Износ и деградация лопаток парогазовых установок, работающих в условиях воздействия абразивных частиц и влажного пара, является большой проблемой для лопаточного аппарата мощных паровых турбин. Широко применяемые для их изготовления стали 20Х-13, титановые сплавы ВТ3-1 и ВТ6 или сплавы никеля удобны как конструкционные материалы с точки зрения технологии изготовления и обработки, но не являются стойкими в условиях абразивного износа и каплеударной эрозии, поэтому актуальной проблемой является поиск путей повышения эксплуатационной стойкости рабочей поверхности лопаток. Одним из новых и перспективных направлений является защита лопаток путем создания мультислойных нанокомпазиционных покрытий, полученных магнетронным и ионно-плазменным распылением. В таких покрытиях можно создавать пакеты чередующихся монослоев, представляющих собой нитриды, карбиды или карбонитриды тугоплавких элементов, обладающих высокой твердостью и прочностью, слоев из чистых металлов или аморфных материалов, влияющих на пластичность и вязкость покрытия в целом. Это позволяет в значительной степени влиять на эксплуатационные характеристики покрытий в условиях каплеударной эрозии и абразивного износа.
Исследования процесса соударения капли с металлической поверхностью началось в конце 60-х годов 20 в. в Англии (Кембридж) и США (Лос-Аламос). В исследованиях этого периода благодаря высокоскоростной видеосъемке удалось практически полностью описать гидродинамические явления, происходящие в капле жидкости при соударении с твердой плоской поверхностью. Однако недостаток на тот момент компьютерной базы и программного обеспечения, сложность дорогостоящих экспериментальных исследований, громоздкость и недостаточная разрешающая способность электронных микроскопов оставили нерешенными две главные проблемы: динамика капельных соударений на сложном рельефе поверхности мишени и физические процессы деградации поверхности материала при каплеударном воздействии. Недостаточность исследовательской базы привела к появлению упрощенных, односторонних подходов в изучении этих проблем.
В настоящее время публикационная активность по этим вопросам существенно сократилась, однако считать проблему полностью решенной не представляется возможным. Основным источником опытных знаний при выборе материала лопаток паровых турбин служат стендовые испытания, которые системно проводятся компаниями - производителями, такими как Сименс, Вестингауз, Мицубиси, СААБ и др. В России такие стенды есть только в научном центре «Износостойкость» НИУ МЭИ.
Однако при выборе исследуемых материалов и технологических методов их поверхностного упрочнения отсутствует системный подход и решаются лишь частные задачи, поэтому целью настоящей работы является выявление особенностей деградации поверхности лопаток парогазовых установок с нанесенными на них различными по природе и структуре защитными мультислойными нанокомпозиционными покрытиями в условиях каплеударной эрозии и абразивного износа.
Для реализации этой цели будут решены следующие задачи:
- проведение комплексных металлофизических исследований покрытий различного химического состава, полученных ионно-плазменным и магнетронным распылением с оценкой их физико-химических и механических характеристик; проведение трибологических испытаний образцов с покрытиями на специальных стендах в центре «Износостойкость» НИУ МЭИ в условиях абразивного и каплеударного воздействия с построением кривых изнашивания покрытий различных систем; выявление общих закономерностей износа; исследование корреляционных связей между трибологическими характеристиками покрытий и эксплуатационной стойкостью выявленной при стендовых испытаниях; разработка технических приемов создания покрытий; математическое моделирование химического состава и структурного состояния мультислойных нанокомпозиционных покрытий для оптимизации деградации покрытий.
Выполнение работы будет осуществлено с использованием современных методов исследования: растровой, туннельной и атомно-силовой микроскопии; микрозондовых спектральных исследований; микро и наноиндентирования; послойного РФА анализа. Испытания покрытий будут проходить на стендовом оборудовании, позволяющем производить исследования в условиях, близких к эксплуатационным.
