Введение

В современном мире все большее внимание уделяется проблеме продления ресурса техники – в частности, увеличению срока службы, повышению надежности и долговечности машин. Одним из актуальных вопросов является увеличение ресурса деталей авиационной техники при уменьшении их стоимости. С этой целью используются различного рода защитные и восстанавливающие покрытия, которые позволяют продлить ресурс деталей авиационной техники, а также благодаря использованию недорогих компонентов повысить ее рентабельность [2, 3].

Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и вибрационных нагрузок. Под воздействием микроперемещений условно неподвижных сопряжений (детали крепежа, прессовые соединения) возникает особый вид износа – фреттинг. Фреттинг совмещает несколько процессов разрушения материала поверхности: абразивное, коррозионное и усталостное изнашивания. В различных условиях каждый из них может стать основным процессом, определяющим вид и характер износа [4–6].

Когда трибологические пары испытывают относительное колебательное перемещение менее чем 10 мкм, массопереноса не происходит, т. е. все точки контакта испытывают относительное проскальзывание по замкнутому циклу. Упругое поведение реальных контактов может обеспечивать это движение, и фреттинг-износ не будет проявляться.

В настоящее время для защиты от фреттинга в авиационной промышленности используют твердосмазочное покрытие ЦВСП-3С и покрытие ВФП-5, разработанное в ВИАМ, с рабочей температурой до 250°С [7]. С целью исследования свойств трибологической пары из титанового сплава ВТ6 и нанесенных на него покрытий в контакте со сплавом ВТ8 проведены испытания на трибометре для изучения свойств данных антифреттинговых покрытий в условиях фреттинг-износа.

Материалы и методы

Испытания на фреттинг-износ проводили на универсальном трибометре CETR UMT-3MT с использованием привода R33HE350 для возвратно-поступательного движения согласно СТО 1-595-2-507–2016. Режимы испытания на фреттинг-износ: нагрузка 10 Н, частота относительных колебаний 13 Гц, амплитуда колебаний 300 мкм, температуры испытаний 20 и 350°С, длительность 10⁵ циклов или 128 мин.

Для исследования триботехнических свойств выбран метод «пальчик-по-пластине». На рис. 1 представлена схема проведения испытания. На пальчик, находящийся в контакте с пластиной, прикладывается нормальная сила, что создает контактное давление между испытываемыми образцами. В качестве образцов для испытаний на фреттинг-износ использовали пластины (25×43 мм) из титанового сплава ВТ6 с нанесенными покрытиями и без них, а контртело представляло собой цилиндрические пальчики Æ2 мм из титанового сплава ВТ8.

Рис. 1. Схема проведения испытания «пальчик-по-пластине»: F_n – прикладываемая нормальная нагрузка; d – относительное смещение образца (амплитуда колебаний)

Покрытия на пластины из титанового сплава ВТ6 наносили согласно разработанным технологиям:

– твердосмазочное покрытие ВФП-5 толщиной 25–30 мкм состоит из матрицы из высокотемпературного лака и твердой смазки из порошка дисульфида молибдена и углерода;

– шликерное покрытие ВПМСА толщиной 30–40 мкм состоит из матрицы на основе алюмохромфосфатного связующего с наполнителем из дисилицида молибдена;

– микрослойное ионно-плазменное покрытие системы Ti–TiN толщиной 5–7 мкм состоит из чередующихся слоев титана и нитрида титана (всего 8 слоев); слоистость покрытия достигалась при помощи периодической подачи реакционного газа N₂ в камеру ионно-плазменной установки МАП-3.

Результаты

Испытания на фреттинг-износ проводили при температуре 20 и 350°С. Известно, что согласно паспортным характеристикам: твердосмазочное покрытие ВФП-5 работоспособно при температуре 250°С; шликерное покрытие ВПМСА – при температуре 650°С; микрослойное ионно-плазменное покрытие системы Ti–TiN – при температуре 400°С.

Основная цель данного исследования – изучение триботехнических свойств различных покрытий, разработанных для снижения фреттинг-износа, по единой методике при температуре 350°С для выбранных типов покрытий и исходя из технических характеристик возвратно-поступательного привода R33HE350.

Основополагающим показателем при оценке взаимодействия двух тел является суммарный линейный износ. Результаты определения суммарного линейного износа при испытаниях при температурах 20 и 350°С на фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них представлены на рис. 2.

Рис. 2. Суммарный линейный износ при испытаниях при температурах 20 (а) и 350°С (б) на фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них

Установлено, что самый низкий суммарный линейный износ при температуре 20°С показало покрытие ВФП-5 (толщина 30 мкм), далее покрытие системы Ti–TiN (толщина 78 мкм), а затем покрытие ВПМСА (толщина 110 мкм), самый высокий износ предсказуемо показал образец без покрытия (толщина 130 мкм). Кривые износа выглядят как плавные поднимающиеся линии, что показывает увеличение износа в течение времени испытания. Заметно влияние твердой смазки (дисульфида молибдена с графитом) в покрытии ВФП-5 – произошло значительное снижение износа.

Испытания также показали, что при температуре 350°С меньший суммарный линейный износ имеют покрытия ВПМСА и Ti–TiN; у покрытия ВФП-5 – износ на уровне титанового сплава без покрытия. Полученные результаты подтверждают данные по рабочей температуре исследуемого покрытия ВФП-5.

Для косвенной оценки работоспособности и ресурса антифреттинговых покрытий использовали опцию трибометра по определению электрического сопротивления при испытаниях на фреттинг-износ. Оценка ресурса антифреттингового покрытия заключается в средних показаниях электрического сопротивления после испытаний, которое не должно снижаться ˃50% от номинального значения в 1000 Ом. Этот критерий оценки хорошо подходит для покрытий, являющихся диэлектриками, – таких как твердосмазочное покрытие ВФП-5.

На рис. 3 представлены зависимости электрического сопротивления от продолжительности испытаний на фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них при температурах 20 и 350°С.

На графиках при 20°С отчетливо видно изменение электрического сопротивления от продолжительности испытания. Для покрытия ВФП-5 электрическое сопротивление не изменяется и соответствует 1000 Ом на протяжении всего испытания, что подтверждает показатель по минимальному износу и ресурсу данного покрытия.

При температуре 350°С графики электрического сопротивления значительно меняются относительно показаний при 20°С. Видно, что значения электрического сопротивления стремятся к номинальному значению в 1000 Ом. Это может свидетельствовать об образовании защитных оксидных пленок как на контртелах, так и на покрытиях.

В табл. 1 представлены средние значения электрического сопротивления по результатам испытаний на фреттинг-износ образцов титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них при температурах 20 и 350°C.

Таблица 1

Средние значения электрического сопротивления
по результатам испытаний на фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6
с антифреттинговыми покрытиями и без них при температурах 20 и 350°C

Показано, что среднее значение электрического сопротивления покрытия ВФП-5 после проведенных испытаний изменяется незначительно относительно номинального значения сопротивления (1000 Ом) по сравнению с другими вариантами покрытий. Видно, как влияет температура испытаний на образование защитных оксидных пленок на контртелах и на покрытиях.

Для подтверждения полученных результатов требуются детальные исследования как продуктов износа, так и защитных оксидных пленок на испытуемых образцах.

Рис. 3. Зависимости электрического сопротивления (R) от продолжительности испытаний на фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них при различных температурах

Помимо суммарного линейного износа важным свойством при определении износостойкости покрытий является коэффициент трения. На рис. 4 представлены зависимости коэффициентов трения от продолжительности испытания на фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них при температурах 20 и 350°С.

Рис. 4. Зависимости коэффициентов трения (K_тр) от продолжительности испытаний на
фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них при различных температурах

В табл. 2 приведены средние значения коэффициентов трения после проведенных испытаний на фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них при температурах 20 и 350°С.

Таблица 2

Средние значения коэффициентов трения
после проведенных испытаний на фреттинг-износ образцов из титанового сплава ВТ6

с антифреттинговыми покрытиями и без них при температурах 20 и 350°С

Установлено, что наименьшее среднее значение коэффициента трения при температурах 20 и 350°С показало твердосмазочное покрытие ВФП-5; самое высокое – шликерное покрытие ВПМСА, что можно объяснить конструктивными особенностями данного типа покрытия – в состав входят частицы дисилицида молибдена произвольной формы. На образце из титанового сплава ВТ6 без покрытия при увеличении температуры значение коэффициента трения снижается в ~2 раза. Вероятно, это связано с образованием защитной оксидной пленки с такими значениями коэффициента трения, что подтверждается данными по изменению электрического сопротивления при испытаниях. Значение коэффициента трения для ионно-плазменного покрытия Ti–TiN как при температуре 20°С, так и при 350°С, практически не меняется и остается в пределах 0,6÷0,7.

Для наглядности исследовали места взаимодействия контртела с образцами с антифреттинговыми покрытиями и без них. Для этого при увеличении ×108 сняли следы контактов после испытаний на фреттинг-износ. Фотографии следов контактов контртела с образцами с антифреттинговыми покрытиями и без них после испытаний при температурах 20 и 350°С представлены в табл. 3.

Таблица 3

Следы контактов контртела и образцов с антифреттинговыми покрытиями
и без них после испытаний при различных температурах

Покрытие	Следы износа после испытаний на фреттинг-износ при температуре, °С
	20	350
Без покрытия
ВПМСА
Ti–TiN
ВФП-5

На фотографиях следов износа при температурах 20 и 350°С на всех образцах из титанового сплава ВТ6 с антифреттинговыми покрытиями и без них видны следы отблесков металлического цвета, характерные для оксидных пленок, что подтверждается данными по электрическому сопротивлению.

Обсуждение и заключения

Приведены данные испытаний на фреттинг-износ при температурах 20 и 350°С антифреттинговых покрытий, разработанных в ВИАМ за последнее время.

Испытывали твердосмазочное покрытие ВФП-5, шликерное покрытие ВПМСА и микрослойное покрытие системы Ti–TiN, полученное по ионно-плазменной технологии. По результатам испытаний оценивали кривые износа, графики коэффициента трения и электрического сопротивления, а также внешний вид пятен износа.

Наименьший износ показало твердосмазочное покрытие ВФП-5 при 20°С, а при 350°С – шликерное покрытие ВПМСА. Наименьший коэффициент трения показало покрытие ВФП-5 при комнатной и повышенной температурах. Показано положительное влияние твердой смазки (дисульфида молибдена и графита) в условиях фреттинг-износа, однако данное покрытие имеет ограничение по температуре применения.

Шликерное покрытие ВПМСА имеет более высокую рабочую температуру и может нести бо́льшую контактную нагрузку из-за наличия наполнителя из дисилицида молибдена. Высокие значения коэффициента трения у данного покрытия могут быть восприняты как нежелательные для некоторых случаев применения. В настоящее время покрытие ВПМСА успешно применяется на замках лопаток компрессора ГТД для защиты от фреттинга.

Микрослойное покрытие системы Ti–TiN показало средние значения суммарного линейного износа, коэффициента трения в условиях фреттинг-износа. Из всех испытанных типов покрытий данное покрытие имеет наименьшую толщину 7 мкм. Ионно-плазменный метод нанесения этого покрытия обеспечивает высокую воспроизводимость (95–99%) по параметрам покрытия.

Определение модуля сопротивления при испытаниях на фреттинг-износ позволяет выявлять образование защитных оксидных пленок, исследование которых необходимо учитывать при разработке антифреттинговых покрытий.

Испытания на трибометре при завышенной амплитуде 300 мкм с частотой 13 Гц и удельном давлении 68 МПа позволяет оценить величины суммарного линейного износа, электрического сопротивления и коэффициента трения контактной пары. Оценить работоспособность антифреттингового покрытия на основании полученных результатов не представляется возможным. Для оценки работоспособности антифреттингового покрытия необходимо дополнительно провести испытания на фреттинг-усталость.