В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак icon

В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак




Скачати 120.11 Kb.
НазваВ. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак
Дата16.08.2012
Розмір120.11 Kb.
ТипДокументи



В існик НАУ. 2004. №2

УДК 620.178.16:621.793:621.438

1С.Р. Ігнатович, д-р техн. наук 2В.Й. Орланов, канд. техн. наук

3О.І. Чумак

РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ НАНЕСЕННЯ НІТРИДНИХ

ПОКРИТТІВ НА ЛОПАТКИ ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ


Аерокосмічний інститут НАУ,

e-mail: 1ignatovich @ nau.edu.ua.; 2,3sad @ nau.edu.ua

Розглянуто покриття TiN на компресорних лопатках газотурбінних двигунів, що отримані за допомогою технологічної установки на плазмових струменях капілярного імпульсно-періо-дичного плазмотрону. Проведено діагностику поверхні покриттів.
Вступ

Попадання піску та інших твердих частинок в проточну частину компресора призводить до газоабразивного зносу лопаток, що спричиняє
зменшення коефіцієнта корисної дії компресора в цілому. Тому захист компресорних лопаток турбовальних двигунів від газоабразивного зносу відноситься до актуальних задач технологічного забезпечення якості процесу експлуатації авіаційної техніки.

^ Аналіз досліджень і публікацій

Для захисту лопаток компресорів від газоабразивного зносу в даний час застосовують, переважно, технологічні установки типу “Булат” та МАП-1, які працюють за принципом вакуумно-плазмового нанесення плівок TiN на поверхню лопатки [1; 2].

Відомі розробки НПО “Вакууммашприбор” (Росія) по розробці серії плазмо-дугових джерел для нанесення покриттів [3].
Постановка завдання

Вказані установки мають різні вади, такі як енергоємність, висока ціна комплексу, мала продуктивність, невеликі товщини напилення та ін.

Дана робота присвячена розробці технології отримання нітридів титану та їх нанесення на лопатки газотурбінних двигунів у повітрі при атмосферному тиску.

^ Теоретичні підходи до оцінок ефективності

нітридних покриттів

У праці [2] автори висунули нову енергетичну теорію, яка описує кількісно працездатність компресорної лопатки з покриттям. В основу зв’язку зносостійкості композиції з внутрішньою енер-гією покриття взята експериментальна за-лежність:

,

де qнач і qт – питомі зноси зразків на початковому етапі і при нагріванні (до 350 С) в умовах газоабразивного зносу [мг/гсм2]; , – відпо-відні значення макронапружень [МПа] при кімнатній та підвищеній температурі в шарі TiN, нанесеному на стальну лопатку.

У зв’язку з цим вводиться енергетичний еквівалент зносостійкості, який являє собою енергію захищеного шару після зовнішньої дії на лопатку:

, при Еу > Eu,

де Eu – пружна енергія, яка не призводить до зносу шару і q  0; Еу – енергія удару на лопатку; qу – питомий знос після відповідного удару з енергією Еу.

Відомо, що теоретична енергія атомізації [4] для покриття TiN ЕтTiN  1200 кДж/моль, тоді для розробників технології покриття і заданих умов експлуатації потрібно мати мету Eq  EтTiN.

Величина Eq інтегрує в собі весь комплекс властивостей сплав-покриття: опір втоми, склад та структуру покриття, властивість сплаву основи і т. д.

^

До факторів, що призводять до зміни величини qу в процесі газоабразивного зносу відносять умови вібрації та підігріву компресорних лопаток.


Отже, вказаний методичний підхід дозволяє прогнозувати працездатність композицій в реальних умовах експлуатації і шукати шляхи удосконалення конструкцій покриттів, формуючих захисний шар.

^ Отримання плазмових струменів

і порошків металів

при електричному вибуху в капілярі

У основу роботи схеми отримання TiN в по-вітрі при атмосферному тиску покладені фізичні процеси, які виникають при швидкому електричному вибуху проволоки в капілярі з отриманням порошку металу, повітряної та металевої плазми і викидом продуктів через сопло в атмосферу
[5–7], як це показано на рис. 1.

Р
ис. 1. Схема отримання плазмових струменів з частинками порошку металу:

^ 1 – високовольтний трансформатор; 2 – випрямлювач; 3 – конденсатор; 4 – капілярний плазмотрон; 5 – проволока; 6 – мішень; 7 – підпалюючий пристрій;
8 – розрядник; 9 – зарядний опір

Розглянемо роботу такого генератора з позиції введення енергії в проволоку, яка знаходиться в закритому капілярному об’ємі з отвором для викиду продуктів вибуху.

Згідно з працею [5], критерієм отримання частинок з різним діаметром та хімічною природою є залежність від ступеня нагріву

,

де  – виділена енергія в проволоці:

();

j – густина струму через проволоку;  – питомий опір;  – щільність; t – час; s – енергія сублімації матеріалу проволоки.

При  < 1 частинки утворюються крапельним та конденсаційним шляхом, при  >> 1 основний механізм утворення порошків – на центрах конденсації (іонах плазми).

Одночасно на спектральну характеристику розсіювання розмірів частинок впливає хімічна активність плазми газу (повітря). В плазмі газу в капілярі та на виході плазмового струменя ідуть реакції метал-іон, а також ідуть реакції іон металу-іон газу (кисень, азот).

Під час вибуху в капілярі піднімається тиск та температура. Характерний інтегральний час вибуху проволоки значно менший чим час витікання плазми із сопла. Це обумовлює прискорення імпульсної плазми в затопленому просторі.
Значна кінетична енергія плазми спрямовується на мішень, де відбуваються процеси конденсації частинок порошків з виділенням енергії кристалізації та утворенням плівки металу.

У процесі експериментальних досліджень працездатності такої схеми було зафіксовано явище залишку значної кількості енергії, яку неможливо до кінця ввести в розряд. Це пов’язано з тим, що плазмовий імпульс призводить до значного падіння тиску в капілярній камері і розряд зупиняється.

Розглянемо якісно процеси, які ідуть як в самому капілярі, так і при витіканні плазми в нерухоме повітря.

^ Хімічні реакції порошку титану

в низькотемпературній плазмі

з азотом та киснем

в капілярному плазмотроні

На основі теоретичних досліджень [8], опишемо хімічні процеси, які реалізуються в випадку, коли в капіляр встановлюється титанова проволока, яка вибухає.

При цьому ідуть процеси, пов’язані зі зміною розмірів крапель титану та хімічні реакції на поверхні. Одночасно ідуть реакції в плазмі як в капілярі, так і при витоку плазми в нерухоме повітря.

У роботі [8] показано, що в повітряній плазмі ідуть ланцюгові реакції вигляду:

;

;

;

;

.

Експеримент показав, що якщо середовище, де іде вибух титану, наповнити киснем, то утворюється TiO2 і іде реакція 5.

У нашому випадку додатково утворюється новий продукт TiN та іде реакція . Отриманню і вивченню порошків металів присвячено подальші розділи статті.

^ Елементи експериментальної установки

щодо отримання порошків

на основі вибуху титанової проволоки

Технологічна установка з отримання плівок металів на мішені частково описана в праці [5]. Розглянемо більш детально роботу вибухової камери цієї установки.

На рис. 2 наведено основні вузли камери.



Рис. 2. Вибухова камера:

1 – розрядник; 2 – ізолятор; 3 – діелектричний корпус;

4 – корпус камери; 5 – зовнішній корпус; 6 – сопло;

7 – мішень; 8 – ущільнююча шайба; 9 – проволока

Робоча камера виконана із порцеляну, що зменшує кількість домішок при вибуху матеріалу, який попадає в плазму. В установці використовувалась камера з відношенням довжини до діаметра капіляра рівним 10, а діаметр проволоки титану – 0,3510–3 м.

Для герметичності камера капіляра стягується двома стаканами. Проволока 9 вводиться в розрядну камеру з мінімальним зазором.

^ Технологічний процес нанесення

нітридних покриттів на лопатки

компресорів та турбін

Взаємодія потоку іонізованих парів та частинок металу з тілом лопаток компресора супровод- жується конденсацією металу на поверхні лопатки.

У процесі дослідження лопатка компресора розміщалась на відстані (30…40)10–3 м від зрізу сопла.

Перед напиленням лопатка компресора проходила процес очищення соляною кислотою та дистильованою водою.

Залежно від енергії, яка вводилась в розрядний канал, ступінь розширення сопла (F = 3) дозволяв отримувати діаметр напилення до (8,…15)10–3 м. Були проведені дослідження по напиленню нітриду титану також на поверхню турбінних лопаток.

У ручному управлінні установкою виконуються такі технологічні операції. Титанова проволока заправляється в капіляр і перевіряється гальванічний контакт між електродами. Далі виконується операція по герметизації капіляра. Розрядна камера виставляється над лопаткою на заданій висоті, вмикається блок високої напруги і автомат підключає навантаження до батареї конденсаторів. Далі відключається високовольтний блок і гальванічно відключається блок конденсаторів. Оператор дистанційно замикає розрядник. Виникає розряд на проволоці. Потоки плазми вилітають на лопатку компресора. На цьому цикл нанесення плівки закінчується.

^ Діагностика й аналіз якості

нанесених нітридних покриттів

Дослідження фізико-механічних властивостей поверхневих шарів матеріалів, що напиляються, здійснювалось за допомогою приладу МІКРОН-ГАММА методом безперервного вдавлювання індентора.

Метод базується на автоматичній реєстрації навантаження ^ P на індентор та глибини h його проникнення.

Результати подаються у вигляді діаграм навантаження P = f(h), автоматична обробка яких дозволяє в реальному масштабі часу отримати не тільки більш широку, а також і принципово нову інформацію. Це відкриває широкі перспективи в дослідженні фізико-механічних властивостей матеріалів.

Результати вимірювання мікротвердості напилень, нанесених за допомогою капілярного імпульсно-періодичного плазмотрону та на за-водській установці “Булат”, наведені на рис. 3–5 та в таблиці.

Рис. 3. Діаграма навантаження лопатки компресора:

1, 2, 3 – номер вимірювання мікротвердості напилень



Рис. 4. Діаграма навантаження напилення

Ті + ТіN на лопатку компресора:

4, 5, 6 – номер вимірювання мікротвердості напилень



Рис. 5. Сумісна діаграма навантаження напилення ТіN на лопатку компресора, виконаного по заводській технології:

7, 8, 9, 10 – номер вимірювання мікротвердості напилень


^ Результати дослідження

фізико-механічних властивостей матеріалів

(P = 50 cH, V = 5,00 mm/c, T = 0)

Номер

ви-мірю-вання

h, мкм

Ho, ГПа

E, ГПа

S1

S2

Ha, ГПа

1

2,63

6,068

37,6

64,55

44,46

7,555

2

3,02

3,509

30,3

63,96

40,19

4,368

3

3,31

2,451

26,9

75,3

38,63

3,052

4

2,27

9,396

50,2

48,77

40,85

11,69

5

2,84

3,170

37,5

58,96

32,74

3,946

6

2,33

4,647

56,3

53,72

28,5

5,786

7

1,93

13,72

69,8

46,10

34,55

17,08

8

2,25

6,321

54,7

52,54

31,43

7,869

9

3,69

1,628

25,0

64,23

25,13

2,027

10

3,40

1,710

34,1

66,71

25,58

2,129

Висновки

1. Проведено напилення евтектики Ті + ТіN на поверхню пера лопатки компресора високого тиску двигуна Д-36 в повітрі при атмосферному тиску.

2. Аналіз результатів випробувань показує, що при вакуумному напиленні ТіN на установці “Булат” мікротвердість поверхні пера лопатки НА, НО збільшується в 1,72 рази, модуль пружності Е поверхневого шару – в 1,5 раза.

3. У разі напилення евтектики Ті + ТіN з використанням капілярно-імпульсного плазмотрона мікротвердість поверхні пера лопатки НА, НО
збільшується в 1,43 раза, модуль пружності Е поверхневого шару – в 1,52 раза.
^
Список літератури

  1. Копилов А.А., Стяжкин В.А., Векслер и др. К оценке эффективности нитридных покрытий для компрессорных лопаток газотурбинных двигателей // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2002. – Т. 68, № 2. – С. 40–44.

  2. Стежкин В.А., Копылов А.А., Палеева С.Я. Вакуумно-плазменные покрытия системы Ti-N для компрессорных лопаток турбин // Защита металлов. – 2000. – Т. 36, № 3. – С. 328–330.

  3. Гринченко В.Т., Ивановский Г.Ф. Дуговой разряд в вакууме – альтернатива гальваническому напылению покрытий // Вест. АТН РСФСР. – 1991. – №3. – С. 19.

  4. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справ. – М.: Металургия, 1976. – 560 с.

  5. Валевич В.В., Седой В.С. Получение высокодисперсных порошков при быстром электрическом взрыве // Изв. вузов. Фізика. – 1998. – № 6. – С. 70–76.

  6. Истекающие в атмосферу дозвуковые плазменные струи, образуемые капиллярным разрядом / А.П. Ершов, В.В. Розанов, Н.Н. Сысоев и др. // Прикл. фізика. – 1995. – № 2. – С. 36–50.

  7. Структурно-энергетические процессы при электрическом взрыве проводников/ А.П. Ильин, О.Б. Назаренко, Д.В. Тихонов и др. // Изв. вузов. Физика. – 2002. – № 2. – С.31–34.

  8. Кинетика и термодинамика химических ре-акций в низкотемпературной плазме. – М.: Наука, АН СССР, Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева. 1965. – 253 с.

  9. Орланов В.И. Получение металлических пленок в технологической установке на капиллярном плазмотроне // Вест. двигателестроения. – 2002. – № 1. – С. 132–134.

Стаття надійшла до редакції 30.04.04.

С.Р. Игнатович, В.И. Орланов, О.И. Чумак
^

Разработка технологии нанесения нитридных покрытий на лопатки газотурбинных двигателей

Рассмотрены покрытия TiN на компрессорных лопатках газотурбинных двигателей, полученные с помощью технологической установки на плазменных струях капиллярного импульсно-периодического плазмотрона. Проведена диагностика поверхности покрытий.

S.R. Ignatovich, V.I. Orlanov, O.I. Chumak

Development of technology of nitride films manufacture for blades of gas turbine engines


Films of TiN on compressor blades of gas turbine engines are considered. Films are obtained with using plasma jet coater of capillary pulse-periodical plasmatrone. Diagnostics of films surface are performed.

Схожі:

В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconГосударственный стандарт союза сср конструкции и изделия железобетонные радиационный метод определения толщины защитного слоя бетона, размеров и расположения
Л. Г. Родэ, канд техн наук; В. А. Клевцов, д-р техн наук; Ю. К. Матвеев; И. С. Лифанов; В. А. Воробьев, д-р техн наук; Н. В. Михайлова,...
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconСтроительные нормы и правила отопление, вентиляция и кондиционирование сниП 04. 05-91*
Ссср (д-р техн наук Е. Е. Карпис, М. В. Шувалова), вниипо мвд СССР (канд техн наук И. И. Ильминский), мниитэп (канд техн наук М....
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconГосударственный стандарт союза сср трапы чугунные эмалированные технические условия гост 1811-81
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. И. Горбунов, канд техн наук
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconПо делам строительства москва разработан министерством промышленности строительных материалов СССР исполнители
В. А. Лопатин, канд техн наук; Н. Н. Бородина, канд техн наук; Т. А. Мелькумова; В. И. Голикова; Л. Г. Грызлова, канд техн наук;...
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним сортамент гост 6942. 1-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд., техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним общие технические условия гост 6942. 0-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconТрубы чугунные канализационные и фасонные части к ним. Раструбы и хвостовики фасонных частей типы, конструкции и размеры гост 6942. 2-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним отступы конструкция и размеры гост 6942. 11-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд., техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним отводы конструкция и размеры гост 6942. 9-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд., техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
В. Й. Орланов, канд техн наук 3О.І. Чумак iconГосударственный стандарт союза сср трубы чугунные канализационные и фасонные части к ним. Муфты конструкция и размеры гост 6942. 22-80
О. П. Михеев, канд техн наук (руководитель темы); В. И. Фельдман, канд техн наук; В. Н. Бехалов, канд техн наук
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи