автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Разработка критериев выбора материалов для плазменных теплозащитных покрытий

На правах рукописи

ИБРАГИМОВ АЙНАР РАВИЛЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

05.16.09 -Материаловедение (машиностроение)

г 7 кон ¿¡ш

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь 2013 005530972

005530972

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ»

Научный руководитель: Илышкова Татьяна Александровна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ», доцент кафедры «Материаловедение, сварка и структурообразующие технологии», Казань

Официальные оппоненты:

Адгамов Равиль Искандерович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева - КАИ», профессор кафедры «Технологии машиностроительных производств», Казань Гревнов Лев Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», профессор кафедры «Порошковое материаловедение и наноматериалы», Пермь

Ведущая организация: ОАО «Казанское опытное конструкторское бюро «Союз», Казань

Защита состоится «2» июля в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.188.02 ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» по адресу: 614990, г.Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 423 б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Автореферат разослан «29» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ¿¿¿¿А1 — Е.А. Кривоносова доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В современном авиадвигателестроении применение теплозащитных покрытий (ТЗП) на основе диоксида циркония на деталях камеры сгорания (жаровые трубы, наружный и внутренний кожухи) газотурбинного двигателя (ГТД), имеющих воздушное охлаждение, позволяет значительно снизить температуру на поверхности деталей, устранить местные перегревы и, таким образом, гарантировать срок службы камеры сгорания.

В современных авиационных ГТД актуально использование камер сгорания с большим ресурсом, для которых конструкторами ставится задача нанесения ТЗП с толщиной теплозащитного керамического слоя 300 мкм и более. Наиболее приемлемым способом нанесения ТЗП на достаточно большую поверхность деталей камеры сгорания можно считать метод воздушно-плазменного напыления, для которого характерно сочетание достаточно высокого качества покрытий с производительностью процесса.

Однако с увеличением толщины покрытия, наносимого плазменным методом, резко возрастает количество структурных дефектов, в виде пор, трещин, а также уровень остаточных напряжений, что резко снижает долговечность покрытий.

Опыт эксплуатации деталей с ТЗП показал, что должен существовать диапазон толщин наносимых покрытий, обеспечивающий наилучшие как теплозащитные, так и механические свойства. Однако установить оптимальный диапазон толщин существующими методами контроля не представляется возможным. В то же время отсутствие полного контактного взаимодействия между отдельными слоями покрытия, наряду с высоким уровнем остаточных напряжений, возникающих в покрытии в процессе напыления, определяет особое поведение этих покрытий при нагружении и деформировании. Поэтому важной задачей является установление взаимосвязи между составом, технологическими условиями формирования напыленного покрытия и его механическими свойствами. При этом деформационная способность ТЗП в значительной степени зависит от характеристик применяемых порошковых материалов, в частности состава, размера и формы порошков, а также параметров напыления и последующей термической обработки.

Таким образом, на ранних стадиях проектирования технологических процессов нанесения ТЗП все большее внимание необходимо уделять проблеме разработке новых лабораторных методов испытания покрытий с целью выбора научно обоснованных конструкторско-технологических решений.

В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная разработке лабораторной методики исследования деформационной способности двухслойных плазменных теплозащитных покрытий при статических нагрузках и установлению закономерностей механического поведения ТЗП с учетом высокотемпературного влияния, обеспечивающие высокие эксплуатационные характеристики ТЗП, представляется актуальной.

Работа выполнялась при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы», ГК № 14.740.11.1445 от 03.11.2011, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа У.М.Н.И.К.-2012, Проект № 16910).

Объектом исследования в диссертационной работе являются двухслойные ТЗП (жаростойкий металлический подслой и керамический теплозащитный слой на основе диоксида циркония, стабилизированного 6-8% оксида иттрия), напыленные воздушно-плазменным способом на жаропрочный сплав ВХ-4А.

Предметом исследования диссертационной работы является комплекс статических структурно-чувствительных механических свойств ТЗП.

Целью диссертационной работы является разработка критериев выбора материалов для плазменных теплозащитных покрытий на основе исследования прочности и деформационной способности покрытий при четырехточечном статическом изгибе.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработка экспериментально-расчетной методики исследования механического поведения двухслойных плазменных теплозащитных покрытий на модельных образцах в условиях статического четырехточечного изгиба;

2. Разработать программный аппарат для расчета прочностных и деформационных характеристик ТЗП;

3. Провести исследования и установить закономерности деформационной способности ТЗП в зависимости от уровня нагрузок, состава ТЗП, соотношения толщин теплозащитного слоя и подслоя и высокотемпературной наработки;

4. Разработать критерии выбора материалов для ТЗП, позволяющие принять обоснованные технологические решения на ранних стадиях проектирования технологических процессов напыления.

Научная новизна. Новым научным положением, основанным на раскрытии закономерностей деформационной способности теплозащитных покрытий при статическом изгибе, является разработка критериев выбора материалов ТЗП, наносимых плазменным напылением, в соответствии с которыми можно обоснованно выбирать толщины отдельных слоев ТЗП.

- Проведен анализ жесткости, упруго-пластических свойств покрытий и установлена закономерность снижения механических свойств с увеличением толщины керамического слоя в связи с накоплением внутренних напряжений в покрытий. Выбрана оптимальная система покрытий маркировки ЦИО-7-10-50+ ПВНХ16Ю6.

- Определено оптимальное соотношение толщин керамического слоя и подслоя, который варьируется в зависимости от состава покрытий и условий напыления от 2 до 5. Доказан оптимальный диапазон значений модуля Юнга 22-35 ГПа, который входит в этот диапазон и прочность покрытий, при котором становится значительно выше среднестатистической (980-1270 МПа), что

обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики разрабатываемых материалов.

- Разработанный способ определения остаточных напряжений и энергетических характеристик деформационной способности ТЗП, заключающийся в получении деформационного гистерезиса в упругой области деформирования и оценке плотности энергии релаксации упругой деформации ТЗП, позволяет оптимизировать режимы термической обработки покрытий и исследовать кинетику спекания покрытий в зависимости от времени высокотемпературной наработки (подана заявка на патент №2012113993).

Практическая значимость результатов диссертации заключается в том, что разработанная методика рекомендована в производство и термообработке внутренней поверхности жаровой трубы, наружной и внутренней кожухи газотурбинного двигателя. Метод исследования деформационной способности покрытий позволяет снизить трудоемкость ранних стадий проектирования технологического процесса плазменного напыления теплозащитных покрытий на детали камеры сгорания и научно обосновать ряд технологических решений по выбору материалов покрытий, толщин отдельных слоев ТЗП.

Положения выносимые на защиту:

Экспериментально-расчетная методика исследования комплекса механических характеристик ТЗП, полученных при статическом нагружении в упругой и упруго-пластической области;

Результаты экспериментального исследования прочностных и деформационных характеристик ТЗП в условиях статических нагрузок;

- Энергетические характеристики упругой деформации, чувствительные к высокотемпературной наработке.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием поверенных и сертифицированных средств измерения высокого класса точности. Суммарный процент ошибок на основе паспортных данных комплектующих испытательного стенда - 4,2%, где тензодатчики типа 2ПКБ - 3%, установка на нагружение FPZ 100/1 - 1%, программно-аппаратный комплекс (ПАК) для измерения деформации - 0,2%. Эксперименты проводились в единых условиях, погрешность является системной ошибкой, значения прочностных и упруго- пластических свойств соответствуют нормальному распределению по критерию Стьюдента (0,95). Для металлографического анализа использовался автоматический пресс для горячей запрессовки образцов Remet IPA30, шлифовалыю-полировальный станок Remet LS2, микроскоп Axiovert 200.

Личный вклад автора. Все экспериментально-теоретические исследования и разработанные технические решения как в лабораторных, так и опытно-промышленных условиях, а также обработка результатов выполнены лично автором, который совместно с руководителем определил научное направление и задачи исследования.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: XXI Уральской школе металловедов-термистов (Магнитогорск,

МГТУ им.Г.И. Носова, 2012г.); XII международной научно-технической уральской школе- семинаре металловедов-молодых ученых (Екатеринбург, УрФУ, 2011); VI международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011» (Казань, КНИТУ-КАИ, 2011); международной молодежной научной конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2011г.); XIX, XVI, XV международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (Казань, КНИТУ-КАИ, 2011, 2008, 2007г.); XXIII и XXII всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, приборы и методы контроля изделий» (Казань, КВАКУ им.М.Н. Чистякова, 2011, 2010 г.); III международной научно-технической конференций «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ, 2010г.); международной научно-практической конференций «Современные технологии и материалы - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, АКТО, 2010 г.); IV международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе три статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, содержит 139 страниц текста, в том числе 78 рисунков, 23 таблицы, 1 приложение. Список литературы содержит 151 источников информации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обосновывается актуальность и практическая значимость решаемых в диссертационной работе проблем.

В первой главе выполнен обзор научно-технической литературы по методикам экспериментальных исследований деформационных и прочностных свойств плазменных ТЗП, характера развития трещин и разрушения покрытий, изложенных в работах R.S. Lima, C.R.C. Lima, С.С. Berndt, М. Beghini, L. Bertini, F. Frendo, A. Kucuk, U. Senturk, S. Takahashi и др.

Во второй главе описаны применяемые в работе материалы, методика приготовления образцов и метод для исследования покрытий. При проведении эксперимента использовали образцы в форме пластины с размерами 10x80x2 мм. В качестве материала основы использовался сплав ВХ-4А (ХН50ВМТЮБ) -деформируемый сплав на никелевой основе, используемый для изготовления жаровой трубы камеры сгорания ГТД.

Исследовались пять систем ТЗП, созданных из порошков различного состава теплозащитного керамического слоя и жаростойкого подслоя:

1.ЦИО-7-10-50+ ПВНХ16Ю6;

2. ЦИО-7-10-50+ ПНХ20К20Ю13;

3. Z7Y-10-90+ ПВНХ16Ю6;

4. Z7Y-10-90+ ПНХ20К20Ю13;

5. Metco 204-NS+ AMDRY 995 С.

Порошковые керамические материалы Ме1со 204-Ы8 (производство Зульцер Метко), ЦИО-7—10-50 и 10-90 (производство г.Екатеринбург),

имеют сферическую форму, основная фракция порошка Ме1со 204-N8 имеет размеры частиц +45-71мкм, для двух других - менее 45 мкм. Порошки жаростойких сплавов ПВНХ16Ю6 и АМОКУ 995 С имеют основную фракцию размером менее 40мкм, порошок ПНХ20К20Ю13 -в среднем 70 мкм. Напыление на модельные образцы обоих слоев покрытия осуществлялось на роботизированных плазменных комплексах УПУ-8М (системы № 1-4) и ТСЗП-МР-Р-1000 (система № 5) по опытной технологии, принятой для деталей камеры сгорания ГТД с варьированием видов и режимов термической обработки. При этом толщина керамического слоя варьировалась от 230 мкм до 670 мкм, подслоя - от 50 мкм до 200 мкм.

Испытания на 4-х точечный изгиб проводились по схеме (рис.1) при комнатной температуре.

а) Схема 6) Схема установки в сборе

Рис. 1. Схема 4-х точечного изгиба

В качестве нагружающего устройства использовали разрывную машину FPZ 100/1, обеспечивающую плавность нагружения малыми нагрузками не более 10 кН с минимальной скоростью нагружения (0,02...0,84 мм/мин). Перед экспериментом силоизмеритель градуировали с помощью поверенного динамометра.

Измерение деформаций малых размеров осуществляли с помощью тензодатчиков типа 2ПКБ, которые наклеивали на образец со стороны покрытия и основы и подсоединяли к ПАК для измерения деформаций. Нагружение образцов осуществлялось плавно, таким образом, чтобы покрытие подвергалось растягивающим нагрузкам. Через каждые 19,6 Н фиксировалась величина абсолютной деформации. При достижении максимальной нагрузки осуществлялось плавное разгружение образца. Часть образцов испытывалась в упруго-пластической зоне деформации (до нагрузки 760Н), другая часть образцов испытывалась в упругой области (до нагрузки 400Н). По результатам измерений строилась диаграмма в координатах: «Нагрузка, Р (Н) -перемещение (абсолютная деформация) — L, мкм».

С целью определения предельной прочности образцы подвергались нагружению до разрушения покрытия. Момент возникновения трещины фиксировался визуально. Расчет прочностных и деформационных характеристик проводился с помощью программы Excel.

7

Исследование микроструктуры покрытий осуществляли на оптическом универсальном металлографическом микроскопе АхюуеЛ 200 МАТ при увеличении 100х.

В третьей главе приведены результаты исследования механического поведения ТЗП в упругой области деформирования.

Для двух систем керамик с одинаковым подслоем ПВ-НХ16Ю6 нагружение осуществлялось до 400Н и далее образцы разгружали (рисунок 2а). В этом случае из-за незначительности нагрузки процесс растяжения внутренних слоев покрытия не достигает его нижней поверхности. Поэтому в нижних слоях покрытия при полном снятии упругой деформации сохраняются напряжения растяжения, которые можно квалифицировать как остаточные. Для полной релаксации этих напряжений создавалась деформация сжатия (рисунок 2а).

Определение абсолютной деформации для систем с подслоем ПВ-НХ16Ю6 показал, что и в данном эксперименте покрытие ЦИО-7-10-50 является более пластичным в сравнении с 10-90. Остаточные деформации при полной разгрузке в обеих системах приблизительно одинаковы и составляют приблизительно -15 мкм (рисунок 26), что говорит о сопоставимых условиях формирования покрытий при напылении.

Анализ полученных деформационных гистерезисов показал, что энергия, затраченная на процесс деформирования покрытия Б], меньше энергии Бг, высвобождающейся при разгружении системы (рис.3). Разницу в этих двух энергиях можно считать внутренней энергией (внутренним напряжением), запасенной системой при напылении. Энергию А, потраченную на полное высвобождение внутренних напряжений в покрытии при сжатии, можно рассчитать как площадь прямоугольного треугольника.

Внутренние напряжения в покрытии а, плотность энергии упругой деформации и' рассчитываются соответственно по формулам (1) и (2):

_ 3Р с (О (ЗРрсУ (2)

=_.вя2

2 Е ~

¿1 —— —■-—

вн

11 1 1 1

_Деформационнь гистерезис й

/ 1

V? у

/

/ у

/

■1 /р. он

Перемещения (мкм)

Остаточные деформация

I I -

1

1

Нагрузка (Р), Н

ПВНХ16ЮИТ +ЦИО-7-10-50 ПВНХ16ЮИ1 *гг1--10-90 |

а) 6)

Рис. 2. а) Упругий тип деформационного гистерезиса, б) Величина остаточной деформации при фиксированных нагрузках 200. 0 Н двух испытанных порошковых систем

где Р - нагрузка, при которой появляется трещина или расслоение системы (Н); В - ширина образца, мм; Н - полная толщина образца, мм; с -расстояние, между нагруженной и опорной балкой, (10мм); Еосн, Еподслой, Екс., - модули упругости основы (196 ГПа), подслоя (170 ГПа) и керамического слоя, соответственно, МПа; Иисн., А„одслой, Ьк.с. - толщины основы, подслоя и керамического слоя, соответственно, мкм.

Расчеты модуля Юнга отдельных слоев системы «покрытие-основа» при испытании на четырехточечный изгиб осуществляли по модели балки с покрытием по методике М. Beghini, Ь. Вег1лгп. Установлено, что модуль Юнга керамического слоя принимает значения от 3..5 до 70... 80 ГПа в зависимости от состава керамики, ее пористости и плотности микротрещин. Покрытия всех серий, имеющие модуль Юнга в диапазоне 20-70 ГПа, обладают повышенными прочностными свойствами. При этом более упругие свойства имеют покрытия Ъ1У-10-90.

После плазменного напыления ТЗП обычно подвергают термической обработке для восстановления объемных механических свойств металла основы и состава керамики. Поэтому было проведено исследование влияния изотермической выдержки на энергетические характеристики деформационной способности покрытий. С этой целью ТЗП выдерживались в печи при 1100°С от 1 до 100 часов в зависимости от толщины керамического слоя покрытия с последующим испытанием.

Установлено, что после изотермической выдержки один час в покрытии ЦИО-7-10-50 произошла полная релаксация внутренних напряжений. При этом значение модуля Юнга не изменилось. За 2 часа выдержки в обоих покрытиях энергия А, необходимая для высвобождения внутренних напряжений, снизилась от 3 до 80 раз, а плотность энергии и'0 для покрытия Ъ1Ч-10-90 - в 80 раз. При этом в покрытии появилась остаточная пластическая деформация, как следствие высокотемпературной ползучести металлического подслоя, которая возникает по причине различия к.т.р. трех компонентов системы: керамики, подслоя и основы. Из-за высоких сил адгезии, возникших при формировании покрытия, полная релаксация пластической деформации при охлаждении подслоя естественно невозможна. Увеличение времени выдержки до 10-50 часов способствует продолжению снижения остаточных напряжений, упругой энергии, ее плотности, однако уже в значительно меньшей степени. Усиливающиеся процессы спекания керамического слоя покрытия являются противодействующей силой, которая препятствует снижению напряженного состояния покрытия. 100 часов изотермической выдержки являются критическим временем, когда силы спекания преодолевают силы релаксации внутренних напряжений. В обоих типах покрытий замечено увеличение остаточных напряжений (от 1,4 до 2 раз) и всех энергетических

Рис. 3. Схема упругого типа деформационного гистерезиса ТЗП

характеристик: А, Б, и'0) при этом изменений в величине модуля Юнга практически не произошло.

В четвертой главе представлены исследования в упруго-пластической области деформирования и при разрушении. При достижении нагрузки в 760 Н в керамическом слое покрытия развивается упруго-пластическая деформация,

так как при полном разгружении образцов возникает деформационный гистерезис (рис.4). Вычисление разницы в значениях абсолютной деформации (перемещении) при фиксированных нагрузках (200, 400, 600Н) при нагружении и полной разгрузке позволило выделить пластическую долю деформации. Установлено, что керамический слой покрытия ЦИО-7-Ю-50 (кривая 1) является наиболее пластичным по сравнению с 10-90 (кривая 2) и Мйсо 204-Ы8 (кривые 3 и 4) (рис.5).

Двойная термообработка покрытия \letco 204-^ по сравнению с одинарной (диффузионным вакуумным отжигом) способствует увеличению упругих свойств (кривые 3 и 4).

Средняя величина остаточной деформации

Ц1Ю7 10-50+ ПНХ20К20Ю13 (1)

27П'-1О-0О- П11Х201а0Ю1312) AMDKV 995С + Metco 204115 f AMDRY995C+ Metco 204(15

Рис.5. Величина остаточной деформации при фиксированных нагрузках 200. 400, 600Н трех систем ТЗП с различным составом керамического слоя и последующей термической обработкой (ЦИО-7-10-50+ ПНХ20К20Ю13, Z7Y-10-90+ ПНХ20К20Ю13 - диффузионный отжиг 1050 °С - 4 ч., окислительный отжиг 850 °С - 20 ч.; Metco 204NS+ AMDRY 995С -диффузионный отжиг 1050 °С - 4 ч.; t° Metco 204NS+ AMDRY 995С - диффузионный отжиг 1050 °С - 4 ч., окислительный отжиг 850 °С - 2 ч.)

По кривым деформирования был определен угол наклона кривых, тангенс которого можно идентифицировать с жесткостью системы «покрытие-основа» (рис. 6а, 66). Установлено, что кривые группируются в зависимости от состава подслоя: более жесткие системы - с подслоем ПВ-НХ16Ю6, менее жесткие - с подслоем ПНХ20К20Ю13. Система ЦИО-7-10-50 с ПВ-НХ16Ю6 имеет наиболее узкий диапазон перемещений при нагружении до 400Н, что

10

I

Р= 600// гнете] зезис /У

Р= 4 ООН

///

Р= 200Н

У

/У

Перемещение (мкм) -нагрузка

разгрузка

Рис.4. Упруго-пластический тип деформационного гистерезиса

О 200 400 воо

Нагрузьа 1П, Н

свидетельствует о стабильности свойств этой системы в упругой области. Система с покрытием МеКю 204-Ш+ АМЭЯУ 995С имеет наибольшую жесткость при сопоставимых значениях толщины керамического слоя с остальными изученными системами покрытий.

♦ Ш-Ю-7 -10-50* ПНХ20К 20Ю ] 3 (1) ЦИО-7-10-50+ ПВ-НХ10Юв (3 МеЬо 20*)Ге+ АМ0(?У 995С (5)

■ 27\"-10-90+ ПНХ20К 20Ю 13 (2)

274-10^0+ ПБ НХ1вЮЭ (Щ • Г ГЧсЬоэ 20<1Г13+АМ01« 99 ЗС (9

♦ ЦИО-7 -10 30+ ПНХ20К 20Ю 13(1) иио-7-Ю-50+- пв-нх! аюе о I МеЬо 204(15+ АМОКУ 995С (5)

■ 27 V -10^0+ПНХ20К20Ю13 £2)

27У-10-90+П5-НХ1вЮ6 (4) • Г Мексо 20А1МБ+ АЮЯЧ 995С (в)

а) б)

Рис. 6. Взаимосвязь жесткости системы "Основа - двухслойное покрытие" с величиной абсолютной деформации при Р=400Н -а); и с толщиной керамического слоя - б)

Как установлено металлографическими исследованиями, при напылении при напылении более крупного в сравнении с остальными порошками подслоя и соответственно плохо проплавленного порошка ПНХ20К20Ю13 структура подслоя имеет многочисленные несплошности, рыхлоты, что и объясняет пониженную жесткость систем с этим подслоем. Аппроксимация экспериментальных зависимостей <^аспо— 5К с» методом наименьших квадратов к линейному виду дает следующие уравнения:

ЦИО-7-10-5 0+ ПВНХ16Ю6: ЦИО-7-10-50+ ПНХ20К20Ю13:

27У-10-90+ ПВНХ16Ю6:

27У-10-90+ ПНХ20К20Ю13:

1ёосспо =-0,00525«+4,971 (3)

1£аспо = -0,0016 8КС+2,5625 (4)

1ёаспо = -0,0131 5КС+7,7309 (5)

1§аспо = -0,00375кс+3,5077 (6)

Величина достоверности аппроксимации Я2 принимает значения от 0,36...0,61 для систем с подслоем ПНХ20К20Ю13 и от 0.85...0, 91 для систем с подслоем ПВНХ16Ю6, что также свидетельствует о более высокой стабильности жесткости системы с подслоем ПВНХ16Ю6 и повышению сопротивления деформированию.

Пористая, трещиноватая керамика не оказывает такого сильного влияния на жесткость системы, как более плотный металлический подслой. Однако анализируя влияние толщины керамического слоя на изменение жесткости

систем, имеющих хорошо сформированный подслой ПВ-НХ16Ю6 (рис. 66), можно сделать различие систем и по составу керамик. Так, накопление структурных дефектов в керамическом слое с увеличением его толщины наиболее негативно влияет на жесткость системы Z7Y-10-90+ ПВ-НХ16Ю6: с увеличением толщины этой керамики всего лишь в 1,5 раза с 260 до 400мкм тангенс угла наклона снижается в 1,72 раза - с 4,3 до 2,5. Система ЦИО-7-Ю-50+ПВ-НХ16Ю6 в широком диапазоне толщин 300...670 мкм показывает снижение жесткости примерно в 1,8 раза. В системах с рыхлым подслоем ПНХ20К20Ю13 влияние толщины керамики в меньшей степени сказывается на снижении жесткости. Эти системы деформируются в широком диапазоне перемещений независимо от толщин обоих слоев ТЗП и, таким образом, демонстрируют высокую нестабильность свойств. Данные зависимости позволяют выбрать систему порошковых материалов, которая должна быть чувствительной к геометрии покрытия. Предпочтительной является система ЦИО-7-10-50+ ПВ-НХ16Ю6, так как в ней имеет место плавное снижение жесткости с увеличением толщины керамического слоя в широком диапазоне.

Прочность ТЗП изменяется в широких пределах 500... 1250 МПа, но в среднем для большинства образцов, имеющих разный химический состав и толщину слоев, прочность составляет 590...880 МПа (рис. 1а). Полученные данные хорошо согласуются с результатами работ Izquierdo, Blandir), в которых разрушающие напряжения для подобных систем составляют 500-700 МПа.

• ÜMO-7-10-50+ ПИ\20;%20Ю 1 3 U > ■ Z7Y-10-90+ ПНХЗОКДТО13

ЦИО-7-10-50+ ПВ+Ш6Ю6 :Д| - 2?Y LOOOr ПВНХ1в«в<4)

Mefco 20ÍIN3+ AMDRY 995С (31 'Г Mete:. Mlt1S+ flMPRY S9SC 131

•ЦИО-7-1030+ПНХ20К20Т013(1) ■Z7f-lC^90+ ПНХ20К20Ю13 (2j LH'10-7-10-50- lü-HX¡-5lü.i ^ 27Y-IO-SO+ ПВ-НХ16ЮЗ [íll Meír.o 204ГСВ+ AMDRY 99ЭС (51

400 500

ÓK-C., НИН

а) 6)

Рисунок 7. Зависимость прочности ТЗП: а)-от толщины керамического слоя и б) - от соотношения толщин керамического слоя покрытия и подслоя

Наиболее высокая прочность в системе ЦИО-7-10-50+ПВ-НХ16Ю6 (12001250 МПа) обеспечивается однако достаточно узким диапазоном соотношения толщин керамического слоя и подслоя ТЗП - 2...3 (рис.76) и является высокочувствительной к изменению толщины покрытия (таблица 1). Покрытия других систем при практически любом соотношении толщин имеют пониженную прочность с большим разбросом значений, и степень снижения прочности с увеличением толщины керамики незначительна. Однако система Ме1со204-Ы8+АМ1ЖУ995С с увеличением соотношения толщин

керамического слоя и подслоя до 4...5 сохраняет достаточно высокую прочность в 980-1100 МПа, что является неоспоримым достоинством этой системы.

Таблица 1

Система ТЗП Уравнения, аппроксимирующие экспериментальные

данные

ЦИО-7-10-50 а = -2,0707(4с.) + 1885,4; Я2 = 0,9154 (7)

+ ПВНХ16Ю6 а = -\19.ЪЪ(6кс/ёпс)+ 1534,5; Я2 = 0,6441 (8)

ЦИО-7-Ю—50 а = -0,1091(4.,.)+ 644,06; Я2 = 0,0159 (9)

+ ПНХ20К20Ю13 а = -8,0761(Зк.с/д„.с) + 641,3; Я2 = 0,1076 (10)

Ъ1Ч-10-90 а = -0,4182(4.с.)+ 940,96; Я2 = 0,3491 (П)

+ ПВНХ16Ю6 а = -34,43(дк.с/3„.с)+ 913,74; Я2 = 0,4102 9 (12)

27У-10-90 а = -1,1721(4. с.) + 1120,6; Я2 = 0,7178 (13)

+ ПНХ20К20Ю13 а = -8,1569(4,/4.С.)+ 796,12; Я2 = 0,05979 (14)

Фрактографический анализ показал, что разрушение покрытий носит когезионно-адгезионный характер. Двойная термообработка ТЗП после напыления способствует сохранению прочности границы керамика-подслой, поэтому часто разрушающая трещина, зарождаясь от крупных пор, проходит через подслой и вызывает отслоение покрытия по границе основа-подслой. Развитие трещин происходит уже при 0,5 % деформации. Расслоение керамики и подслоя наблюдается при растягивающих деформациях 1,0... 1,5 %. Увеличение деформации приводит к разветвлению поперечной трещины, рост которой заканчивается на границе подслой - керамика, после чего возникают новые трещины, которые растут уже параллельно этой границе. При испытании визуально фиксировали время развития трещины. Установлено, что наиболее «живучими» покрытиями являются ЦИО-7-10-50+ПВ-НХ16Ю6.

Характер разрушения ТЗП при достижении предельных напряжений меняется в зависимости от типа порошка керамики, соотношения толщин керамического слоя и подслоя, а также от величины остаточной деформации, полученной после полного разгружения системы.

При достаточно большой толщине керамического слоя ЦИО-7-10-50 (600 мкм и более) и величины остаточной деформации происходит отслоение керамики на большой площади (рис. 8а). Снижение толщины керамического слоя и соотношения толщин слоев до оптимального значения - 190/360 (1,9), величины остаточной деформации до минимальных значений способствует разрушению покрытия на незначительном участке (рис. 86).

Керамический слой ТЗП Ъ1Х-10-90 оптимального диапазона толщин, несмотря на значительное рассеяние значений остаточной деформации, разрушается на малой площади образца (рис. 8в и 8г).

а) б) в) г)

Рис.8, а) ЦИО-7-10-50, остаточная деформация -20,3 мкм, толщины подслоя и керамики: 126/670 (5,3) мкм, о=594 МПа; б) ЦИО-7-10-50, остаточная деформация - 8,3 мкм, толщины подслоя и керамики: 190/360 (1,9) мкм, с= 1221 МПа; в) Z7Y-10-90, остаточная деформация

-29,5 мкм, толщины подслоя и керамики: 126/270 (2,1) мкм, с= 799 МПа; г) Z7Y-10-90, остаточная деформация -3,7 мкм, толщины подслоя и керамики: 73/300 (4,1) мкм, о=867М11а

Выводы

1. Осуществлен научно-обоснованный выбор материалов теплозащитных покрытий для деталей авиадвигателестроении и применительно к плазменной технологии напыления.

2. Предложены упругие энергетические характеристики теплозащитных покрытий: энергия, необходимая для высвобождения внутренних напряжений и плотность энергии упругой деформации, которые являются чувствительны к кинетике процессов спекания, происходящие при высокотемпературной выдержке ТЗП.

3. Установлен оптимальный диапазон толщин керамического слоя не более 250-380 мкм, при котором покрытия имеют повышенные прочностные свойства и значения модуля Юнга керамики всех типов покрытий составляет 22-35 ГПа.

4. Установлена роль подслоя в формировании комплекса механических свойств ТЗП. При хорошо сформированном подслое (ПВНХ16Ю6) система становится чувствительной к изменению толщины покрытия, что позволяет оптимизировать эту характеристику по прочностным и деформационным критериям. По полученным результатам оптимальным соотношением толщин керамического слоя и подслоя следует считать соотношение 3-5, для которого были получены наибольшие значения прочности для всех исследованных систем покрытий.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Статьи, опубликованные в рецензируемых журналах:

1. Ибрагимов А.Р. О модуле Юнга теплозащитных покрытий на основе оксида циркония / Ильинкова Т.А., Ибрагимов А.Р.// Упрочняющие технологии и покрытия - Москва: изд-во «Машиностроение», 2012, № 9, с.3-7.

2. Ибрагимов А.Р. Внутренние напряжения и плотность энергии упругой деформации в многослойных теплозащитных покрытиях / Ильинкова Т.А., Ибрагимов А.Р. // Вестник Казанского государственного технического

университета им. А.Н.Туполева - Казань: изд-во КНИТУ-КАИ, 2012, №2, с.91-96.

3. Ибрагимов А.Р. Исследование механических свойств плазменных теплозащитных покрытий в условиях статических нагрузок / Ильинкова Т.А., Ибрагимов А.Р. // Упрочняющие технологии и покрытия - Москва: изд-во «Машиностроение», 2011, №10 (82), с.2, 7-11.

Работы, опубликованные в других изданиях:

4. Ибрагимов А.Р. Исследование взаимодействия многослойных систем: никелевый сплав, никелевое покрытие, покрытие оксида циркония / Ибрагимов А.Р., Ильинкова Т.А. // Сб. материалов XXI Уральской школы металловедов-термистов - Магнитогорск: изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012, с.54.

5. Ибрагимов А.Р. Способ создания экспресс-метода и технологии контроля качества композиционных керамических теплозащитных покрытий/ Ибрагимов А.Р., Ильинкова Т.А.// Сб. материалов XII Междунар. научн.-техн. уральской школа - семинара металловедов-молодых ученых -Екатеринбург: изд-во Екатеринбургского уральского фед. ун-та, 2011, с. 167-169.

6. Ибрагимов А.Р. Расчет энергии упругой деформации при растяжении по 4-х точечной схеме для образца с многослойным покрытием/ Ибрагимов А.Р.// Сб. научн. тр. междунар. молодежной научн. конф. «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» - Самара: изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2011,4.1, с.255-256.

7. Ибрагимов А.Р. Применение критерия Стьюдента при обработке результатов поведения теплозащитных покрытий/ Ибрагимов А.Р.// Сб. научн. тр. междунар. молодежной научн. конф. «XIX Туполевские чтения» посвященную 50-летию первого полёта человека в космос - Казань: изд-во КНИТУ-КАИ, 2011, Т. 1.

8. Ибрагимов А.Р. Исследование поведения теплозащитных покрытий при статических нагрузках/ Ибрагимов А.Р., Ильинкова Т.А.// Сб. материалов XXII Всероссийской научн.-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»- Казань: изд-во Казан, высшее воен. команд, уч. (воен. институт), 2011, Т. 2, с.82-83.

9. Ибрагимов А.Р. Механические свойства и долговечность теплозащитных покрытий на основе оксида циркония/ Ильинкова Т.А., Валиев P.P., Тагиров А.Т., Ибрагимов А.Р.// Сб. материалов докладов III междунар. научн.-техн. конф. «Авиадвигатели XXI века» - Электронное издание, М.: ЦИАМ, 2010, с.700-703.

10. Ибрагимов А.Р. Разработка критериев оценки надежности теплозащитных покрытий на основе оксида циркония/ Ильинкова Т.А., Валиев P.P., Тагиров А.Т., Ибрагимов А.Р.// Сб. докладов междунар. научн.-прак. конф. «Современные технологии и материалы - ключевое звено в возрождении

//

отечественного авиастроения» - Электронное издание, Казань: АКТО-2010,

11. Ибрагимов А.Р. К вопросу прочности многослойных покрытий/ Ибрагимов А.Р., Илышкова Т.АЛ Сб. материалов XXIII Всероссийской научн.-техн. конф. «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» - Казань: изд-во Казан, высшее воен. команд, уч. (воен. институт), 2010, с. 288-289.

12. Ибрагимов А.Р. Исследование прочности плазменных теплозащитных покрытий при статическом изгибе/ Ибрагимов А.Р.// Сб. материалов докладов IV междунар. молодежной научн. конф. «Тинчуринские чтения» - Казань: изд-во Казан, гос. энер. ун-та, 2009, Т. 3, с.97-99.

13. Ибрагимов А.Р. Исследование прочности плазменных теплозащитных покрытий/ Ибрагимов А.Р.// Сб. научн. тр. междунар. молодежной научн. конф. «XVI Туполевские чтения» - Казань: изд-во КНИТУ-КАИ, 2008, Т.1, с. 135- 136.

14. Ибрагимов А.Р. Метод и испытательный стенд для исследования прочностных и деформационных характеристик покрытий / Ибрагимов А.Р.// Сб. научн. тр. междунар. молодежной научн. конф. «XV Туполевские чтения» -Казань: изд-во КНИТУ-КАИ, 2007, Т.1, с.244 - 246.

Подписано в печать 27.05.2013. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 957/2013.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского

политехнического университета 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел.:(342)219-80-33.

2010.

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

(КНИТУ-КАИ)

04201360326 На правах рукописи

ИБРАГИМОВ АИНАР РАВИЛЕВИЧ

РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Т.А. Ильинкова

Пермь 2013

Содержание

Список терминов и обозначений..........................................................4

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

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Проблемы увеличения ресурса деталей ГТД.....................................11

1.2. Применяемые теплозащитные покрытия на деталях ГТД......................14

1.3. Методы исследования газотермических покрытий..............................18

1.4. Методы исследования в условиях 4-х точечного изгиба.....................21

1.5. Модуль Юнга покрытий.............................................................26

1.6. Исследование влияния технологии плазменного напыления

на механические свойства ТЗП.........................................................35

Постановка задач исследования.............................................................42

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ОПЫТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАПЫЛЕНИЯ ТЗП

Методики исследования ТЗП.............................................................44

2.1. Материал деталей летательного аппарата.........................................44

2.2. Материалы, использованные для напыления теплозащитных покрытий по опытной технологии......................................................45

2.3. Плазменные комплексы для напыления теплозащитных покрытий.......49

2.4. Технология изготовления модельных образцов................................52

2.5. Методика подготовки образцов для тензометрического исследования...............................................................................57

2.5.1. Технология испытания образцов на 4-х точечный изгиб........................58

2.5.2. Измерение деформаций с помощью цифрового измерителя деформации ИДЦ-1....................................................................................61

2.5.3. Измерение деформаций с помощью автоматизированного программного аппаратного комплекса АСТез1..........................................63

2.5.4.Технология обработки данных.....................................................66

2.6. Металлографические исследования покрытий.................................70

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЗП В УПРУГОЙ ОБЛАСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

3.1. Упругое поведение ТЗП.............................................................74

3.2. Расчетно-экспериментальная методика оценки внутренних напряжений ТЗП...........................................................................77

3.3. Исследование влияния высокотемпературной выдержки

на деформационные характеристики ТЗП............................................80

3.4. Исследование влияния высокотемпературной выдержки

на энергетические характеристики деформации ТЗП............................86

Выводы к 3-й главе.............................................................................90

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЗП В УПРУГО - ПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

4.1. Исследование деформационных характеристик ТЗП........................91

4.2. Жесткость систем ТЗП...............................................................94

4.3. Исследование прочности плазменных теплозащитных покрытий

при статическом изгибе....................................................................98

4.4. Экспериментально-расчетная оценка модуля Юнга

различных слоев ТЗП....................................................................103

4.5. Анализ характера разрушения систем ТЗП....................................107

Выводы к 4-й главе...........................................................................113

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ К ДИССЕРТАЦИИ........................................................114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЗП...................................................................130

Список терминов и обозначений

ТЗП - теплозащитное покрытие; ГТД - газотурбинный двигатель; КС - камера сгорания;

КТР - коэффициент термического расширения; APS -напыление плазменным методом на воздухе; VSP -напыление плазменным методом в вакууме; PSZ- частично стабилизированный оксид циркония; YSZ -оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия; а - напряжение покрытия, МПа; Н- полная толщина образца, мм; В — ширина образца, мм;

с - расстояние между нагруженной и опорной балкой, мм; Еосн - модуль упругости (Юнга) основы, МПа; ЕПодслоя - модуль упругости (Юнга) подслоя, МПа;

- модуль упругости (Юнга) керамического слоя, МПа; h0cH.(d0CH) - толщина металла основы, мкм; 11подслоя ч'-'подслоя ) - толщина подслоя, мкм; hK.c. (дк.с.) - толщина керамического слоя, мкм;

EI - суммарная жесткость системы « двухслойное покрытие -основа», Н-мм2 tNA - расстояние между нейтральной осью образца и нижней границей металла основы, мкм;

gOCH - координата центроида металла основы по отношению к его геометрическому центру, мкм; § подслоя ~ координата центроида подслоя по отношению к его геометрическому центру, мкм; gK.c. ~ координата центроида керамического слоя по отношению к его геометрическому центру, мкм; Р -усилие, Н;

Рт - максимальное усилие, МПа;

Рж.с. ~ значение усилия, соответствующего предельной упругой деформации керамического покрытия;

Ргосн - значение усилия в основе, соответствующего предельной упругой деформации керамического покрытия; Ро - остаточное усилие, Н; s — относительная деформация, %;

еосн - продольная относительная деформация металла основы, %;

епк - продольная относительная деформация покрытия, %;

L - заданная абсолютная деформация, мкм;

L\ - абсолютная деформация под воздействием усилия Р ¡, мкм;

/ - длина тензодатчика, мм;

F - площадь поперечного сечения образца, мкм

S - работа (энергия), необходимая для высвобождения внутренних

напряжений в покрытии, Дж;

S¡ - работа (энергия), затрачиваемая на деформирование, Дж;

5*2 - работа (энергия), выделяющаяся при разгружении образца, Дж;

А - работа (энергия), необходимая для релаксации остаточных напряжений,

Дж;

а - перемещение в области сжатия на диаграмме кривой «нагружение-смещение», мкм;

U - энергия упругой деформации, Дж;

U'о -плотность энергии упругой деформации, высвобождающейся при

■5

сжатии покрытия, Дж/м ;

tga— жесткость системы «основа -подслой - керамический слой покрытия», определяемая как тангенс угла наклона кривой a/s, Н*мм т- время, час;

X, Y, Z - декартовская система координат;

Су- продольная деформация геометрического центра тяжести, мкм;

Лу - радиус кривизны геометрической оси в г-у плоскости, мкм; С~ расстояние до нейтральной оси, мкм;

Ек - модуль Юнга к -го слоя, размещенного между 1к.\ и 1к слоями, МПа; кк- толщина к-то слоя, мкм;

- расстояние от оси образца с покрытием до оси к-то слоя, мкм; Ку - прочность при изгибе в Г области, МПа.

ВВЕДЕНИЕ

В современном авиадвигателестроенин применение теплозащитных покрытий (ТЗП) на основе диоксида циркония на деталях камеры сгорания (жаровые трубы, наружный и внутренний кожухи) газотурбинного двигателя (ГТД), имеющих воздушное охлаждение, позволяет значительно снизить температуру на поверхности деталей, устранить местные перегревы и, таким образом, гарантировать срок службы камеры сгорания.

В современных авиационных ГТД актуально использование камер сгорания с большим ресурсом, для которых конструкторами ставится задача нанесения ТЗП с толщиной теплозащитного керамического слоя 300 мкм и более. Наиболее приемлемым способом нанесения ТЗП на достаточно большую поверхность деталей камеры сгорания можно считать метод воздушно-плазменного напыления, для которого характерно сочетание достаточно высокого качества покрытий с производительностью процесса.

Однако с увеличением толщины покрытия, наносимого плазменным методом, резко возрастает количество структурных дефектов, в виде пор, трещин, а также уровень остаточных напряжений, что резко снижает долговечность покрытий.

Опыт эксплуатации деталей с ТЗП показал, что должен существовать диапазон толщин наносимых покрытий, обеспечивающий наилучшие как теплозащитные, так и механические свойства. Однако установить оптимальный диапазон толщин существующими методами контроля не представляется возможным, так как данные методы позволяют оценить лишь адгезионную прочность покрытия. В то же время отсутствие полного контактного взаимодействия между отдельными слоями покрытия, наряду с высоким уровнем остаточных напряжений, возникающих в покрытии в процессе напыления, определяет особое поведение этих покрытий при нагружении и деформировании. Поэтому важной задачей является установление взаимосвязи между составом, технологическими условиями

формирования напыленного покрытия и его механическими свойствами. При этом деформационная способность ТЗП в значительной степени зависит от характеристик применяемых порошковых материалов, в частности состава, размера и формы порошков, а также параметров напыления и последующей термической обработки.

Таким образом, на ранних стадиях проектирования технологических процессов нанесения ТЗП все большее внимание необходимо уделять проблеме разработке новых лабораторных методов испытания покрытий с целью выбора научно обоснованных конструкторско-технологических решений.

В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная разработке лабораторной методики исследования деформационной способности двухслойных плазменных теплозащитных покрытий при статических нагрузках и установлению закономерностей механического поведения ТЗП с учетом высокотемпературного влияния, представляется актуальной.

Работа выполнялась при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы», ГК № 14.740.11.1445 от 03.11.2011, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа У.М.Н.И.К.-2012, Проект № 16910).

Научная новизна. Новым научным положением, основанным на раскрытии закономерностей деформационной способности теплозащитных покрытий при статическом изгибе, является разработка критериев выбора материалов ТЗП, наносимых плазменным напылением, в соответствии с которыми можно обоснованно выбирать толщины отдельных слоев ТЗП.

- Проведен анализ жесткости, упруго-пластических свойств покрытий и установлена закономерность снижения механических свойств с увеличением толщины керамического слоя в связи с накоплением внутренних напряжений в покрытии. Выбрана оптимальная система покрытий маркировки ЦИО-7-10-50+ ПВНХ16Ю6.

- Определено оптимальное соотношение толщин керамического слоя и подслоя, который варьируется в зависимости от состава покрытий и условий напыления от 2 до 5. Доказан оптимальный диапазон значений модуля Юнга 22-35 ГПа, прочность покрытий, при котором становится значительно выше среднестатистической (980-1270 МПа), что обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики разрабатываемых материалов.

- Разработанный способ определения остаточных напряжений и энергетических характеристик деформационной способности ТЗП, заключающийся в получении деформационного гистерезиса в упругой области деформирования и оценке плотности энергии релаксации упругой деформации ТЗП, позволяет оптимизировать режимы термической обработки покрытий и исследовать кинетику спекания покрытий в зависимости от времени высокотемпературной наработки (подана заявка на патент № 2012113993).

Практическая значимость результатов диссертации заключается в том, что разработанная методика рекомендована в производство и термообработке внутренней поверхности жаровой трубы, наружной и внутренней кожухи газотурбинного двигателя. Метод исследования деформационной способности покрытий позволяет снизить трудоемкость ранних стадий проектирования технологического процесса плазменного напыления теплозащитных покрытий на детали камеры сгорания и научно обосновать ряд технологических решений по выбору материалов покрытий, толщин отдельных слоев ТЗП.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается

использованием поверенных и сертифицированных средств измерения

высокого класса точности. Суммарный процент ошибок на основе

паспортных данных комплектующих испытательного стенда - 4,2%, где

тензодатчики типа 2ПКБ - 3%, установка на нагружение 100/1 - 1%,

программно-аппаратный комплекс (ПАК) для измерения деформации - 0,2%.

Эксперименты проводились в единых условиях, погрешность является

9

системной ошибкой, значения прочностных и упруго- пластических свойств соответствуют нормальному распределению по критерию Стьюдента (0,95). Для металлографического анализа использовался автоматический пресс для горячей запрессовки образцов Remet IPA30, шлифовально-полировальный станок Remet LS2, микроскоп Axiovert 200.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: XXI Уральской школе металловедов-термистов (Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова, 2012г.); XII Международной научно-технической уральской школе- семинаре металловедов-молодых ученых, Екатеринбург, УрФУ, 2011); VI международной научно-технической конференции, посвященная 50-летию первого полета человека в космос и 100-летию со дня рождения Н.Д. Кузнецова «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011» (Казань, КНИТУ им. А.Н. Туполева, 2011); международной молодежной научной конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2011г.); XIX, XVI, XV международных молодежных научных конференциях «Туполевские чтения» (Казань, КНИТУ им. А.Н. Туполева, 2011, 2008, 2007г.); XXIII и XXII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, КВАКУ им. М.Н. Чистякова, 2011, 2010 г.); III международной научно-технической конференций «Авиадвигатели XXI века» (Москва, ЦИАМ, 2010г.); международной научно-практической конференций «Современные технологии и материалы - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения» (Казань, АКТО, 2010 г.); IV международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ, 2009 г.).

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ В первой главе приводится аналитический обзор научно-технической литературы в области экспериментальных исследований прочностных и деформационных характеристик теплозащитных покрытий, нанесенных методом плазменного напыления.

1.1. Проблемы увеличения ресурса деталей ГТД

В современных газотурбинных двигателях (ГТД) наибольшее распространение получили три схемы камеры сгорания (КС) - трубчатые, трубчато-кольцевые и кольцевые, различаемые по принципу работы. Выбор схемы КС зависит от назначения двигателя и от предъявляемых к нему специальных требований. В трубчато-кольцевой КС имеется возможность равномерного подвода воздуха к подаваемому топливу. Это важное обстоятельство позволяет хорошо организовать процесс горения и смешения в жаровой трубе (рис. 1.1). Кольцевая КС более компактна, имеет несколько меньшие потери полного давления. Меньшая поверхность жаровой трубы требует меньших расходов воздуха на охлаждение ее стенок (рис. 1.2). Однако обеспечение необходимой прочности наружной обечайки требует увеличения её толщины, что соответственно увеличивает массу.

На все типы КС для изготовления жаровых труб и газосборников применяют: нержавеющую сталь - до температуры 800°С; жаростойкие сплавы на никелевой и хромистой основе - до температуры 900... 1100°С [39], например, маркировки ЭП648 [51]. В КС, отличающихся высокой степенью повышения давления за компрессором, с одной стороны происходит увеличение лучистых потоков тепла от газов внутри жаровой трубы к ее стенкам, с другой стороны - на входе в КС растет температура воздуха, что снижает его хладоресурс. Все это усложняет проблему охлаждения стенок жаровой трубы, и на их охлаждение расходуется более одной трети общего расхода воздуха, проходящего через КС.

Рис. 1.1. Трубчато-кольцевая камера сгорания двигателя ПС-90А 1 - наружный корпус КС; 2 - внутренний корпус КС; 3 - жаровая труба; 4 - наружное кольцо газосборника; 5 - внутреннее кольцо газосборника; 6 - силовая стойка; 7 - наружное кольцо диффузора; 8 - внутреннее кольцо диффузора; 9 - полость отборов воздуха; 10 -фланцы отбора воздуха; 11 - форсунка; 12 - топливный коллектор первого контура; 13 -топливный коллектор второго контура; 14 - трубопроводы подвода топлива к форсунке; 15 - свечи зажигания; 16 - пламеперебрасываютий патрубок; 17 - пламеперебрасывающая муфта; 18 - подвеска жаровой трубы; 19 - отверстия первичной зоны; 20 - отверстия зоны смешения; 21 - рамочный фланец жаровой трубы; 22 - сопловой аппарат ТВД; 23 -перепускная труба; 24 - лючок осмотра.

Увеличение доли воздуха, подаваемого вдоль внутренней стенки жаровой трубы в сочетании с неизбежным уменьшением воздуха, подаваемого в зону смешения, ухудшает неравномерность поля температур газа за КС. Более того, охлаждающий воздух вызывает «замораживание» химических реакций при горении вблизи стенки. Это приводит к понижению полноты сгора