ильченко A.M.. Сергеев В.В., Ильинкова Т.А. «Способ нанесения детонационных покрытий на титановые сплавы», а.с. СССР № 154049, 1989;

19. Т.А. Илъинкова// Самойлов О.И., Мищенко Г.И., Сергеев В.В., Ильинкова Т.А., Егоров В.Г., Клименко B.C., Шарыпов А.З., Ильинкова Т.А., Меркулов Л.П., Лобачева Л.К. «Способ получения гранул твердых сплавов»,

а.с. СССР № 1541885, 1989.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.188.02 ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет (протокол № 8 от 2 июля 2013 г.)

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л.2,0. Усл.печ.1.86 Тираж 100. Заказ Б 105

Типография ПНИПУ, г.Пермь, Комсомольский проспект, 29

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.А.Н. ТУПОЛЕВА - КАИ

(КНИТУ-КАИ)

ИЛЬИНКОВА ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННОЙ

ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ С ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ ПОКРЫТИЯМИ И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени

Научный консультант:

д.техн.наук, профессор Б.Е. Байгалиев

На правах рукописи

доктора технических наук

Казань - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Принятые сокращения................................................................6

Введение....................................................................................7

Глава 1. Обзор работ в области исследования сопротивления усталости материалов с газотермическими покрытиями.................16

1.1. Влияние газотермических покрытий на характеристики сопротивления усталости материала основы..............................16

1.2. Сопротивление усталости титановых сплавов с детонационными покрытиями \VC-Co.............................................................19

1.3. Механические свойства газотермических покрытий.......................22

1.4. Сопротивление термической усталости теплозащитных

покрытий....................................................................................25

1.4.1. Материалы теплозащитных покрытий.......................................25

1.4.2. Термостойкость теплозащитных покрытий.................................33

1.5. Основные механизмы разрушения теплозащитных покрытий...........38

1.5.1.Процессы, происходящие в подслое теплозащитных

покрытий....................................................................................39

1.5.2. Анализ влияния различия между КТР подслоя

и основы................................................................................................................42

1.5.3. Шероховатость подслоя теплозащитных покрытий.......................44

1.5.4. Процессы, происходящие в керамическом слое теплозащитных покрытийпри тепловом нагружении.....................46

1.6. Микроструктура, теплопроводность и прочность теплозащитных покрытий.......................................................52

1.7. Разработка теоретических моделей прогнозирования

теплового состояния теплозащитных покрытий...........................63

1.8. Вязкость теплозащитных покрытий...........................................73

Заключение к первой главе и постановка задачи.....................78

Глава 2. Испытательные стенды, методы исследования,

материалы покрытий и основного материала......................................80

2.1. Методы исследования структуры и физических свойств порошков и покрытий.........................................................80

2.2. Методы исследования механических свойств газотермических покрытий.....................................................82

2.2.1. Методики исследования адгезионно-когезионных прочности газотермических покрытий...................................................82

2.2.2. Методики определения комплекса механических свойств покрытия при статическом одноосном изгибе..............................85

2.2.3. Разработка испытательного стенда и методики для оценки деформационных характеристик покрытий в условиях двухосного растяжения.........................................................93

2.3. Методика исследования сопротивление усталости металлов

с покрытиями....................................................................96

2.4. Разработка экспериментальных стендов и методик

для термоциклических испытаний ТЗП...................................101

2.5. Материалы для изготовления модельных образцов с детонационными покрытиями \¥С-Со. Детонационно-газовые установки

для напыления покрытий..............................................................106

2.6. Материалы для изготовления модельных образцов

с плазменными теплозащитными покрытиями на основе оксид циркония...........................................................................114

2.7. Технология нанесения теплозащитных покрытий........................125

Глава 3. Сопротивление усталости титановых сплавов

с детонационными покрытиями \VC-Co и методы

его повышения.................................................................128

3.1. Исследование влияния детонационных покрытий \VC-Co

на сопротивление усталости титановых сплавов........................128

3.2. Установление механизмов разрушения титановых сплавов

с детонационными покрытиями..................................................144

3.3. Пути повышения сопротивления усталости титановых сплавов

с детонационными покрытиями.................................................151

3.3.1. Упрочняющая обработка поверхности основы.............................154

3.3.1.1. Детонационно-абразивная обработка поверхности

основы.....................................................................................151

3.3.1.2. Обкатка роликом поверхности основы.......................................153

3.3.2. Влияние механической обработки покрытий на предел выносливости СПО..............................................................158

3.3.3. Совершенствование процесса детонационного напыления для повышения усталостных характеристик титановых

сплавовс детонационными покрытиями WC-Co.................................159

3.4. Кинетика усталостного разрушения титановой основы

в зависимости от условий формирования покрытий.........................172

3.5. Износостойкость детонационных покрытий WC-Co

при нормальных и повышенных температурах.............................175

Выводы к третьей главе......................................................176

Глава 4. Исследование деформируемости газотермических

покрытий при статическом нагружении..........................179

4.1. Исследование пластичности детонационных покрытий

WC-Co при сложно-напряженном состоянии...............................179

4.2. Исследование механических свойств плазменных теплозащитных покурытий при статическом изгибе.....................187

4.2.1. Упруго-пластические свойства теплозащитных

покрытий............................................................................................................188

4.2.2. Жесткость системы «основа-двухслойное покрытие»..........................................................................................203

4.2.3. Прочность ТЗП....................................................................205

4.2.4. Характер разрушения ТЗП при статическом изгибе.......................210

Выводы к четвертой главе......................................................214

Глава 5. Долговечность плазменных теплозащитных покрытий

в условиях термической усталости.....................................218

5.1. Исследование влияния режимов термического нагружения

на долговечность теплозащитных покрытий...............................218

5.2. Установление оптимального соотношения толщин отдельных

слоев ТЗП...........................................................................229

5.3. Изменение теплофизических характеристик ТЗП

при термоциклировании........................................................232

5.4. Исследование трещиностокости ТЗП при статическом

контактном нагружении.....................................................................243

Выводы к пятой главе.............................................................247

Глава 6. Моделирование процессов, происходящих в теплозащитных покрытиях при тепловом воздействии...............................251

6.1. Процессы, происходящие в керамическом слое ТЗП

при тепловом воздействии..........................................................251

6.2. Модели разрушений ТЗП.......................................................270

6.2.1. Обработка ТЗП лазерным лучом..............................................277

6.2.2. Окисление подслоя ТЗП.........................................................288

Выводы к шестой главе..........................................................304

Основные результаты и выводы по диссертации

.....................................................................................................................306

Список использованной литературы......................................313

Акты внедрения..........................................................................350

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

СПО - система «покрытие - основа»; ГТД - газотурбинный двигатель; ТЗП -теплозащитное покрытие;

FSZ - полностью стабилизированный оксид циркония; PSZ - частично стабилизированный оксид циркония; РЗМ - редкоземельные металлы;

KTJIP - коэффициент термического линейного расширения; ХАЭ - химически активные элементы;

TGO (thermally grown oxide) - термически выращенный оксид на поверхности подслоя теплозащитного покрытия;

TFR - модель («two flux regions») - модель, основанная на разделении теплового потока на два автономных: через поры и через вещество покрытия;

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного машиностроения во многом связано с созданием и совершенствованием газотурбинных двигателей (ГТД) и энергоустановок. Применение прогрессивных ресурсосберегающих технологий нанесения защитных покрытий при производстве ГТД способствует решению данной задачи.

Использование защитных покрытий различного функционального назначения (износостойких, коррозионностойких, теплозащитных) на деталях ГТД дает возможность повысить кпд, надежность и ресурс двигателя. Поэтому неслучайно в современных ГТД до 80% деталей имеют защитные покрытия. Большое распространение в настоящее время получают газотермические методы нанесения покрытий напылением, отличающиеся высокой производительностью, относительной простотой технологии и доступностью оборудования. Однако расширение сферы применения газотермических покрытий, в первую очередь плазменных и детонационных, ограничивается из-за недостаточной изученности процессов формирования покрытий, а также их влияния на свойства материала основы (детали). Это затрудняет разработку технологических процессов их нанесения, обеспечивающих высокую надежность и долговечность деталей с покрытиями. На стадии проектирования не удается прогнозировать износ, усталость во всех ее проявлениях сопровождающих эксплуатацию изделий с покрытиями. Влияние окружающей среды, а также недостаточная изученность сложных закономерностей изменения прочностных и деформационных свойств защитных покрытий и всей системы «покрытие - основа» (СПО) в процессе их работы, нестабильность технологических параметров нанесения осложняют получение надежных результатов.

Объем промышленного применения защитных покрытий в машиностроении остается все еще малым из-за ограниченного количества экспериментальных работ, изучающих влияние покрытий на основные свойства кон-

струкционных материалов, а именно на статическую и циклическую прочность. Специфичность СПО заключается в том, что первоначальные условия формирования покрытия, физико-химические процессы, протекающие на поверхности основы в период нанесения покрытия, существенно влияют на поведение конструкционных материалов при эксплуатации.

Плазменные и детонационные покрытия, в основном используемые на деталях ГТД, являются на настоящий момент наиболее эффективными как с точки зрения экономичности, так и с точки зрения качества покрытий.

Фундаментальные работы в области исследования детонации принадлежат научной школе академика Лаврентьева М.А. (М.Е. Топчиян, В.В. Митрофанов, A.A. Васильев, Т.П. Гавриленко, Ю. А. Николаев, В.Ю. Ульяницкий, и др.), С.С.Бартеневу, Ю.П.Федько, А.И. Григорову, Ю.А. Харламову, в области теории и технологии плазменного напыления -Кудинову В.В., Иванову В.М., Пузрякову А.Ф., Барвинку В.А., Ю.С. Борисову, Л.М.Петрову, Г.В. Боброву, Л.Х.Балдаеву и др.

Низкая пластичность большинства керамических материалов не позволяет применять их для создания покрытий. Однако известны такие уникальные порошковые сплавы, как WC-Co, Z1O2 -У2Оз: которые обладают высокой вязкостью разрушения, соизмеримой с вязкостью стали. Сочетание высокой вязкости разрушения и твердости с химической инертностью позволяет использовать данные керамики для защиты деталей ГТД, подвергающихся высоким истирающим, тепловым и механическим нагрузкам.

Значительный прогресс в повышении качества покрытий связан с использованием для напыления композиционных материалов. Применение композиционных порошковых материалов предполагает развитие технологических процессов нового уровня, основными чертами которых является: 1) сохранение исходного состава материала покрытий на стадии напыления, 2) точное регулирование структурообразования, 3) снижение до

минимума повреждающего воздействия процесса напыления на свойства металла основы. Исследований в этой области проводится недостаточно.

В США, Германии, Англии, Японии, Италии проводятся интенсивные исследования по физическому и математическому моделированию процессов, происходящих в газотермических покрытиях, в первую очередь - плазменных теплозащитных покрытиях (ТЗП). Важное место в этих исследованиях уделено исследованиям термостойкости в различных условиях теплового нагружения и раскрытию механизмов разрушения ТЗП.

Отечественные публикации по получению, исследованию и расчетам термонапряженного состояния ТЗП принадлежат П.Г. Коломыцеву, E.H. Коблову, С.А.Мубояджяну, Н.В. Абраимову, J1.H. Лесневскому, В.А.Трушину, Г.П.Нагоге, Ю.М. Анурову и др. Эти публикации немногочисленны и не дают полноты знаний о природе физико-механических и теп-лофизических процессов, происходящих в СПО при формировании ТЗП, не позволяют прогнозировать поведение этих покрытий в реальных условиях и устанавливать обоснованный ресурс.

В связи с этим, тема диссертационной работы, посвященная разработке теоретических и технологических основ повышения конструкционной прочности титановых и никелевых сплавов с газотермическими покрытиями представляется актуальной.

Цель настоящей работы заключается в повышении надежности материалов с газотермическими покрытиями путем разработки научных и технологических подходов к повышению их конструкционной прочности.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. На основе исследования закономерностей деградации и разрушения плазменных и детонационных покрытий различного функционального назначения в условиях, близких к эксплуатационным, разработаны методы повышения их конструкционной прочности;

2. Выявлены основные закономерности деформационной способности детонационных \VC-Co и плазменных 2г02-6-8У203 покрытий при статическом одноосном и двухосном нагружении в зависимости от составов, толщин покрытий, связанные с циклической долговечностью покрытий;

3. Проведены исследования термостойкости плазменных теплозащитных покрытий 7г02-6-8У20з и установлены закономерности изменения их долговечности в зависимости от режима термоциклирования, составов и толщин, а также изменения теплофизических характеристик покрытия;

4. Изучена кинетика основных механизмов деградации 2г02-6-8У20з теплозащитных покрытий - спекания керамического слоя и окисления металлического подслоя покрытия, и установлены основные технологические факторы, влияющие на эти процессы.

Научная новизна. Новым научным положением, основанным на раскрытии закономерностей сопротивления усталости материалов с газотермическими покрытиями и установлением критериев оценки их разрушения от действия механических и тепловых нагрузок, является создание научно обоснованных подходов к управлению процессами формирования покрытий при напылении и последующей обработки. Это позволяет повысить надежность и долговечность покрытий.

1. Обобщены и развиты представления о влиянии детонационных покрытий WC-Co на сопротивление многоцикловой усталости двухфазных титановых сплавов. Установлено, что снижение сопротивления усталости титановых сплавов связано с появлением сильно наклепанной переходной зоны, а также стеснением пластической деформации титановой основы при совместном деформировании с хрупким покрытием.

2. Теоретически обоснована и практически подтверждена эффективность снижения температуры и скорости порошково-газового потока при детонационном напылении, позволяющая создавать покрытия с упорядоченной структурой и минимальным количеством хрупких фаз. Это позволило

повысить сопротивление многоцикловой усталости титановых сплавов с покрытиями до 5 раз и сопротивление в условиях фреттинг-коррозии до 4 раз.

3. Развиты представления о природе упруго-пластических и прочностных свойств газотермических покрытий при одно- и двухосном статическом нагружении системы «покрытие-основа». Предложенные энергетические характеристики упруго-пластической деформации являются более чувствительными к изменению напряженного состояния покрытий при высокотемпературной наработке, чем модуль Юнга;

4. Выявлены механизмы деградации и разрушения теплозащитных покрытий в условиях малоцикловой термической усталости, связанные с импульсным спеканием керамического пористого слоя, движущая сила которого имеет различную интенсивность в зависимости от режима теплового на-гружения и продолжительности воздействия. Установлено, что под действием нестационарного температурного поля, в том числе при однократном тепловом ударе, в керамическом слое ТЗП возникает градиент механических свойств.

5. Развиты представления о кинетике процесса окисления плазменного жаростойкого подслоя теплозащитных покрытий и предложены методы ее оценки, позволяющие прогнозировать долговечность теплозащитного покрытия.

Практическая значимость. Разработан ряд технологических рекомендаций по методам повышения сопротивления усталости материалов с покрытиями различного функционального назначения, что послужило основой создания научно обоснованных технологий и критериев оценки кинетики процессов, происходящих в покрытиях при эксплуатации.

При разработке технологических рекомендаций обоснована необходимость регламентации и контроля стабильности режимов напыления покрытий по критерию сопротивления усталости СПО.

Для ОАО «Казанское моторострои