О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин

Изложены результаты экспериментальных исследований по определению влияния характеристик структуры на физико-механические свойства материалов покрытий и демпфирующую способность конструктивных элементов с покрытиями при учете таких факторов, как температура, частота и амплитуда напряжения....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2010
Main Authors:	Устинов, А.И., Зиньковский, А.П., Токарь, И.Г., Скородзиевский, В.С.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2010
Series:	Современная электрометаллургия
Subjects:	Электронно-лучевые процессы
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96068
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин / А.И. Устинов, А.П. Зиньковский, И.Г. Токарь, В.С. Скородзиевский // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 1 (98). — С. 28-33. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96068
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-960682025-02-09T16:51:58Z О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин About capabilities of nanostructured coatings to reduce the dynamic intensity of design elements of machines Устинов, А.И. Зиньковский, А.П. Токарь, И.Г. Скородзиевский, В.С. Электронно-лучевые процессы Изложены результаты экспериментальных исследований по определению влияния характеристик структуры на физико-механические свойства материалов покрытий и демпфирующую способность конструктивных элементов с покрытиями при учете таких факторов, как температура, частота и амплитуда напряжения. Results of experimental investigations for determination of effect of characteristics of structure on physical-mechanical properties of materials of coatings and damping capability of design elements with coatings with account for such factors as temperature, frequency and amplitude of stress are described. 2010 Article О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин / А.И. Устинов, А.П. Зиньковский, И.Г. Токарь, В.С. Скородзиевский // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 1 (98). — С. 28-33. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96068 534.282:620:168.3 ru Современная электрометаллургия application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы
spellingShingle	Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы Устинов, А.И. Зиньковский, А.П. Токарь, И.Г. Скородзиевский, В.С. О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин Современная электрометаллургия
description	Изложены результаты экспериментальных исследований по определению влияния характеристик структуры на физико-механические свойства материалов покрытий и демпфирующую способность конструктивных элементов с покрытиями при учете таких факторов, как температура, частота и амплитуда напряжения.
format	Article
author	Устинов, А.И. Зиньковский, А.П. Токарь, И.Г. Скородзиевский, В.С.
author_facet	Устинов, А.И. Зиньковский, А.П. Токарь, И.Г. Скородзиевский, В.С.
author_sort	Устинов, А.И.
title	О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин
title_short	О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин
title_full	О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин
title_fullStr	О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин
title_full_unstemmed	О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин
title_sort	о возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Электронно-лучевые процессы
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96068
citation_txt	О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин / А.И. Устинов, А.П. Зиньковский, И.Г. Токарь, В.С. Скородзиевский // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 1 (98). — С. 28-33. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT ustinovai ovozmožnostâhnanostrukturirovannyhpokrytijdlâsniženiâdinamičesčkojnaprâžennostikonstruktivnyhélementovmašin AT zinʹkovskijap ovozmožnostâhnanostrukturirovannyhpokrytijdlâsniženiâdinamičesčkojnaprâžennostikonstruktivnyhélementovmašin AT tokarʹig ovozmožnostâhnanostrukturirovannyhpokrytijdlâsniženiâdinamičesčkojnaprâžennostikonstruktivnyhélementovmašin AT skorodzievskijvs ovozmožnostâhnanostrukturirovannyhpokrytijdlâsniženiâdinamičesčkojnaprâžennostikonstruktivnyhélementovmašin AT ustinovai aboutcapabilitiesofnanostructuredcoatingstoreducethedynamicintensityofdesignelementsofmachines AT zinʹkovskijap aboutcapabilitiesofnanostructuredcoatingstoreducethedynamicintensityofdesignelementsofmachines AT tokarʹig aboutcapabilitiesofnanostructuredcoatingstoreducethedynamicintensityofdesignelementsofmachines AT skorodzievskijvs aboutcapabilitiesofnanostructuredcoatingstoreducethedynamicintensityofdesignelementsofmachines
first_indexed	2025-11-28T05:03:51Z
last_indexed	2025-11-28T05:03:51Z
_version_	1850009179595472896
fulltext	УДК 534.282:620:168.3 О ВОЗМОЖНОСТЯХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН А. И. Устинов, А. П. Зиньковский, И. Г. Токарь, В. С. Скородзиевский Изложены результаты экспериментальных исследований по определению влияния характеристик структуры на физико-механические свойства материалов покрытий и демпфирующую способность конструктивных элементов с покрытиями при учете таких факторов, как температура, частота и амплитуда напряжения. Results of experimental investigations for determination of effect of characteristics of structure on physical-mechanical properties of materials of coatings and damping capability of design elements with coatings with account for such factors as temperature, frequency and amplitude of stress are described. Ключ е вы е с л о в а : покрытие, наноструктура мате- риала; температура; конструктивный элемент; частота ко- лебаний; логарифмический декремент колебаний; динамичес- кая напряженность Введение и постановка задачи. Развитие современ- ного машиностроения предъявляет высокие требо- вания к надежности и долговечности как отдельных конструктивных элементов, так и машин в целом. Поскольку большинство из них эксплуатируются в условиях широкого спектра динамических нагру- зок, которые могут вызвать выход из строя и раз- рушение конструктивных элементов, а также привести к катастрофическим последствиям, то одной из ключевых задач достижения надежного функционирования в течение требуемого ресурса является обеспечение их динамической прочности. Особенно актуальной эта задача является для авиационных газотурбинных двигателей (АГТД), большинство (более 60 %) дефектов которых, вы- являемых при проектировании, доводке и эксплу- атации, обусловлены недостаточной прочностью узлов и конструктивных элементов, в первую оче- редь рабочих лопаток. При этом около 70 % дефек- тов имеют вибрационное происхождение. Одним из наиболее важных технико-экономи- ческих показателей качества изделий машиностро- ения является обеспечение их вибрационной на- дежности. Однако в большинстве случаев вследст- вие значительной плотности частот собственных и вынужденных колебаний при эксплуатации рас- сматриваемых объектов невозможно исключение опасных резонансных режимов. Поэтому использу- ют различные конструктивно-технологические спо- собы, снижающие опасность их последствий, среди которых определяющим является повышение демпфирующей способности как средства ограничения максимальных резонансных напряжений наиболее на- пряженных конструктивных элементов. Применительно к рабочим лопаткам компрессо- ров АГТД, изготовляемым из высокопрочных с низкими значениями диссипативных свойств тита- новых сплавов, одним из эффективных способов повышения вибрационной надежности является на- несение на перо высокодемпфирующих покрытий [1]. Поскольку эти сплавы чувствительны к повер- хностным повреждениям, покрытия должны также отличаться необходимым комплексом физико- механических характеристик – высокими по- казателями твердости, предела выносливости, кор- розионной стойкости и прочее, т. е. они должны одновременно обеспечивать надежное сопротивле- ние воздействию условий, в которых эксплуати- руются конструктивные элементы. В настоящее время накоплен значительный опыт в создании таких покрытий, которые в той или иной мере удовлетворяют условиям производства и эксп- луатации АГТД [2]. Вместе с тем следует отметить, что параметры указанных характеристик материалов, которые можно было бы использовать в качестве вы- сокодемпфирующих покрытий, недостаточны, а их повышение путем легирования или термомеханичес- кой обработки, как правило, приводит к ухудшению диссипативных свойств. С учетом тенденций развития современного авиадвигателестроения, проявляющихся в повы- шении температуры газа и амплитуд динамических напряжений, расширении спектра частот внешних нагрузок, возникает потребность в создании новых материалов для покрытий. К последним можно отнести разрабатываемые в Институте электрос- © А.И. УСТИНОВ, А.П. ЗИНЬКОВСКИЙ, И.Г. ТОКАРЬ, В.С. СКОРОДЗИЕВСКИЙ, 2010 * Статья подготовлена по результатам выполнения комплексной программы НАН Украины «Проблемы ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и машин» (2007—2009 гг.). 28 варки им. Е.О. Патона НАН Украины нанострук- турированные вакуумные конденсаты (в дальней- шем конденсаты) [3], осаждаемые на конструк- тивные элементы из паровой фазы по технологии, приведенной в работе [4]. Актуальной задачей с точки зрения возможности применения материалов таких покрытий в производстве рабочих лопаток компрессоров совре- менных АГТД является определение оптимальных параметров структуры их материала и условий осаждения для обеспечения повышения демп- фирующей способности лопаток при эксплуатации, что и является целью настоящей работы. Материалы покрытий и способ их получения. В данной работе в качестве основного материала покрытия выбрали квазикристаллический сплав Al—Cu—Fe, характеризующийся повышенными зна- чениями твердости (10…11 ГПа) и коррозионной стойкости [5, 6], а также медь чистую и с добавками железа (до 4 %). Последние два материала можно использовать как связующий подслой, отличающийся высоким уровнем адгезии с материалом конст- руктивного элемента и покрытия. Кроме того, наличие меди в составе покрытия обусловливает воз- растание рассеяния энергии в колебательной системе, поскольку в наноструктурированном состоянии она относится к высокодемпфирующим материалам [7]. Покрытия толщиной 50…150 мкм из выбранных материалов получали по технологии электронно-лу- чевого испарения и осаждения в вакууме [4]. Осаж- дение осуществляли на стержневые образцы из титанового сплава ВТ1-0, характеризующегося низкими диссипативными свойствами при зна- чениях температуры до 450 °С [8]. Заготовками для покрытий служили слитки меди и железа, а также таблетки спрессованной смеси порошков алюминия, меди, железа. При осаждении покрытий Cu—Fe испарение металлов осуществлялось из двух мишеней одновременно. Предварительно поверх- ность образца очищали в вакуумной печи ионным пучком аргона. Скорость осаждения покрытий сос- тавляла 2…3 мкм/мин, а их структурное состояние изменялось путем варьирования температуры образца в пределах 160…600 °С. Осаждение покрытий на компрессорные ло- патки АГТД с целью обеспечения их однородности по всей поверхности выполняли в режиме их вра- щения. Для этого лопатки крепили к горизонталь- ному валу, вращающемуся в процессе формирова- ния покрытий. Структуру покрытий исследовали методами сканирующей и электронной микроскопии (прибор CamScan4), а их микротвердость измеряли на попе- речных шлифах образцов методом Виккерса с использованием оптического микроскопа Polyvar- Met при нагрузке 0,05 Н длительностью 10 с. Основные положения методик исследования диссипативных свойств материалов покрытий и демпфирующей способности конструктивных элементов. Характеристики рассеяния энергии ма- териала покрытий определяли расчетно-экспери- ментальным методом. Первоначально по результа- там испытаний консольно закрепленных образцов с покрытием на установке, приведенной в работе [9], в режиме затухающих колебаний получали амплитудные зависимости логарифмического дек- ремента колебаний. Затем на их основе по расчетной методике работы [10] определяли амплитудные зависимости истинного логарифмического де- кремента для материала покрытия, т.е. его харак- теристики рассеяния энергии при однородном на- пряженном состоянии. Для определения демпфирующей способности конструктивных элементов использовали создан- ные в Институте проблем прочности им. Г. С. Пи- саренко НАН Украины экспериментальные средст- ва по изучению диссипативных свойств материалов и конструктивных элементов как при комнатной, так и повышенных значениях температуры [11], обеспечивающих минимизацию потерь энергии в сочленениях, не связанных с гистерезисными поте- рями в материалах объекта испытаний и покрытиях. Логарифмический декремент колебаний опреде- ляли методом резонансной кривой [1]. В качестве объекта испытаний выбрали консоль- ный образец прямоугольного поперечного сечения (h×b×l = 4×12×150 мм). Покрытие наносили только на одну поверхность рабочей части образца по всей ее ширине b начиная от корневого сечения. Оно имело неизменную длину 50 мм. Испытывали обра- зец при постоянной толщине h = 4 мм и уменьшении длины l его рабочей части от 150 до 50 мм для достижения необходимой частоты колебаний. В соответствии с постановкой задачи установлен следующий диапазон изменения параметров испы- таний: частота колебаний 150…1000 Гц, температу- ра 20…400 °С (в целом соответствует основным режимам эксплуатации рабочих лопаток компрес- сора АГТД). Структура и свойства материалов покрытий. Структуру покрытий из меди изменяли путем варьи- рования температуры осаждения Тс в диапазоне 160…600 °С, вследствие чего размер D зерна (кристаллита) столбчатой формы уменьшался от 4…5 мкм (Тс = 600 °С) до 0,3…0,4 мкм (Тс = = 160 °С). При этом обнаружено качественное из- менение субструктуры кристаллитов. Из рис. 1 видно, что с уменьшением температуры осаждения изменяется внутреннее строение кристаллитов, что проявляется в образовании про- слойки из двойниковых доменов, расположенных преимущественно параллельно фронту роста крис- таллитов (таблица). Количество таких двойников резко возрастает с понижением температуры осаж- дения начиная с Тс ≈ 350 °С [7]. При дальнейшем снижении температуры их количество увеличивает- ся, что приводит к формированию в кристаллитах полидоменной нанодвойниковой субструктуры (рис. 1, а). Переход к нанодвойниковому структурному сос- тоянию покрытий из меди обусловливает резкое увеличение их микротвердости от 0,8 до 1,5 ГПа [7], а также качественное изменение характеристик рас- сеяния энергии, что проявляется в существенном ослаблении амплитудной зависимости логарифмичес- кого декремента, присущей крупнозернистой меди, с сохранением высоких значений при нагреве (рис. 2). 29 Кроме того, в отличие от крупнозернистой меди, характеристики рассеяния энергии этих покрытий сохраняются после многократного циклического де- формирования. Дополнительного увеличения микротвердости покрытий (до 2 ГПа) достигают в результате добав- ления в медь 2…4 % железа. Характеристики рассе- яния энергии такого покрытия Cu—Fe в этом случае снижаются при больших амплитудах деформации. Вместе с тем они остаются достаточно высокими и циклически стабильными при температуре испы- таний 20…350 °С. При этом зафиксировано почти полное совпадение кривых, полученных в ходе циклического деформирования образцов при тем- пературе 250 °С, с исходной кривой. Изменение механических и диссипативных свойств покрытий из конденсатов меди и Cu—Fe при формировании в них нанодвойниковой субструкту- ры обусловлено существенным ослаблением роли внутризеренных дислокаций как в процессе пластической деформации, так и при рассеянии механической энергии. При размерах структурных элементов примерно 100 нм генерация «свежих» дислокаций в металлах становится невозможной [12]. С другой стороны, с уменьшением размера зерен увеличивается роль зер- нограничной поверхности, в результате чего в наност- руктурированных материалах доминирующими становятся механизмы рассеяния энергии, связан- ные с термически активированной перестройкой атомных конфигураций на границах зерен. На рис. 3 приведены результаты исследования влияния размера зерна на характеристики рассе- яния энергии для покрытий из композитного сплава Al—Cu—Fe. В покрытиях, осаждаемых при Тс = = 650 °С, средний размер зерен D составлял 580 нм. При снижении температуры осаждения до 350 и 270 °С он уменьшался соответственно до 270 и 30 нм. Для покрытий с размерами зерна 580 и 270 нм парамет- ры характеристик рассеяния энергии в интервале значений температуры 20…400 °С оказались невы- сокими, однако с его уменьшением до 30 нм зафиксировано резкое возрастание декремента ко- лебаний при температуре 250…400 °С (рис. 3). Особенностью рассматриваемых нанострукту- рированных покрытий является амплитудно неза- висимый характер вплоть до амплитуд относитель- ной деформации ε = 1⋅10—3, что важно с практичес- кой точки зрения. Следует также отметить высокую твердость таких покрытий (15 ГПа) и меньшее зна- чение модуля упругости (177 МПа), по сравнению с покрытием такого же состава с размерами зерна, равными 270 и 580 нм, и модулем упругости соот- ветственно 207 и 210 МПа. Рис. 1. Электронно-микроскопические изображения поперечного сечения конденсатов меди, осажденных на образец при значениях температуры 170 (а), 230 (б) и 350 (в) °С; а – 4000; б, в – 2000 Рис. 2. Амплитудные зависимости логарифмического декремента колебаний для конденсата меди c размером зерна 2,5 мкм (а) и с полидоменной нанодвойниковой субструктурой (б) при значениях температуры 20 (1), 250 (2) и 350 (3) °С 30 Таким образом, из результатов проведенных исследований следует, что путем выбора соответст- вующих режимов электронно-лучевого осаждения на поверхности конструктивных элементов можно формировать наноструктурированные покрытия с повышенным уровнем диссипативных и механических свойств. Результаты определения демпфирующей способ- ности конструктивных элементов с покрытиями и их анализ. Для анализа выбрали три вида покрытий из указанных материалов, характеристики которых приведены в таблице. По полученным амплитудно-частотным харак- теристикам образцов определяли значения их ло- гарифмического декремента колебаний и соответст- вующие его зависимости от амплитуды макси- мальных напряжений σmax при варьировании час- тоты колебаний и температуры испытаний для раз- личных значений параметров покрытий. Следует отметить, что при резонансных испытаниях невоз- можно обеспечить одинаковую частоту колебаний образцов. Но поскольку это расхождение незна- чительно, то оно несущественно повлияло на анализ результатов испытаний. Для выполнения сравнительного анализа влия- ния тех или иных факторов на демпфирующую спо- собность образцов с выбранными покрытиями пред- варительно определили амплитудные зависимости декремента колебаний для образца без покрытия в заданном диапазоне частот колебаний при комнат- ной температуре (20 °С), приведенные на рис. 4, а. Из представленных результатов видно, что указан- ные зависимости носят линейный характер, а влияние частоты колебаний на значение декремента колебаний несущественно при малых амплитудах напряжений и несколько возрастает при их увеличении. Рассмотрим результаты выполненных испыта- ний с точки зрения влияния частоты колебаний на демпфирующую способность образцов с выбран- ными покрытиями. Анализ амплитудных зависимостей декремента колебаний образцов с однокомпонентными покры- тиями (образцы 1—9, полученные при комнатной температуре), соответствующих их определенному структурному состоянию (рис. 4, б, в), показал, что в данном случае влияние частоты колебаний на значение декремента зависит от типа покрытия. Так, наиболее существенная частотная зависимость декремента колебаний характерна для медного пок- рытия, особенно при повышенных амплитудах максимальных напряжений. Менее выражена она для образцов с покрытием из железа. Наглядно влияние частоты на декремент коле- баний образцов иллюстрируется частотными его зависимостями, которые для амплитуды макси- мальных напряжений (σmax = 50 МПа) приведены на рис. 5. Здесь по оси абсцисс отложена средняя частота колебаний с учетом невозможности обеспе- чения при испытаниях ее одинакового значения. Из представленных результатов испытаний сле- дует, что демпфирующая способность образцов су- щественно зависит от характеристик микро- структуры. Рис. 3. Зависимости логарифмического декремента колебаний образца с покрытием из сплава Al—Cu—Fe от температуры (а) при амплитуде относительной деформации ε = 5⋅10 —4 для размера зерна 580 (1) и 30 (2) нм и от амплитуды относительной деформации (б) при размере зерна 30 нм и варьировании температуры, °С: 3 – 20; 4 – 300; 5 – 350 Состав покрытий, характеристики их структуры и нане- сения на образцы № образца Состав покрытия Температура осаждения Тс, °C Размер зерна D/толщина двойников d, нм Толщина покрытия hп, мкм 1 Медь 605 3000 97 2 » 345—350 1400/160 150 3 » 240—245 780/65 170 4 » 600 2800 33 5 » 600 2800 100 6 » 300 1100/105 87 7 » 300 105 72 8 Железо 700 2500 110 9 » 340 70 102 10 Al—Cu—Fe 500 430 53 11 » 500 430 62 12 » 300 110 55 13 » 300 110 58 Прим е ч а н и е . Толщина двойников в конденсатах меди указана в знаменателе. 31 В целом на основании полученных данных можно сделать вывод, что частотная зависимость логарифмического декремента колебаний образца больше характерна при осаждении медного пок- рытия. При этом степень его роста больше выраже- на для покрытий с крупными зернами и более высокими значениями амплитуды максимального напряжения. Для образцов с покрытием из железа указанная зависимость логарифмического декре- мента от частоты колебаний практически не за- фиксирована, особенно при снижении амплитуды максимального напряжения. В соответствии с постановкой работы, проана- лизируем результаты исследований по определе- нию совместного влияния частоты колебаний и тем- пературы эксплуатации на демпфирующую способ- ность образцов с покрытиями. Решение задачи рас- смотрим на примере покрытия из квази- кристаллического сплава Al—Cu—Fe (более вероят- ного), в сравнении с однокомпонентными, для практической реализации, особенно для рабочих лопаток компрессоров АГТД. Испытывали образцы при варьировании тех же технологических и эксплуатационных факторов, рассмотренных для однокомпонентных покрытий, а также температуры эксплуатации. Как и для одно- родных покрытий, получены амплитудные за- висимости логарифмического декремента колеба- ний от амплитуды максимального напряжения, на основании анализа которых установлено, что демпфирующая способность образцов с рассматри- ваемым покрытием при повышенной температуре может возрасти в три и более раз. На основе полученных амплитудных зависимо- стей логарифмического декремента построили ди- аграмму его изменения в зависимости от частоты резонансных колебаний образца (рис. 6). Как сле- дует из представленных данных, частота колебаний практически не оказывает влияния на демпфирую- щую способность образца с многокомпонентным пок- рытием из квазикристаллического сплава Al—Cu—Fe. Оценка циклической прочности титановых лопа- ток с покрытиями из наноструктурированной меди. Высокий уровень и циклическая стабиль- ность характеристик рассеяния энергии нанострук- турированными конденсатами на основе меди, а также хорошая их адгезия по отношению к титано- вым сплавам позволяют рассматривать данные кон- денсаты в качестве возможной составляющей про- межуточного слоя композитных защитных пок- рытий для лопаток АГТД. На основе проведенных испытаний определены технологические режимы осаждения покрытий из меди на титановые лопатки, при которых обес- печивалось их наноструктурированное состояние. Исследовано влияние таких покрытий толщиной 5…10 мкм на устойчивость против разрушения ти- тановых лопаток из сплава ВТ3-1. Для сравнения, на другую часть лопаток осаждали покрытия из меди с микронным размером зерен. Испытания про- водили при температуре 20 °С и частоте колебаний Рис. 4. Зависимость логарифмического декремента колебаний образцов без покрытия (а); с однокомпонентными покрытиями из меди (Тс = 6050 °С, hп = 97 мкм) (б) и железа (Тс = = 700 °С, hп = 110 мкм) (в) от амплитуды мак- симальных напряжений при варьировании частоты резонансных колебаний, Гц: 1 – 143; 2 – 312; 3 – 507; 4 – 614; 5 – 744; 6 – 881; 7 – 143; 8 – 328; 9 – 492; 10 – 620; 11 – 712; 12 – 792; 13 – 147; 14 – 328; 15 – 519; 16 – 624; 17 – 732; 18 – 868 32 530 Гц. Циклическую усталость лопаток оценивали по ускоренной методике в условиях дискретного повышения амплитуды напряжений после каждых из 5⋅106 циклов колебаний [13]. Положительное влияние на вибрационную ус- тойчивость лопаток, имеющих покрытия с микрон- ным размером зерен, отмечено для 50 % образцов. В случае же наноструктурированных покрытий положительный результат получен для всех образ- цов, причем 50 % из них не разрушались вплоть до окончания испытаний. Приведенные результаты подтверждают пред- положение о том, что конденсаты на основе нано- структурированной меди могут быть использованы в качестве составляющих композитных покрытий, например связующих слоев между конструктивным элементом и основной частью покрытия. Выводы 1. Показано, что демпфирующая способность об- разцов с покрытиями существенно зависит от их структуры и параметров получения, в первую оче- редь от температуры осаждения покрытия, а также частоты колебаний. 2. Установлено, что логарифмический декре- мент изгибных колебаний образца с нанострукту- рированным покрытием при повышенной темпера- туре может возрасти в три и более раз, по сравнению с таковым при комнатной температуре. 3. Необходим дальнейший поиск оптимальных наноструктуры покрытия и параметров ее полу- чения для обеспечения максимальной демпфирую- щей способности конструктивных элементов машин типа рабочих лопаток компрессоров АГТД в условиях их эксплуатации. 1. Матвеев В.В. Демпфирование колебаний деформируе- мых тел. – Киев: Наук. думка, 1985. – 263 с. 2. Яковлев А.П. Диссипативные свойства неоднородных ма- териалов и систем. – Киев: Наук. думка, 1985. – 248 с. 3. Устинов А.И., Скородзиевский В.С., Косенко Н.С. Изу- чение диссипативных свойств однородных материалов, осажденных в виде покрытий. Сообщение 2. Конденсаты меди с различными характеристиками микрострукту- ры // Пробл. прочности. – 2008. – № 2. – С. 149—159. 4. Paton B.E., Movtchan B.A.Composite materials deposited from the vapour phase in vacuum soviet technologies revi- ew // Weld and Surfacing. – 1991. – N 2. – P. 43—64. 5. Effect of the addition of crystalline β-phase in Al—Cu—Fe quisicrystalline coating on their tribological properties / M. Sales, A. Merstallinger, A.I. Ustinov et al. // Surf. and Coat. Tech. – 2007. – N 201. – P. 6206—6211. 6. Mechanical properties of quisicrystalline Al—Cu—Fe coatings with submicron-sized grains / Yu.V. Milman, D.V. Lotsko, S.N. Dub et al. // Ibid. – P. 5937—5943. 7. Ustinov A.I., Skorodzievski V.S., Fesiun E.V. Damping capacity of nanotwinned copper // Acta Materialia. – 2008. – N 56. – P. 3770—3776. 8. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справоч- ник по сопротивлению материалов. – Киев: Наук. думка, 1988. – 734 с. 9. Устинов А.И., Мовчан Б.А., Скородзиевский В.С. Ис- следование демпфирующей способности плоских образцов из титанового сплава Ti—6%Al—4%V с покрытиями из оло- ва и иттрия // Пробл. прочности. – 2001. – № 4. – С. 55—61. 10. Устинов А.И., Скородзиевский В.С., Косенко Н.С. Изу- чение диссипативных свойств однородных материалов, осажденных в виде покрытий. Сообщение 1. Метод опре- деления амплитудной зависимости истинного декремента колебания материала покрытия // Там же. – 2007. – № 6. – С. 134—143. 11. Прочность материалов и конструкций / А.А. Лебедев, В.Т. Троицкий, В.В. Матвеев и др. – Киев: Академ- периодика, 2005. – 1008 с. 12. Kaschner G.C., Gibeling J.C. Evolution of dislocation glide kinetics during cycling deformation of copper // Acta Ma- terialia. – 2002. – N 50. – P. 653—662. 13. Матохнюк Л.Е. Ускоренные усталостные испытания вы- сокочастотным нагружением. – Киев: Наук. думка, 1988. – 200 с. Ин-т электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев Ин-т проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, Киев Ин-т металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, Киев Поступила 14.01.2010 Рис. 6. Диаграмма изменения значения логарифмического декремента колебаний образца с покрытием из сплава Al—Cu—Fe (Тс = 500 °С, hп = 62 мкм ) от частоты f резонансных колебаний при амплитуде максимальных напряжений 45 МПа и температуре испытаний 350 (1) и 20 (2) °С; 3 – образец без покрытия Рис. 5. Зависимость логарифмического декремента колебаний при амплитуде максимальных напряжений 50 МПа образцов с однокомпонентными покрытиями из меди (а) и железа (б) от средней частоты fср резонансных колебаний для различных параметров покрытия: 1 – Тс = 605 °С, hп = 97 мкм; 2 – 350 °С, hп = 150 мкм; 3 – 245 °С, hп = 170 мкм; 4 – образец без покрытия; 5 – 700 °С, hп = 110 мкм; 6 – 340 °С, hп = 102 мкм 33

О возможностях наноструктурированных покрытий для снижения динамичесчкой напряженности конструктивных элементов машин

Institution

Similar Items