Разделы сайта
Language:
 

ГК № 02.740.11.0813

Тема: "Исследование и моделирование структурной эволюции металлических сплавов при формировании термоизносостойких покрытий для теплоэнергетического оборудования"

Проект выполнен в рамках государственного контракта № 02.740.11.0813 от 24 апреля 2010 г., заключенного по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (мероприятие 1.1, VIII очередь, лот 5)

Цедь работы: Нахождение аналитических способов для описания, систематизации и моделирования неравновесного структурообразования в конструкционных металлических изделиях, - как в основном материале изделия, так и в нанесенном на него защитном покрытии, - при внешнем термосиловом воздействии различной природы, действующем и при формировании покрытий, и в процессе их эксплуатации.

Ключевые слова: кристаллические материалы в теплоэнергетике, субструктура металлов и сплавов, поверхностная обработка, износостойкие покрытия, ионно-плазменное осаждение, каплеударная эрозия, критерии эрозионного износа, механизмы изнашивания, моделирование, программы для ЭВМ

В задачи проекта входило нахождение аналитических способов для описания, систематизации и моделирования неравновесного структурообразования в конструкционных металлических изделиях, - как в основном материале изделия, так и в нанесенном на него защитном покрытии, - при внешнем термосиловом воздействии различной природы, действующем и при формировании покрытий, и в процессе их эксплуатации.

Основные результаты проекта

По результатам стендовых эрозионных испытаний и электронной микроскопии установлены закономерности поведения материала мишени на начальных стадиях каплеударной эрозии. На инкубационной стадии наблюдаются интенсивные деформационные процессы, вызывающие упрочнение; установлено, что в пластичных материалах степень упрочнения характеризуется отношением твердости к вязкости разрушения k = H / K1C , так на инкубационной стадии эрозии аустенита стали 08Х18Н10Т k увеличилась с 15,35 до 40 м-1/2. Дальнейшее развитие эрозии на переходной стадии происходит путем зарождения и роста эрозионных кратеров. Ведущую роль в этих процессах выполняют боковые трещины, распространяющиеся на определенной глубине параллельно поверхности. При достижении ими критического размера и выхода на поверхность формируется (и затем выкрашивается) частица эрозионного износа. В работе показано, что вероятный критический размер трещины в поверхностном слое для пластичных материалов с твердостью Н до 4 ГПа характеризуется параметром (точкой) диаграммы каплеударного изнашивания Е0. Эрозионная стойкость материала, определяющая его способность сопротивляться распространению поверхностной трещины, обратно пропорциональна величине Е0. Численно Е0 равна удвоенной критической длине боковой трещины, рассчитанной по методике Дж.Р.Ирвина для исходного (до начала эрозионного воздействия) состояния материала с известными значениями твердости Н и вязкости разрушения K1C.

Электронно-микроскопическими фрактографическими исследованиями установлено, что на развитых стадиях каплеударной эрозии (в переходном и асимптотическом периодах) изнашивание пластичных материалов происходит по кавитационно-усталостному механизму разрушения. Показано, что в условиях стендовых эрозионных испытаний разрушение образцов сопровождается пузырьковой стадией кавитации, что позволило понять физическую сущность процесса формирования эрозионных свищевых каналов аргументировать вывод о  целесообразности сравнения эффективности защиты покрытий от каплеударного воздействия по главному параметру – продолжительности инкубационной стадии эрозии, то есть по времени, когда сохраняется целостность покрытия.

Исследование эрозионной стойкости ионно-плазменных покрытий показало, что покрытие стехиометрического нитрида титана (49 ат.%N) хуже сопротивляется каплеударной эрозии, чем покрытия нестехиометрического состава, из-за повышенной склонностью покрытия стехиометрического состава к развитию различных дефектов в процессе нанесения, его насыщением свободным азотом, снижением прочности между кристаллитами. На основе полученных экспериментальных данных выполнена оптимизация технологических режимов ионно-плазменного осаждения покрытий (с магнетронным испарением) по параметрам парциального давления азота и температуры поверхности конденсации. 

Основные характеристики созданной научной продукции;

Разработана физическая модель и расчетная программа для ЭВМ для оценки величины эрозионного изнашивания материалов и покрытий при длительных сроках эксплуатации в условиях каплеударной эрозии. На разработанные по этой тематике базу данных и программу для ЭВМ получены свидетельства о государственной регистрации.

Для прогнозирования работоспособности покрытий при механическом воздействии (в том числе и каплеударном) разработана расчетная программа (в оболочке MathCAD),. позволяющая рассчитывать тонкие однослойные покрытия на более мягкой основе, а также композиционные покрытия, состоящие из тонких слоев существенно различающихся по твердости. Моделируемые параметры покрытий: уровень допустимых эксплуатационных нагрузок, допустимые температурные градиенты при эксплуатации покрытий, уровень остаточных напряжений в покрытии, допустимая толщина покрытия и относительная толщина слоев в композиционном покрытии.

Созданы физические и расчетные модели для определения критериев стойкости различных материалов и покрытий к разрушению. Для твердых и сверхтвердых материалов в качестве критерия - критического события, инициирующего разрушение, принято начало пластической деформации, которое рассчитывается на основе сопоставления измеряемых значений твердости и модуля упругости реального покрытия с известными эталонными характеристиками керамических систем на основе оксидов, карбидов, нитридов. Для пластичных материалов и покрытий в качестве критерия принято критическое (максимальное) значение сдвиговой пластической деформации при циклическом нагружении. Оно рассчитывается, исходя из структурного состояния материала с учетом механизмов деформации на субструктурном уровне, используя экспериментальные данные стендовых испытаний образцов на каплеударную эрозию, и поэтому определяет узкоспециальный критерий именно эрозионной стойкости. 

Описание новизны научных решений

Для каплеударной эрозии физическая модель изнашивания построена впервые. В частности, впервые определен физический смысл, методика расчета и вычислены значения точек перегиба на кривой изнашивания Е0 и Е1, определяющих протяженность инкубационной и переходной стадий эрозии.

Также впервые высказана гипотеза о кавитационно-усталостном механизме разрушения пластичных материалов на развитых стадиях каплеударной эрозии путем образования эрозионных свищевых каналов и получено её экспериментально-аналитическое подтверждение.

Достоинством и новизной физической и расчетной модели для определения критерия стойкости пластичных материалов к эрозионному разрушению является использование структурных характеристик материала и привлечение математического аппарата теории дислокаций.

Указанное выше характеризует новизну научных решений, как в отечественной, так и в мировой практике.

Область применения полученных результатов: Материаловедение в энергетике (турбинные материалы и покрытия), теплоэнергетическое оборудование, энергосбережение.

Направления практического внедрения полученных результатов или перспектив их использования:

- конструирование покрытий сложного состава, в том числе композиционных, на базе созданных в процессе выполнения проекта расчетных моделей, использующих разработанные критерии стойкости покрытий к разрушению;

- целенаправленное формирование TiN-покрытий, например, по технологии ионно-плазменного осаждения, для защиты энергетического оборудования от каплеударной эрозии с учетом выполненной в рамках проекта оптимизации режимов для получения нестехиометрического состава;

- использование разработанных программных средств (программа и база данных) в энергомашиностроении для прогнозирования ресурса работы новых экспериментальных материалов и покрытий, например, для лопаточного аппарата паровых турбин;

- реализация Дополнительной образовательной программы «Актуальные проблемы подготовки научных и инженерных кадров в области создания и обработки кристаллических материалов», разработанной по результатам выполненных в рамках проекта исследований и предназначенной для повышения квалификации научно-педагогических работников и переподготовки инженерных кадров;

- использование в образовательном процессе разработанных и изданных методических руководств для проведения лабораторных практикумов и учебно-технологической практики по технологии нанесения защитных покрытий методами ионно-плазменной обработки, по диагностике свойств покрытий, по методам поверхностной обработки с использованием концентрированных потоков энергии для студентов по направлениям подготовки 140100 «Теплоэнергетика» и 150100 «Материаловедение и технология материалов»;

- выполнение заказов организаций и физических лиц по нанесению функциональных защитных ионно-плазменных покрытий на основе систем TiN, ZrN, TiC, WC, Ti-TiN, Ti-TiC, Ti-WC и др.

Привлечение молодых исследователей к работе над проектом

При  непосредственном участии молодых исследователей были разработаны программы для ЭВМ «Оценка работоспособности материалов и покрытий в условиях каплеударной эрозии при длительных сроках эксплуатации теплоэнергетического оборудования» (св-во о регистрации №2012615929 от 28.06.2012) и база данных «Эрозионный износ материалов и покрытий лопаточного аппарата паровых турбин в условиях каплеударного воздействия»  (св-во о регистрации №2012620661 от 06.07.2012). 

В проекте принимал участие молодой исследователь аспирант Медников Алексей Ф. При его непосредственном участии удалось впервые в отечественной и мировой практике получить значения степени упрочнения различных материалов на инкубационной стадии каплеударной эрозии, определяющей момент старта эрозионного износа и определяемой отношением k = H / K1C, что позволило использовать полученные результаты для создания физической и расчетной модели определения критерия стойкости пластичных материалов и покрытий к разрушению. Полученные данные использованы в диссертационной работе Медникова А. Ф., защищенной 25.05.2012 г.

Зарегистрированные программные средства (программа и база данных) предназначены для использования в научных целях или в области тяжелого энергомашиностроения (заказчик – Минэнерго РФ).

За период выполнения проекта в сфере науки и образования закреплены восемь молодых исследователей (возраст – до 35 лет):

- двое исполнителей проекта зачислены в аспирантуру ДГТУ (Моисеева И.В., Шанько С.С.);

- двое аспирантов – исполнителей проекта – завершили обучение в аспирантуре и защитили кандидатские диссертации в срок аспирантской подготовки по тематике проекта (Медников А-й Ф. - защита диссертации в НИУ МЭИ, Москва, 25.05.2012 г.; Васильев А.С. - защита диссертации в ЮФУ, Ростов-на-Дону, 17.04.2012 г.), они приняты на работу в НОЦ «Материалы» ДГТУ на должность младших научных сотрудников;

- один молодой кандидат наук принят на работу в НОЦ «Материалы» ДГТУ на должность научного сотрудника (Медников А.Ф.);

-  трое молодых исследователей (без ученой степени) приняты в НОЦ «Материалы» на должность младших научных сотрудников (Демидов А.Н., Портнов М.А., Ирха В.А.).

В процессе выполнения проекта сформировалось исследовательское партнерство НОЦ «Материалы» ДГТУ и НЦ «Износостойкость» НИУ МЭИ, которое выразилось в проведении совместных экспериментальных работ по тематике проекта с использованием уникального испытательного стенда «Эрозия-М» НИУ МЭИ. По результатам исследований опубликованы совместные статьи и доклады. Защита диссертационной работы исполнителя проекта Медникова А. Ф. также состоялась в диссертационном совете Д 212.157.09  НИУ МЭИ. Кроме того, являясь ведущим российским вузом в области энергетики и энергомашиностроения, НТС НИУ МЭИ выступил в качестве эксперта по оценке системы показателей эффективности методик моделирования структурной эволюции материалов и покрытий деталей теплоэнергетического оборудования при работе в условиях каплеударной эрозии, разработанной в рамках выполнения работ по Государственному контракту №02.740.11.0813 (Заключение имеется в приложении к Отчету о НИР по этапу №5).

По выполненному в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (мероприятие 1.1, VIII очередь, лот 5)  Государственному контракту № 02.740.11.0813 от 24 апреля  2010 г.  имеется Отчет о НИР в 6-ти томах, общим объемом 768 м.-п. страниц (информационный объем - 402 Мб).

Отчет о НИР (частично или полностью) может быть предоставлен Исполнителем Государственного контракта (Донским государственным техническим университетом) по официальному запросу организации, согласованному с Заказчиком (Министерством образования и науки РФ)



 
Руководство

Руководитель НОЦ
Варавка Валерий Николаевич
д. т. н., профессор

Заведующий лабораторией ФГиКМ
Айзикович Сергей Михайлович
д. ф.-м. н

 

Назад - На главную - Наверх