CC BY
31
УДК 621.88.088 (045)
О. В. Тсов
Нацюналъний ушверситет Украши, м. Ктв
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 КОМПОЗИЦ1ЙНИХ СПЛАВ1В НА ОСНОВ1 КОБАЛЬТУ
Вробот1 розглянуто основы процеси, що в^дбуваються на поверхнях тертя композицш-них сплавав на основ1 кобальту (ливарних I порошкових) в умовах високотемпературного в^броконтактного навантаження.
Ключов1 слова: кобальтовий сплав, порошкова металург1я, карбид титану, карбид шобт, тертя та зношування.
Актуальшсть дослщження
В процесс щцвищення надшносп 1 ресурсу газотурбшних двигушв (ГТД) оцн1ею з найбшьш важливих задач е забезпечення високо! зносостй-кост1 контактних поверхонь бандажних полиць робочих лопаток турб1ни [1, 2]. Особливо гостро це питання стало при створенш ГТД нового по-колшня, це поряд 1з збiльшенням ресурсу ставилась задача тдвищення потужност1 на оциницю маси двигуна, що, в1дпов1дно, призвело до збшьшення робочих температур 1 д1ючих наван-тажень. 3 огляду на перспективи розвитку 1 ви-моги, що ставляться до сучасних ав1ац1йних ГТД, така тенденц1я збер1гатиметься й надал1.
В роботах [3, 4] показано, що ефективним методом тдвищення зносостшкосп бандажних полиць може бути напаювання композицшного порошкового сплаву П-76. Для його застосуван-ня 1 подальшого полшшення необидно видшити та вивчити основн1 процеси, що призводять до його руйнування в умовах високотемпературно-го в1броконтактного навантаження.
Метою дано! роботи е дослщження процеов зношування 1 поверхневого руйнування евтектич-них 1 порошкових сплав1в на основа кобальту.
Матер1али 1 методика дослщження
Ливарш композицшш сплави виготовлялись шляхом електродугово! плавки шихтованих заготовок. Плавлення проводилось в 1нертн1й ат-мосфер1 аргону за допомогою вольфрамового електроду. Для досягнення р1вном1рност1 розпо-д1лу елемент1в у сплав1 проводили чотирикратне
переплавлення з перевертанням вщливюв.
Зразки порошкових сплав1в для дослщження виготовляли методом порошково! металурги, що включав розмелення порошкових сумшей в планетарному млин1 й активоване сп1кання при га-рячому пресуванн1. Для виготовлення пресова-них зразкв використовувались порошки кобальту, хрому, алюмшж», залза та карбщу титану. Склад досл1джених сплав1в наведено в табл. 1.
Для оц1нки зносост1йкост1 даних сплав1в ви-користовувалась установка МФК-1, додатково обладнана кольцевою електричною тччю для 1м1тац11 умов високотемпературного в1брокон-тактного навантаження. [5] Використання на-гр1вального елемента, виготовленого з1 сплаву Яе8181оИт-145, дозволило п1дняти максимальну робочу температуру до 1050 °С. Випробування проводились в однойменних парах при наступ-них умовах: питоме контактне навантаження — Р = 30 МПа; ампштуда вщносного перем1щення зразыв — А = 120 мкм; частота коливань — 30 Гц; база випробувань — 5 • 106 цикл.; температура оточуючого середовища — 650—1050 °С.
Результата проведених дослщжень показали (рис. 1), що при температура 650 °С сплав П-76 перевищуе за зносостшюстю сплав П-69 в 1,6 раза, а сплав ХТН-62 — в 15 раз1в. При температура 800 °С спостер1гаеться зростання штенсивносп зношування сплаву П-76 в 2 рази, сплаву П-69 — в 3,6 рази, а сплаву ХТН-62 в 4 рази пор1вняно з температурою 650 °С. При температура 1050 °С випробувано матер1али П-69 1 П-76, знос порошкового сплаву в 1,6 раза менший за знос ливарного.
Таблиця 1 — Склад композиц1йних сплав1в
№ Марка Со НС %, об/мас №>С %, об/мас Сг %, мас А1 %, мас Бе %, мас %, мас Пористють, %
1 ХТН-62 48,25 0 19/17,25 20 2 3 9,5 0 (ливарний)
2 П-69 55,5 30/19 0 19,6 2,95 2,95 0 0 (ливарний)
3 П-76 43,83 50/36 0 15,5 2,33 2,33 0 3,1
© О. В. Тiсов, 2012
400 п 350 -300 -250 -
I 200 -
^ 150 -100 -50 -0 -
1
250 256 V
163 1
83 -РЯ -т^^ ,—п
В1=650°С Я1=800°С Ш=1050°С
Рис. 1. Зношування композиц1Йних сплавш на основ1 кобальту в умовах високотемпературного в1броконтакг-ного навантаження: 1 — сплав ХТН-62, 2 — сплав П-69, 3 — сплав П-76
Сплав ХТН-62 штенсивно зношуеться на всьому температурному промжку. Анал1з стану поверхш тертя, а також — стан пвдповерхневих шарiв (рис. 2) дозволяе зробити висновок про руйнування внаслвдок пластичного деформуван-ня. Таким чином, в результата ди зовшшнього циклiчного навантаження в матерiалi виникаютъ знакозмшш напруження, що призводять при ви-соких температурах до утворення деформацш-ного рель'ефу у виглядi напливiв металу.
Рис. 2. Деформацшна структура сплаву ХТН-62, пластичн деформаци i подрiбнення карбiдних криста^в, х 2500
Внаслвдок значних пластичних деформацш, утворена в результатi фрикцшно! високотемпе-ратурно! взаемоди захисна оксидна структура вщцшяеться ввд механiчно нестшкого пвдповерх-невого шару магерiалу. Таке сколювання, швид-ше за все, ввдбуваеться на дiлянках фактичного контакту, що сприяе процесам ввдкривання юве-нльних дiлянок металу i схоплюванню. Крш того, поверхнi таких сколiв мають пiдвищену де-фектнiсть кристалiчноi гратки, що сприяе ¿х активному окисленню. Високу iнтенсивнiсть по-верхневого деформування можна пояснити низь-ким вмiстом карбiду нiобiю в сплав^ а також — його низькою жаростiйкiстю при температурах вище 800 °С [6].
В результатi замши карбвду нiобiю на карбiд титану збшьшилися мiцнiсть i жаростiйкiсть наповнювача. Збiльшення також i кiлькостi карбвд-но! фази у ливарному сплавi П-69 до 30 % об. дозволило значно зменшити iнгенсивнiсгъ дефор-
мацiйних процесiв на поверхнях тертя. Аналiз мжроструктури поверхневого шару евтектично-го сплаву на основi кобальту П-69 дае пiдстави вважати, що тако! його кiлькостi недостатньо, щоб запобяти деформуванню поверхневого шару, тому руйнування поверхонь цього матерiалу внасль док пластичного деформування в умовах вiбро-контактного навантаження достатньо виражене. Типова деформаищна структура поверхневого шару пвд «доржкою» тертя сплаву П-69 зображено на рис. 3. Витягнупсть карбiдiв i ¿х щшьне приляган-ня один до одного в умовах деформування при-зводить до руйнування й дроблення видовжених зерен. В результатi цього змщнююча фаза викри-шуеться, утворюючи порожнини в металi.
Рис. 3. Деформацшна структура поверхневого шару сплаву П-69 — руйнування карбщних зерен, х 2500
Супутшм процесом, пов'язаним з поверхне-вим деформуванням, е викришування крупних карбiдних зерен з поверхш тертя. Так зерна, з розмром 10...40 мкм. при певних умовах зовшш-нього знакозмшного динамчного навантаження можуть вiдiгравати роль абразивних частинок. Однак, дослщження поверхонь тертя показало, що характерних пошкоджень немае. Можна припус-тити, що трщини в крупних карбiдних зернах, а також — руйнування витягнутих дрiбних при-зводить до вiдокремлення невеликих кристалiв, розмiр яких недостатнiй для пошкодження по-верхнi тертя.
Аналзуючи вищевикладений магерiал, можна вивести феноменолопчну схему зношування ев-тектичних сплавiв на основi кобальту в умовах високотемпературного вiброконгакгного наван-таження:
1. На початковому етапi вiдбуваeться утворення тонких оксидних нивок, руйнування мжровистутв поверхнi. З пiдвищенням темпе-ратури данi процеси пришвидшуються. В мжров-падинах поверхнi накопичуються продукти зношування, що разом iз досягненням рiвноважноi шорсткостi завершуе процес припрацювання i стабiлiзуe зношування.
2. Внаслвдок прикладання знакозмiнних на-вантажень ввдбуваеться початкове накопичення
втомного пошкодження, поява незначних за пло-щею 1 розмром деформованих длянок.
3. Текучесть поверхневого шару призводить до деформац1й поверхн1, видавлювання матер1а-лу 1з найбшьш навантажених длянок фактичного контакту, подр1бнення 1 викришування карбщ-них фаз, що супроводжуеться ¿х окисленням, призводить до злущування захисних оксидних шар1в, як1 сприймають 1 компенсують напруження, вик-ликаш дею сил тертя.
4. Внасл1док велико! дефектности поверхонь скол1в, частинок вщокремленого 1 деформовано-го металу вщбуваеться штенсифжащя процес1в окислення, порушуеться р1вновага м1ж утворен-ням 1 руйнуванням захисних поверхневих шар1в.
Зам1на карб1ду н1об1ю карбидом титану дозволило покращити властивост1 кобальту, про що свщчать результати попередньо наведених дос-лщжень.
Тривал1 випробування в умовах високотемпе-ратурного в1броконтактного навантаження показали, що сплав П-76 мае найвищу зносостшшсть. Аналз стану поверхн тертя 1 пщповерхневого шару показав суттеву р1зницю в механ1зм1 руйнуван-ня спряжених поверхонь. На рис. 4 представлена топограф1я «дор1жки тертя» сплаву при температура 1050 °С.
Рис. 4. Топография поверхн1 тертя сплаву П-76, I = 1050 °С, х 80
В усьому диапазон температур випробувань структура поверхш е р1вном1рною. Характерним для нього, як 1 для вс1х порошкових сплав1в при високш температура е формування стшкого шару оксидв матрица, яю в своему склад1 можуть мати до 46 % мас. хрому (св1тл1 дшянки). 1х поверхня частково покрита оксидами титану (темн1 дшян-ки). Утворення оксид1в титану 1 !х намащування на б1льш твердий шдшар можна вважати ще одним п1дтвердженням того, що карб1дн1 зерна роз-ташовуються на дшянках безпосереднього контакту двох спряжених поверхонь. Утворен1 на поверхш карбщних зерен шари твердого розчи-ну Т1С+Т10 менш тверда за основу 1 в процесс тертя злущуються, !х невелика товщина призводить до утворення др1бнодисперсних порошков
Т102. Сп1льна д1я високого навантаження 1 тем-ператури сприяе !х притканню до основи, за-безпечуе !х когез1ю. Таким чином утворюеться град1ентний поверхневий шар, який вщповщае правилу позитивного градента. Схематично цей процес показано на рис. 5, а, б, в.
а б в
Рис. 5. Схема утворення оксидного шару при високих температурах: а — вихщ карбвдв на длянки фактичного контакту, утворення тонких оксидних плшж, б — подальше окислення карбщу титану 1 початок його зношуван-ня, в — зношування оксидного шару на поверхн1 Т1С 1 його намащування на поверхню тертя, формування градиентного оксидного шару
Слад зазначити, що розм1р темних длянок (гх розмр в напрямку, паралельному напрямку тертя досягае 200—300 мкм, що приблизно дор1в-нюе подвшнш амплпуд1 проковзування контр-тша по зразку — 240 мкм) значно перевищуе площу виходу на поверхню тертя одиничного карбщного зерна. Можна припустити, що розмри 1 форма темних длянок в1дпов1дають контурнш плошд фрикцшно! взаемоди [7].
Таким чином, оксиди титану, потрапляючи на твердий пщшар ввдграють роль мастила, пом'як-шуючи фрикцшну взаемод1ю спряжених повер-хонь 1 сприяють стаб1л1зац1! процесу тертя.
Аналз окремих длянок «дор1жки тертя» сплаву П-76 показав зколювання достатньо великих за розмром длянок захисного оксидного шару — 40—100 мкм (рис. 6, а). Др1бнодисперсн1 частинки зношеного материалу накопичуються на делянках, вшьних в1д тертя. Такими дшянками, очевидно, 1 е м1сця сколювання, так як вони нижч1 за сус1дн1 д1лянки поверхн1. В1дсутн1сть оксид1в зумовлюе !х високу адгезшну здаттсть, що сприяе закр1пленню продуктов зношування 1 утворенню ново! трибоструктури. Результат такого процесу зображено на рис. 6, б.
Вище наведений аналз показуе, що оксидний шар суцшьно покривае поверхню тертя 1 ефек-тивно захищае и в1д зношування. Однак, попе-редньо проанал1зований сплав ХТН-62 також формуе оксидний шар, але в1н швидко руйнуеться внасл1док пластичного деформування металево! основи. Така р1зниця в характера зношування 1 зносостшкосп полягае в суттевш вщмшноста в структур1 сплав1в. На рис. 7 зображено структуру сплаву П-76 пщ дор1жкою тертя. Видно, що взае-мне розташування змщнюючо! фази мало в1др1зняеться в1д вихщно! мжроструктури, що може св1дчити про вщсутшсть пластичного де-формування поверхневого шару.
Технология производства и ремонта
'ЩШЩШт^^^г*^Шк ■ ......Ш№Г ' • ~
Рис. 6. Зношування сплаву П-76. Топографiя поверхнi тертя ( = 1050 °С): а — вщшарування оксидно! пшвки; б — замащування мiсця сколу продуктами зношування
Рис. 7. Макроструктура сплаву П-76 тд «дорожкою тертя» пiсля випробувань при t = 1050 °С
Матрична фаза щiльно прилягае до зерен НС, вщсутш трiщини. Вiдсутнe також викришування карбiдноi фази з поверхт тертя, що, з одно! сто-рони, говорить про !! мщне зчеплення з матрич-ною фазою, оптимальну передачу напружень вiд сил тертя всередину матер1алу, з шшо! — про пе-реважно механо-ммчний механ1зм зношування. Вiдсугнiстъ деформованого пщповерхневого шару говорить про локалiзацiю напружень, в тонкому поверхневому шар1. В робота [7] говориться про можливють вiдсугностi пластичного деформування 1 фрагментаци поверхневого шару металу; зношування вщбуваеться переважно внаслiдок руй-нування оксидних шарiв. Такий характер взае-моди можливий при достатньо низьких наван-таженнях. Очевидно, що таи навантаження практично не викликають в материал напружень, що перевищують межу текучосп. Таким чином, можна стверджувати, що при вдалому шдбор^ складу
композицшного сплаву, що забезпечить релакса-ц1ю напружень 1 обмеження взаемоди в пружн1й области, навантаження, при яких буде вiдбуватисъ переважно механо-хiмiчне зношування, можна зб^льшити.
Викладений анализ дозволяе вид1лити певш процеси на поверхш тертя композиц1йних по-рошкових сплавав з високим вмтстом наповню-вача 1 запропонувати наступну феноменолопчну схему !х зношування в умовах високотемпера-турного в^броконтактного навантаження:
1. В початковий период припрацювання вщбу-ваеться формування захисного оксидного шару, зношування матрично! фази 1 вихщ зерен карбiдiв на дшянки фактичного контакту.
2. Зерна карбщу титану насичуються киснем, таким чином формуеться бар'ер для подальшо! його абсорбци, з шшо! — зниження твердости !х поверхш, що сприяе зменшенню интенсивности зношування.
3. Зростання температури призводить до штен-сифжаци процеив окислення. При 1 > 900 °С формуеться шар оксидов з тдвищеним вм1стом хрому. Зношування зерен карбщу титану сприяе намащуванню бшьш м'якого оксидного шару поверх твердого. Таким чином, ТЮ2 вщцрае роль твердого мастила.
4. При тривалому контактно-силовому вплив1 вiдбуваeтъся руйнування захисного оксидного шару, намащеш продукта зношування, будучи бшьш м'якими, не можуть в повнш м1р1 проти-дяти зовшшньому температурно-силовому впли-ву, порушуються процеси вщновлення оксидних плавок, що призводить до збiлъшення штенсив-ност зношування.
Висока зносостайысть утворених в процесс високотемпературно! в^броконтактно! взаемоди поверхневих структур та !х мщшсть забезпечу-ються структурною стабiлънiстю 1 протидаею пла-стичним деформацiям основного материалу зав-дяки оптимальному вм1сту зносост1йкого жаро-ст1йкого наповнювача.
Висока контактна навантаження локал^зують-ся в поверхневих вторинних структурах 1 напру-ження, що передаються на нижч1 шари, викликають в них переважно пружш деформаци, що пiцтверджуeться металограф^чним анализом. Обмеження пластичних деформацiй 1 високотемпе-ратурно! текучост шляхом введення в матрицю 50 % об. карбвду титану е важливою передумо-вою для застосування даного сплаву в вузлах тертя, що додатково навантажеш високою температурою.
Висновки
На основа анализу проце^в, що вiдбуваються на поверхнях тертя розглянутих композиц1йних сплавав на основа кобальту (ливарних 1 порош-
б
кових) запропоновано феноменолопчн! схеми ïx високотемпературного зношування в умовах ви-сокотемпературного в!броконтактного наванта-ження.
Висок1 триболог!чн! характеристики сплаву П-76 щдтверджено випробуваннями в широкому д!апазон! температур (в!д к1мнатних до 1373 К). В!н волод1е високою зносост!йк!стю, що ро-бить його перспективним в якост! матер!алу для нанесення на контакты! поверхн! бандажних по-лиць робочих лопаток турбш ГТД.
Список лггератури
1. Контактное взаимодействие сопряженных деталей ГТД / [В. А. Богуслаев, Л. И. Ивщенко, А. Я. Качан, В. Ф. Мозговой]. — Издат. комплекс ОАО «Мотор Сич». - 2009. - 328 с.
2. Ивщенко Л. И. Изнашивание жаропрочных материалов при вибрациях / [Л. И. Ивщенко, А. Я. Качан] // Вестник двигателестроения. -2008. - № 2. - С. 160-163.
3. Композицшн! сплави для змщнення контакт-них поверхонь бандажних полиць робочих
лопаток газотурбшних двигунв / [М. В. Кндра-чук, О.1 . Духота, Т. С. Черепова, О. В. Тсов] // Проблеми трибологiï. - 2010. - №4. - С. 101— 104.
4. К!ндрачук М. В. Зносост!йк! та жаромщн! сплави на основ! кобальту/ [М. В. К!ндрачук, О. В. Т1сов] // Наукоемн! теxнологiï. - К. : Вид-во нац. авац. ун-ту «НАУ-друк». - 2010. -№ 2 . - С. 26-29.
5. Духота О. I. Досл!дження зносостшкосп жа-ром!цних композиц!йних сплав!в в умовах високотемпературного фретингу / [О. I. Духота, О. В. Т!сов] // Проблеми тертя та зношування. - К. : НАУ - 2010. - № 53. -С. 195-200.
6. Войтович Р.Ф. Окисление карбидов и нитридов. - К. : Наукова думка, 1981. - 191 с.
7. Гарбар И. И. О структуре и строении поверхностных слоев сопряженных материалов трущихся пар. / И. И. Гарбар // Трение и износ. -1990. - Т. 11. - № 4.- С. 581-593.
Поступила в редакцию 28.09.2011
Тисов А.В. Исследование износостойкости композиционных сплавов на основе кобальта
В работе рассмотрены основные процессы, протекающие на поверхностях трения композиционных сплавов на основе кобальта (литейных и порошкових) в условиях високотемпературного виброконтактного нагружения.
Ключевые слова: кобальтовый сплав, порошковая металлургия, карбид титана, карбид ниобия, трение и износ.
Tisov O. Investigation of wear resistance of composite cobalt based alloys
Current work investigates main phenomena, which take place on friction surfaces of composite cobalt based alloys (cast and powder) in conditions of high temperature vibration loading.
Key words: cobalt based alloy, powder metallurgy, titanium carbide, niobium carbide, friction and wear.
