CC BY
25
The components of the method of assessing the level of maturity of the organization are considered using the example of a machine tool enterprise. The main stages of evaluation based on fuzzy modeling theory are defined. The informative aspects of stages of identification and formalization of knowledge of subject area are considered. This is an example of generating a base variable scale. Process identification is performed, an example of the node tree of the process network model is presented.
Key words: process management, process model, organization maturity level, self-assessment, fuzzy modeling.
Dimitrova Lyubov Azatovna, senior lecturer, kaf-qm@,donsnu.ru, Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
УДК 005 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-554-561
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ, НАНЕСЕННЫХ МЕТОДОМ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ НА ДЕТАЛИ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Е.К. Савич, Д.В. Антипов
Разработана типовая модель оценки рисков потенциальных отказов конструкции покрытия, нанесенного методом газотермического плазменного напыления на детали газотурбинных двигателей. Модель построена на основе анализа видов и последствий потенциальных несоответствий конструкции (DFMEA). Проведен структурный и функциональный анализ конструкции покрытия. Определены отказы, возникающие вследствие невыполнения покрытием своей функции. Установлены потенциальные причины и последствия возникновения отказов. Проведена оценка рисков возникновения отказов и установлен приоритет действий для устранения данных рисков. В результате анализа разработаны мероприятия по повышению качества конструкции покрытия, нанесенного методом газотермического плазменного напыления.
Ключевые слова: модель, качество, риск, отказ, напыление, покрытия, процесс, анализ.
Для повышения качества и экономической эффективности газотурбинных двигателей (ГТД) требуется повышение долговечности составных деталей этих двигателей. Наибольшее внимание уделяется деталям горячего тракта ГТД. Их рабочие поверхности подвергаются интенсивному износу и разрушению от воздействия высоких и переменных температур. Повышение ресурса, надежности и качества деталей ГТД, работающих в высокотемпературных режимах возможно за счет нанесения на поверхности деталей специальных защитных покрытий. Существует множество методов нанесения защитных покрытий. Одним из наиболее универсальных, высокопроизводительных, экономически эффективных - является метод газотермического плазменного напылении.
Защитные покрытия, нанесенные методом газотермического плазменного напыления, позволяют изменять физико-химические свойства исходных поверхностей деталей, обеспечивая заданные условия эксплуатации [1]. На рис. 1, представлен ГТД и детали с плазменными покрытиями.
Камера сгорания
Блок соплового аппарата
Жаровая труба
Радиально торцевые контактные уплотнения компрессора
Турбинные лопатки
Рис. 1. Продольный разрез типичного ГТД с указанием деталей и узлов с плазменными покрытиями
Проводится обширный комплекс работ по поиску и созданию новых систем покрытий и технологий их нанесения для повышения качественных характеристик деталей ГТД. Наиболее зарекомендовавшей себя является система плазменного теплозащитного покрытия, состоящая из двухслойного покрытия с градиентным изменением свойств. В качестве материала внешнего (керамического) слоя наибольшее распространение получил диоксид циркония. Его достоинствами являются относительно высокий температурный коэффициент линейного расширения и низкая теплопроводность. Внутренний (металлический) подслой, состава Me-Cr-Al-Y. Конструкция и микроструктура теплозащитного покрытия системы металл-керамика (Ni-Co-Cr-Al-Y + ZrO2/8Y2Oз) в 200-кратном увеличении представлены на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция и микроструктура теплозащитного покрытия системы металл-керамика (№-Со Сг-Л1-У+2г02/8У20з)
Однако, в настоящее время, не существует методики оценки качества нанесенных защитных покрытий.
Классический подход к управлению качеством продукции предлагает использование методики FMEA анализа, который позволяет выявить потенциальные отказы и разработать мероприятия по их оптимизации и устранению.
FMEA конструкции (DFMEA) представляет собой процедуру анализа первоначально предложенной конструкции технического объекта. Это процедура, используемая в основном в технике для изучения возможности неудачного проектирования. Результатом анализа является документ, который включает основные функции конструкции и анализирует потенциальные причины возникновения отказов.
DFMEA в соответствии с первым международным руководством по анализу неисправностей и последствий отказов [2] предполагает проведение следующих стадии:
1) структурный анализ;
2) функциональный анализ;
3) анализ отказов;
4) оценку рисков;
5) разработку мероприятий по снижению рисков.
В данной работе рассматривается методика применения DFMEA для повышения качества конструкции покрытий, нанесенных газотермическим плазменным напылением на детали ГТД. Данный метод помогает улучшить конструкцию покрытий и предусмотреть необходимые меры в технологии нанесения покрытий, предупреждая появление и снижая комплексный риск возникновения дефектов.
Для проведения анализа DFMEA была сформирована команда из пяти специалистов в области упрочнения поверхности деталей путем нанесения защитных покрытий, был определен план проведения DFMEA анализа и сформированы основные требования к конструкции покрытий.
Структурный анализ конструкции
В данной статье рассмотрено теплозащитное покрытие, нанесенное методом газотермического плазменного напыления на лопатки турбины ГТД. На рис. 3 представлен внешний вид лопатки до нанесения защитного покрытия (лопатка, расположенная на фото снизу) и после нанесения защитного покрытия (лопатка, расположенная на фото сверху).
Рис. 3. Внешний вид лопатки турбины до нанесения защитного покрытия (нижняя) и после нанесения защитного покрытия (верхняя)
После детального анализа лопатки с покрытием, для проведения DFMEA было построено дерево структурного анализа, представленное на рис. 4.
внешний керамический слой
Внутренний металлический слой {подслой}
Рис. 4. Дерево структурного анализа лопатки с покрытием
556
Функциональный анализ конструкции. После рассмотрения структурных элементов конструкции были определены функции данных структурных элементов, описывающие их предназначение. Результатом функционального анализа стало дерево функционального анализа, представленное на рис. 5.
Лопатка с покрытием
Функция: увеличить мощность, повысить ресурс и срок службы ГТД
Покрытие, нанесенное методом газотермического плазменного напыления
Функиия:
увеличить ресурс и надежность детали
Внутренний металлический слой (подслой)
Функция: связать поверность детали с внешним керамическим слоем
Внешний керамический слой
Функция: снизить тепловую нагрузку на поверхность детали
Рис. 5. Дерево функционального анализа конструкции
После проведения структурного анализа и функционального анализа заполняется бланк протокола DFMEA «Этап 2» и «Этап 3», фрагмент бланка представлен на рис. 6.
Постоянное улучшение Структурный анализ (Этап 2) Функциональный анализ (Этап 3)
№ История изменений, если приемлемо 1. Следующий верхний уровень системы 2. Рассматриваемый элемент 3. Следующий или нижний уровень или тип харакг еристики 1. Функция и требования следующего ферхнего уровня 1.Функция и требование рассматрив аемого элемента 3. Функция и требование следующего нижнего уровня
1 Лопатка с покрытием Покрытие, нанесенное методом газотермического 1. Внешний керамический слой Увеличить мощность, повысить ресурс и срок службы ГТД Увеличить ресурс и надежность детали 1. Снизить тепловую нагрузку на поверхность детали
напыления 2. Внутренний металлический слой (подслой) 2. Связать поверность детали с внешним керамическим слоем
Рис. 6. Фрагмент бланка протокола DFMEЛ «Этап 2» и «Этап 3»
Анализ отказов. Так как, отказом является нарушение работоспособности объекта, при котором система или элемент перестает выполнять целиком или частично свои функции, то при невыполнении покрытием, нанесенным методом плазменного газотермического напыления, основной функции могут возникать следующие отказы:
- низкая адгезионная прочность;
- низкая когезионная прочность;
- низкая термостойкость;
- низкая корозионная стойкость;
- низкая жаростойкость;
- недостаточная толщина покрытия;
- высокая шероховатость поверхности покрытия.
Также для каждого отказа были определены потенциальные причины возникновения отказов и последствия возникновения отказов. После проведения анализа было построено дерево отказов, представленное на рис. 7.
Оценка рисков. Для каждого последствия отказа был определен критерий значимости S при помощи таблицы общих критериев оценки значимости [2]. Результаты оценки занесены в «Этап 4» таблицы бланка протокола DFMEA (рис. 8).
Лопатка с покрытием
Функция: »аелцуцтр мощности,
ГТД ре ***
последствии отназа: потеря работоспособности снижение срока служба ГТД
Лопатка без покрытия
Покрытие, нанесенное методом газотермического
Функция:
увеличить ресурс и надежность детали
Отказ.
низкая жаростойкость
недостаточная толщина покрытия высокая шероховатость
поверхности
Рис. 7. Дерево отказов рассматриваемого элемента
Полученные значения значимостей последствий отказов показывают, что значимость последствий будет умеренно-высокой для всех отказов (оценка 8) и может привести к потере работоспособности изделия и (или) снижению срока его службы. Возникновение отказа приведет к значительным затратам потребителя изделия.
Рис. 8. Фрагмент бланка БЕМБА «Этап 4», «Этап 5» и «Этап 6»
558
Следующим этапом для каждой потенциальной причины отказа определена оценка возможности возникновения отказа (О) и оценка мер обнаружения отказа (О). Данные оценки проставлялись с помощью таблиц критериев возможности возникновения (О) и оценки обнаружения (р) [2].
Выявлено, что нет мер по предупреждению таких причин отказа как: неудовлетворительная степень проплавленности частиц как металлического, так и керамического порошкового материала, используемого непосредственно для нанесения покрытия и структуры нанесенного металлического и керамического слоев. Следовательно, данные причины имеют чрезмерно высокую оценку возможности возникновения отказов (оценка 10). Также высокую возможность возникновения отказа (оценка 7) имеет грануляция частиц. Остальные отказы имеют низкую возможность возникновения.
При оценке возможности обнаружения причин отказов (О) было определено, что большая часть причин отказов имеет умеренную и высокую способность обнаружения (оценка D равна 6 и 4). В частности данные причины отказов возможно обнаружить путем внесения в техпроцесс нанесения покрытия операций контроля.
После получения оценок значимости возможности возникновения (О) и возможности обнаружения (О) в результате их сочетания был установлен приоритет действий для устранения рисков возникновения отказов (H(high), M(medium), L(low)).
Высокий приоритет (Н) получили причины:
- неудовлетворительная степень проплавленности частиц как металлического, так и керамического порошкового материала;
- структура нанесенного металлического и керамического слоев;
- грануляция частиц напыляемого металлического и керамического порошка.
Причин со средним приоритетом рассмотрения и принятия мер (М) выявлено
не было.
Низкий приоритет для рассмотрения и принятия мер (Ь) получили причины:
- наличие окисной пленки на поверхности слоя;
- химический состав напыляемого порошка.
Разработка мероприятий по снижению рисков
Следующим этапом проведена оптимизация полученных данных. Определены действий для улучшения мер предупреждения причин возникновения отказов в конструкции теплозащитных покрытий. Бланк протокола DFMEA представлен на рис. 8.
Результатом проведения DFMEA анализа стал разработанный перечень мероприятий, направленных на повышения качества конструкции ТЗП, нанесенного методом газотермического плазменного напыления.
Для анализа влияния грануляции частиц порошкового материала необходимо провести исследование влияния гранулометрического состава порошка на качество покрытия.
Для детального анализа степени проплавленности частиц порошкового материала ключевым мероприятием является проведение исследования нагрева и плавления напыляемого порошкового материала в плазменной струе, которое позволит оптимизировать конструкцию покрытия за счет получения слоистой структуры.
Для снижения влияния структуры нанесенного покрытия необходимо разработать способ нанесения покрытия для получения такой структуры ТЗП. Главной особенностью данной структуры плазменных покрытий будет являться ее высокая демпфирующая способность, стойкость к знакопеременным механическим и температурным напряжениям, а также способность локализовать усталостные повреждения и микротрещины внутри зерна кристаллита, не давая трещинам возможность прорасти до конструкционного материала основы детали.
Данные мероприятия позволят повысить эксплуатационные характеристики деталей ГТД, а следовательно и увеличить мощность, экономичность и эффективность работы современных газотурбинных двигателей.
Список литературы
1. Барвинок В.А. Плазма в технологии, надежность, ресурс. М.: Наука и технологии, 2005. 452 с.
2. AIAG & VDA FMEA Handbook-2019 FMEA Handbook: Failure Mode and Effects Analysis (Reference Manual).
Савич Екатерина Константиновна, аспирант, ассистент, sav-ich.ekaterina@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева (Самарский университет),
Антипов Дмитрий Вячеславович, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой, con-expert@mail. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П.Королева (Самарский университет)
IMPROVING THE QUALITY OF COATINGS APPLIED BY GAS-THERMAL PLASMA SPRAYING ON PARTS OF GAS TURBINE ENGINES
E.K. Savich, D.V. Antipov
A standard model for assessing the risks of potential failures of the coating structure applied by the method of gas-thermal plasma spraying on the parts of gas turbine engines has been developed. The model is based on the analysis of the types and consequences of potential design inconsistencies (DFMEA). The structural and functional analysis of the coating structure is carried out. The failures resulting from the failure of the coating to perform its function are determined. The potential causes and consequences of failures have been identified. The failure risk assessment was carried out and the priority of actions to eliminate these risks was set. As a result of the analysis, measures were developed to improve the quality of the coating structure applied by the method of gas-thermal plasma spraying.
Key words: model, quality, risk, failure, deposition, coatings, process,
analysis.
Savich Ekaterina Konstantinovna, postgraduate, assistant, sav-ich.ekaterina@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva (Samara University),
Antipov Dmitry Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, con-expert@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev (Samara University)
