Формирование поверхностных наноструктурированных слоев из материалов с ЭПФ на деталях машиностроительного назначения как основа ресурсосберегающих технологий

материал с эффектом памяти формы, долго которого является гребной винт (ГВ). Проблема обеспечения надежности и увеличение срока службы наиболее ответственных деталей и узлов морских судов становится исключительно актуальной в связи с ужесточение условий эксплуатации флота. В работе [1] на основе обработки большого количества информации приведены данные о повреждаемости по группе «движительно-рулевые комплексы». Проведенный анализ показывает, что одними из основных причин снижения ресурса являются: образование трещин, коррозионные и эрозионные повреждения. Показатель числа трещин на 1 тысячу часов ходового времени составляют для различных судов от 0,01 до 0,06. Основной причиной появления трещин являются технологические и эксплуатационные напряжения, а также усталость металла. Повышенная коррозия металла лопастей ГВ наблюдается как у стальных винтов в зоне термического влияния из-за влияния остаточных сварочных напряжений, так и в ГВ из цветных сплавов. Частота появления такого рода дефектов и характерные повреждения приведены на рис. 1.

Приведенные данные о повреждениях ГВ позволяют установить не только их характер, но и сопоставить удельные количественные показатели. Количественные данные надежности по коррозии и трещинообразованию лопастей

ГВ морских судов Дальневосточного бассейна [1] приведены в табл. 1, число которых можно сократить за счет их поверхностного модифицирования.

Рис. 1. а) – частота появления коррозионных повреждений и образования трещин; б) – трещина на поверхности гребного винта, образовавшаяся от коррозионного повреждения; в) – микрофотография поверхности ГВ, подвергнутого коррозии и ее оцифрованное изображение

Таблица 1. Количественные характеристики повреждений лопастей ГВ

Кол. судов / ос-вид./ лет экпл.	Повреждения			Виды повреждений
	всего			трещины			коррозия			эрозия
	кол-во	удельные показатели		кол-во / % повр.	удельные показатели		кол-во / % повр.	удельные показатели		кол-во / % повр	удельные показатели
		на 1 судно	на 1 год		на 1 судно	на 1 год		на 1 судно	на 1 год		на 1 судно	на 1 год
726 / 5149 / 9684	1776	2,44	0,183	407 / 23,1	0,560	0,042	265 / 15,1	0,365	0,027	133 / 7,50	0,183	0,014
стальные винты
316 / 2351 / 4067	776	2,45	0,191	230 / 29,6	0,296	0,056	95 / 12,2	0,301	0,023	44 / 5,6	0,139	0,011
винты из цветных металлов
410 / 2798 / 5617	982	2,39	0,174	177 / 18,1	0,431	0,032	170 / 17,3	0,415	0,030	89 / 9,1	0,217	0,016

Для обеспечения надежности изделий машиностроения в настоящее время широко используются различные методы инженерии поверхности. Одним из практических способов повышения прочности и ресурса в условиях действия повторно-переменных нагрузок и воздействия сред является поверхностное модифицирование. К числу новых, интенсивно разрабатываемых методов поверхностного модифицирования относятся методы нанесения функциональных покрытий из материалов с обратимой фазовой структурой [2], в том числе из материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ). Эти сплавы обладают уникальными прочностными и пластическими свойствами, а в сочетании с эффектами термомеханической памяти, обусловленными термоупругими мартенситными превращениями, отвечают всем требованиям надежности, но имеют ряд экономически обоснованных ограничений. Поэтому поверхностное модифицирование материалами с ЭПФ может рассматриваться в качестве ресурсосберегающей технологии. Для формирования поверхностных слоев из материалов с ЭПФ, обеспечивающих функциональные свойства изделий, могут использоваться различные технологии: аргонодуговая, лазерная наплавка, наплавка взрывом, напыление, метод термического переноса масс, само-распространяющийся высокотемпературый синтез и др. Некоторые из этих технологий уже реализованы [3, 4].

В качестве материала с ЭПФ для поверхностного модифицирования использовались в основном сплавы на основе никелида титана, имеющие самые высокие прочностные и пластические свойства и обладающие уникальными по величине и воспроизводимости ЭПФ. В обычном микрокристаллическом состоянии эти сплавы обладают низкими значениями напряжения мартенситного сдвига (менее 200 МПа), но высокопластичны даже при больших нагрузках [5]. Поэтому в них чрезмерно интенсивно протекают релаксационные процессы при формировании деформационно-индуцированных мартенситных фаз при нагружении. Исследования показывают, что ресурсы повышения физико-механических свойств этих сплавов традиционными методами (легирование, термическая и термомеханическая обработка без существенного изменения величины зерна) в значительной степени исчерпаны. Это вызывает необходимость формирования нано-структурированных поверхностных слоев. Исключительно полезным оказалось использование для этих целей комбинированных методов обработки, включающих плазменное напыления [6] или наплавку взрывом [4] в сочетании с термомеханической обработкой или электро-пластической деформацией [7].

а)

б)

Цель настоящей работы: рассмотрение целесообразности использования поверхностного модифицирования лопастей ГВ судна сплавом с ЭПФ на основе TiNi для повышения долговечности и оценка НДС лопастей ГВ с модифицированным поверхностным слоем.

Для оценки НДС лопастей ГВ с модифицированным поверхностным слоем необходимо создание 3D-модели корпусов судов и гребных винтов. Разработка 3D-модели корпуса судна с гребным винтом осуществлялось в программе «MAYA 2009», посредством соединения изогнутых поверхностей [8]. В качестве расчетной была выполнена 3D-модель судна «NS Concord». На рис. 2 представлена 3D-модель корпуса судна с гребным винтом, т/х «NS Concord» Новороссийского морского пароходства.

г)

Рис. 2. 3D-модель корпуса судна с ГВ т/х «NS Con-cord», поверхностно-модифицированным сплавом с ЭПФ TiNi (а, б); гребной винт (в); часть ГВ с наложенной конечно-элементной сеткой (г)

Для оценки давления на лопасти ГВ разработана расчетная модель и выполнен гидродинамический расчет. Расчетная модель (рис. 3) представляет собой замкнутую область с заданными начальными и граничными условиями на поверхности замкнутой области. При моделировании корпуса судна с ГВ поверхностно-модифицированным сплавом с ЭПФ в потоке жидкости были созданы неподвижные расчётные призматические объемы, окружающие корпус судна. Гидродинамический расчёт судна был произведён в программах ANSYS Fluent Flowizard 2.1.8, ANSYS Fluent 6.3 (рис. 3). Для анализа НДС выполнено конечноэлементное моделирование [9].

Рис. 3. Расчёт скорости судна и давления на ГВ, т/х «NS Concord»

Размеры для всех расчётных областей принимались следующие: L=1,6 Lдс, В=2,4 Вшс,

H=2,1 Hшс, D=1,3 Dгв, Lвро=0,4 Dгв, Lсро=1,6 Lдс, где Lдс – длина судна 244 м; Вшс – ширина суд-

Velocity magnitude [ m/sl

на 42 м; H шс – высота судна 21 м; D гв – диаметр ПМСЭПФ гребного винта 7,2 м; L вро – длина вращающейся вокруг гребного винта расчётной области; L сро – длина стационарной расчётной области вокруг корпуса корабля. Это соответствует: L=390,4 м; В=100,8 м; H=44,1

м; D=9,36 м; L вро =2,88 м; L сро =390,4 м

Для гидродинамического анализа ГВ за- давался поток однородной несжимаемой жидкости плотностью ρ=998,2 кг/м3, который был направлен параллельно оси вращения ГВ от входной плоскости параллелепипеда к выходной [9]. На рис. 2г представлена часть ГВ с наложенной конечно-элементной сеткой. Для количественной оценки НДС лопастей ГВ в потоке жидкости было использовано эквива- лентное напряжение по Мизесу. Изменение величины эквивалентного напряжения в процессе вращения гребного винта для нагнетающей и засасывающей поверхности лопасти представлены на рис. 4. Анализ НДС лопастей ГВ в основном материале и в покрытии показал, что эквивалентные напряжения по Мизесу в покрытии, как с аустенитной, так и мартенситной структурой, значительно ниже напряжений в основном металле.

Нагнетающая поверхность лопасти

0,700R

0,815R

0,624R

0,215R

0,565R

—I— 0,945R

1,000R

0,325R

—•— 0,828R

—*—0,138R

О 60       120      180      240      300      360

Угол поворота лопает. 0

Засасывающая поверхность лопасти

Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений т/х « NS Сoncord » в поверхностно-модифицированном слое и в теле ГВ в процессе вращения

Для замедления процесса накопления повреждений при циклическом нагружении целесообразно использовать поверхностное модифицирование материалом с ЭПФ. Формирование наноструктурированных поверхностных слоев из материала с ЭПФ на основе TiNi производилось, плазменным напылением механически активированного порошка на модернизированной установке УПУ-3Д. В качестве материала основы использовалась сталь 08Х14НДЛ, широко применяемая для ГВ. Для поверхностного модифицирования использовали порошок никелида титана ПН55Т45. Механоактивацию осуществляли в высокоскоростной шаровой мельнице (аттриторе), со стальной мешалкой и стальными шарами ∅ 6 мм, в защитной атмосфере. Скорость вращения мешалки составляла 900 мин^-1, отношение массы шаров к массе загрузки порошка составляло 20:1. После механоактивации порошок TiNi имел размеры частиц 0,9-7,0 мкм. Для повышения прочности сцепления покрытия с подложкой проводили предварительную дробеструйную обработку поверхности. При напылении порошка ПН55Т45 на сталь предварительно наносили порошок чистого никеля ПНК1-ВЛ7, имеющего неограниченную растворимость с железом, что обеспечило хорошую адгезию (54-57 МПа). После плазменного напыления покрытия подвергались механической обработке, ТО (гомогенизирующий отжиг в инертной среде) и ТМО поверхностным пластическим деформированием [6].

Полученное TiNi покрытие имеет нано-размерную структуру (размер зерна 15-140нм) с микротвердостью 11,2-11,8 ГПа. На основе рентгенофазового анализа установлено, что после отжига при температуре 1073К покрытие

TiNi имеет следующий фазовый состав: фаза В19' ≈ 34,5-35%, фаза B2 ≈ 45,5-46%, Ti 3 Ni 4 ≈ 18-18,5%, TiO + NiTiO 3 менее 1,5%. Для обеспечения определенного уровня реактивных напряжений и обратимой деформации, определяющих формовосстановление поверхностных слоев из сплавов с ЭПФ, производилось ППД обкаткой и термоциклирование в условиях повышенных и комнатных температур. Структуры покрытия TiNi полученные после плазменного напыления, ТО и обкатки представлены на рис. 5.

а)

б)

Рис. 5. а) – наноразмерное TiNi покрытие, полученное плазменным напылением механоак-тивированного порошка, ×20000; б) – электронно-микроскопические изображения фаз Ti 3 Ni 4 , Ni 3 Ti, Ti 2 Ni, расположенных среди аустенитной В2 фазы, ×100000; в) – твидовый электронно-микроскопический контраст, ×150000

Исследование функционально-механических свойств образцов из стали 08Х14НДЛ с покрытием TiNi осуществлялось в процессе испытания на многоцикловую усталость при изгибе с вращением в условиях воздействия морской воды на машине МУИ-6000 в соответствии с ГОСТ 19533-74 и 25.502-79. Результаты испытаний образцов без покрытия и после поверхностного модифицирования TiNi на воздухе и в морской воде (рис. 6) показывают, что поверхностное модифицирование приводит к замедлению процесса накопления повреждений и повышению предел выносливости стали 08Х14НДЛ на воздухе на 36,5%; в морской воде – на 65%. В основе повышения долговечности материала с поверхностным слоем из материала с ЭПФ на основе TiNi при циклическом нагружении лежит эффект псевдоупругости.

Повышение долговечности стали поверхностным модифицированием сплавом TiNi объясняется особым механизмом деформирования. При сравнительно небольших напряжениях цикла доминирующим механизмом деформации в поверхностном слое является механизм, в результате которого при частичной разгрузке образца появление пластических деформаций резко снижается. При этом частично может происходить «залечивание» образовавшихся дефектов, свойственное материалам с ЭПФ.

Механизм «залечивания» заключается в изменении поля напряжений вблизи микроконцентраторов и в результате происходит либо согласованная переориентация пластин мартенсита напряжения, либо обратное превращение и зарождение мартенсита в новом месте. Структура тем самым подстраивается под внешнее воздействие, предотвращая зарождение трещин.

Рис. 6. Кривые многоцикловой усталости стали 08Х14НДЛ: без покрытия на воздухе (1); без покрытия в морской воде - (2); после поверхностного модифицирования TiNi на воздухе – (3); после поверхностного модифицирования TiNi в морской воде - (4)

С точки зрения структуры металла усталостная прочность определяется, прежде всего, энергией, необходимой для зарождения трещины, и скоростью ее распространения. Плазменное напыление, как средство модификации поверхностного слоя влияет, в первую очередь, на процесс зарождения микротрещин. Механизм такого влияния, вероятно, связан как с наноструктурированием поверхностного слоя, вызванным особенностями технологического процесса формирования (быстрый нагрев 10-3-10-4с и более быстром охлаждении на подложке 10-3-10-6с), так и с особенностями химического и фазового состава, обеспечивающего проявление ЭПФ. Экспериментальные исследования образцов с поверхностным слоем TiNi подтвердили повышение коррозионной стойкости в морской воде и имитирующих ее растворах и износостойкости в 3-3,5 раза.

Выводы:

• -    на основе проведенного анализа повреждаемости ГВ морских судов установлено, что основными причинами снижения ресурса являются коррозионные, эрозионные повреждения и образование усталостных трещин;

• -    показана целесообразность использования поверхностного модифицирования материалами с ЭПФ на основе Ti-Ni для обеспечения надежности ГВ, как ресурсосберегающей технологии;

• -    выполненный анализ НДС гребного винта с поверхно-модифицированным слоем на основе Ti-Ni показал снижение напряжений в поверхностном слое по сравнению с основным металлом, как с мартенситной, так и аустенитной структурой;

• -    экспериментально установлено, что формирование нанокристаллической структуры определенной дисперсности позволяет получить предельно высокий для данного сплава Ti-Ni комплекс функциональных свойств: повышение предела выносливости, коррозионной стойкости и износостойкости.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (гранты 1.2.1 / 6702; 1.2.1 / 9446)