Полный текст

Введение Детали металлургического, энергетического и другого оборудования, такие как лопатки эксгаустеров котлов и агломерационных машин, турбин газоперекачивающих агрегатов, детали засыпных устройств доменных печей и другие, работают в сложных условиях высокотемпературного газоабразивного изнашивания [1]. Соприкасаясь с потоками разогретых газов, несущих абразивные частицы, поверхности деталей нагреваются до высоких значений (500-1000 °С) температуры и интенсивно изнашиваются в условиях окисления и многократного ударного воздействия абразива. Проблема повышения ресурса таких изделий эффективно решается наплавкой их рабочих поверхностей износостойкими сплавами. Вместе с тем недостаточные эксплуатационные свойства металла, наплавленного выпускаемыми промышленностью материалами, обусловливают необходимость создания новых наплавочных сплавов, в том числе легированных ультрадисперсными частицами тугоплавких химических соединений [6-8]. В процессе разработки таких сплавов остро встает вопрос экспресс-диагностики их износостойкости в сравнении с аналогами. Вместе с тем стандартизированные методики испытаний материалов на газоабразивное изнашивание при повышенной температуре отсутствуют, а экспериментальные [9-11] имеют существенные ограничения, не позволяющие в полной мере моделировать реальные условия работы различных деталей, эксплуатирующихся в широком температурном диапазоне. Наиболее перспективной концепцией при разработке испытательных установок, очевидно, является реализация в их конструкции принципа ускорения абразивных частиц потоком горячего сжатого воздуха и их соударения под заданным углом с поверхностью нагретого образца из испытуемого материала [12]. Целью настоящей работы являлась разработка конструкции установки и методики экспресс-испытаний термо- и износостойких наплавленных сплавов на стойкость к газоабразивному изнашиванию при нормальной и повышенных до 1000 °С значениях температуры. Методика проведения исследований Спроектирована и изготовлена лабораторная установка (рис. 1), состоящая из герметичной испытательной камеры, в которой располагаются плазмотрон, образец и абразивоструйное сопло с позиционирующими устройствами; компрессора, источников тока, систем подачи абразивного материала и плазмообразующих газов, а также системы воздухоочистки. Образец из исследуемого сплава представляет собой пластину размером 40´16´3 мм, на боковых гранях которой изготовлены токоподводящие площадки. Устройство позиционирования образца путем его вращения относительно неподвижного абразивоструйного сопла обеспечивает углы атаки образца газоабразивным потоком в диапазоне 20°-90° с шагом 5°. Конструкция устройства позиционирования сопла обеспечивает плавную регулировку расстояния от сопла до образца в диапазоне 20-50 мм, а также поперечное и продольное перемещения сопла, необходимые для формирования пятна износа строго в центральной части образца при различных углах атаки. а б Рис. 1. Общий вид лабораторной установки (а) и испытательной камеры (б): 1 - герметичная испытательная камера; 2 - система подачи абразивного материала; 3 - блок управления плазмотроном; 4 - система подачи плазмообразующих газов; 5 - система воздухоочистки; 6 - станина; 7 - образец; 8 - водоохлаждаемые токоподводы; 9 - устройство позиционирования образца; 10 - абразивоструйное сопло; 11 - устройство позиционирования сопла; 12 - плазмотрон. Компрессор, источники постоянного тока для нагрева образца и питания плазмотрона не показаны Нагрев газоабразивного потока осуществляется на выходе его из сопла посредством смешения со струей высокотемпературной аргон-азотной плазмы, генерируемой малогабаритным плазмотроном. При этом плавное регулирование температуры потока осуществляется путем изменения силы тока и напряжения в плазмотроне. Нагреватель образца изготовлен в виде двух медных водоохлаждаемых токоподводов, подключенных к сварочному источнику тока ВДУ-1000, между которыми зажимается образец. Это позволяет обеспечить быстрый нагрев образца проходящим через него током до температуры 1000 ºС при любом расходе и температуре газоабразивного потока. Данный способ нагрева доказал свою высокую эффективность в разработанной ранее методике испытаний наплавленного металла на стойкость к изнашиванию при трении об абразивную прослойку [13, 14], а также в процессе склерометрических испытаний [15, 16]. Стабильность температурного режима испытаний обеспечивали постоянным контролем температуры образца посредством термопары ВР5/20, подключенной к аналого-цифровому преобразователю ЛА-20 USB, обеспечивающему вывод показаний на экран персонального компьютера. Изучение тепловых полей на поверхности образца выполняли с использованием тепловизора SAT HotFind-LTXT. Система подачи абразивного материала предусматривает использование порошков кварцевого песка, электрокорунда, железной окалины и так далее со средним размером частиц 50-500 мкм. В процессе испытаний применяли кварцевый песок Орловского-3 месторождения Волгоградской области, морфологический анализ которого показал, что округлую форму имеет 63 % частиц, остроугольную, характеризующуюся более высокой абразивной способностью, - 37 % (рис. 2, а). Подготовка абразивного материала заключается в его сепарации на определенные фракции (рис. 2, б) с помощью комплекта сит и просушке для удаления влаги. Безопасное для оператора функционирование испытательной установки обеспечивает двухступенчатая система очистки отработанного воздуха от абразивной пыли, включающая инерционный пылеуловитель типа «циклон» и фильтрующий пылеуловитель, которые обеспечивают задержание частиц размером до 1-3 мкм. Технологические возможности разработанной установки и параметры режима испытаний приведены в таблице. Отработку методики испытаний при температуре до 700 °С производили на образцах из жаро-стойкой стали AISI 316Ti (аналог 10Х17Н13М2Т). При температуре до 1000 °С использовали образцы наплавленного электродуговым способом сплава на основе алюминида никеля 10Х4Н76М3В3Ю11РЦ, легированного 1,5 мас. % частиц ZrB2. а б Рис. 2. Морфология кварцевого песка (а) и результаты его гранулометрического анализа после просева на фракцию 250-500 мкм (б) Параметры режима испытаний № п/п Параметр Значение 1 Диапазон углов атаки газоабразивной струи, град 20-90 2 Диапазон регулировки расстояний от сопла до образца, мм 20-50 3 Температура испытаний, °С до 1000 4 Ток в плазмотроне, А 60-250 5 Ток нагрева образца, А 120-600 6 Расход плазмообразующих газов, л/мин: азот аргон 0,5-0,7 2,0-2,5 7 Расход охлаждающей воды, л/мин 2-3 8 Максимальный расход сжатого воздуха, л/мин 440 9 Давление сжатого воздуха, МПа 0,2-0,5 10 Средний размер частиц абразива, мкм 50-500 11 Время испытания, с 120 12 Минимальный расход абразива, г/мин 195 В качестве критерия износостойкости предложено использовать величину удельного износа (г/кг): (1) где Δm - потеря массы образца сплава, измеренная с точностью 0,1 мг, г; mа - масса затраченного в процессе испытания абразива, кг. Потерю массы испытанных образцов измеряли на аналитических весах VIBRA HT-124RCE с точностью до 0,1 мг. При необходимости сравнения сплавов с отличающимися значениями плотности критерием износостойкости служит относительная износостойкость: (2) где Iэ, Iи - удельный износ эталонного и испытуемого образцов соответственно; ρэ, ρи - плотность эталонного и испытуемого образцов соответственно, измеренная гидростатическим методом. Структуру и элементный состав структурных составляющих наплавленного металла изучали с использованием оптического (Carl Zeiss Axiovert 40 MAT) и двулучевого электронно-ионного (FEI Versa 3D с системой микрорентгеноспектрального анализа) микроскопов. Рентгеноструктурный анализ металла производили на дифрактометре ДРОН-3М. Результаты исследований и их обсуждение Установлено, что варьирование силы тока, проходящего через образцы, изготовленные из наплавленных сплавов, в диапазоне 120-600 А обеспечивает высокоскоростной нагрев их рабочих участков в диапазоне значений температуры от комнатной до 1000 °С. При уменьшении угла атаки образца газоабразивным потоком от 90° до 20° контур пятна износа на поверхности образца изменяет свою форму от круговой до эллиптической (рис. 3, а). При этом ось газоабразивного потока необходимо смещать к одному из токоподводов, что может нарушить равномерность теплового поля образца в пятне износа. Так, при заданной температуре испытаний 650 °С и без нагрева газоабразивного потока с углом атаки 30° температурный градиент между точками 1 и 2 составляет ~75 °С. Сочетание нагрева образца с плазменным нагревом потока обусловливает снижение градиента до величины ~20 °С. Показано (рис. 3, б), что разработанная методика испытаний позволяет обеспечить практически равные температурные условия изнашивания поверхностных микрообъемов образца по всей площади его контакта с газоабразивным потоком. а б Рис. 3. Пятно износа (а) и топология теплового поля (б) на поверхности образца из стали AISI 316Ti при угле атаки газоабразивного потока 30° Экспериментально установлен диапазон соотношений аргона и азота (3:1)-(4:1), а также суммарного расхода плазмообразующих газов (2-3 л/мин), обеспечивающих высокую энтальпию вырабатываемой плазмы и стабильное существование плазменной струи в условиях воздействия высокоскоростного газоабразивного потока (рис. 4). Рис. 4. Нагрев воздушного потока плазменной струей Варьирование давления воздуха на входе в сопло диаметром 2 мм в диапазоне от 0,2 до 0,5 МПа обеспечивает соударение абразивных частиц с поверхностью исследуемого образца со скоростью не менее 50 м/с и позволяет в широких пределах управлять интенсивностью изнашивания. Установлено, что при использовании в качестве абразива кварцевого песка при его соударении с поверхностью нагретого образца происходит разрушение абразивных частиц, что изменяет их исходную морфологию и гранулометрический состав, поэтому повторное использование абразива недопустимо. Металлографический и рентгеноструктурный анализ наплавленного металла 10Х4Н76М3В3Ю11РЦ показали, что он состоит из твердых растворов на основе γ'-Ni3Al фаз [17], образовавшихся в ходе эвтектической реакции из первичных γ-дендритов и в ходе перитектической реакции с участием γ-твердого раствора. Выявлено, что размер структурных составляющих эвтектики не превышает 10-15 мкм, при этом в металле отсутствуют крупные частицы упрочняющих фаз. Установлено, что на поверхности образца сплава 10Х4Н76М3В3Ю11РЦ, изношенной газоабразивным потоком при температуре 1000 °С, располагаются лунки размером 30-80 мкм, сформировавшиеся в результате многократного воздействия абразивных частиц. С использованием ионного травления поверхности металла на глубину до 30 мкм получены поперечные сечения лунок, анализ которых показал, что в результате высокоскоростного соударения с абразивной частицей металл подвергается пластической деформации с образованием микростружки (рис. 5). Причем степень деформации, достаточная для проскальзывания и поворота микрообъемов кристаллов, достигается в тонком поверхностном слое металла толщиной до 2,5 мкм, что проявляется в появлении характерной полосчатой структуры - полос сброса. Исследование сечений поверхностного слоя на обратной стороне испытанного образца не выявило наличия подобной структуры. Это подтверждает, что она не является следствием шлифовальной обработки образцов в процессе их подготовки к испытаниям, а формируется в процессе изнашивания. Рис. 5. Сечение поверхностного слоя образца наплавленного металла 10Х4Н76М3В3Ю11РЦ после испытания на газоабразивное изнашивание при температуре 1000 °С: А - граница зоны интенсивной пластической деформации; В - напыленный слой платины; 1-3 - оксидные слои Таким образом, небольшая глубина внедрения абразивных частиц в поверхность металла при малых углах атаки газоабразивного потока обусловливает определенные требования к структуре сплава на основе алюминида никеля. Первостепенное значение приобретает твердорастворный, а также интерметаллидный механизм упрочнения металла ультрадисперсными твердыми фазами, равномерно распределенными в микрообъемах твердого раствора. Этому способствует легирование сплава частицами ZrB2. Так, цирконий, образовавшийся вследствие диссоциации частиц ZrB2, легирует твердый раствор, повышая его высокотемпературную прочность, а также, наряду с W и Mo, способствует формированию субмикро- и наноразмерных (50-100 нм) интерметаллидных фаз, армирующих твердый раствор. Бор равномерно распределяется по структуре металла без образования легкоплавких боридных эвтектик по границам зерен, что предотвращает их разупрочнение в процессе высокотемпературных нагревов. Установлено, что поверхность металла в процессе испытания вследствие высокотемпературного взаимодействия с кислородом воздуха подвергается окислительному изнашиванию. При этом формируются гетерогенные слои оксидов толщиной от 0,5 до 2 мкм: первый - прилегающий к поверхности металла слой оксида Al2O3; второй - слой оксидов на основе FeхOу; третий - наружный пенообразный слой комплексных оксидов Fe, Al, Ni, Cr. Наличие на поверхности образца значительного количества оксидов железа обусловлено легированием наплавленного металла ~10 мас. % железа, перешедшего в сварочную ванну из стальной основы. Ударное воздействие абразивных частиц приводит к перемешиванию оксидных слоев и отделению их с поверхности металла в виде «чешуек», что свидетельствует о сложном окислительно-абразивном характере износа наплавленного металла 10Х4Н76М3В3Ю11РЦ. Вместе с тем кратковременность цикла экспресс-испытаний позволяет свести к минимуму влияние процессов окисления неизнашиваемых поверхностей образца на изменение его массы в процессе испытания. Например, при испытании стали AISI 316Ti в пределах рекомендованного для ее эксплуатации температурного диапазона (до 700 °С) прирост массы образца вследствие окалинообразования составляет менее 1 % от измеренной потери его массы. Таким образом, предварительное нанесение на образцы для испытаний защитных жаростойких покрытий не требуется. Выводы 1. Разработанная установка и методика высокотемпературной экспресс-диагностики наплавленных сплавов за счет применения раздельной схемы нагрева образца и газоабразивного потока, а также использования абразива с различным компонентным и гранулометрическим составом, скорость которого варьируется в широком диапазоне, позволяют максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям работы различных деталей машин и оборудования. 2. Износ сплава 10Х4Н76М3В3Ю11РЦ при температуре 1000 °С носит комплексный окислительно-абразивный характер. Сопротивлению металла пластической деформации при ударном воздействии абразивных частиц способствует твердорастворное упрочнение сплава, а также его армирование ультрадисперсными интерметаллидными фазами, формирующимися при его легировании тугоплавкими химическими элементами.

Об авторах

А. А Артемьев

Волгоградский государственный технический университет

И. В Зорин

Волгоградский государственный технический университет

Г. Н Соколов

Волгоградский государственный технический университет

В. И Лысак

Волгоградский государственный технический университет

Д. С Денисевич

Волгоградский государственный технический университет

Д. В Прияткин

Волгоградский государственный технический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 80

PDF (Russian) - 28

Ссылки

• Ссылки не определены.