CC BY
3
УДК 621.791.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-349-350
МОНИТОРИНГ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ
ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВТ20 И ОТ4
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, А.В. Филонович, К.В. Жилина, А.А. Калинин
В работе представлены результаты мониторинга численного моделирования процесса поверхностно го упрочнения титановых сплавов ВТ20 и ОТ4 электроискровым легированием, которые могут быть использованы при проектировании технологических процессов изготовления титановых лопаток паровых турбин.
Ключевые слова: титановые сплавы, лопатка паровых турбин, математическое моделирование, электроискровое легирование.
Введение. В России и за рубежом развитие энергетики предлагает все более широкое использование турбинных агрегатов повышенной мощности, давление пара в которых достигает 25 МПа, скорость парового потока -500 м/с, а его температура - 540 °С. Силовые нагрузки вызывают в материале сложное напряженное состояние (изгиб и скручивание), кроме того, в них возникают растягивающие напряжения от центробежной силы, обусловленной большой скоростью вращения ротора. Перспективными материалами для крупногабаритных лопаток в таких турбинах могут быть псевдо-а-титановые сплавы, у которых содержание нестабильной ß-фазы значительно меньше, чем в двухфазных (a+ß-титановых сплавах), что обеспечивает их более высокую теплостойкость. Известно, что электроискровые покрытия, нанесенные на псевдо-а-титановые сплавы, имеют высокую износостойкость при температурах до 500 °С и высокую коррозионную стойкость и могут быть использованы для повышения долговечности турбинных лопаток, работающих в потоке перегретого пара при высоких температурах, в условиях каплеударного эрозионного воздействия [1-21]. Принимая во внимание достоинства и недостатки метода электроискрового легирования (ЭИЛ), на многих предприятиях ведутся разработки технологических процессов упрочнения (а также восстановления) входных и выходных кромок рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин с использованием ЭИЛ [4-7]. Сведений об использовании ЭИЛ для упрочнения турбинных лопаток из титановых сплавов в литературе крайне мало. Варьируя параметры и условия ЭИЛ, можно изменять микрометаллургические процессы, протекающие в зоне электроискрового разряда, осуществлять целенаправленный синтез высокопрочных и жаростойких соединений и формировать сложные композиционные покрытия.
Важными задачами исследования ЭИЛ титановых сплавов является установление закономерностей электрической эрозии материалов электродов, особенно титанового катода, а также закономерностей формирования покрытий на катоде с учетом энергетических факторов, особенностей материалов электродов и межэлектродной среды. Для установления зависимостей влияния факторов и условий технологического процесса электроискровой обработки на качество покрытий на титановых лопатках паровых турбин целесообразно применять методы математического моделирования и новые усовершенствованные технологии [9-14, 24-27].
Материалы и методы исследования. Электроискровые покрытия наносились на титановые сплавы ВТ20 и ОТ4 на установке «Элитрон-22» электродом ПГ-12Н-03. Эти образцы вырезались из листов титановых сплавов ВТ20 и ОТ4 толщиной 2 мм в виде квадратов размером 10x10 мм. Перед началом нанесения покрытия образцы зачищались наждачной бумагой и обезжиривались ацетоном.
Найдены закономерности формирования структуры и свойств электроискровых покрытий на титановых сплавах ВТ20 и ОТ4, полученных электродом ПГ-12Н-03. Установлено, что, наибольшая удельная масса и наименьшая пористость достигается при силе тока 8 А, емкости разряда - 0,6 мкФ. При этих параметрах формируются беспористые покрытия на основе никеля, упрочненные боридами, имеющие высокую твердость, износостойкость и коррозионную стойкость [9-12].
Для построения модели было использовано рототабельное планирование второго порядка, которое позволяет представить исследуемый процесс с достаточно высокой достоверностью. В качестве независимых переменных факторов, в наибольшей степени определяющих ход процесса электроискрового легирования, были выбраны:
Х1 - удельное время нанесения покрытия, мин/см2;
Х2 - сила тока в электрическом импульсе, А;
хз - емкость электроискрового разряда, мкФ.
В качестве выходных параметров модели (критериев оптимизации) были выбраны две характеристики электроискровых покрытий, представляющие наибольшую ценность для проектирования технологического процесса упрочнения лопаток паровых турбин. Первый параметр - это толщина электроискрового покрытия, характеризующая производительность процесса ЭИЛ. Второй параметр - износостойкость электроискрового покрытая характеризующая долговечность покрытия, т. е. срок службы турбинных лопаток с электроискровыми покрытиями.
У1 - толщина покрытия, мкм;
y2 - относительная износостойкость покрытия (эталон титановый сплав ВТ20 без покрытия), усл. ед.
Для разрабатываемой модели были приняты следующие ограничения. Максимальное удельное время нанесения электроискрового покрытия (x1) было принято равным 1,8 мин/см2 из соображений рациональной производительности процесса. Покрытие на турбинную лопатку наносится в области наружной кромки, где имеет место наиболее интенсивное изнашивание. Зона, упрочняемая электроискровым покрытием, при этом имеет размеры 20x5 см, площадь 100 см2.
При удельном времени нанесения покрытия, равном 1,8 мин/см2, длительность обработки одной лопатки будет составлять 180 мин (3 часа). Очевидно, что при превышении удельного времени нанесения покрытия, длительность упрочнения титановой лопатки превышает рациональные технологические нормативы.
Ограничение максимальной величины тока электроискрового разряда (x2) значением 8А, принято из соображений допустимой пористости электроискрового покрытия (= 25 %). Превышение указанной силы тока приводит, как было показано выше, к значительному повышению пористости покрытия и к недопустимому снижению его механических свойств.
Значения емкости разряда (хз), принятые в разрабатываемой модели, ограничиваются возможностями установки «Элитрон-22».
При проведении эксперимента использовались образцы в виде роликов из сплава ВТ20 (для машины трения СМЦ-2), на образующие поверхности которых наносились электроискровые покрытия легирующим электродом ПГ-12Н-03 по различным режимам. При этом измерялся диаметр ролика до и после нанесения покрытия и, таким образом, определялась толщина этого покрытия.
Затем образцы с электроискровыми покрытиями испытывались на изнашивание при трении по поверхности твердосплавного ролика (контртела) с подачей в зону трения солевого раствора с мелкодисперсным кварцевым абразивом.
Результаты и их обсуждение. По результатам эксперимента рассчитывались коэффициенты в уравнениях регрессии (математической модели исследуемого процесса) и проверялась их адекватность по критерию Фишера.
Адекватные уравнения регрессии имеют вид:
для толщины электроискрового покрытия:
у = 63,05 + 10,13х1 + 6,81х2 -1,62х1х2 -5,48x2 -1,22x2,
для относительной износостойкости покрытия:
у2 = 2,46 + 2,44х +1,15 х2 + 0,19 х1х2 +1,32 х2 - 0,16 х2.
Эти уравнения представляют собой полиномиальные регрессионные модели процесса нанесения электроискрового покрытия ПГ-12Н-03 на титановый сплав ВТ20, которые позволяют прогнозировать характеристики этого покрытия при изменении режимов нанесения.
Как видно из полученных уравнений регрессии (математической модели), наибольшее влияние, как на толщину электроискровых покрытий, так и на их износостойкость оказывает удельное время нанесения покрытий (скорость перемещения легирующего электрода по упрочненной поверхности).
Сила импульсного тока, которая определяет массу электродного материала, наносимого на подложку за один искровой разряд, также оказывает достаточно заметное влияние на выходные параметры получаемой модели (на толщину и износостойкость покрытий). Как можно судить по коэффициентам в уравнениях регрессии, это влияние примерно в два раза меньше, чем влияние удельного времени нанесения покрытий.
Емкость электрического разряда в исследованных пределах практически не влияет ни на толщину электроискрового покрытия, ни на его износостойкость. Расчеты показали, что все коэффициенты перед переменной хз (емкостью разряда) оказались незначительными.
Расчетные зависимости критериев оптимизации (выходные параметры модели) от независимых факторов, принятых в модели, представлены на рис. 1 и 2.
Полученные зависимости с 95 %-й вероятностью показывают особенности хода процесса ЭИЛ титанового сплава при изменении внешних условий - изменении удельного времени нанесения покрытия и изменении силы тока искрового импульса.
Рис. 1. Влияние удельного времени нанесения электроискрового покрытия (а) и силы тока искрового импульса (б) на толщину покрытия ПГ-12Н-03 на титановом сплаве ВТ20
9 ар 8 ■ я 1 1 и 1 6 0 5 К з Ч 1 3 а Й 2 | 1 1 .8 ■S 0 J 5 0 8 4 с <D .3 м 3 и д V -J3 s « 1 * 8 2 > (J 1 > 1 0 ■ z.
f
/
/
/
/
2 4 6 8 10
0,5 1 1,5 2 Specific coating time, inin cnr Current strength, A
а б
Рис. 2. Влияние удельного времени нанесения электроискрового покрытия (а) и силы тока искрового импульса (б) на износостойкость покрытия ПГ-12Н-03 на титановом сплаве ВТ20
Из анализа графических зависимостей видно, что толщина электроискрового покрытая из никелевого сплава ПГ-12Н-03 на титановом сплаве ВТ20 при увеличении удельного времени легирования и при увеличении силы тока электроискрового разряда монотонно увеличивается, весьма интенсивно, а в дальнейшем все более медленно. Полученные зависимости могут быть использованы при назначении режимов электроискрового упрочнения титановых лопаток паровых турбин.
Что касается относительной износостойкости электроискровых покрытии, то, как показывают расчеты, по принятой модели, влияние удельного времени нанесения покрытия и влияние силы тока в искровом разряде на эту характеристику не одинаково. При увеличении времени нанесения износостойкость покрытии резко увеличивается, при повышении силы тока износостойкость увеличивается не так сильно и практически линейно. Таким образом, повысить износостойкость титановых лопаток турбин в 10 и более раз можно путем увеличения удельного времени нанесения покрытия до 1.8...2,0 мин/см2 при силе тока искрового разряда 8... 9А.
Правомерность использования математических моделей для практических целей зависит от их адекватности. В нашем случае адекватность модели электроискрового процесса составляет 95 %. Это свидетельствует о том, что расчетные величины, полученные по приведенным выше уравнениям (1) и (2) достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными.
Таким образом, хорошее согласование экспериментальных и моделируемых данных позволяет устанавливать параметры технологических процессов по данным моделирования.
Представляет интерес визуализация графиков функций в трехмерном пространстве. Такие графики представляют собой поверхности в трехмерной системе координат. Строить трехмерное изображение функции (поверхности отклика) исследуемой модели удобно с использованием экспериментов, выполненных по алгоритму математического планирования эксперимента, в нашем случае - по рентабельному плану второго порядка с помощью таких экспериментов можно обнаружить сложные нелинейные взаимосвязи между переменными.
Визуализация функций двух переменных имеет эстетическое (наглядное) и практическое значение, поскольку такие функции выступают в качестве математических моделей различных процессов, например, процесса электроискрового легирования титанового сплава никелевым электродом. После того, как модель этого процесса становится зримой ее гораздо проще анализировать, поскольку все закономерности исследуемого явления становятся видимыми и очевидными.
На рис. 3 и 4 представлены трехмерные изображения, построенные с использованием компьютерной программы SciLab, математических моделей влияния удельного времени нанесения и силы тока электроискрового разряда на толщину электроискровых покрытий ПГ-12Н-03 на титановом сплаве ВТ20 и их износостойкость.
V --- врОП
Рис. 3. Зависимость толщины электроискрового покрытия ПГ-12Н-03 на сплаве ВТ20 от удельного времени нанесения и от силы тока в электроискровом разряде (расчетная модель)
Уз нанос ерсиж ншкгшм, м ии см"
Рис. 4. Зависимость относительной износостойкости покрытия ПГ-12Н-03 на сплаве ВТ20 от удельного времени нанесения и от силы тока в электроискровом разряде
(расчетная модель)
Заключение. Для проектирования технологических процессов поверхностного упрочнения титановых лопаток паровых турбин была разработана математическая модель электроискрового легирования. Для построения этой модели было использовано рототабельное планирование эксперимента второго порядка, которое позволяет представить исследуемый процесс с достаточно высокой достоверностью (= 90 %).
Наибольшее влияние на производительность процесса (массоперенос электродного материала) оказывает удельное время нанесения покрытий, меньшее влияние - ток электроискрового разряда. Емкость электроискрового разряда практически не влияет как на толщину электроискровых покрытий, так и на их износостойкость.
Визуализация полученной модели, проведенная с использованием компьютерной программы SciLab, дает наглядное представление об исследуемом процессе. Хорошее согласование экспериментальных и расчетных (моделируемых) данных позволяет устанавливать параметры технологических процессов упрочнения турбинных лопаток по данным моделирования.
Вышепредставленные научные результаты не противоречат научным исследованиям других авторов, работающих по данной проблеме [2-12, 17, 20, 21], а также нашим работам [1, 13-16, 18, 19, 22-27].
Список литературы
1. The influence of thermocyclic treatment on the structure and mechanical properties of pseudo-alpha titanium alloys for steam turbine blades / V. Gadalov, I. Vornacheva, S. Voinash, o V. Ignatenk, E. Remshev // В сб.: Materials Science Forum. Switzerland, 2021. С. 117-124.
2. Резинских В.Ф. Критерии эксплуатационной надежности коррозионно-поврежденных лопаток ЦНД паровых турбин / В.Ф. Резинских, А.И. Лебедева, А.Ф. Богачев // Электрические станции. 1991. № 7. С. 32-35.
3. Failure analysis of the final stage blade in steam turbine / W.-Z. Wang, F.-Z. Xuan, K.-L. Zhu, S.-T. Tu // Engineering Failure Analysis. 2007. Vol. 14, Issue 4. P. 632-641.
4. О восстановлении ресурса рабочих лопаток и дисков паровых турбин / Л.А. Жученко, В.В. Кортенко, Ю.А. Сахнин, В.В. Ермолаев // Электрические станции. 2001. № 5. С. 21-24.
5. Effects of hydrogen exposure on the mechanical and tribological properties of a-titanium surfaces / V.I. Pokhmurskii, V.A. Vynar, C.B. Vasyliv, N.B. Ratska // Wear. 2013. Т. 306. № 1-2. С. 47-50.
6. Титановые сплавы для лопаток паровых турбин / Белолипецкий Ю.П., Залетаева Р. П., Островский Л.И. и др. // Теплоэнергетика. 1971. № 8. С. 25-29.
7. Гонсеровский. Ф.Г., Силевич В.М. Продление срока службы узлов и деталей проточной части турбин ТЭС и АЭС // Тяжелое машиностроение. 2002. № 10. С. 59-63.
8. Разработка и внедрение высокоэффективной технологии ремонта рабочих лопаток паровых турбин /
A.Н. Карев, Ф.Л. Хромченко, П.Р. Должанский, В.В. Куличихин // Электрические станции. 1999. № 12. С. 16-20.
9. Электроискровое и комплексное упрочнение поверхности титана / И.А. Подчерняева, А.Д. Верхотуров,
B.М. Панашенко, Л.А. Коневцов // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2014. Т. 1. № 1 (17). С. 73-87.
10. Hasjalik A., Qayda§ U. Electrical discharge machining of titanium alloy (Ti-6Al-4V) // Applied Surface Science. 2007. Vol. 253. Issue 22. P. 9007-9016.
11. Severe-to-Mild Wear Transition of Titanium Alloys as a Function of Temperature / L. Wang, Q. Y. Zhang, X. X. Li, X. H. Cui, S. Q. Wang // Tribology Letters 2014Volume 53. Issue 3. P.511-520.
12. Wear Characteristics of Ti-6Al-4V Alloy at 20-400 X / X.H. CuiY.S. MaoM.X. WeiS.Q. Wang // Tribology Transactions. March 2012. Vol. 55. Issue 2. P.185-190.
13. Описание процесса электроискрового легирования (обобщенная модель) / В.Н. Гадалов, А.В. Филоно-вич, В.В. Шкатов, О.А. Тураева, И.В. Ворначева, А.Ю. Розин // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. № 4 (21). С. 58-66.
14. Electroacoustic coating application to improve the performance of composites based on heat-resistant nickel alloys / V.N. Gadalov, S.G. Emel'yanov, I.V. Vornacheva, A.V. Filonovich, S.V. Safonov // Russian Engineering Research. 2017. Т. 37. № 9. С. 751-753.
15. Исследование кинетики процесса формирования упрочненного поверхностного слоя, его структуры и фазового состава на спеченном сплаве ОТ4, полученного методом электроэрозионного диспергирования с локальным электроискровым нанесением покрытия / В.Н. Гадалов, Е.А. Филатов, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, И.А. Макарова, И.В. Ворначева // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 11. Ч. 2. С. 153-163.
16. Прогнозирование надежности металлоконструкций методами статистического моделирования / В.Н. Гадалов, И.В. Ворначева, А.В. Филонович, Е.А. Филатов, Д.С. Алымов // Научная жизнь. 2019. Т. 14. № 4 (92).
C. 457-462.
17. Modeling of cryogenic frictional behaviour of titanium alloys using Response Surface Methodology approach / N.S.M. El-Tayeb, T.C. Yap, V.C. Venkatesh, P.V. Brevern // Materials & Design. 2009. Vol. 30. Issue 10. P. 4023-4034.
18. Модернизация процесса технологии электроискрового легирования / В.Н. Гадалов, И.В. Ворначева, И.А. Макарова, Е.А. Филатов, Е.А. Ельников, Р.Ю. Ерохин // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2019. № 5. С. 41-48.
19. О влиянии режимов электроискрового легирования на кинетику массопереноса материала легирующего электрода на титановые сплавы для лопаток паровых турбин / В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, М.А. Муратов // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2020. № 10. С. 38-43.
20. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.
21. Горяинов В.Б., Павлов И.В., Цветкова Г.М. Математическая статистика. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 424 с.
22. Мониторинг насыщения поверхностей крупногабаритных штамповок из сплава ВТ20 добавками внедрения / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, И.В. Ворначева, А.В. Филонович, П.В. Широбоков, А.Н. Халин // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 2 (206). С. 56-60.
357
23. Изучение влияния комбинированной обработки на структуру и свойства электроискровых покрытий на низкоуглеродистой стали самофлюсующимся спецэлектродом / О.М. Губанов, В.Н. Гадалов, А.В. Филонович, И.В. Ворначева, А.Е. Молдахметова, С.А. Войнаш, В.А. Соколова // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 12 (216). С. 566-571.
24. Мониторинг работоспособности электромеханических систем использованием нейронных сетей для эффективности диагностирования однородной вычислительной среды / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, С.Н. Кутепов, В.В. Шкатов, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 10. С. 333-339.
25. Диагностика с оценкой размеров дефектов при вихретоковом контроле металлоизделий / В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, И.А. Коваленко, А.В. Филонович, А.А. Калинин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 3. С. 223-227.
26. Физико-химическое и математическое описание диффузионных процессов при сварке порошковых материалов / В.Н. Гадалов, О.М. Губанов, В.Р. Петренко, А.В. Филонович // Справочник. Инженерный журнал. 2023. № 4 (313). С. 3-9.
27. Технология и оборудование, металловедение спечённого титана и его сплавов. Синтез, структура, фазовый состав, свойства, применение: монография / В.Н. Гадалов, В.Р. Петренко, О.М. Губанов, В.В. Пешков, А.В. Филонович. М.: Аргамак-Медиа, 2022. 272 с.
Гадалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук., доцент [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Филонович Александр Владимирович, доктор техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Жилина Кира Викторовна, канд. техн. наук, доцент, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Калинин Антон Алексеевич, заместитель директора по коммерческим вопросам издательства, [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет
MONITORING OF NUMERICAL SIMULATION OF SURFACE HARDENING TREATMENT OF TITANIUM ALLOYS VT20
AND OT4
V.N. Gadalov, S.N. Kutepov, A.V. Filonovich, K.V. Zhilina, A.A. Kalinin
The paper presents the results of monitoring numerical simulation of the process of surface hardening of titanium alloys VT20 and OT4 by electric spark alloying, which can be used in the design of technological processes for the manufacture of titanium blades of steam turbines.
Key words: titanium alloys, steam turbine blades, mathematical modeling, electric spark alloying..
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Filonovich Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected]. Russia, Kursk, Southwest State University,
Zhilina Kira Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, Russia, Kursk, Southwest State University,
Kalinin Anton Alekseevich, deputy director for commercial affairs of publishing house, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University
