CC BY
9
УДК 539.3, 539.4
Анализ износа и разрушения при высокоскоростной эрозии титанового сплава ВТ6 с защитным покрытием
С.А. Атрошенко1'2, Р.З. Валиев1'3, Н.Ф. Морозов1, Р.Р. Валиев1'3,
3 11
Я.Н. Савина , М.Н. Антонова , А.Д. Евстифеев
1 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, 199034, Россия 2 Институт проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербург, 199178, Россия 3 Уфимский университет науки и технологий, Уфа, 450076, Россия
Статья посвящена экспериментальному изучению износа и разрушения сплава ВТ6 с защитным покрытием TiN в исходном крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях при высокоскоростной динамической эрозии твердыми частицами корунда со средним размером 109 мкм в воздушном потоке со скоростью 150 м/с и временем экспозиции 30, 60, 180, 300 и 600 с. По результатам проведенных экспериментов определяли скорость эрозионного износа, измеряли долю вязкого разрушения, а также глубину разрушенного слоя, изменение микротвердости и структуры сплава вблизи эрозионной поверхности с покрытием и без него. Показано, что при столь высокоскоростном эрозионном воздействии износ и разрушение происходят для всех образцов сплава, но их закономерности тесно связаны со временем экспозиции и структурой подложки. Установлено, что нанесение защитного покрытия на поверхность титанового сплава ВТ-6 с ультрамелкозернистой структурой значительно снижает скорость эрозионного износа по сравнению с исходным крупнозернистым сплавом с аналогичным покрытием.
Ключевые слова: титановый сплав ВТ6, РКУП, крупнозернистое и ультрамелкозернистое состояния, покрытие TiN, динамическая эрозия, процент волокна на поверхности разрушения, микротвердость, микроструктура, эрозионное разрушение, эрозионный износ
DOI 10.55652/1683-805X_2024_27_2_69-80
Wear and failure analysis of VT6 titanium alloy with a protective coating during high-speed erosion
S.A. Atroshenko1,2, R.Z. Valiev1,3, N.F. Morozov1, R.R. Valiev1,3, Ya.N. Savina3, M.N. Antonova1, and A.D. Evstifeev1
1 Saint Petersburg State University, St. Petersburg, 199034, Russia 2 Institute for Problems in Mechanical Engineering RAS, St. Petersburg, 199178, Russia 3 Ufa University of Science and Technology, Ufa, 450076, Russia
An experimental study is presented on the wear and failure of VT6 alloy with a protective TiN coating in the initial coarse-grained and ultrafine-grained states, subjected to high-speed dynamic erosion by solid corundum particles with an average size of 109 ^m in an air flow at a speed of 150 m/s and an exposure time of 30, 60, 180, 300 и 600 s. The experimental results were used to determine the erosive wear rate and the extent of ductile failure, as well as to measure the depth of the worn layer and changes in microhardness and structure of the alloy at the coated and uncoated erosion surface. It was shown that all alloy samples are prone to wear and failure under the given high-speed erosion conditions, but their behavior is closely related to the exposure time and the structure of the substrate. A protective coating deposited onto the surface of ultrafine-grained VT-6 titanium alloy significantly reduces the erosion wear rate compared to a similar coating on initial coarse-grained alloy.
Keywords: VT6 titanium alloy, ECAP, coarse-grained and ultrafine-grained states, TiN coating, dynamic erosion, fiber percentage on the failure surface, microhardness, microstructure, erosion failure, erosive wear
© Атрошенко С.А., Валиев Р.З., Морозов Н.Ф., Валиев Р.Р., Савина Я.Н., Антонова М.Н., Евстифеев А. Д., 2024
Используемые обозначения и сокращения
Ш, 8 — время экспозиции при эрозии;
УТ6 — образцы сплава ВТ6;
УТб_БСЛР — образцы сплава ВТ6 после равно-
канального углового прессования (РКУП);
УТ6_Соай^ — образцы сплава ВТ6 с покрытием
Т1Ч;
УТ6_БСЛР_Соай^ — образцы сплава ВТ6 после РКУП с покрытием ТЧ.
1. Введение
В авиадвигателестроении детали работают в условиях агрессивной газовой среды, повышенных температур, на них действуют статические, динамические и циклические нагрузки, поэтому к таким деталям предъявляют особые требования — высокая прочность и жесткость, усталостная выносливость, высокая эрозионная стойкость и т.д. [1-3]. В современной авиакосмической отрасли в части ответственных узлов конструкции предпочтение отдается титановым сплавам, имеющим высокую удельную прочность, коррозионную стойкость и жаростойкость.
Одной из основных причин снижения ресурса, надежности и сокращения срока службы авиационного двигателя является эрозионный износ поверхности ответственных деталей и изделий, т.к. авиационная техника эксплуатируется в агрессивных средах и в разных климатических условиях [2-4]. Эрозионный износ происходит при действии абразивных частиц, движущихся с потоком газа или воздуха, и является достаточно сложным явлением ввиду многообразия форм твердых частиц, скоростей и углов атаки и траектории их движения [5-7]. Эрозионный износ проявляется в изменении формы и геометрических размеров деталей, изменении шероховатости поверхности, структуры материала, прочностных характеристик и пр. В результате износа могут появиться задиры, трещины, увеличиваются шум и вибрация при работе, что в конечном итоге приводит к потере исправности или работоспособности.
Для оценки эрозионной стойкости необходимо проверить работоспособность деталей в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации. В настоящее время эрозионную стойкость материалов при воздействии твердых частиц исследуют на установках аэродинамического типа [8, 9], центробежного типа [10] и с помощью центробежного ускорителя [11, 12].
Как известно, лопатка компрессора газотурбинного двигателя во время работы подвергается высокоскоростной динамической эрозии, при этом угол атаки частицы к поверхности распределяется в диапазоне от 0° до 90° [3, 5, 6]. Такое воздействие может приводить к изменению геометрии детали и ведет к выходу ее из строя. Поэтому исследования природы такого высокоскоростного износа являются критически важной задачей, включающей изучение динамических аспектов механики материалов.
В настоящее время наиболее эффективным подходом к повышению эрозионной стойкости лопаток компрессора является применение защитных покрытий — 2гЧ [13], Сг3С2 [14], WC-Co [15], тач [16, 17], тачш [18, 19], тач/Сгк [20, 21], которые способны существенно повысить сопротивление эрозионному изнашиванию и эксплуатационную надежность лопаток газотурбинного двигателя и двигателя в целом [22-24]. Широко используются для защиты лопаток от эрозионного износа многослойные покрытия системы Т1Ч/Т1, состоящие из чередующихся мягких и твердых слоев и сочетающие в себе высокую ударную вязкость и твердость [25, 26].
Однако эрозионный износ поверхности зависит не только от типа и архитектуры покрытия, но и от физико-механических характеристик основного материала изделий, т.к. вместе с покрытием они образуют сложную систему, которая взаимодействует между собой в процессе эксплуатации. Поэтому вместе с защитой поверхности эрозионностойкими покрытиями необходимо повышать механические свойства основного материала. Одним из наиболее перспективных способов повышения прочностных и усталостных свойств является формирование ультрамелкозернистой структуры методами интенсивной пластической деформации [27, 28]. Однако применение защитных покрытий на ультрамелкозернистых металлах и сплавах мало изучено и актуальной задачей является исследование и развитие подходов по повышению эрозионной стойкости титановых сплавов, используемых для изготовления ответственных деталей газотурбинного двигателя, путем комбинации ультрамелкозернистой структуры в объеме материала и ионно-плазменных защитных покрытий, напыляемых на его поверхность.
В настоящей работе приведены результаты испытаний титанового сплава ВТ6 в крупнозернис-
Рис. 1. Фотография образцов без покрытия и с покрытием Т1К (а); архитектура покрытия Т1К (б) (цветной в онлайн-вер-сии)
том и ультрамелкозернистом состояниях с осажденным на поверхность защитным покрытием ТК, которые проводились на экспериментальной установке аэродинамического типа в условиях экстремального воздействия — высокоскоростной динамической эрозии твердыми частицами корунда размером 109 мкм с максимальным углом атаки 90°. Целью работы было сравнение поведения материала ВТ6 в четырех состояниях: 1) крупнозернистом (УТ6), 2) ультрамелкозернистом после интенсивной пластической деформации (УТ6_ЕСАР), 3) крупнозернистом с покрытием (УТ6_Соай^) и 4) ультрамелкозернистом после интенсивной пластической деформации с покрытием (УТ6_ЕСАР_Соай^) после испытаний на высокоскоростную эрозию.
2. Материал и методика экспериментов
Объектом исследования в настоящей работе является двухфазный титановый сплав ВТ6 (Ть 6А1-4У), широко используемый в авиадвигателе-строении для изготовления ответственных деталей, в частности лопаток 1-3 ступеней компрессора низкого давления газотурбинного двигателя. В сплаве ВТ6 была сформирована ультрамелкозернистая структура методом равноканального углового прессования по ранее разработанному режиму [29, 30]. Заготовки диаметром 20 мм и длиной 100 мм подвергали предварительной термообработке по режиму: закалка при Т = 960 °С в течение 1 ч с последующим отпуском при Т= 675 °С в течение 4 ч; затем деформировали методом равноканального углового прессования на оснастке с углом пересечения каналов 120°, по маршруту Вс при температуре Т = 650 °С в четыре прохода. На поверхность образцов с исходной крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой катодно-дуговым методом было осаждено
покрытие Т1К (рис. 1, а), которое является популярным для титановых сплавов [31-34]. Осаждение покрытия на поверхность образцов титанового сплава ВТ6 проводили в модернизированной установке ННВ-6.6 И1 за один цикл в среде азота с использованием катода из технически чистого титана. Температура подложки во время осаждения покрытия не превышала 350 °С. Архитектура покрытия, представляющая собой 3 функциональных слоя Т1К и 3 подслоя Т (рис. 1, б), была выбрана на основании литературных данных [11, 35].
Для оценки механических характеристик материала основы были выполнены испытания на растяжение и микротвердость по Виккерсу. Механические испытания на растяжение выполнялись с постоянной скоростью деформации 10-3 с-1 на образцах с геометрическими размерами рабочей части 5х 2 мм. По результатам механических испытаний определяли средние значения условного предела текучести о0.2, предела прочности Оцте, относительного равномерного удлинения 51, относительного удлинения до разрушения 5.
Для эрозионных испытаний в равных условиях образцы титанового сплава ВТ6 в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях с покрытием Т1К и без покрытия были изготовлены в виде полукруга диаметром 15 мм и установлены в одну державку (рис. 2, б) так, чтобы они подвергались воздействию одного и того же потока частиц, тем самым нивелируя возможную разницу в определении скорости частиц твердой фракции в потоке и их размеров.
Эксперименты по эрозионному износу выполнялись на эрозионной установке аэродинамического типа [11, 36-38], позволяющей ускорять двухфазный поток (воздух с твердой фазой — абразивными частицами) до необходимых скорос-
Рис. 2. Схема эрозионной установки аэродинамического типа (а): 1 — компрессорная камера; 2 — разгонный участок; 3 — дозатор твердой фазы; 4 — пневматический привод для ввода образца; 5 — образец; 6 — рабочая камера; конструкция крепления образцов в газоабразивном потоке (б); иллюстрация крепления пары образцов в державке (в) (цветной в онлайн-версии)
тей, варьируя давление в системе. Принципиальная схема установки представлена на рис. 2, а. Установка состоит из компрессорной камеры, дозатора твердой фракции, разгонного участка трубы длиной 1.6 м и диаметром 50 мм, рабочей камеры и пневматического привода введения в камеру образцов. Воздух с заданным давлением по трубопроводу поступает на разгонный участок, в начале которого установлен дозатор. Твердые частицы, подаваемые с фиксированной скоростью, смешиваются с потоком воздуха и разгоняются на разгонном участке. Сформированная таким образом струя «газ - твердые частицы» на выходе из сопла ударяется о поверхность образцов (рис. 2, б) со скоростью, определяемой скоростью потока, размером и плотностью частиц. Иллюстрация крепления пары образцов (полудисков) представлена на рис. 2, в.
Основными параметрами эрозионной установки, определяющими режим ударного воздействия на образец, являются скорость и масса твердых частиц. Разница в скоростях между твердыми частицами и воздушным потоком вычислялась по эмпирической зависимости [39]
^оИгас = ^[1 - 2Б/(25 +1)], (1)
РраГ: ^раТ:^а1г
Б =
1000ра1Г
где К8о1 &ас — скорость частиц твердой фракции до удара (м/с); Уа1г — скорость воздушного потока без частиц твердой фракции (м/с); рраг1 — плотность частиц твердой фракции (кг/м3); ра1г = 1.225 кг/м3 — плотность воздуха; ^пО221е = 0.05 м — диаметр сопла; Ь = 1.6 м — длина разгонного участка.
Испытуемые образцы дистанционно вводятся в рабочую камеру на определенное оператором время. Таким образом, используемая экспериментальная установка позволяет регулировать скорость абразивных частиц, их расход и время экспозиции образцов. В процессе эксперимента варьировалось время экспозиции — 30, 60, 180, 300 и 600 с, скорость воздушного потока и размер частиц были фиксированы — 150 м/с и 109 мкм соответственно.
В качестве основных параметров эрозионного процесса определялось изменение массы образца.
Исследование поверхностей эрозионного разрушения образцов титанового сплава ВТ6 после разных видов обработки и эрозии осуществлялось на оптическом микроскопе Лхю-ОЬБегуег21-М в темном поле и в контрасте С_Б1С (дифференци-онно-интерференционный контраст с круговой поляризацией). Поверхность вязкой области разрушения характеризуется тусклым серым видом с характерными «волокнами». Поверхность хруп-
Таблица 1. Результаты механических испытаний
о02, МПа oUTS, МПа 51, % 5, % HV, МПа
VT6 991 ± 5 1062±10 6 ± 0.5 17 3346
VT6_ECAP 1287±10 1333±15 1 ± 0.2 12 3535
кой области разрушения кристаллическая, без видимых следов пластической деформации на поверхности разрушения. Количество вязкой составляющей на поверхности эрозии B, % (shear area) определяли по формуле (ГОСТ 30456-97) В = 100 - X, где X — доля хрупкой составляющей в рассматриваемой площади поверхности эрозии. Площадь хрупкой составляющей определялась измерением площади хрупкой составляющей по фотографии поверхности эрозии (снятой в темном поле) с помощью программы AxioVision. Чем больше процент волокна на поверхности эрозии, тем более вязкий материал, а снижение этого показателя говорит о повышении хрупкости материала. Структуру поперечного сечения испытанных образцов исследовали на том же микроскопе после соответствующего травления в светлом поле, поляризованном свете и контрасте C_DIC. Микротвердость определялась на микротвердомере SHIMADZU серии HMV-G (по методу Виккер-са) при нагрузке 100 г. Экспериментальная ошибка составляет ±0.05 единиц HV. Объем выборки на каждую точку на графиках твердости составляет 5 измерений.
В работе было проведено измерение величины зерна и количества а-фазы. Так как измерение площадей фаз на микрошлифе в соответствии с принципом Кавальери [40] можно заменить измерением отрезков, приходящихся на каждую фазу, то с помощью линейного анализа определяли удельную поверхность раздела фаз:
SAB -
2Z
AB
L
где Ь — общая длина измерительной линии;
— количество точек пересечения измерительной линии с границами фаз А и В. В качестве фаз А и В принимаются фазы а и р.
Выбранные параметры высокоскоростной динамической эрозии — скорость воздушного потока 150 м/с, размеры частиц 109 мкм и угол атаки 90° — были заметно выше этих параметров при стандартных испытаниях лопаток газотурбинного двигателя [24, 41, 42], где скорость потока обычно не превышает 60 м/с, а угол атаки меньше 60°.
3. Результаты экспериментов и их обсуждение
Результаты механических испытаний титанового сплава УТ6 в исходном состоянии и подвергнутого РКУП-обработке представлены в табл. 1. Диаграмма деформирования приведена на рис. 3.
Прочность титанового сплава после РКУП-об-работки повысилась на 25 %, при этом относительное удлинение до разрушения осталось на достаточно высоком уровне, что говорит о сохранении пластических характеристик модифицированного материала.
Как уже было отмечено выше, повышение прочности материала основы не является главным условием работы системы «основа - покрытие» в сложных условиях нагружения. Повышение устойчивости системы «основа - покрытие» к эрозионному потоку невозможно без экспериментального изучения их динамических прочностных характеристик. Это определяет необходимость определения прочностных характеристик ультрамелкозернистых и наноматериалов с покрытиями при высокоскоростных воздействиях с длительностями микросекундного диапазона, что является сравнительно новой областью исследований.
Сплав УТ6 в исходном состоянии (рис. 4, а) представляет собой глобулярно-пластинчатую структуру, в которой наблюдаются зерна первичной а-фазы и пластины аир. После РКУП
Рис. 3. Диаграмма растяжения сплава ВТ6 в крупнозернистом (7) и ультрамелкозернистом после РКУП (2) состояниях (цветной в онлайн-версии)
Рис. 4. Структура сплава ВТ6 до эрозии: УТ6 (а), УТ6 (цветной в онлайн-версии)
(б), УТ6_Соайп§ (в), УТ6_ЕСАР_Соайп§ (г); х1000, С_Б!С
(рис. 4, б) в микроструктуре наблюдаются зерна первичной а-фазы, а также смесь а- и в-фазы в виде ультрамелких зерен [43]. Микроструктура образцов с покрытием (рис. 4, в, г) соответствует крупнозернистому и ультрамелкозернистому состоянию, т.е. деградации структуры во время осаждения покрытия не произошло.
Поверхность эрозионного разрушения для четырех разных состояний испытанного материала приведена на рис. 5 для минимальной выдержки.
Данные по вязкой составляющей на поверхности эрозионного разрушения представлены в табл. 2, где приведены сводные данные вязкой составляющей по всем режимам обработки сплава УТ6 после эрозии.
Как видно из представленных данных, в зависимости от времени экспозиции количество вязкой составляющей на поверхности эрозии меняется с экстремумом — с минимумом при 180 с для сплава УТ6 и УТ6_ЕСАР и с максимумом — с покрытием Т1К как на сплаве УТ6, так и на сплаве УТ6_ЕСАР. Наибольшее уменьшение доли вязкой составляющей (и увеличение хрупкой) наблюдается при экспозиции 180 с для образцов УТ6 и УТ6_ЕСАР, а затем происходит его повышение, в то время как на образцах с покрытием Т1К на сплаве ВТ6 и на сплаве УТ6 ЕСАР наблю-
дается рост вязкой составляющей до экспозиции 60 с для УТ6_Соа1:^ Т1К и до 180 с для УТ6_ЕСАР_Соа1:^ ТК, а затем происходит его понижение.
В работе проведено исследование микроструктуры после эрозии сплава ВТ6 в различных структурных состояниях (рис. 6). Приведенные на этом рисунке картины типичны и воспроизводимы по поверхности, на данном рисунке они приводятся для минимального времени выдержки, но аналогичны и при других временах.
Из фотографий микроструктур видно, что даже при самой малой экспозиции слой покрытия после эрозии полностью изнашивается (рис. 6), однако поверхность образца с ультрамелкозернистой структурой после удаления покрытия в процессе эрозионных испытаний остается практически без разрушения (рис. 6, б). Полученные результаты свидетельствуют об эффективности комбинации ультрамелкозернистой структуры подложки и ионно-плазменного покрытия на поверхности для предотвращения развития разрушения при эрозии материала с покрытием.
Также была измерена глубина эрозионного разрушения. Данные приведены на рис. 7, где показана сводная зависимость глубины разрушенного слоя на всех образцах, глубина была измере-
Рис. 5. Поверхность эрозионного разрушения (в темном поле) сплава ВТ6 после эрозии частицами корунда 109 мкм с начальной скоростью 150 м/с, выдержка 30 с в различных состояниях: УТ6_БСЛР (а), УТ6 (б), УТ6_Соа1ш§ (б), УТ6_ЕСЛР_Соайп§ (г). Стрелкой указана область хрупкой составляющей
на на микроскопе, критерием служило максимальное уменьшение покрытия и материала основы. Проводили пять измерений на образце, которые усреднялись.
Наибольшую глубину разрушения демонстрирует сплав УТ6_ЕСЛР, меньше — сплав УТ6 без обработки, еще меньше — образец УТ6_Соай^ и наименьшую — образец УТ6_ЕСЛР_Соа1:^. Во-первых, в случае образцов с покрытием это связано с защитой поверхности ионно-плазменным покрытием Т1К и, как ранее было установлено [44], с повышенной адгезионной прочностью покрытия на подложке с ультрамелкозернистой струк-
турой. Во-вторых, в случае с образцами без покрытия, наибольшая глубина разрушения образца УТ6_ЕСЛР может быть связана с повышенным уровнем внутренних напряжений и снижением пластичности в материале после формирования ультрамелкозернистой структуры равноканаль-ным угловым прессованием [27, 38]. Стоит также отметить, что в процессе осаждения защитного покрытия происходит нагрев подложки в вакуумной установке до температуры в диапазоне 350400 °С, который по своей сути является низкотемпературным отжигом, позволяющим снизить внутренние напряжения без деградации структу-
Таблица 2. Количество вязкой составляющей (shear area, %) на поверхности разрушенного эрозионного слоя образцов ВТ6 с разными видами обработки при изменении времени экспозиции при эрозии частицами корунда 109 мкм с начальной скоростью 150 м/с
Dt, с Shear area, %
VT6_ECAP VT6 VT6_Coating VT6_ECAP_Coating
30 95.95 ± 0.05 95.83 ± 0.05 95.78 ± 0.05 95.96 ± 0.05
60 95.73 ± 0.05 95.89 ± 0.05 96.08 ± 0.05 96.01 ± 0.05
180 95.53 ± 0.05 95.76 ± 0.05 96.17 ± 0.05 96.10 ± 0.05
300 96.11 ± 0.05 95.85 ± 0.05 95.98 ± 0.05 95.92 ± 0.05
600 95.48 ± 0.05 96.3 ± 0.05 95.99 ± 0.05 95.94 ± 0.05
Рис. 6. Структура сплава УТ6_Соа1ш§ (а), УТ6_ЕСЛР_Соа1ш§ (б), УТ6 (в) и УТ6_БСЛР (г) после эрозионного воздействия с временем экспозиции 30 с при эрозии частицами корунда 109 мкм с начальной скоростью 150 м/с, х1000 (цветной в онлайн-версии)
ры (роста зерен) в сплаве и соответственно снизить негативные последствия разрушения при эрозионном воздействии.
С ростом выдержки глубина разрушения пропорционально увеличивается при всех режимах эрозии. При увеличении экспозиции с 30 до 60 с глубина разрушения осталась на одном уровне
У/1
ф -■—УГ6 (7)
—УГ6ЕСАР (2)
УТ6_Соайп§ (3)
—УТ6_ЕСАР_Соайп§ (4)
Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
0 100 200 300 400 500 Ш, с
Рис. 7. Зависимость глубины разрушенного эрозионного слоя образцов ВТ6 с разными видами обработки (РКУП, покрытие Ж, РКУП + покрытие Т1К и ВТ6 без обработки) от времени экспозиции при эрозии частицами корунда 109 мкм с начальной скоростью 150 м/с (цветной в онлайн-версии)
для образца УТ6_Соай^, а для УТ6_ЕСАР она уменьшилась — произошло залечивание материала. При самой малой выдержке 30 с покрытие разрушилось, а металл остался практически без разрушения, т.е. наблюдается заметное влияние ультрамелкозернистой структуры на уменьшение разрушения материала подложки. На образцах была также измерена толщина слоя покрытия (в местах, где оно сохранилось после испытаний). Глубина слоя покрытия составляла от 1.5 до 7.5 мкм, в среднем 5 мкм, т.е. меньше заявленной толщины (8.4 мкм).
В табл. 3 приведены данные по размеру зерна и количеству а-фазы в сплаве УТ6, а также ско-
Таблица 3. Размер зерна и количество а-фазы в сплаве ВТ6 и
скорость эрозионного износа в разных состояниях материала
Состояние материала dа, мкм ^ЛБ, 106 м-1 10-6 м/с
УТ6 10.7 ± 0.5 0.42 ± 0.05 0.136
УТ6_ЕСАР 6.8 ± 0.5 0.32 ± 0.05 0.128
УТ6_Соай^ 7.7 ± 0.5 0.34 ± 0.05 0.122
УТ6_ЕСАР_Соай^ 9.2 ± 0.5 0.64 ± 0.05 0.116
^ — размер зерна а-фазы, 5Ав — удельная поверхность раздела фаз а и в (количество а-фазы), Гтееаг — скорость износа материала при эрозии.
Рис. 8. Изменение микротвердости НУ от поверхности к центру образца Ь: без эрозии (а) и при эрозии частицами корунда 109 мкм с начальной скоростью 150 м/с, длительность экспозиции: 30 (б), 60 (в), 180 (г), 300 (д), 600 с (е). УТ6 (7), УТ6_ЕСАР (2), УТ6_Соайп§ (3), УТ6_ЕСАР_Соайп§ (4) (цветной в онлайн-версии)
рость эрозионного износа в разных состояниях материала.
Минимальный размер зерна наблюдается для образца УТ6_ЕСАР, максимальный — для сплава УТ6, также для образца УТ6_ЕСАР характерно минимальное количество а-фазы и максимальное количество пластинчатой в-фазы, что и следовало ожидать, а максимальное количество а-фазы со-
держит образец УТ6_ЕСАР_Соай^. Минимальная скорость эрозионного износа наблюдается для материала УТ6_ЕСАР_Соай^, максимальная — для УТ6.
Проведено измерение микротвердости поверхности образцов сплава УТ6 после различных обработок в исходном состоянии (до эрозии), а также проанализировано изменение микротвердости
от поверхности эрозионного разрушения к центру образца (рис. 8).
Максимальная по величине твердость наблюдается для образца УТ6_ЕСАР_Соай^ как в исходном состоянии, так и при всех экспозициях, кроме 60 с, причем она максимальная у эрозионной поверхности, а на расстоянии 50 мкм от поверхности она значительно ниже. Высокая микротвердость связана с наклепом поверхности абразивными частицами, а также упрочнением металла при РКУП-обработке и влиянием покрытия — вблизи покрытия образец УТ6_Соай^ имеет самую высокую твердость в исходном состоянии, которая при удалении от покрытия резко снижается и становится самой низкой из всех состояний. Самая высокая твердость коррелирует с размером разрушенной зоны — она так же минимальна для образца УТ6_ЕСАР_Соай^. При экспозиции 60 с максимальная микротвердость наблюдается для образца УТ6_ЕСАР, что связано с упрочнением при РКУП и малым влиянием эрозии на поверхность образца.
4. Заключение и выводы
В выполненной работе впервые проведено исследование эрозионного износа титанового сплава ВТ6 с исходной крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой, сформированной методом интенсивной пластической деформации — равноканальным угловым прессованием, с покрытием и без него в условиях высокоскоростного эрозионного воздействия с использованием специализированной аэродинамической установки. Как показали эксперименты, в таких экстремальных условиях испытаний происходит быстрый износ защитного покрытия и в этой связи важность полученных результатов состоит не только в оценке эрозионного износа материала с покрытием, но и в изучении характера разрушения материала основы. Стоит отметить, что проведенные исследования позволяют сделать важный вывод о том, что использование в качестве основы (подложки) титанового сплава с ультрамелкозернистой структурой замедляет появление трещин и разрушение подложки при экстремальных эрозионных воздействиях потока частиц на поверхность (рис. 6 и 7). Изучение природы такого эффекта, безусловно, требует проведения дальнейших исследований с учетом варьирования химического состава и архитектуры защитного покрытия, а также параметров высокоскоростной эро-
зии — скорости потока и размера эрозионных частиц.
Результаты, полученные в ходе исследований, будут являться научной основой для оптимизации технологического процесса изготовления рабочих лопаток компрессора газотурбинного двигателя из конструкционных титановых сплавов для гражданской авиации с повышенными эксплуатационными характеристиками, которые работают в условиях высоких статических и динамических нагрузок, пыле- и газоабразивного износа.
Благодарности
Авторы благодарят Ю.В. Петрова за инициирование исследований по эрозии.
Финансирование
Испытания на высокоскоростную эрозию (М.Н. Антонова, А.Д. Евстифеев, Н.Ф. Морозов, Р.З. Валиев, С.А. Атрошенко) выполнены в рамках проекта «Динамика и экстремальные характеристики перспективных наноструктурированных материалов» (соглашение с Минобрнауки России № 075-15-2022-1114). Изготовление образцов сплава ВТ-6 с ультрамелкозернистой структурой методом равноканального углового прессования и исследование свойств подложки и защитного покрытия (Р.Р. Валиев, Я.Н. Савина) выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 2379-10118, https://rscf.ru/project/23-79-10118/. Исследование характера износа после эрозионных испытаний (С.А. Атрошенко) выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-1100091, https://rscf.ru/project/22-11-00091/.
Литература
1. Singh P., Pungotra H., Kalsi N.S. On the characteristics of titanium alloys for the aircraft applications // Mater. Today: Proc. - 2017. - V. 4. - No. 8. -P. 8971-8982.
2. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2011. -№ SP2. - С. 13-19.
3. Muboyadzhyan S.A. Erosion-resistant coatings for gas turbine compressor blades // Russ. Metall. - 2009. -P. 183-196. - https://doi.org/10.1134/S003602950903 001X
4. Shibe V., Chawla V. A review of surface modification techniques in enhancing the erosion resistance of engi-
neering components // Int. J. Res. Mech. Eng. Tech-nol. - 2014. - V. 4. - No. 2. - P. 92-95.
5. He G., Sun D., Chen J., Han X., Zhang Z., Fang Z., Yang L., Yang Z. Key problems affecting the anti-erosion coating performance of aero-engine compressor: A review // Coatings. - 2019. - V. 9. - No. 12. -P. 821.
6. Смыслов А.М., Дыбленко Ю.М., Прокопчук К.А. Оценка влияния угла атаки и фракционной зернистости песка на эрозионную стойкость поверхности титановых сплавов с ионно-плазменными защитными покрытиями // Вопросы науки и образования. - 2021. - № 18(143). - C. 4-10.
7. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. -М.: Высшая школа, 1970.
8. Евстифеев А.Д., Смирнов И.В., Петров Ю.В. Влияние динамической прочности материала на его эрозионную стойкость // ФТТ. - 2020. - T. 62. -№ 10. - C. 1569-1572.
9. Перельман Р.Г. Эрозионная прочность деталей двигателей и энергоустановок летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1980.
10. Azimian M., Bart H.J. Erosion investigations by means of a centrifugal accelerator erosion tester // Wear. -2015. - V. 328-329. - P. 249-256.
11. Selivanov K.S., Smyslov A.M., Dyblenko Yu.M., Semenova I.P. Erosive wear behavior of Ti/Ti (V, Zr) N multilayered PVD coatings for Ti-6Al-4V alloy // Wear. - 2019. - V. 418. - P. 160-166.
12. Фарафонов Д.П., Лещев Н.Е., Афанасьев-Ходы-кин А.Н., Артеменко Н.И. Абразивно-износостойкие материалы для уплотнений проточной части ГТД // Авиационные материалы и технологии. -2019. - № 3(56). - С. 67-74.
13. Samim P.M., Fattah-alhossein A., Elmkhah H., Iman-talab O. Nanoscale architecture of ZrN/CrN coatings: Microstructure, composition, mechanical properties and electrochemical behavior // J. Mater. Res. Tech-nol. - 2021. - V. 15. - P. 542-560.
14. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Erosion-resistant coatings for gas turbine engine compressor blades // Russ. Metall. (Metally). - 2017. - V. 2017. - P. 494504.
15. Fotovvati B., Namdari N., Dehghanghadikolaei A. On coating techniques for surface protection: A review // J. Manuf. Mater. Proc. - 2019. - V. 3. - No. 1. - P. 28.
16. Swadzba L., Formanek B., Gabriel H.M., Liberski P., Podolski P. Erosion-and corrosion-resistant coatings for aircraft compressor blades // Surf. Coat. Technol. -1993. - V. 62. - No. 1-3. - P. 486-492.
17. Bonu V., Jeevitha M., Kumar V., Srinivas G., John S., Barshilia H. Solid particle erosion and corrosion resistance performance of nanolayered multilayered Ti/TiN and TiAl/TiAlN coatings deposited on Ti6Al4V substrates // Surf. Coat. Technol. - 2020. - V. 387. -P. 125531.
18. Sun Z., He G., Meng Q., Li Y., Tian X. Corrosion mechanism investigation of TiN/Ti coating and TC4 alloy for aircraft compressor application // Chin. J. Aeronautics. - 2020. - V. 33(6). - P. 1824-1835.
19. Ma K.J., Bloyce A., Bell T. Examination of mechanical properties and failure mechanisms of TiN and Ti-TiN multilayer coatings // Surf. Coat. Technol. - 1995. -V. 76. - P. 297-302.
20. Reedy M.W., Eden T, Potter J.K., Wolfe D.E. Erosion performance and characterization of nanolayer (Ti, Cr) N hard coatings for gas turbine engine compressor blade applications // Surf. Coat. Technol. - 2011. -V. 206. - No. 2-3. - P. 464-472.
21. Chen J., Geng M., Li Y., Yang Z., Chai Y., He G. Erosion resistance and damage mechanism of TiN/ZrN nanoscale multilayer coating // Coatings. - 2019. -V. 9(2). - P. 64.
22. Alqallaf J., Ali N., Teixeira J.A., Addali A. Solid particle erosion behaviour and protective coatings for gas turbine compressor blades—A review // Processes. -2020. - V. 8. - No. 8. - P. 984.
23. Замковой В.Е., Малышева В.Г., Корогод О.А. Защитные покрытия для рабочих лопаток турбины ГТД // Вюник двигунобудування. - 2006. - № 4. -С. 37-43.
24. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Луценко А.Н. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей // Металлы. - 2007. - № 5. - С. 23-34.
25. Lin S., Zhou K., Dai M., Lan E., Shi Q., Hu F., Ku-ang T., Zhuang C. Structural, mechanical, and sand erosion properties of TiN/Zr/ZrN multilayer coatings // Vacuum. - 2015. - V. 122. - P. 179-186.
26. Cao X., He W., Liao B., Zhou H., Zhang H., Tan C., Yang Z. Sand particle erosion resistance of the multilayer gradient TiN/Ti coatings on Ti6Al4V alloy // Surf. Coat. Technol. - 2019. - V. 365. - P. 214-221.
27. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk Nano-structured Materials: Fundamentals and Applications. - Hoboken, NJ, USA: Wiley-Blackwell, 2014.
28. Valiev R.Z., Estrin Y., Horita Z., Langdon T.G., Zehet-bauer M.J., Zhu Y.T. Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation: Ten years later // JOM. - 2016. - V. 68. - P. 1216-1226. -https://doi.org/10.1007/s11837-016-1820-6
29. Semenova I.P., Raab G.I., Valiev R.Z. Nanostructured titanium alloys: New developments and application prospects // Nanotechnol. Russ. - 2014. - V. 9. -P. 311-324. - https://doi.org/10.1134/S199507801403 015X
30. Semenova I.P., Polyakov A.V., Polyakova V.V., Huang Y., Valiev R.Z., Langdon T.G. High-cycle fatigue behavior of an ultrafine-grained Ti-6Al-4V alloy processed by ECAP and extrusion // Adv. Eng. Mater. -2016. - V. 18(12). - P. 2057-2062. - https://doi.org/ 10.1002/adem.201500630
31. Мубояджян С.А., Будиновский С.А. Ионно-плаз-менная технология: перспективные процессы, покрытия, оборудование // Авиационные материалы и технологии. - 2017. - № S. - С. 39-54.
32. Xin Cao, Weifeng He, Bin Liao, Han Zhou, Honghong Zhang, Chao Tan, Zhufang Yang. Sand particle erosion resistance of the multilayer gradient TiN/Ti coatings on Ti6Al4V alloy // Surf. Coat. Technol. -2019. - V. 365. - P. 214-221. - https://doi.org/10. 1016/j.surfcoat.2018.08.066
33. Коротаев А.Д., Борисов Д.П., Мошков В.Ю., Овчинников С.В., Тюменцев А.Н., Прибытков Г.А. Особенности структурно-фазового и упругонапря-женного состояния нанокомпозитных сверхтвердых покрытий на основе TiN // Физ. мезомех. -2011. - Т. 14. - № 5. - С. 87-97.
34. Александров Д.А., Горлов Д.С., Будиновский С.А. Применение комплекса ионно-плазменных технологий для защиты лопаток компрессора вертолетного газотурбинного двигателя от эрозионного износа и фреттинга // Труды ВИАМ. - 2021. -№ 2(96). - С. 71-80.
35. Ali R., Sebastiani M., Bemporad E. Influence of Ti-TiN multilayer PVD-coatings design on residual stresses and adhesion // Mater. Design. - 2015. -V. 75. - P. 47-56.
36. Казаринов Н.А., Евстифеев А.Д., Петров Ю.В., Лашков В.А. Динамические прочностные свойства поверхности ультрамелкозернистого сплава алюминия в условиях высокоскоростной эрозии // ДАН. - 2016. - Т. 468. - № 2. - С. 159-161. -https://doi.org/10.7868/S0869565216140103
37. Kazarinov N.A., Evstifeev A.D., Petrov Y.V., Atro-shenko S.A., Valiev R.R. The effect of grain refinement
on solid particle erosion of grade 5 Ti alloy // J. Mater. Eng. Perform. - 2018. - V. 27(6). - P. 3054-3059. -https://doi.org/10.1007/s11665-018-3332-8
38. Евстифеев А.Д., Казаринов Н.А., Петров Ю.В., Атрошенко С.А., Валиев Р.Р. Высокоскоростная эрозия ультрамелкозернистого титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного интенсивной пластической деформацией кручением // ФТТ. - 2017. -Т. 59(9). - С. 1769-1772. - https://doi.org/10.21883/ FTT.2017.09.44849.050
39. Лашков В.А. Коэффициенты восстановления скорости при ударе твердых частиц газовзвеси о поверхность тела: Автореф. дис. ... докт. физ.-мат. наук. - СПб: СПбГУ, 2012.
40. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия, 1970.
41. Горлов Д.С., Щепилов А.В. Влияние шероховатости поверхности и абразивного износа на демпфирующую способность композиции «сплав - покрытие» // Труды ВИАМ. - 2017. - № 5(53). - С. 93-101.
42. Мубояджян С.А. Эрозионностойкие покрытия из нитридов и карбидов металлов и их плазмохими-ческий синтез // Рос. хим. журн. - 2010. - Т. 54. -№ 1. - С. 103-109.
43. Polyakov A.V., Semenova I.P., Huang Y., Valiev R.Z., Langdon T.G. Fatigue life and failure characteristics of an ultrafine-grained Ti-6Al-4V alloy processed by ECAP and extrusion // Adv. Eng. Mater. - 2014. -V. 16. - P. 1038-1043. - https://doi.org/10.1002/ adem.201300530
44. Valiev R.R., Selivanov K.S., Smyslova M.K., Dyblen-ko Y.M., Savina Y.N., Valiev R.Z., Semenova I.P. Enhanced erosion resistance of an ultrafine-grained Ti alloy with a PVD coating // Metals. - 2022. - V. 12(5). - P. 818.
Поступила в редакцию 13.07.2023 г., после доработки 28.03.2024 г., принята к публикации 02.04.2024 г.
Сведения об авторах
Атрошенко Светлана Алексеевна, д.ф.-м.н., проф., внс СПбГУ, [email protected]
Валиев Руслан Зуфарович, д.ф.-м.н., проф., гнс УУНТ, [email protected]
Морозов Никита Федорович, д.ф.-м.н., проф., ак. РАН, зав. каф., проф. СПбГУ, [email protected]
Валиев Роман Русланович, к.т.н., снс УУНТ, [email protected]
Савина Яна Николаевна, инж.-иссл. УУНТ, [email protected]
Антонова Мария Николаевна, студ. СПбГУ, ma1iya.aпtoп[email protected]
Евстифеев Алексей Дмитриевич, к.ф.-м.н., снс СПбГУ, [email protected]
