Исследование газоабразивного износа образцов из титанового сплава ВТ-6 с наноструктурированными защитными покрытиями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 669.058:621.452.3

Ю. М. Дыбленко, К. С. Селиванов, Р. Р. Валиев, И. В. Скрябин

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОАБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ОБРАЗЦОВ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ-6 С НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМИ ЗАЩИТНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Рассматривается возможность повышения стойкости к газообразивному износу поверхности образцов из ультрамелкозернисто-го и крупнозернистого титанового сплава ВТ-6 путем нанесения защитных наноструктурированных покрытий, полученных элек-тродуговым распылением катода многокомпонентного состава. Газоабразивная эрозия; нанослойные покрытия; нанослойный титановый сплав; вакуумно-плазменные нанослойные покрытия

ВВЕДЕНИЕ

Действующие требования к повышению надежности и ресурса эксплуатации современных турбомашин обусловливают постоянное совершенствование и разработку новых способов обработки наиболее ответственных деталей двигателей, лопаток компрессора ГТД. Для их изготовления на базовом предприятии ОАО «УМПО» широко используют титановый сплав ВТ-6. При эксплуатации двигателей в составе наземных установок (например, ГПА на основе ГТД АЛ-31СТ) поверхность лопаток компрессора двигателя постоянно подвержена воздействию газоабразивного потока. В результате этого материал лопатки претерпевает эрозионный износ, возникают различные абразивные повреждения, вызванные присутствием в газе твердых частиц.

Одним из наиболее перспективных методов повышения ресурса и надежности лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов является ион-но-имплантационная и вакуумно-плазменная обработка [1, 2].

Для упрочнения лопаток компрессора ГТД в УГАТУ под руководством проф. А. М. Смыслова разработано несколько способов нанесения многослойных вакуумно-плазменных покрытий на основе нитридов тугоплавких металлов [6].

Дальнейшее совершенствование процесса упрочнения лопаток может быть связано с повышением уровня механических свойств основного материала, например измельчением микроструктуры интенсивной пластической деформацией (ИПД) [3]. В настоящей работе исследовали возможность повышения стойкости к газоабразивному изнашиванию образцов из ультрамелкозернистого и крупнозернистого титанового сплава ВТ-6 путем нанесения защитных наноструктурированных покрытий, полученных электродуговым распылением катода многокомпонентного состава.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для изготовления образцов был использован промышленный титановый сплав ВТ6 (Ті - основа, А1 - 6,6%; V - 4,9%; Zr - 0,02%; Бі - 0,033%; Ге -0,18%; С - 0,007%; 02 - 0,17%; N - 0,01%; Н2 -

0,002%). Для изготовления исследуемых образцов был использован сплав в исходном, крупнозернистом (с размером зерна d = 30 мкм) и ультрамелко-зернистом (с размером зерна d = 0,3 мкм) состояниях.

б

Рис. 1. Структура сплава ВТ-6 в различных состояниях: а - крупнозернистое (КЗ); б - ультрамелкозернистое (УМЗ)

Контактная информация: (347) 273-07-63

Для создания ультрамелкозернистой структуры (УМЗ) был применен метод интенсивной пластической деформации (ИПД) путем равноканального углового прессования [3]. Для УМЗ структур, полученных методом ИПД, характерно присутствие высоких плотностей решеточных и зернограничных дислокаций, которые создают поля дально-действующих упругих напряжений, что приводит к повышению прочности материала. Из полученных заготовок изготавливали образцы в виде пластин размером 20x15x4 мм с допусками на размеры по 7 классу точности и шероховатостью рабочей поверхности 0,16..0,32 Яа.

Различные варианты многослойных вакуумноплазменных покрытий были получены с помощью двух электродуговых испарителей со сменными катодами из титанового сплава ВТ-1-0 (И) и многокомпонентного сплава Т1А12гМоУ (^Т1). Архитектуру покрытий (рис. 2) формировали путем чередования времени нанесения каждого отдельного слоя и количества напыляемого материала с каждого катода [4]. Ионно-плазменная модификация образцов ионами азота осуществлялась газовым плазмогенератором «ПИНК». Напыление покрытий проводилось в условиях ионного ассистирования.

При формировании многослойных покрытий на образцах с различной исходной структурой (КЗ и УМЗ) использовали следующие варианты многослойных покрытий:

Вариант №1:

а) Подслой Т -5 мкм (40 раз)

б) (И+ пТ1)К - 4 минут (40 раз),

в) (И+ пТ1) - 1 минута (40 раз),

г) Завершающий слой (И+ ^Т1)К - 10 мин.

Вариант №2

а) Подслой Т - 5 мкм

б) (И+ пТ1)К - 1 минута (90 раз),

в) (И+ ПЛ) - 10 секунд (90 раз),

г) Завершающий слой (И+ ^Т1)К - 10 мин.

Сформированные покрытия отличались количеством слоев и режимами нанесения. Общая толщина покрытий составила 15±2 мкм, промежуточных слоев - от 10 до 50 нм.

После упрочняющей обработки образцы были переданы на испытания износостойкости при газоабразивном воздействии в потоке твердых частиц. Испытания были проведены на установке Д7691-847 совместно с Казанским МПО по методике ЦИ-АМ №9900 [5].

Метод газоабразивного изнашивания основан на одновременном воздействии на испытуемые образцы потока твердых частиц, создаваемого центробежным ускорителем при фиксированных режимах испытаний. Центробежный ускоритель твердых частиц содержал вращающийся вокруг вертикальной оси ротор с четырьмя радиально расположенными каналами прямоугольного сечения. В радиальные каналы ротора из бункера поступал абразивный материал, который под действием центробежных сил выбрасывался из ротора и ударялся о поверхность закрепленных вокруг него испытуе-

мых образцов. В качестве абразивного материала использовали электрокорунд марки 25А М63Н ГОСТ 28818-90 (размер частиц 50-63 мкм).

ТЛХШШШИШПШ------------(ТІ^ПТІ)М

А*40

а

ТШШШИШШШШ---------(~п+п"п)ы

А*90

б

Рис. 2. Схемы испытываемых многослойных покрытий Т1-Т1№ а - вариант № 1, б - вариант № 2

б

Рис. 3. Микроструктура образцов из сплава ВТ6 с многослойным покрытием системы Ті-ТіК а - КЗ структура, б - УМЗ структура

Ю. М. Дыбленко, К. С. Селиванов, Р. Р. Васильев, И. В. Скрябин • Исследование газоабразивного износа... 85

Результаты исследования газоабразивного износа стойкости образцов из сплава ВТ-6

№ образца Вариант обработки Начальная масса, г Масса образца после испытания, г Величина износа Ат/т0 , % Относительная эрозионная стойкость

1 КЗ-структура, без покрытия (исходное состояние) 4,4517 4,4163 0,1127 1

2 КЗ-структура, покрытие вариант №1 4,4722 4,4682 0,0706 1,6

3 КЗ-структура, покрытие вариант №2 4,4798 4,4769 0,0545 2,1

4 УМЗ-структура, без покрытия 5,5958 5,5932 0,0453 2,5

5 УМЗ-структура, покрытие вариант №1 5,6866 5,6851 0,0285 3,9

6 УМЗ-структура, покрытие вариант №2 5,4339 5,4317 0,0357 3,1

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

После испытания износ материала определяли по изменению массы образцов и сравнению полученной величины с износом исходного образца (сплав ВТ-6 с КЗ структурой, без покрытия). В таблице представлены результаты взвешивания образцов и рассчитанные величины износа.

Величину износа рассчитывали по формуле:

£ = Ат / т0 * 100%,

где Ат - изменение массы образца в результате испытания; т0 - начальная масса образца.

За стойкость к газоабразивному изнашиванию принимали отношение величины износа исследуемого образца к износу образца в исходном состоянии. Результаты эксперимента показывают значительное (более чем в 1,5—2,0 раза) повышение стойкости к газоабразивному изнашиванию образцов с защитными многослойными вакуумно-плазменными покрытиями ТьТК по сравнению с образцами без покрытий. Это относится в равной степени к образцам из сплава ВТ-6 с КЗ структурой и с УМЗ структурой. Наблюдаемое повышение износостойкости образцов с УМЗ структурой авторы связывают, в первую очередь, с повышением их механических свойств [3].

Нанесение защитных многослойных вакуумноплазменных покрытий Т1-Т1К по предлагаемым вариантам не оказывает заметного влияния на изменение УМЗ структуры сплава ВТ-6 (рис. 1, 3) и ее свойства. Последний вывод открывает возможность разработки комбинированных технологий, совмещающих методы ИПД и последующего нанесения защитных вакуумно-плазменных покрытий с целью обеспечения эксплуатационных свойств деталей ГТД.

Рис. 3 Относительная стойкость к газоабразивному износу исследуемых образцов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Повышение стойкости при газоабразивном изнашивании поверхности деталей ГТД из титанового сплава ВТ-6 может быть обеспечено путем формирования ультрамелкозернистой структуры основного материала с последующим нанесением защитных наноструктурированных многослойных покрытий системы Т1-Т1К.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Физико-механические и коррозионные свойства ионно-плазменных покрытий нитрида титана, полученных при разных парциальных давлениях реакционного газа / Ю. П. Тарасенко [и др.] // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 4. С. 42-45.

2. Смыслов А. М., Дыбленко Ю. М., Смыслова М. К. Исследование влияния параметров комплексной ионно-плазменной обработки на физикохимические и эксплуатационные свойства упрочняемых титановых сплавов // Перспективные технологии физико-химической размерной обработки и формирования эксплуатационных свойств металлов и сплавов: Всерос. Науч.-практ. конф. Уфа, 2001. С. 241-243.

3. Валиев Р. З., Александров И. В. Объемные наноструктурные металлические материалы получение, структура и свойства. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 398 с.

4. Белый А. В., , Карпенко Г. Д., Мышкин Н. К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. М.: Машиностроение, 1991. 208 с.

5. Технический отчет ЦИАМ №9900

6. Способ обработки лопаток турбомашин / А. М. Смыслов [и др.]. Патент РФ на изобретение, ФИПС, 2009.

ОБ АВТОРАХ

Дыбленко Юрий Михайлович, нач. отдела СКТБ «Искра». Дипл. инженер-механик (УГАТУ, 1974). Канд. техн. наук по технологии машиностроения (УГАТУ, 2002). Иссл. в обл. разработки вакуумноплазменных технологий высоких энергий и спец. устройств для обеспечения эксплуатац. свойств деталей, эксплуатируемых в экстремальн. условиях.

Селиванов Константин Сергеевич, доц., ст. науч. сотр. НИЧ каф. технологии машиностроения. Дипл. инженер по технологии машиностроения (УГАТУ, 1997). Канд. техн. наук по технологии машиностроения (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. физ.-хим., структурно-фазового состояния и эксплуатац. свойств поверхности детали после ее ионно-имплантац., ваккумно-плазмен. модифицирования.

Валиев Роман Русланович, асп. каф. сопротивления материалов, инженер НИИ ФПМ при ГОУ ВПО УГАТУ. Дипл. инженер по машинам и технологиям высокоэффективн. процессов обработки (УГАТУ, 2009). Иссл. в обл. структуры и свойств наноструктурных покрытий.

Скрябин Илья Викторович, асп. каф. нанотехнологий, инженер НИИ ФПМ при ГОУ ВПО УГАТУ. Дипл. инженер-физик по физике металлов (УГАТУ, 2008). Иссл. в обл. использования наноструктурн. титановых сплавов для изготовления изделий сложной формы, работающих в условиях повышенных температур и напряжений.