Особенности разрушения металлических сплавов в условиях устойчивой каплеударной эрозии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 620.193.1:621.165.51:669.018

ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ УСТОЙЧИВОЙ КАПЛЕУДАРНОЙ ЭРОЗИИ

© 2012 г. В.Н. Вараека, О.В. Кудрякое

Донской государственный технический Donskoy State Technical University,

университет, г. Ростов-на-Дону Rostov-on-Don

Приводятся данные эрозионных стендовых испытаний образцов из аустенитной стали 08Х18Н10Т. С использованием методик сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения показано, что каплеударная эрозия на развитой переходной и асимптотической стадиях включает кавитационную составляющую. Описан кавитационно-усталостный механизм формирования эрозионных свищевых каналов, формирующихся в процессе разрушения пластичных материалов при каплеударном воздействии.

Ключевые слова: каплеударная эрозия; кавитация; усталость металла; износ; разрушение; аустенитная сталь; лопатки турбин.

In article the data of erosive bench tests of samples from austenitic steel AISI 304 is cited. By the use of techniques of scanning electronic microscopy of the high permission it is shown that droplet-shock erosion at the developed transitive and asymptotic stages includes a cavitational component. The cavitation-fatigue mechanism offormation of the erosive knot hole channels, which are formed in the course of destruction ofplastic materials at droplet-shock influence, is described.

Keywords: droplet-shock erosion; cavitation; fatigue of metal; erosive wear; destruction; austenitic steel; steam turbine blades.

Введение

Настоящая статья представляет собой продолжение микроструктурных и фрактографических исследований металлических сплавов и покрытий в условиях каплеударного воздействия, начатых авторами в работах [1, 2], где описаны механизмы пластической деформации, формирования системы трещин, зарождения и развития кратеров эрозионного разрушения, т. е. тех процессов, которые характерны для начальных стадий каплеударной эрозии. В предлагаемой работе исследуются и анализируются механизмы изнашивания в период развитой (устойчивой) капле-ударной эрозии, когда эрозионный рельеф поверхности уже сформирован. По принятой классификации этот период относится к заключительной части переходной и к асимптотической стадиям.

На практике в условиях каплеударной эрозии работают, например, такие элементы энергетического оборудования, как рабочие лопатки последних ступеней мощных паровых турбин, где в остывающем паре конденсируется капельная водная взвесь. Паровой поток при этом становится двухфазным и входит в контактное взаимодействие с поверхностями лопаток, вращающихся с линейной скоростью в несколько сотен метров в секунду. Среди параметров, формирующих износ лопаточного аппарата в этих условиях, такие разнородные характеристики, как конструктивные особенности и режим работы турбины, наличие и устойчивость жидких пленок на различных элементах

проточной части турбин, включая поверхности лопаток, геометрия лопаток, кинетические параметры двухфазного потока, состав и дисперсность жидкой фазы потока и её распределение по поверхности лопатки, структура и свойства материала лопаток. Сюда следует также добавить такие трудно поддающиеся учету динамические явления, как вибрация, динамические напряжения в конструкции, постоянно меняющийся рельеф разрушающихся функциональных поверхностей (лопаток). Учесть весь этот комплекс параметров и создать исчерпывающую модель оценки и прогнозирования эрозии лопаток до настоящего времени не удалось. Поэтому в вопросах каплеударного эрозионного изнашивания рабочих лопаток паровых турбин большое значение придается экспериментальным исследованиям по изучению тех или иных отдельных параметров и воссоздание по ним общей картины процесса эрозии.

Экспериментальная часть

Учитывая перечисленные сложности, основным источником опытных данных по каплеударной эрозии служат обычно стендовые испытания специальных образцов. Результатом таких испытаний является кривая эрозионного изнашивания. При испытаниях одного и того же материала с разными параметрами соударения капель на графике получается семейство кривых износа. Схематический вид такого семейства приведен на рис. 1.

Мп

Асимптотический этап

Переходный этап

Инкубационный этап

Время t

воздействия капель эродента (воды) на образец. Оно может быть также выражено в количестве израсходованного эродента (кг/м2). По оси ординат расположен показатель интенсивности износа образцов (масса металла образца, унесенная с площади эрозионной дорожки шириной Ь, - см. рис. 2).

L

V. п

_1

U 1

Q)

Рис. 1. Схематическое изображение семейства кривых (1, 2, 3) эрозионного износа одинаковых образцов при различных режимах соударений - скорости полета капли У0 и её радиусе R

Каплеударный эрозионный износ имеет три характерных периода: инкубационный, переходный и асимптотический. При относительно небольшом количестве ударов капель, которое возможно получить на стенде, каждый из них является практически линейным. Если для инкубационного и переходного периодов линейное приближение вполне корректно [3 - 5], то данные по длительной эксплуатации лопаток показывают, что кривая износа на асимптотической стадии далека от линейной. Каплеударный эрозионный износ формируется под действием локальных циклических ударных нагрузок, поэтому в значительной степени является усталостным процессом и описывается сложной степенной функцией [6 - 9]. В силу этого обстоятельства, а также из-за специфики проведения испытаний (фронтальный характер соударений, фиксированный размер капли, плоская поверхность образцов и т.д.) и ограниченного ресурса времени работы испытательного стенда, которое не превышает нескольких часов, по полученным кривым износа трудно делать прогнозы о долгосрочном (десятки тысяч часов эксплуатации) износе лопаток. От этого особую ценность приобретает точное знание механизмов эрозионного изнашивания на асимптотической стадии, изучению которых и посвящена настоящая работа.

Для испытаний использовали образцы специальной грибовидной формы из аустенитной стали 08Х18Н10Т с твердостью 1850 МПа. Каплеударная эрозия моделировалась на уникальном эрозионном стенде НИУ-МЭИ «Эрозия-М» [3] в виде воздействия на образец монодисперсного водно-капельного потока, схема которого показана на рис. 2. Параметрами соударения капель с мишенью (поверхностью образца) являются диаметр ^ (или радиус Я) капли и скорость образца У0.

Результаты проведенных стендовых испытаний представлены на рис. 3 в виде кривых эрозионного изнашивания. Время воздействия, расположенное на графике по оси абсцисс, характеризует интенсивность

Рис. 2. Схема взаимодействия образцов с каплями жидкости;

L - ширина эрозионного следа (дорожки, канавки)

Унос массы, г 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 Время экспонирования, мин

Рис. 3. Графики каплеударного эрозионного износа стали 08Х18Н10Т с мелким (18 мкм, образец Т4) и крупным (110 мкм, образец 1) зерном при V0= 250 м/с и dk = 1000 мкм

Структурные и фрактографические исследования выполнены с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) высокого разрешения «Tescan Mira LMU» в режиме топографического контраста.

Исследовательская часть

Для создания расчетной модели асимптотического периода эрозионного изнашивания необходимо понимание физических процессов, определяющих специфику каплеударного износа металла на этой стадии. Как указывалось в наших предыдущих публикациях (см., например, [1]), характерной особенностью эрозии асимптотического периода является то, что она происходит в условиях специфического конусообразного эрозионного рельефа, сформированного на поверхности образца в течение переходного периода, причем этот рельеф непрерывно меняется в ходе воздействия эродента. Рельеф вызывает дробление капель, снижает их кумулятивное воздействие на поверхность металла и уменьшает тем самым скорость эрозии на асимптотической стадии по сравнению с переходной.

Если на инкубационной и переходной стадиях ка-плеударное воздействие представляет собой соударение нежесткого индентора (капли) с практически ровной поверхностью металла и может быть описано и рассчитано по законам механики контактного разру-

d

0

шения (что и сделано в наших работах [1, 2]), то на асимптотической стадии большая часть поверхности капли при ударе входит в соприкосновение с поверхностью воды, заполняющей углубления эрозионного рельефа. Это легко можно себе представить, глядя на эрозионный след (дорожку), образуемый на поверхности образца, монодисперсным водно-капельным потоком при стендовых испытаниях - рис. 4.

Вращение образца прижимает жидкость к его поверхности, а наличие эрозионного рельефа не дает капле возможности растекаться по поверхности. Поэтому при сформированном эрозионном рельефе на асимптотической стадии кинетическая энергия летящей капли большей частью перераспределяется в водной среде, заполняющей рельеф. В таком случае доминирующую роль при взаимодействии капли с образцом будут играть гидродинамические процессы. Эта мысль подтверждается некоторыми специфическими особенностями фрактографического рельефа, наблюдаемыми на стенках эрозионной канавки. Эти особенности приведены на рис. 5. Они представляют собой углубления глобулярной формы на поверхности эрозионного кратера или канавки. Разброс значений диаметров углублений лежит в достаточно широком интервале от 1 мкм до нескольких десятков микрометров. Образовавшись на стенке кратера в виде не-

большого углубления (рис. 5 а), по мере эрозионного воздействия они увеличиваются в диаметре и углубляются в тело металла (рис. 5 б-г). Причем углубление идет значительно быстрее, чем расширение. Поэтому углубления довольно быстро трансформируются в каналы (рис. 5 д), выходящие на поверхность металла на некотором расстоянии от кратера (рис. 5 е).

Правильная геометрическая форма каналов позволяет предположить, что они имеют кавитационную природу. Нестационарные гидродинамические режимы перемещения жидкости в эрозионной канавке при капельных ударах и весьма разветвленный характер полостей кратеров, составляющих канавку, вполне могут приводить как к пузырьковой, так и к более развитой вихревой стадиям кавитации.

Как известно [10], кавитация возникает в тех локальных областях потока жидкости, где наблюдается резкий переход от низкого давления Р и высокой скорости V к высокому давлению с низкой скоростью. В таких областях происходит «разрыв» жидкости, т. е. возникает кавитационная полость. Источником пузырьков кавитации являются, в частности, микротрещины на поверхности стенок. Как видно из рис. 5, топография эрозионного рельефа (канавки) полностью благоприятствует выполнению этих условий при каплеударном воздействии на поверхность жидкости, заполняющей углубления рельефа.

Рис. 4. Эрозионная дорожка на разных образцах из стали 08Х18Н10Т: а - вид дорожки в направлении, перпендикулярном поверхности образца; б - вид дорожки под углом 50 град; в - поперечное сечение дорожки у поверхности образца

ш

к-

L"—. ..v ■ -I

Рис. 5. Фрактогафические особенности эрозионного рельефа, наблюдаемые на асимптотической стадии каплеударной эрозии стали 08Х18Н10Т: а - е - последовательные стадии развития кавитационных повреждений металла

Возможность возникновения кавитации можно количественно оценить по величине безразмерного числа кавитации ст:

2 (Р - Ркр )

PqV 2

(1)

Р„ =

Qm_ uVqQR2PQ

(2)

Более общее условие для величины ст может быть получено из формул (1) и (2) при £ = пг2 и Уф У0:

ч 2

rvq

rV

< 2,0.

(3)

где Р - давление жидкости в потоке; V - скорость потока жидкости; р0 - плотность жидкости; Ркр -давление, при котором возникает кавитация; обычно это давление насыщенных паров жидкости, которое для воды при температуре 25...100 °С составляет 0,003...0,1 МПа.

Для расчета ст по упрощенной методике примем, что давление Р соответствует максимальному контактному напряжению Рт, которое летящей каплей в момент соударения оказывается на поверхность жидкости, заполняющей эрозионную канавку. По закону Паскаля такое же давление без потерь передается в каждую точку жидкости и оказывается на каждую единицу поверхности стенки канавки. В соответствии с теорией ударного износа Эванса Рт определяется как максимальная контактная нагрузка Qm, отнесенная к площади контакта £ [2, 11]:

£ 2£

Максимальным значением, которое может принимать величина £, является площадь среднего сечения капли £тах =nR2. Как показывают наши исследования, на асимптотической стадии при сформировавшемся эрозионном рельефе среднестатистическое значение £ всегда меньше £тах, что приводит к дроблению капли и снижению скорости эрозии на этой стадии (по сравнению с переходной стадией). Эрозионный рельеф имеет конусообразную морфологию -см. рис. 4 б, в. Его углубления можно смоделировать в виде совокупности плотно сдвинутых на плоскости одинаковых конусов радиусом г, расположенных вертикально, вершиной к основному металлу [1]. Поэтому в качестве площади контакта £ при соударении капли с водой, заполняющей углубления эрозионного рельефа, следует рассматривать величину £ = пг2 < £тах с геометрическим параметром эрозионного рельефа г < R.

Если для оценки величины числа кавитации ст принять наиболее простой набор значений, т. е. £ = £тах и V = У0, то из выражений (1) и (2) получим: ст « 1,0.

Причем в этом случае величина ст не зависит от конкретных значений переменных R и У0 в силу малости значения Ркр = 0,1 МПа по сравнению с Рт = = 31,2 МПа (при У0= 250 м/с).

Полученное значение ст «1,0 соответствует интервалу чисел кавитации, характеризующих пузырьковую кавитацию, для которой 0,8 < ст < 2,0. При более высоких значениях ст возникновение кавитации маловероятно, а при снижении величины ст кавитационная полость (каверна) увеличивается в объеме. Так, например, интервал 0 < ст < 0,2 соответствует большой и устойчивой каверне, наблюдаемой при обтекании жидкостью дискообразных, крыловидных и т.п. профилей.

При выполнении этого условия в эрозионном рельефе будет наблюдаться процесс кавитации. Очевидно, что для выполнения условия (3) пары значений г^ и У-У0 не должны значительно различаться.

Таким образом, проведенная оценка числа ст позволяет говорить об участии кавитации в рассматриваемом процессе каплеударной эрозии. Наличие кавитационной составляющей в эрозионном процессе определяется значениями соотношения (3), которое требует более глубокого анализа, но, по-видимому, для рассматриваемых в настоящей работе параметров каплеударной эрозии соответствует стадии пузырьковой кавитации.

Известно, что кавитация обычно начинается в мельчайших трещинах на поверхностях, ограничивающих жидкость, где зарождаются кавитационные «ядра» в виде микроскопических пузырьков. Каждый кавитационный пузырек, формируясь из такого ядра, растет до конечных размеров, после чего схлопывает-ся. При ударе капли турбулентное (микровихревое) перемешивание воды в канавке с очень разветвленным рельефом стенок, имеющих большое количество микротрещин, создает все предпосылки для возникновения пузырьковой кавитации (в виде локальных перепадов скоростей и давлений на рельефе и зарождения ядер пузырьков в трещинах рельефа). Схлопыва-ние (взрыв) пузырьков кавитации вблизи стенки канавки вызывает кумулятивный эффект, оставляющий характерный след с правильной (глобулярной) геометрией, которые и представлены на рис. 5.

Судя по характеру эрозионных повреждений, ка-витационное воздействие быстрее интенсифицируется и развивается в уже существующих глобулярных кавернах (где, по-видимому, легче формироваться кави-тационным пузырькам), чем на новых поверхностях стенок эрозионной канавки. Время схлопывания кави-тационного пузырька составляет от 10 мкс до 50 мс, что позволяет характеризовать этот процесс как взрыв. Причем, если пузырек сформировался в углублении стенки канавки и со стороны жидкости он испытывает давление удара капли, то взрыв получается направленным (по нормали к стенке канавки), т. е. создается кумулятивный эффект взрывного «продав-ливания» эрозионного канала - образуется свищ. Таков, по нашему мнению, механизм появления свищевых каналов, в большом количестве наблюдаемых в пластичных материалах, подверженных каплеударной эрозии. Иллюстрации этого процесса в образцах из стали 08Х18Н10Т представлены на рис. 6.

Об уровне напряжений, возникающих при кавитации, можно судить по характерным следам интенсивной пластической деформации металла образца в местах выхода свищей на поверхность (рис. 6 а-д). Рис. 6 е хорошо иллюстрирует механизм формирования эрозионного рельефа на асимптотической стадии каплеударной эрозии: увеличение размера эрозионной

ст

а =

канавки происходит путем отделения (выкрашивания) микрообъема металла, под которым проходит свищевой канал.

Для завершения фрактографической картины эрозионного изнашивания образцов на асимптотической стадии, рассмотрим внутреннее строение эрозионных свищевых каналов, представленное на рис. 7. Из приведенных иллюстраций хорошо видно, что удлинение свища сопровождается высокими тангенциальными растягивающими напряжениями, достаточными для образования магистральной трещины, расположенной вдоль всего русла свищевого канала (рис. 7 а, б).

Удлинение канала происходит дискретно и сравнительно равномерно (в соответствии с циклами на-гружения), на что указывает ступенчатый рельеф его

внутренней поверхности (рис. 7 в). Такой рельеф характерен для усталостных процессов. Наблюдаемая протяженность отдельных ступеней составляет 1 - 2 мкм за каждый цикл нагружения. Характерный ступенчатый усталостный рельеф наблюдается не только в русле свищей, но и на многих боковых поверхностях эрозионных кратеров и канавки (рис. 7 г, д).

По литературным данным, скорость роста усталостной трещины для материалов с вязкостью разрушения К1С = 10.. .100 МПа-м'2 составляет 0,1.. .1,0 мкм за цикл [12 - 15]. Наблюдаемые нами экспериментальные значения скорости роста свищевого канала (аналога усталостной трещины в условиях каплеударной эрозии), как уже указывалось, - более высокие и составляют 1 - 2 мкм.

где Рис. 6. Эрозионные свищевые каналы, формирующиеся по механизму кавитации при каплеударной эрозии стали 08Х18Н10Т: а - д - выходы свищей на поверхность образца; е - поперечный микрошлиф эрозионной канавки со свищевым каналом, выходящим на поверхность в 750 мкм слева от канавки

г д

Рис. 7. Усталостный характер разрушений на асимптотической стадии каплеударной эрозии стали 08Х18Н10Т: а - в - внутреннее строение эрозионного свищевого канала; г, д - усталостный рельеф поверхностей эрозионной канавки

Это можно объяснить не только высокой пластичностью испытанных образцов стали 08Х18Н10Т, вязкость разрушения которых составляла К1С = 118 МПа-м/2, но и участием кавитационной составляющей в процессе циклического нагружения. То есть при капле-ударном воздействии дополнительный кумулятивный эффект кавитации увеличивает скорость усталостного разрушения металла, наблюдаемого в виде эрозионного свищевого канала.

В качестве промежуточного вывода к этой части работы можно сделать следующее заключение: при использовании покрытий для защиты от каплеударной эрозии, они будут эффективны только на стадии сохранения целостности покрытия. При углублении эрозионных кратеров из покрытия в основной металл, в нем будут развиваться кавитационные процессы. В частности, при достаточной пластичности основного металла в нем могут формироваться эрозионные свищевые каналы, т. е. каплеударная эрозия в этом случае будет развиваться под покрытием. Такое «разрыхление» основного металла приведет и к быстрому разрушению покрытия, которое остаётся без «опоры». В методическом плане этот вывод дает основание проводить сравнение эффективности защиты покрытий от каплеудар-ного воздействия по единственному параметру - продолжительности инкубационной стадии эрозии, т. е. по времени, когда сохраняется целостность покрытия.

Таким образом, выполненные фрактографические СЭМ-исследования позволяют характеризовать механизм асимптотической стадии каплеударного эрозионного изнашивания как кавитационно-усталостный.

Выводы

1. Процесс каплеударного эрозионного изнашивания на асимптотической стадии при сформировавшемся эрозионном рельефе развивается под влиянием двух противоположно направленных векторов сил: дробления капель, замедляющего эрозионный износ по сравнению с переходной стадией, и пузырьковой кавитации, интенсифицирующей усталостный механизм износа. В целом же механизм эрозионного разрушения на асимптотической стадии может быть охарактеризован как кавитационно-усталостный.

2. Фрактографической особенностью формирования эрозионного рельефа в высокопластичных материалах при каплеударном воздействии является образование свищевых каналов. Каналы развиваются под

Поступила в редакцию

действием кавитации и располагаются параллельно поверхности металла.

3. Наличие кавитации и свищевых каналов в эрозионном рельефе должно учитываться при разработке или выборе защитных антиэрозионных покрытий: их механических свойств, толщины и сочетании с основным металлом.

Представленные результаты получены в рамках выполнения научно-исследовательских работ по Государственному контракту № 02.740.11.0813.

Литература

1. Закономерности и параметры каплеударной эрозии титановых сплавов / В.Н. Варавка [и др.] // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 6. С. 92 - 98.

2. Варавка В.Н., Кудряков О.В. Прочность и механизмы разрушения высокопластичных материалов при воздействии дискретного водно-капельного потока // Вестн. ДГТУ. 2011. Т. 11, № 8(59), вып. 2. С. 1376 - 1384.

3. Селезнев Л.И., Рыженков В.А. Оценка длительности инкубационного периода эрозионного износа конструкционных материалов // Теплоэнергетика. 2005. № 4. С. 61 - 63.

4. Селезнев Л.И., Рыженков В.А. Эрозионный износ конструкционных материалов // Технология металлов. 2007. № 3. С. 19 - 24.

5. Селезнев Л.И., Рыженков В.А., Медников А.Ф. Феноменология эрозионного износа материала конструкционных сталей и сплавов жидкими частицами // Теплоэнергетика. 2010. № 9. С. 12-16.

6. Engel P.A. Analysis and design for zero impact wear // Trans. ASME: J. Lubric. Technol. 1974. Vol. 96. № 3. P. 171 - 183.

7. Engel P.A. Impact Wear of Materials. Amsterdam; Oxford; New-York, 1976. 340 p.

8. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе. М., 1982. 192 с.

9. Рыжов Э.В., Колесников Ю.В., Суслов А.Г. Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках. Киев, 1982. 172 с.

10. Пирсол И. Кавитация : пер. с англ. М., 1975. 95 с.

11. Evans A.G., Guiden M.E., Rosenblatt M. Impact damage in brittle materials in the elastic-plastic response regime // Proc. Roy. Soc. Lond., Ser. A. 1978. Vol. 361. № 1706. P. 343 - 365.

12. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение. М., 1980. 280 с.

13. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов / под ред. С.Я. Яремы: пер. с польск. М., 1990. 623 с.

14. Терентьев В.Ф. Стадийность процесса усталостного разрушения металлических материалов // Металлы. 1996. № 6. С. 14 - 20.

15. Терентьев В.Ф., Оксогоев А.А. Циклическая прочность металлических материалов. Новосибирск, 2001. 61 с.

1 марта 2012 г.

Варавка Валерий Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Физическое и прикладное материаловедение», руководитель НОЦ «Материалы», Донской государственный технический университет. Тел. (863) 2738442. E-mail: vvaravka@dstu.edu.ru

Кудряков Олег Вячеславович - д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник НОЦ «Материалы», Донской государственный технический университет. Тел. (863) 2738519. E-mail: kudryakov@mail.ru Varavka Valery Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Physical and applied science of material», head of scientifically-educational center (SEC) «Materials», Donskoy State Technical University. Ph. (863) 2738442. E-mail: vvaravka@dstu.edu.ru

Kudryakov Oleg Vjacheslavovich - Doctor of Technical Sciences, professor, main research assistant of SEC «Materials», Donskoy State Technical University. Ph. (863) 2738442. E-mail: vvaravka@dstu.edu.ru