CC BY
30
УДК 629.7.023:620.165.79
А.В. Щепилов1, С.А. Мубояджян1, Д.С. Горлов1, В.И. Коннова1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ДЕМПФИРУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ КОМПОЗИЦИИ «СПЛАВ-ПОКРЫТИЕ» ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ВИБРОДИНАМИЧЕСКОМ СТЕНДЕ
Показана возможность применения ионно-плазменных покрытий, нанесенных по ва-куумно-плазменной технологии высоких энергий, для снижения амплитуды колебаний свободного конца образцов из титанового сплава ВТ6 при испытаниях на вибродинамическом стенде в условиях резонанса по первой изгибной форме.
Исследованы покрытия на основе чистых металлов (Ti, Zr, Cr, Ni, Al и Cu), нанесенные на установке МАП-3 по режимам, при которых обеспечивается привес покрытия в диапазоне 19-73 г/м2, а температура ионного и радиационного нагрева не превышает температуру отпуска титанового сплава ВТ6. Проведены испытания на демпфирующую способность нанесенных покрытий. Установлено, что наилучшими свойствами обладает покрытие из алюминия.
Ключевые слова: вакуумно-плазменная технология высоких энергий, ионно-плазменное демпфирующее покрытие, добротность, декремент затухания колебаний.
The possibility of using ion-plasma coatings deposited by high energy vacuum-plasma technology to reduce the free end oscillations amplitude of VT6 titanium alloy samples during testing on vibrodynamic bench at resonance conditions by the first bending mode is hereby shown.
The coatings based on pure Ti, Zr, Cr, Ni, Al, Cu metals deposited on the MAP-3 unit under modes enabling the coating growth in the range of 19-73 g/m2 while the temperature of ion and radiation heating does not exceed tempering temperature of the VT6 titanium alloy is investigated. The tests on the damping capacity of applied coatings were performed. It is established that aluminum coating has the best properties.
Keywords: vacuum and plasma technology of high energy, the ion-plasma damping coating, good quality, decrement of fluctuations attenuation.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
Введение
Работа газотурбинного двигателя (ГТД) сопровождается вибрацией, неизбежной для машин с быстро вращающимися роторами. Повышенная вибрация может привести к выходу из строя двигателя вследствие поломки лопаток, валов, опор, элементов подвески, агрегатов, трубопроводов и т. д. Вибрация двигателя опасна также с точки зрения прочности летательного аппарата. Повышенный уровень вибраций часто становится причиной отбраковки двигателей при испытаниях и досрочного прекращения их эксплуатации [1].
Предотвращение усталостных поломок лопаток турбомашин, связанных с повышенным уровнем вибраций, представляет важную задачу двигателестроения. Уменьшение уровня переменных вибронапряжений обеспечивает надежную работу двигателя и увеличение его ресурса, однако значительное снижение напряжений может быть несовместимо с требованиями к другим характеристиками двигателя или привести к значительному утяжелению конструкции, поэтому необходимо поддерживать пе-
ременные напряжения на допустимом уровне. Для достижения указанной цели выполняются различные мероприятия, в частности, частотная отстройка от резонансов и увеличение конструкционного демпфирования в системе. Провести полную отстройку от резонансных режимов в диапазоне рабочих оборотов часто не представляется возможным, поэтому увеличение конструкционного демпфирования лопаток турбомашин является актуальной научно-технической задачей [2].
В условиях, где использование демпфирующих элементов затруднительно или не представляется возможным, для снижения переменных напряжений можно использовать специальные демпфирующие покрытия [3, 4]. В качестве демпфирующих рассматриваются покрытия, которые можно наносить вакуумно-плазменной технологией высоких энергий (ВПТВЭ), широко используемой на предприятиях авиационного дви-гателестроения для нанесения защитных и упрочняющих покрытий на детали и лопатки авиационных ГТД. Покрытия по этой технологии наносят на промышленных ионно-плазменных установках типа МАП-1, МАП-2 и МАП-3. В этих установках используется вакуумно-дуговой способ генерации плазмы материала трубного катода с формированием радиального плазменного потока. Покрытие осаждают из плазменного потока материала покрытия при высоких и управляемых энергиях частиц. Трубные катоды заданного химического состава выплавляют в вакуумно-индукционных печах с заливкой расплава в специальную графитовую форму [5-10].
Статья посвящена исследованию эффективности работы ионно-плазменных покрытий на основе чистых металлов по снижению амплитуды колебаний свободного конца образцов из титанового сплава ВТ6 при испытаниях на вибродинамическом стенде в условиях резонанса по первой изгибной форме.
Материалы и методы
Для исследований изготовлены модельные образцы из титанового сплава ВТ6 толщиной 3 мм [11]. Для подготовки поверхности образцов использовали круговой вибратор фирмы Rosier. Этот тип обработки применяли для придания поверхности образцов титанового сплава ВТ6 заданной шероховатости, а также с целью создания в поверхностном слое сжимающих напряжений [12]. Нанесение покрытий осуществлялось на ионно-плазменной установке МАП-3 с автоматизированной системой управления технологическим процессом согласно ПИ 1.2.620-2002. Оценку эффективности работы ионно-плазменных покрытий проводили на вибродинамическом стенде ETS Solution MPA 403-M124M в условиях резонанса по первой изгибной форме при температуре 20°С coraacHoASTM E 756-05.
Результаты
Одним из важных этапов перед нанесением ионно-плазменных покрытий является подготовка поверхности образцов. В качестве предварительной обработки поверхности образцов из титанового сплава ВТ6 была выбрана виброгалтовка (ВГ) на круговом вибраторе фирмы Rosier в течение 6 ч при амплитуде колебаний 5 мм с последующей промывкой в щелочном растворе и сушкой сжатым воздухом [13].
Проведение испытаний по определению демпфирующих характеристик покрытий
на образцах из титанового сплава ВТ6
Для определения демпфирующих характеристик исследовали плоские образцы из титанового сплава ВТ6 толщиной 3 мм без покрытий и с ионно-плазменными покрытиями, осажденными по режиму: ток вакуумной дуги 500 А, напряжение смещения 10-15 В. Продолжительность осаждения рассчитывалась в зависимости от скорости испарения конкретного материала таким образом, чтобы обеспечить привес по массе по-
2
крытия в среднем 60 г/м . При выбранных режимах осаждения температура ионного и радиационного нагрева титановых образцов не превышала 400°С, что предохраняло сплав ВТ6 от разупрочнения [14]. Характеристики покрытий на титановом сплаве ВТ6 представлены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики покрытий на образцах из титанового сплава ВТ6_
Покрытие Расчетная толщина, мкм Удельное изменение массы образца, г/м2
Ti 16,2 73
Zr 9 63
Cr 7,7 54
Ni 7 62,3
Al 15,7 44
Cu 2 19
Ионно-плазменные покрытия на основе чистых металлов, осажденные по режимам, обеспечивающим привес по массе 60 г/м2, необходимы для изучения зависимости влияния материала ионно-плазменного покрытия на демпфирующую способность. Толщина покрытий была неодинаковой из-за разницы в параметрах осаждения, зависящих от физических свойств, в частности - от плотности материала распыляемого катода. При осаждении покрытий главным контролируемым параметром была рабочая температура (400°C) на образцах титанового сплава ВТ6 [15-20].
Стабильные условия испытаний на вибростенде ETS Solution MPA 403-M124M обеспечивались затяжкой прижимного винта оснастки с крутящим моментом 200 Н м. Управляющий акселерометр Dytran 3225F2 закреплялся на фланец основания оснастки (в месте крепления к вибростолу). Регистрацию колебаний образцов производили с помощью оптического датчика Riftek RF603. Возбуждение колебаний образцов производилось с помощью модуля Resonance Search программы Vibration View контроллера Vibration Research 8500 [21-24].
Внешний вид вибростенда ETS Solution MPA 403-M124M с закрепленным в оснастке образцом представлен на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид вибростенда ETS Solution MPA 403-M124M с закрепленным образцом в оснастке
Для проведения испытаний по определению эффективности работы ионно-плазменных покрытий в настройках управляющей программы контроллера Vibratio Research 8500 выбран профиль испытаний Resonance Search. Испытания проводили при одинаковых амплитудах колебаний вибростола, эквивалентных трем уровням напряжений: 30, 50 и 70 МПа (для образца без покрытия). Образец жестко зажимался одним концом в специальной оснастке. В результате испытаний получены амплитудно-частотные характеристики (АХЧ) на резонансных частотах.
Следует отметить, что эффективность работы ионно-плазменных покрытий возможно определять по добротности, без вычисления декрементов затухания колебаний по экспериментальным амплитудно-частотным характеристикам (АЧХ).
Результаты испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 с покрытиями и без них при 20°С, для трех уровней напряжений при одинаковых амплитудах вибростола представлены в табл. 2-4.
Таблица 2
Параметры испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 с ионно-плазменными
покрытиями и без них (при одинаковой мощности для напряжения _ в опасном сечении образца без покрытия 30 МПа)__
Покрытие Амплитуда, эквивалентная напряжению в опасном сечении, мм (эксперимент) Частота резонанса на свободном конце образца, Гц Диапазон частот амплитудно-частотных характеристик, Гц Добротность (Р-фактор)
Без покрытия 1,40 240,6 239,6-241,6 593
Т1 1,27 242,61 241,7-243,7 636,1
гг 1,22 235,65 234,7-236,7 623,3
Сг 1,16 240,17 239,2-241,2 564,8
N1 1,2 238,83 237,9-239,9 539,8
А1 1,14 242,28 241,4-243,4 502,7
Си 1,2 243,38 242,4-244,4 516,3
Таблица 3 Параметры испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 с ионно-плазменными
покрытиями и без них (при одинаковой мощности для напряжения в опасном сечении образца без покрытия 50 МПа)
Покрытие Амплитуда, эквивалентная напряжению в опасном сечении, мм (эксперимент) Частота резонанса на свободном конце образца, Гц Диапазон частот амплитудно-частотных характеристик, Гц Добротность (Р-фактор)
Без покрытия 2,30 240,5 239,6-241,6 539,4
Т1 2,14 242,19 241,3-243,3 648,3
гг 2,07 235,26 234,4-236,4 612,4
Сг 1,89 239,87 239,8-241 859,8
N1 1,99 238,33 237,5-239,5 610,1
А1 1,88 241,78 240,9-242,9 523,2
Си 1,89 242,94 242,1-244,1 559,7
Таблица 4 Параметры испытаний образцов из титанового сплава ВТ6 с ионно-плазменными
покрытиями и без них (при одинаковой мощности для напряжения в опасном сечении образца без покрытия 70 МПа)
Покрытие Амплитуда, эквивалентная напряжению в опасном сечении, мм (эксперимент) Частота резонанса на свободном конце образца, Гц Диапазон частот амплитудно-частотных характеристик, Гц Добротность (Р-фактор)
Без покрытия 3,20 240,5 239,6-241,6 507,8
Т1 2,93 241,89 241-243 547,4
гг 2,77 235,01 234,1-236,1 533,7
Сг 2,81 239,44 238,6-240,6 554
N1 2,87 237,97 237,1-239,1 603,2
А1 2,46 241,58 240,7-242,7 463,2
Си 2,51 242,6 241,7-243,7 473,9
По результатам испытаний установлено, что (согласно параметру 0) высокую эффективность работы показало покрытие из алюминия (по сравнению с другими покрытиями) при выбранных уровнях напряжений в опасном сечении образцов - у данного покрытия показатель добротности самый низкий.
Зависимость амплитуды свободного конца образца от напряжения в опасном сечении представлена на рис. 2. Видно, что наилучшими показателями обладает покрытие из алюминия, которое снижает амплитуду свободного конца образца в среднем на 20% относительно образца без покрытия, при этом напряжение в опасном сечении понижается на 10 МПа.
о, МПа 70
50
30
2
Амплитуда, мм
Рис. 2. Зависимость амплитуды свободного конца образцов из титанового сплава ВТ6 без покрытия и с покрытиями на основе чистых металлов от напряжения в опасном сечении:
• - без покрытия; • - N1; • - 2г; • - Т1; • - А1; • - Сг; • - Си
Полученные данные подтверждают результаты испытания по определению демпфирующей способности, но, в данном случае, испытания на эффективность работы ионно-плазменных покрытий позволяют в более краткие сроки выбрать покрытие с лучшими демпфирующими характеристиками.
Обсуждение и заключения
Показана возможность применения ионно-плазменных покрытий, нанесенных по вакуумно-плазменной технологии высоких энергий, для снижения амплитуды колебаний свободного конца образцов из титанового сплава ВТ6.
В качестве технологической операции по подготовке поверхности образцов выбрана виброгалтовка (ВГ) на круговом вибраторе фирмы Rosier в течение 6 ч при амплитуде колебаний 5 мм с последующей промывкой в щелочном растворе и сушкой сжатым воздухом.
Определены расчетные толщины нанесенных экспериментальных демпфирующих покрытий, которые составили (в среднем) от 2 до 16 мкм, что эквивалентно удельному изменению массы покрытия в диапазоне 19-73 г/м2.
Исследована эффективность ионно-плазменных покрытий при испытаниях на демпфирующую способность на вибростенде ETS Solution MPA 403-М124М. Показана возможность определения эффективности работы покрытий по снижению амплитуды свободного конца образца и добротности (Q-фактор). По результатам испытаний установлено, что наилучшие показатели по снижению амплитуды колебаний свободного конца образца имеет покрытие из алюминия, обладающее также самой низкой добротностью, по сравнению с образцами из титанового сплава ВТ6 с другими покрытиями на основе чистых металлов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Муравченко Ф.М., Шереметьев A.B. Актуальные проблемы динамики, прочности и надежности современных авиадвигателей //Вибрации в технике и технологиях. 2001. №4(20). С. 2-5.
1
3
2. Шорр Б.Ф., Серебряков H.H. Расчетно-экспериментальный анализ амплитудно-зависимых характеристик демпфирования в деталях и материалах //Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. №3. С. 91-99.
3. Sordelet D.J., Kim J.S., Besser M.F. Dryslidin go fpolygrainedquasicrystalinne and crystalline Al-Cu-Fe alloys //Mat. Res. Soc. Symp. Poc. 1999. V. 553. P. 459-470.
4. Paton B.E., Movchan B.A. Composite Materials Deposited from the Vapour Phase in Vacuum Soviet Technologies Review //Weld and Surfacing. 1991. V. 2. P. 43-64.
5. Мубояджян C.A., Помелов Я.А. Защитные покрытия для лопаток компрессора ГТД /В сб.: Авиационные материалы и технологии. Вып. «Высокожаропрочные материалы для современных и перспективных газотурбинных двигателей и прогрессивные технологии их производства» М.: ВИАМ. 2003. С. 116-131.
6. Способ получения литого трубного катода из сплавов на основе алюминия для ионно-плазменного нанесения покрытий: пат. 2340426 Рос. Федерация; опубл. 16.04.2007.
7. Способ получения литых трубных изделий из сплавов на основе никеля и/или кобальта: пат. 2344019 Рос. Федерация; опубл. 16.04.2007.
S. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
9. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Базылева O.A. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 13-19.
10. Установка для нанесения защитных покрытий: пат. 231S07S Рос. Федерация; опубл. 26.06.2006.
11. Кашапов О.С., Павлова Т.В., Ночовная H.A. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства жаропрочного титанового сплава для лопаток КВД //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. S-14.
12. Сплав на основе титана: пат. 2426S0S Рос. Федерация; опубл. 20.0S.2011.
13. Сибилева C.B., Каримова С.А. Обработка поверхности титановых сплавов с целью обеспечения адгезионных свойств //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S2. С. 25-35.
14. Мубояджян С.А. Особенности осаждения из двухфазного потока многокомпонентной плазмы вакуумно-дугового разряда, содержащего микрокапли испаряемого материала //Металлы. 200S. №2. C. 20-34.
15. Мубояджян С.А., Александров Д.А., Горлов Д.С. Нанослойные упрочняющие покрытия для защиты стальных и титановых лопаток компрессора ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 3-8.
16. Мубояджян С.А., Александров Д.А., Горлов Д.С. и др. Защитные и упрочняющие ионно-плазменные покрытия для лопаток и других ответственных деталей компрессора ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 71-81.
17. Каблов E.H., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Помелов Я.А. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей //Конверсия в машиностроении. 1999. №2. С. 42-47.
18. Muboyadzhyan S.A., Kablov E.N. Vacuum plasma technique of protective coatings production of complex alloys //МиТОМ. 1995. №2. С. 15-18.
19. Каблов E.H., Мубояджян C.A., Будиновский С.А., Луценко А.Н. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей //Металлы. 2007. №5. С. 23-34.
20. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Вершков A.B. Редкие металлы и редкоземельные элементы -материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
21. Каблов E.H., Мубояджян С.А. Ионное травление и модифицирование поверхности ответственных деталей машин в вакуумно-дуговой плазме //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 149-163.
22. Бецофен С.Я., Смирнов В.Г., Ашмарин A.A., Шафоростов A.A. Количественные методы описания текстуры и анизотропии свойств сплавов на основе титана и магния //Титан. 2010. №2. С. 16-22.
23. Устинов А.И., Мовчан Б.А., Скородзиевский B.C. Исследование демпфирующей способности плоских образцов из титанового сплава Ti-6%Al-4%V с покрытиями из олова и иттрия //Проблемы прочности. 2001. №4. С. 55-61.
24. Устинов А.И. Диссипативные свойства наноструктурированных материалов //Проблемы прочности. 200S. №5. С. 96-104.
