WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

Pages:   || 2 |

«Ж.М. Бледнова Научно-образовательный курс Поверхностное модифицирование материалами с эффектом памяти формы в инженерных приложениях Краснодар, 2016 УДК 669.018.2; ...»

-- [ Страница 1 ] --

Ж.М. Бледнова

Научно-образовательный курс

Поверхностное модифицирование

материалами с эффектом памяти формы

в инженерных приложениях

Краснодар, 2016

УДК 669.018.2; 539.4.015; 621.793

Научно-образовательный курс

публикуется по решению научно-технического совета

Кубанского государственного технологического университета

Научно-образовательный курс подготовлен в рамках

гранта Российского научного фонда по проекту № 15-19-00202-2015

Научно-образовательный курс «Поверхностное модифицирование материалами с эффектом памяти формы в инженерных приложениях» посвящен применению различных технологий формирования слоистых поверхностных композиций с использованием материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) для расширения функциональных возможностей и повышения надежности изделий машиностроительного назначения. На ряде новых конструктивно-технологических решений показана перспективность использования функциональных свойств из материала с ЭПФ для получения гарантированной посадки с натягом соединяемых деталей. Приведен проектировочный расчет разъемных соединений деталей машин, поверхностно-модифицированных сплавами с ЭПФ. Оценено напряженнодеформированное состояние резьбового соединения с поверхностно-модифицированным слоем никелида титана и определена эффективная толщина модифицированного слоя для обеспечения необходимого уровня надежности. На примере анализа НДС лопасти гребного винта судна с поверхностным слоем из материалов с ЭПФ (рассмотрена два варианта: поверхностный слой никелида титана и композитный поверхностный слой из материалов с ЭПФ) показана возможность и целесообразность формирования композиционного слоя из материала с ЭПФ для обеспечения надежности и увеличения живучести изделия.



В научно-образовательном курсе приведен расчет и проектирование конструктивных элементов из материалов с ЭПФ. Решена задача оценки напряженно-деформированного состояния тонкостенного сосуда давления с упрочняющими элементами из материала с ЭПФ, обеспечивающими повышение надежности. Рассмотрено решение задачи обеспечения надежности литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения с использованием нового байпасного устройства с термопреобразователем из материала с ЭПФ. Показана технологическая эффективность и экономическая целесообразности предложенного решения. Приведен расчет силового элемента, обеспечивающего не только функциональную надежность, но и снижение массогабаритных характеристик. Рассмотренные в научно-образовательном курсе технические решения используются в учебном процессе при выполнении курсовых работ.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ) нашли широкое практическое применение как функциональные материалы в технике и медицине. Использование их в качестве конструкционных материалов в машиностроении весьма ограничены, как по экономическим соображениям, так и в связи ограниченности разработанных методов расчета и прогнозирования деформационного поведения в различных условиях нагружения. В области машиностроения (в основном в авиационной и космической технике, химическом машиностроении и нефтегазовом комплексе) в настоящее время эти сплавы используются, для обеспечения необходимых функционально-механических свойств в конструкциях соединительных и установочных деталей, исполнительных элементов и роботов, тепловых двигателей и других конструкциях. Перспективы применения их в таком качестве существенно ограничены. Поэтому целесообразно формировать на поверхности изделия покрытия или поверхностные композиции из материалов с ЭПФ, что позволит расширить функциональные возможности изделия, повысить долговечность и продлить жизненный цикл изделия за счет управления структурно-фазовым состоянием. В издании представлены следующие разделы этого перспективного направления.

Во вводной части показана роль сплавов с ЭПФ в современном машиностроении и, отражены инженерные аспекты их использования, основные технологии, достижения и новые тенденции, показана перспективность и экономическая целесообразность поверхностного модифицирования деталей сплавами с ЭПФ.

Глава 1 посвящена рассмотрению использования поверхностного модифицирования материалами с ЭПФ для повышения надежности и расширения функциональных возможностей разъемных соединений, крепежных изделий. На примере лопасти гребного винта судна с поверхностным слоем TiNi показано на основе анализа НДС снижение напряжений поверхностном слое. Экспериментально подтверждено повышение предела выносливости поверхностно-модифицированных образцов эксплуатационных условиях.

Рассмотрен вариант формирования на поверхности лопасти гребного винта слоистой поверхностной композиции из материалов с ЭПФ с градиентом механических свойств и температур фазовых превращений, что позволит продлить жизненный цикл изделия за счет торможения процесса разрушения на стадии накопления повреждения и образования трещин.

Глава 2 посвящена рассмотрения вопросов расчета и проектирования конструктивных элементов из материалов с ЭПФ для обеспечения надежности сварных тонкостенных сосудов давления для химических источников тока. Приведено описание конструктивного решения термомеханического силопривода из сплава с ЭПФ.

В главе 3 подробно рассмотрены инженерно-технологические аспекты проблемы обеспечения надежности литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения и предложены новые конструктивно технологические решения байпасных устройств с силовым элементом из материалов с ЭПФ. Выполненная оценка функциональной надежности и технологической эффективности предложенного байпасного устройства, подтвержденная экономической эффективностью, обеспечила вероятность безотказной работы байпасного устройства, а, следовательно, и литий-ионной аккумуляторной батареи приемлемой для изделий космического назначения.

В настоящем издании изложены результаты исследований, выполненные под руководством автора за последние 15 лет в лаборатории кафедры «Динамика и прочность машин» ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет». Некоторые эксперименты выполнены в Институте машиноведения РАН им. А.А.Благонравова.

Исследования структуры поверхностно-модифицированных слоев на микроскопах высокого разрешения выполнены в центре коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» при Кубанском государственном университете. Представленные исследования выполнены при финансовой Министерства образования и науки Российской Федерации и Российского научного фонда и ОАО «Сатурн».

Основу издания составляют работы и исследования автора, выполненные с коллегами и учениками Д.Г. Будревичем, М.А. Степаненко, И.С. Мышевским, П.О. Русиновым, Н.А. Проценко на стадии подготовки ими диссертаций. Всем им автор выражают глубокую благодарность. Автор выражаю глубокую благодарность члену-корреспонденту Н.А.

Махутову за обсуждение результатов работы и важные замечания, руководству ОАО «Сатурн», на экспериментальной базе которого произведены стендовые испытания ЛИАБ, за содействие и помощь в работе. Автор выражает признательность также коллегам и соавторам, при участии которых были опубликованы перечисленные ниже статьи.

Автор надеется, что приведенные данные будут полезны специалистам, работающим в области наук о материалах, пополнят сведения о материалах с поверхностным слоем из сплавов с ЭПФ и их влиянии на функциональные и эксплуатационные свойства изделий. а также аспирантам и студентам.

СОКРАЩЕНИЯ

–  –  –

ИНЖЕНЕРНЫЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЛАВОВ

С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ:

ТЕХНОЛОГИИ, ДОСТИЖЕНИЯ И НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ

Создание новых материалов, устройств и изделий из них всегда являлось одной из важных научных и прикладных задач материаловедения. Подавляющее количество материалов предназначенных для различных сфер деятельности человека, используется в качестве конструкционных для изготовления различных конструкций и оборудования общего и специального назначения. Они должны иметь требуемые механические и эксплуатационные свойства, а их производство должно отличаться достаточной простотой и экономичностью. Другая группа материалов, назначение и применение которых, в основном, определяются их особыми и подчас уникальными физико-механическими характеристиками – функциональные материалы.




Ярким представителем функциональных материалов с обратимой фазовой структурой является группа металлических сплавов с термоупругими мартенситными превращениями и термомеханической памятью, получившее название материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ). В течение последних двух - трех десятилетий в России и ведущих зарубежных странах использование сплавов с термомеханической памятью нарастает. Одновременно для этих сплавов разрабатываются различные металловедческие и металлургические аспекты, создаются новые сплавы и технологии их обработки, выполняется систематическое изучение структурных и фазовых превращений в них, различных свойств, и в том числе уникальных по своим температурным, деформационным и силовым характеристикам, эффектов термомеханической памяти.

Государственной программой Российской Федерации «Развитие наук и технологий» до 2030 года, утвержденной указом президента № 899 от 7 июля 2011 года, определены приоритетные стратегические направления развития материалов и технологий, в том числе на использовании интеллектуальных материалов с ЭПФ [1]:

«умные» конструкции;

интеллектуальные, адаптивные материалы и покрытия;

материалы с эффектом памяти формы;

слоистые биметаллические и гибридные материалы;

интерметаллидные материалы;

высокожаропрочные суперсплавы, естественные композиты;

энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии получения деталей, полуфабрикатов и конструкций;

высокотемпературные керамические, теплозащитные и керамоподобные материалы;

наноструктурированные, аморфные материалы и покрытия.

Использования сплавов с ЭПФ неуклонно растет в связи с их исключительно широкими функциональными и технологическими возможностями: уникальными эффектами термомеханической памяти, псевдоупругостью или сверхэластичность, высокими прочностными и демпфирующими свойствами, термомеханической надежностью и долговечностью, износо- и коррозионной стойкостью, биологическая совместимость, высокой свариваемостью, технологичностью и простотой обработки на эффекты памяти формы.

Сплавы с ЭПФ, перспективные для промышленного применения, подразделяются на несколько основных групп: на основе никелида титана TiNi (нитинол); на основе системы медь – алюминий с добавками марганца, никеля и других элементов, на базе композиций медь – цинк и марганец – медь. В группе материалов с ЭПФ наиболее перспективны сплавы на основе никелида титана, которым характерно исключительно благоприятное сочетание свойств – высокий уровень механических, коррозионных и термомеханических характеристик, а также высокая термостабильность. Сплавы на основе никелида титана способны развивать напряжения возврата 400 500 МПа при заданной деформации растяжением 8 – 9% и термически восстанавливать эту деформацию полностью. Эти обстоятельства, несмотря на сравнительно высокую стоимость сплавов никелида титана, делают их незаменимыми и обусловливают в настоящее время и в будущем их широкое, а в ряде случаев исключительное практическое применение в качестве функционального материала нового поколения.

Материалы с ЭПФ эффективно применяются в различных отраслях промышленности при производстве [2]:

- исполнительных и силовых приводов (аварийный выпуск шасси самолета);

- микророботов, манипуляторов;

- разворачивающихся антенн и мачт, технологической оснастки;

- тепловых двигателей для преобразования тепловой энергии в механическую;

- автоматических датчиков, клапанов, переключателей, предохранителей;

- соединительных элементов различных конструкций и назначения;

- разъемных и неразъемных соединений трубопроводов различного назначения.

Широкое внедрение сплавов с ЭПФ в машиностроении ограничивается, прежде всего, экономическими соображениями. Экономическая целесообразность использования этих сплавов в машиностроении может быть достигнута как за счет расширения номенклатуры материалов и использования многокомпонентных сплавов с ЭПФ [3], так и за счет формирования однослойных [4] и многослойных поверхностных слоев или поверхностных композиций из материалов с ЭПФ, каждый слой которой имеет свое функциональное назначение [5].

Современные технологии формирования поверхностных слоев нацелены на создание материалов с повышенными функционально-механическими свойствами, имеющими существенное значение для различных отраслей машиностроения, в частности, при разработке новых изделий атомной, космической, авиационной, автомобильной, военной и других направлений техники. В этой связи в настоящее время большое внимание уделяется эффективным высокоэнергетическим процессам формирования структуры и свойств поверхностных слоев, приводящих к оптимизации конструкций, повышению уровня их наджности, а также к энерго- и ресурсосбережению. Идея создания поверхностных слоев из материалов с ЭПФ, основанная на совмещении основы из конструкционного материала и поверхностного слоя из функционального материала с ЭПФ весьма плодотворна и позволяет, помимо ресурсосбережения, решать технические задачи, недостижимые другими методами.

Более широкие возможности открываются при формировании наноструктурированных поверхностных слоев из материалов с ЭПФ. Наноструктурированные материалы с ЭПФ, полученные методом интенсивной пластической деформации (ИПД), в основном, на основе TiNi, в настоящее время уже получены в ряде научных центров страны [6]. Методы ИПД исключительно трудоемки и энергозатратны и имеет ограничения по объему и форме изделий.

Эффективными способами формирования наноструктурного состояния являются высокоэнергетические комбинированные методы, при использовании которых реализуются синергетические эффекты, достижимые только при совмещении различных процессов обработки. В этой связи задача формирования поверхностных наноструктурированных слоев комплексными методами в условиях высокоэнергетических воздействий является актуальной и позволяет значительно расширить номенклатуру изделий машиностроения и практическую реализацию разработанных технологий поверхностного модифицирования [4,7].

В последнее время наметились новые тенденции в направлении повышения свойств конструкционных материалов за счет формирования микро и нанокристаллической структуры [6,8]. К числу методов получения наноструктурных состояний относятся и различные методы формирования поверхностных слоев из материалов с ЭПФ. Перспективными являются комбинированные методы инженерии поверхности, включающие в различных комбинациях высокоэнергетические методы подготовки наносимого материала (механическая активация) и формирования слоя с ЭПФ (аргонодуговая и лазерная наплавка, наплавка взрывом, плазменное и высокоскоростное газопламенное напыление, электронно-лучевое и магнетронное распыление, спинингование, осаждение из расплава в условиях градиента температур, ионная имплантация и др.) с последующим интенсивным пластическим деформированием и промежуточной термической (ТО) и термомеханической обработкой (ТМО) [9-12].

При поверхностном модифицировании материалами с ЭПФ совершенствование подхода комбинирования структуры, известного в материаловедении как принцип создания композиционных материалов, может развиваться, как в направлении усовершенствования и усложнения структуры объема, подслоя и поверхностного слоя изделия, так и создания многослойной композиции «основа – модифицированный поверхностный слой с ЭПФ».

Перспективными является структура объемно упрочненной основы с промежуточным подслоем, обеспечивающим надежную адгезионную связь с поверхностным слоем из многофункционального высокоэнергоемкого материала с ЭПФ, обеспечивающего не только функциональные свойства памяти формы и псевдоупругости, но и повышенное сопротивление износу, коррозии, а также высокую демпфирующую способность при работе в условиях циклического и динамического нагружения [13].

Перспективность и актуальность использования комплексных методов для формирования композиции «основа – поверхностный слой из материала с ЭПФ» определяется следующими преимуществами:

- возможностью создания композиционного материала, сочетающего функциональную надежность и технологическую эффективность;

- значительным повышение эксплуатационной стойкости (износо- и коррозионностойкость, жаростойкость, жаропрочность), характерной для ряда материалов с ЭПФ;

- экономией дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов (Ti, Ni, Zr, Co, Mo,V, Nb, Hh и др.), являющихся составляющими многокомпонентных сплавов с ЭПФ;

- возможностью создания в разных зонах изделий и поверхностных слоев различныхпециальных субструктур, обеспечивающих различные качественные и количественные уровни функциональных и механических свойств, для повышения надежности и увеличения жизненного цикла изделий. В настоящее время уже разработан ряд технологий формирования поверхностных слоев TiNi, NiAl с использованием лазерной и аргонодуговой наплавки, плазменного напыления, наплавки взрывом и получены прочные и надежные поверхностные слои с ЭПФ требуемой толщины и дисперсности [4]. Исследования последних лет убедительно показали широкие возможности поверхностного модифицирования материалами с элементами «интеллектуальности», основанные на трансформации структуры материалов с ЭПФ [14,15]. Формирование поверхностных наноструктурированных слоев, обладающих помимо высоких механических свойств особыми функциональными возможностями, является эффективным способом повышения эксплуатационных свойств и ресурса изделий машиностроительного назначения.

Использование материалов с ЭПФ в машиностроении сдерживается недостатком существующих, а иногда и отсутствием методов расчета. Сложности использования связаны с проектированием изделий, поскольку все сплавы с ЭПФ, проявляют сложное трехмерное термомеханическое поведение с гистерезисом, определяемое большим количеством параметров; при этом нет однозначных зависимостей между температурой, состоянием и силовым воздействием. Теоретические расчеты и определяющие уравнения, описывающие функциональное поведение сплавов с ЭПФ, не всегда дают точное описание, и зачастую расходятся с экспериментом. Инженерный метод расчета силовых элементов конструкций из материалов с ЭПФ, основанный на моделировании термодеформационного нагружения термомеханической диаграммой в предположении одновариантности обратного превращения предложен авторами работы [2]. Особенности конструктивных решений и методов расчета активных элементов, работающих в режиме двигателя, изложены в работе [16]. В ряде работ приводится расчет и проектирование разъемных, ремонтных и специальных термомеханических соединений [2, 17].

Анализ источников информации показал, что существует большое количество полуэмпирических методов расчета элементов из материалов с ЭПФ, описывающих довольно частные случаи их механического поведения. Они хорошо описывают, например, реактивные напряжения или возврат деформации в конкретном сплаве и не могут быть использованы для более сложных режимов функционирования элемента с ЭПФ. Новый сплав требует определения этих эмпирических зависимостей [18-21].

Расчет, проектирование конструкций и прогнозирование деформационного поведения материалов с поверхностным слоем из материалов с ЭПФ, а тем более с поверхностным композиционным слоем вызывает еще большие сложности. В настоящей работе приведены некоторые аспекты использования поверхностного модифицирования материалами с ЭПФ для расширения функционально-механических возможностей разъемных и неразъемных, шпоночных, болтовых соединений, а также расчет и проектирование конструктивных элементов из материалов с ЭПФ для обеспечения надежности изделий [22-23].

1 ПРИМЕНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ СПЛАВАМИ

С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОМЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ

–  –  –

В настоящее время в области машиностроения сплавы с ЭПФ используются в основном для обеспечения необходимых функционально-механических свойств в конструкциях соединительных и установочных деталей, исполнительных элементов и роботов, тепловых двигателей и других конструкциях [17,19-24]. Одним из перспективных направлений использования сплавов с ЭПФ является создание на их основе разъемных гладких цилиндрических соединений (ГЦС) деталей машин, в которых эффект памяти формы используется для получения гарантированной посадки с натягом между соединяемыми деталями. Известные в промышленности способы использования подобных сплавов в основном ограничиваются их применением в качестве охватывающих деталей (муфт, гильз, хомутов) в трубопроводных системах (рис. 1.1 1.,а) Рис. 1.1. Гладкие цилиндрические соединения, использующие сплавы с ЭПФ: а – соединение труб, б – соединение деталей типа "вал-втулка" Впервые (в середине 70-х гг.) сплавы с ЭПФ были использованы корпорацией Raychem в качестве соединительных муфт трубопроводных систем [25], названных "Cryofit".

Монтаж соединений осуществлялся следующим образом: после раздачи муфту вынимали из жидкого азота, в котором ее выдерживали, а затем в нее вводили концы гидравлического трубопровода, которые требовалось соединить. При отогреве собранного узла до комнатной температуры муфта сжималась и соединяла трубы. Хотя сжатие муфты при отогреве является важным условием получения соединения, не менее важным критерием выбора сплава является отсутствие расширения соединения при охлаждении ниже температуры Мн. Под действием напряжения температура образования первых порций мартенсита в процессе охлаждения возрастает. Сплав в соединении испытывает напряжение около 500 МПа, он не должен превращаться в мартенсит при охлаждении до –54 С – наиболее низкой температуры службы конструкции самолетов. Для гарантии выполнения этого условия и гарантии безопасности необходимо, чтобы Мн-150 С. В сплавах системы Ti-Ni температуры Мн и Ан близки. Жидкий азот использовали на практике в качестве хладагента. Требования низкой температуры Мн, высокого предела текучести при комнатной температуре (не менее 450 МПа) и достаточной пластичности в температурном интервале эксплуатации –54 до +245 С привели к созданию сплава, содержащего 4950 (ат.) % Ti, 34 (ат.) % Fe, остальное Ni.

Соединение "Cryofit" выдерживает внутреннее гидростатическое давление 800 ат., гарантирует отсутствие утечки и рассоединение труб при достаточной гибкости. Требуемая прочность достигается увеличением толщины стенок соединения, а хорошее уплотнение – применением кольцевых ребер на внутренней поверхности муфты. Эти ребра являются причиной кольцевой локальной пластической деформации, которая компенсирует дефекты на поверхности трубы, гарантируя уплотнение и затруднение рассоединения конструкции. Гибкость обеспечивается утонением стенки соединения по краям. Это приводит к плавному падению напряжения, но сила сцепления остается достаточной для предотвращения фреттинга между трубой и муфтой.

Муфту подвергали механической обработке (при комнатной температуре, то есть в аустенитном состоянии), чтобы получить внутренний диаметр на 4 % меньше номинального наружного диаметра трубопровода. После охлаждения до температуры жидкого азота муфту раздавали, так что внутренний диаметр становился на 4 % больше, чем наружный диаметр трубопровода. После раздачи муфты хранились в жидком азоте, чтобы сохранить их в мартенситном состоянии. Когда узел трубопровода был подготовлен к сборке, муфту извлекали из жидкого азота при помощи инструмента с высокой тепловой инерцией, который также охлаждали до температуры жидкого азота. Концы трубопровода, которые должны быть соединены, вводили внутрь муфты. В течение нескольких секунд после удаления установочного инструмента соединение нагревали до температуры превращения в аустенит, в результате муфта сжималась, принимая исходную форму. Все технологические операции проводились с заготовками в виде отливок массой до 20 кг.

Испытания проводили в условиях вибрации и циклического приложения внутреннего давления и показали, что муфты могут использоваться в интервале температур от –50 до +150 С.

Хотя соединения, полученные с использованием ЭПФ, в конструктивном отношении аналогичны соединениям с механической напрессовкой, они в корне отличаются от последних [25]. Механические соединения монтируются при напряжениях в металле, превышающих предел текучести при сжатии, но как только действие обжатия прекращается, напряжения сжатия в муфте падает до нуля и лишь затем, в условиях эксплуатации, переходит в растягивающее. В муфте соединения, получаемого с использованием ЭПФ, уже при сжатии развиваются растягивающие напряжения, локально выходящие за предел текучести при растяжении и они никогда не переходят через нуль. К тому же довольно низкий модуль Юнга у сплавов системы Ti-Ni позволяет легко компенсировать различие в коэффициентах температурного расширения муфты и трубопровода. Эффективность соединений «Cryofit» подтверждается тем, что они вполне удовлетворяют требованиям к надежности MJL-F-18280, и в еще большей степени – их надежностью в реальных условиях эксплуатации. Более 100 тыс. соединений было установлено на истребителях F-14 ВМС США; не было ни одного случая разрушения или поломки соединений при эксплуатации.

Для изготовления муфт широко используется сплав системы Ti-Ni, имеющий коммерческое название Tinel. При температурах выше –125 С Tinel является жестким и прочным конструкционным материалом, по механическим свойствам близким к нержавеющим сталям, тогда как при температурах ниже -125 С это сплав становится относительно мягким и легко деформируется. Напряжения возврата в этом сплаве достигают 560 МПа. Для соединения двух труб диаметром 100 мм, изготавливается муфта из сплава Tinel с внутренним диаметром 96 мм, который увеличивается до 104 мм при охлаждении в жидком азоте. Муфты доставляются к потребителю и хранятся в специальных контейнерах с жидким азотом, а устанавливаются с помощью манипуляторов. Этими муфтами можно соединять трубы из таких материалов как углеродистые и нержавеющие стали, медно-никелевые сплавы, монель, титан, медь и алюминий.

Для закрепления полимерных изоляторов на металлических трубопроводах применяют муфты из сплава Ti-Ni-Fe. Разработке гильз предшествуют длительные испытания по разработке методов определения и оптимизации ЭПФ, по влиянию процессов самоаккомодации пластин мартенсита на память формы и установлению критерия, соблюдение которого необходимо для проявления сплавом ЭПФ. Параллельно разрабатывались сплавы Ti-Ni, Cu-Al-Zn и сплавы на основе железа. Испытания в условиях вибрации и циклического приложения внутреннего давления показали, что гильзы могут использоваться в интервале температур от –50 до +150 С.

Соединения, в которых используется ЭПФ, и монтажное оборудование для их получения компактны, что позволяет повысить плотность трубопроводов и осуществлять сборку в ограниченном пространстве. Монтажное оборудование недорогое, не нужна специальная подготовка труб, а от персонала, занимающегося установкой соединений, не требуется никакого специального мастерства. Сборка осуществляется быстро, без подвода тепла (кроме окружающей среды), качество труб не снижается от воздействия тепловой энергии, и отсутствуют опасности, связанные с применением открытого пламени. Поэтому свойства материалов вблизи соединения не ухудшаются. Кроме того, при необходимости легко осуществляется разборка соединения при низкой температуре. Муфты такого типа применяются для трубопроводов атомных подводных лодок, надводных кораблей, для ремонта трубопроводов для перекачки нефти со дна моря, причем для этих целей используются муфты большого диаметра порядка 1500 мм. В 1978 г. впервые в Северном море был использован ЭПФ для соединения труб газопроводов, а в 1980 – при прокладке трубопровода в Саудовской Аравии. В настоящее время в этих случаях применяется также сплав CuZn-Al.

Использование сплавов с ЭПФ в качестве конструкционных хотя и открывает широкие возможности, но является дорогостоящим. Высокая стоимость и сложность технологии получения полуфабрикатов и деталей из этих сплавов требуют создания новых экономичных технологий обработки поверхности и нанесения покрытий из них на детали машин. Материалы, поверхностно-модифицированные сплавами с ЭПФ, могут быть использованы для создания разъемных соединений деталей машин, в которых на сопрягаемом участке поверхности детали получают слой сплава с ЭПФ, термомеханические свойства которого обеспечивают посадку с натягом при сборке соединения и свободную посадку при его разборке [26]. Подобная технология может быть использована не только для получения разъемного соединения труб, но и для создания широкого класса разъемных соединений деталей, имеющих цилиндрическую поверхность сопряжения, типа "вал-втулка" (рис.1.1,б).

1.1.1. Термомеханический цикл получения разъемных соединений

В соответствии с существующими представлениями [17] о поведении сплавов при термоупругих МП термомеханический цикл технологии получения разъемных соединений деталей, поверхностно-модифицированных этими сплавами, включает следующие этапы (рис. Ошибка! Источник ссылки не найден.) [26] I. нанесение слоя сплава с ЭПФ на сопрягаемую поверхность детали;

II. механическая обработка полученного слоя до требуемых размеров;

III. термическая обработка;

IV. охлаждение до криогенных температур;

V. тренировка слоя;

VI. сборка соединяемых деталей;

VII. нагрев до температуры конца обратного МП.

Получение покрытия из сплава с ЭПФ на поверхности сопряжения детали может осуществляться различными технологиями, к которым относятся методы наплавки и плакирования. После нанесения покрытия проводят механическую обработку полученного слоя до требуемых посадочных размеров, которая при сборке будет обеспечивать прессовую посадку в соединении. Далее деталь с покрытием из сплава с ЭПФ подвергают вакуумному отжигу, что необходимо для стабилизации кристаллической структуры сплава и приобретения материалом требуемых на последующих этапах термомеханических свойств.

Рис.1.2. Термомеханический цикл получения разъемного соединения

На этапе охлаждения детали до криогенных температур происходит самопроизвольный обратимый переход наплавленного слоя с ЭПФ из аустенитной фазы в мартенситную.

Затем сплав с ЭПФ, находящийся в мартенситном состоянии подвергают тренировке методом обкатки, в результате которой происходит "запоминание" мест зарождения мартенсита напряжения и, таким образом, достигают обратимость ЭПФ, которая будет в дальнейшем необходима для разборки соединенных деталей.

На следующем этапе проводят сборку соединения, при которой сопрягаемые детали через слой сплава с ЭПФ по скользящей посадке соединяют между собой.

На последнем этапе проводят нагрев соединенных деталей до температуры выше Af. При этом в результате превращения происходит переход сплава в высокотемпературную фазу с восстановлением первоначальной формы, при которой посадка с зазором между сопрягаемыми поверхностями деталей превращается в посадку с натягом, образуя работоспособную конструкцию.

Для разборки соединения его необходимо охладить до температуры ниже Mf, при этом происходит восстановление низкотемпературной формы покрытия, при которой соединение деталей представляет собой посадку с зазором, что дает возможность разборки конструкции.

1.1.2 Допуски и посадки гладких цилиндрических соединений, поверхностномодифицированных сплавами с ЭПФ Согласно единой системе допусков и посадок (ЕСДП) ГОСТ 25346-89, ГОСТ 25347-82 и ГОСТ 25348-82 рекомендуется применять для ГЦС посадки в системе отверстия и в системе вала. На рис. 1.3 представлена схема расположения полей допусков отверстия и вала с покрытием из сплава с ЭПФ при посадке с натягом в системе отверстия.

Вал имеет два поля допуска Tda и Tdм, два верхних предельных отклонения esa и esм=0, два нижних предельных отклонения eia и eiм, соответствующих аустенитному и мартенситному состояниям сплава с ЭПФ. После охлаждения вала до криогенных температур (точки

12) производится сборка ГЦС по посадке с зазором (точки 23), а последующее охлаждение (точки 34) приводит к посадке с натягом (точка 4) [28].

Ранее отмечалось, что при реализации технологических процессов нанесения покрытий из сплавов с ЭПФ возникает неоднородность распределения химического и фазового состава покрытия по толщине и в этой связи было введено понятие эффективной толщины покрытия, при которой достигается 100 % ЭПФ.

Геометрические соотношения полей допусков и предельных отклонений позволяют определить необходимую величину эффективной толщины слоя. Если обозначить относительную деформацию эффекта памяти формы, полностью восстанавливаемую слоем толщиной, как ЭПФ, то величина абсолютной деформации слоя составит

–  –  –

Рис.1.1. Схема расположения полей допусков ГЦС, поверхностно-модифицированного сплавом с ЭПФ при посадке с натягом в системе отверстия: верхний индекс а – означает аустенитное (высокотемпературное) состояние сплава, м – мартенситное (низкотемпературное)

–  –  –

Рис. 1.7. Удельное давление на поверхности контакта ГЦС (посадки H6/p5 и H7/s6) с валом, поверхностно-модифицированным сплавом TiNi (а); крутящий момент, передаваемый ГЦС (посадки H6/p5 и H7/s6) с валом, поверхностно- модифицированным сплавом TiNi (б)

–  –  –

Посадки с натягом применяют в основном для передачи крутящего момента, хотя многие соединения деталей машин работают при более сложных режимах нагружения. Предельный изгибающий момент определяется по формуле (1.7), экспериментально проверенной и рекомендованной для расчета коленчатых валов, соединение частей которых осуществляется горячей посадкой [23].

–  –  –

1.1.4 Разработка технологии поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ для создания составного коленчатого вала Перспективным направлением применения предлагаемой технологии получения разъемных соединений деталей машин, использующих поверхностное модифицирование сплавами с ЭПФ, является технология изготовления составных коленчатых валов [30].

Серьезной проблемой конструкции цельных коленчатых валов (штампованных, кованных и литых) является наличие трения скольжения в коренных и шатунных шейках коленчатого вала, следствием чего являются потери мощности всей поршневой машины [31]. Известно, что коленчатые валы изготавливают цельными и составными, в их конструкции можно выделить следующие конструктивные элементы (рис. 1.9): щеки кривошипов, коренные и шатунные шейки, противовесы, отверстия для смазки.

Широкое распространение получили цельные коленчатые валы, которые изготавливают штампованными, кованными или литыми. Штампованные коленчатые валы имеют более низкую усталостную прочность вследствие перерезания волокон металла в щеках кривошипов при их штамповке и находят свое применение в основном в конструкциях тяжелых стационарных и судовых двигателей.

–  –  –

Кованные коленчатые валы лишены недостатка штампованных коленчатых валов – у них отсутствует перерезание волокон металла в щеках кривошипов, и поэтому такие коленчатые валы имеют более высокую усталостную прочность по сравнению со штампованными коленчатыми валами. Однако низкая технологичность процесса ковки не позволяет изготавливать коленчатые валы тихоходных двигателей большой мощности с диаметром шеек 4501000 мм, так как коленчатые валы вследствие больших размеров нагреваются не полностью, а частями, и, следовательно, недостаточно хорошо проковываются.

Литые коленчатые валы лишены этих недостатков и имеют меньший технологический цикл изготовления, меньшую материалоемкость изготовления, возможность получения конструкции коленчатого вала, которая лучше удовлетворяет эксплуатационным требованиям, например, по прочности и износостойкости. Из отличительных недостатков можно выделить тот факт, что наличие литейных дефектов снижает усталостную долговечность коленчатого вала.

Также недостатком всех цельных коленчатых валов (штампованных, кованных и литых) является наличие в щеках кривошипов и в коренных и шатунных шейках отверстий для смазки, являющихся началом зарождения усталостных трещин, вследствие чего коленчатый вал имеет низкую усталостную прочность.

Серьезной проблемой конструкции цельных коленчатых валов (штампованных, кованных и литых) является наличие трения скольжения в коренных и шатунных шейках коленчатого вала, следствием чего являются потери мощности всей поршневой машины. Применение подшипников скольжения не позволяет увеличить толщину щек кривошипов, что могло бы повысить прочность коленчатого вала. Сильный износ подшипников скольжения увеличивает прогибы коленчатого вала и тем самым увеличивает амплитуды поперечных колебаний их. Изношенные подшипники скольжения требуют значительного времени на ремонт и установку. Применение подшипников скольжения требует наличия отверстий для смазки.

Известны конструкторские решения, позволяющие заменить подшипники скольжения коренных шеек коленчатого вала на подшипники качения [31]. В этом случае диаметр обоймы берут таким, чтобы подшипник качения свободно прошел через щеки кривошипов коленчатого вала. Недостатки такой конструкции следующие: необходимо применять дополнительные полукольца, снижающие жесткость конструкции; подшипники скольжения заменяют на подшипники качения только для коренных шеек, а на шатунные шейки по-прежнему установлены подшипники скольжения.

Всех перечисленных недостатков лишены составные коленчатые валы. В этом случае щеки кривошипов, коренные и шатунные шейки коленчатого вала отковываются порознь, а затем собираются и окончательно обрабатываются в собранном виде. Детали коленчатого вала можно изготавливать из различных материалов: щеки кривошипов – из высокопрочного материала (конструкционной стали), а коренные и шатунные шейки – из износоустойчивого материала (чугуна с шаровидным графитом). Щеки кривошипов можно отдельно проковывать, причем никакого перерезания волокон металла не будет. Значительно дешевеет процесс ковки коленчатых валов тяжелых стационарных и судовых двигателей с диаметром шеек 4501000 мм. Можно допускать повышенные напряжения и, тем самым, уменьшать вес коленчатого вала и всего шатунно-кривошипного механизма.

Рис. 1.10. Установка коленчатого вала на подшипники качения Известна также конструкция составного коленчатого вала [31], которая позволяет устанавливать подшипники качения на коренные шейки коленчатого вала (рис.1.10). Недостатки этой конструкции следующие: увеличение работы сил трения за счет трения скольжения на шатунных шейках; усложнение конструкции за счет применения болтового соединения шеек и щек кривошипов и необходимости в отверстиях для смазки; увеличение веса конструкции, так как нижнюю головку шатуна делают разъемной; низкая прочность и долговечность, так как болтовые соединения и отверстия для смазки являются зонами зарождения усталостных трещин.

Соединение шеек и щек кривошипов вала с помощью слоя сплава с ЭПФ позволяет упростить и облегчить конструкцию коленчатого вала, так как не будет необходимости применять болтовое соединение шеек и щек кривошипов и отверстия для смазки, а нижние головки шатунов будут изготавливать цельными; устранение наиболее опасных зон зарождения усталостных трещин – болтов и отверстий для смазки позволяет повысить прочность и долговечность коленчатого вала; установка на шатунные шейки подшипников качения позволяет снизить работу сил трения по сравнению с работой сил трения при подшипниках скольжения.

На рис. 1.11 приведена схема шатунной шейки составного коленчатого вала. Цилиндрическая поверхность (1) предназначена для посадки шарикового или роликового подшипника. На цилиндрические поверхности (2) наносится покрытие из сплава с ЭПФ. На рис. 7.12 изображен составной коленчатый вал в разрезе.

Рис. 1.11. Схема шейки составного коленчатого вала Работает коленчатый вал следующим образом: вращение вала происходит в подшипниках качения (6), установленных на коренных шейках (2), далее через щеки кривошипов (1), соединенные с коренными и шатунными (3) шейками с помощью слоя сплава с ЭПФ (10), вращение передается на шатунные шейки, которые через подшипники качения, установленные в нижних головках шатунов (7), сообщают поршням двигателя возвратнопоступательное движение.

–  –  –

Далее во внутренние сквозные отверстия (5) шеек (2 и 3) завинчивают технологические пробки и заполняют жидким азотом для охлаждения шеек до температуры –150 С, при этом происходит самопроизвольный обратимый переход сплава с ЭПФ (10) из высокотемпературной аустенитной фазы в низкотемпературную мартенситную фазу. Затем шейки (2 и 3) устанавливают с теплозащитным устройством в патроне токарного станка и с помощью 3х-роликового обкаточного приспособления, закрепленного на суппорте токарного станка обкатывают нанесенный слой (10) в радиальном направлении (усилие обкатки – P=500 Н, величина продольной подачи – S=0,08 мм/об, скорость обкатки V=9410-3 м/с, число проходов 5), в результате чего происходит уменьшение наружного диаметра шейки на 0,2 мм.

При обкатке достигается необходимый для посадки с зазором наружный диаметр шейки, а также происходит "тренировка" слоя сплава с ЭПФ (10). "Тренировкой" достигают обратимости эффекта памяти формы, которая будет в дальнейшем необходима для разбора коленчатого вала. Обкатка так же приводит к возникновению в сплаве с ЭПФ (10) остаточных сжимающих напряжений до 1200 МПа, способствующих обратному МП.

На следующем этапе осуществляют сборку коленчатого вала, при которой на коренные (2) и шатунные (3) шейки устанавливают подшипники качения (6), а сами шейки через механически и термически обработанный, а затем обкатанный слой (10) по скользящей посадке сопрягают с щеками кривошипов (1). Затем из внутренних сквозных отверстий шеек (5) выливают жидкий азот.

На последнем этапе проводят нагрев коленчатого вала до температуры +150 С, являющейся температурой Af – конца обратного мартенситного превращения сплава Ti-Ni.

При этом в результате обратного МП происходит переход слоя сплава с ЭПФ (10) в аустенитную фазу с восстановлением первоначальной формы, при которой посадка с зазором между щеками кривошипов (1) и сопрягаемыми кривошипными (2) и шатунными (3) шейками превращается в посадку с натягом, образуя работоспособный коленчатый вал. Чтобы разобрать коленчатый вал (например, для замены износившихся подшипников) его охлаждают до температуры –100 С (Mf), при этом происходит восстановление низкотемпературной формы слоя сплава с ЭПФ (10), при которой соединения щек кривошипов (1) с шейками (2 и 3) представляют собой посадки с зазором, что дает возможность разбора коленчатого вала.

1.2 Соединение вал-втулка фрикционной шпонкой с элементами сплава с ЭПФ Практическим применением «запрещенного» восстановления формы слоем из сплава с ЭПФ может Рис. 1.13. Известные напряженные соединения являться многоразмерное соединение шпонкой: а) – клиновой врезной, б) – клиновой на трех деталей - шпоночное. Анализ лыске, в) – фрикционной стандартных способов шпоночных соединений установил следующие недостатки. В незатяжных, т.е. подвижных соединениях со шпонками (призматическими и сегментными [32]) вследствие того, что крутящий момент передается через боковые (рабочие) грани шпонки, на валу необходимо выфрезеровывать под шпонку паз, который, по сути, представляет собой концентратор напряжений, ослабляет вал, являясь местом зарождения и распространения усталостных трещин. С другой стороны, такие шпонки не позволяют фиксировать зубчатое колесо, шкив и т.п. на валу в продольном направлении, что ограничивает номенклатуру соединений подобного типа. В совокупности это приводит к следующему: во-первых, наличие шпоночного паза на валу снижает его прочность и усталостную долговечность по сравнению с цельным валом; во-вторых, при динамическом и ударном воздействии, а также при вибрациях шпонка может выскочить из паза, поэтому применяется специальный крепеж, усложняющий конструкцию. В затяжных - неподвижных соединениях напряженное соединение создают между основаниями шпоночных пазов вала и ступицы колеса и верхней и нижней гранями шпонки при ее забивке в шпоночный паз. К ним относятся тангенциальные, клиновые врезные и на лыске, фрикционные шпонки (рис.1.13). Хотя затяжная шпонка передат помимо окружной еще и осевую силу, но смещает центр тяжести надетой на вал детали на размер посадочного зазора, и, как правило, при ее забивке в паз возникает перекос между деталями.

При этом в соединении невозможно прогнозировать напряженное состояние и, следовательно, передаваемый крутящий момент, что в случае заклинивания может привести к поломке более дорогостоящих деталей.

Способ термомеханического соединения с использованием сплава с ЭПФ позволяет разработать сборно-разборную конструкцию по типу фрикционного одно- или многошпоночного [10]. Конструкция призматической шпонки содержит поверхностный слой из материала с ЭПФ (никелид титана), нанесенный с помощью лазерной наплавки или другим способом [10,12]. Перед сборкой соединения поверхностный слой сплава с ЭПФ (TiNi) подвергают ППД при охлаждении до температуры существования стабильного мартенсита сплава TiNi. Затем шпонку устанавливают в шпоночный паз втулки между валом - сопряжение по посадке с зазором, причем для полного прилегания нижней грани шпонки к поверхности вала можно либо выфрезеровать лыску на его поверхности, либо выполнить нижнюю грань шпонки цилиндрической. В результате нагрева шпонки до температуры конца обратного МП вследствие подавления формовосстановления ее начальной высоты (до ППД) обеспечивается напряженное состояние в соединении, способном передавать расчетный крутящий момент (в то время как обычная фрикционная шпонка используется для передачи сравнительно небольшого момента). Чтобы разобрать соединяемые детали, необходимо охладить шпонку до температуры ТMs, после чего произойдет возврат к низкотемпературной форме.

Соединение вала со ступицей колеса шпонкой со слоем сплава с ЭПФ является предохранительным, работающим без разрушения шпонки, так как в случае превышения рабочей нагрузкой ее критической величины происходит проскальзывание вала относительно ступицы. Поскольку нет необходимости выфрезеровывать шпоночный паз на валу или более трудоемкий в изготовлении клиновый паз в ступице колеса альтернативной клиновой шпонки, а также использовать дополнительный крепеж для фиксации деталей от продольного перемещения – повышается прочность и долговечность соединения. Из конструктивно-технологических соображений при передаче бльших крутящих моментов для повышения усталостной прочности, точности центрирования и направления, более равномерного перераспределения нагрузки во втулке можно применять 2-х или 3-х шпоночные соединения (рис.1.14).

–  –  –

Рис. 1.14. Термомеханическое предохранительное соединение с элементами сплава с ЭПФ типа шпоночного: а) одно-, б) двух-; в) трехшпоночное (1 – втулка; 2- шпонка; 3 – слой сплава с ЭПФ; 4 – паз втулки; 5 – вал).

К группе предохранительных соединений с ЭПФ, помимо вышеописанного способа соединения, относится компенсатор трубопроводов [33], в котором материал с ЭПФ позволяет воспринимать большую гидростатическую нагрузку и срабатывать при превышении ее критической величины.

1.2.1 Параметры функционирования термомеханических разъемных соединений с элементами сплава с ЭПФ в контакте с другими деталями Предохранительная шпонка рассчитывается на передачу заданного крутящего момента, при превышении которого начнется поворот ступицы относительно вала для предотвращения конструкции от разрушения. Так, для случая цилиндрического двухступенчатого горизонтального редуктора Ц2Н-500 проведен расчет наиболее нагруженной передачи (тихоходного вала).

Входными данными являются:

крутящий момент Т=45200 Нм и диаметр вала d=0,2 м;

шпонка шириной 0,05 м и высотой 0,028 м и длиной 0,4 м, (данные соответствуют размерам стандартных призматических шпонок, применяемых для валов диаметром d=0,2 м), зазор t=0,4 мм.

Материал втулки и шпонки – сталь (40Х, Т = 800 МПа). После двойной лазерной наплавки сплава на основе никелида титана TiNi (B2-сплав Ti-50,8ат.%Ni) толщина эффективного слоя покрытия составляла = 0,45 мм. Эффективным слоем, мм, принят слой, не имеющий признаков структурной деградации и способный реализовать ЭПФ с максимально возможной степенью восстановления. После ТО температурные интервалы формоизменения принимались: Mf = 2303К, M s= 2503К, As = 2703К, Af = 2303К. Перед сборкой проводили ППД шпонки методом обжатия при температуре жидкого азота в специальном приспособлении на величину относительной деформации ппд= 0,11. Для ширины паза во втулке поле допусков соответствует плотному соединению (Р9). Предельные отклонения размеров глубины паза во втулке соответствуют стандартным требованиям ЕСДП [28].

Величины пластической п и упругой у составляющих после снятия нагрузки пластически деформируемого поверхностного слоя из сплава с ЭПФ в процессе деформирования обжатием (рис. 1.15):

t ппд п у 1.

(1.9) При нагреве шпонки до температуры ТАs в ней инициируется ЭПФ и в результате происходит заполнение технологического зазора t между шпонкой и втулкой:

–  –  –

где п – максимальная пластическая деформация эффективного слоя шпонки, соответствующая полному формовосстановлению при отсутствии противодействия;

ост – остаточная пластическая деформация (недовосстановленная).

–  –  –

Рис. 1.15. Геометрические характеристики шпоночного соединения с элементами материала с ЭПФ на различных этапах обработки – а) и в заданных условиях нагружения – б).

При изменении температурных условий и в результате недовосстановления заданной пластической деформации термомеханического возврата расчетная величина предельных напряжений lim :

рас

–  –  –

0,2 Согласно оптимальным параметрам комбинированной обработки, включающей ППД обжатием (11%) и низкотемпературную обработку, максимальные реактивные напряжения, генерируемые слоем сплава TiNi с общей обратимой деформацией свободного формовосстановления r=8% при недовосстановлении нв2%, достигают r=380-400 МПа, что гарантированно обеспечивает необходимый уровень напряженного соединения. Релаксация напряжений с ослаблением соединения происходит при температуре ниже Т-20С.

1.2.2 Надежность соединения с натягом за счет проявления ЭПФ поверхностным слоем одной из сопрягаемых цилиндрических деталей

–  –  –

На рис. 1.16 представлена зависимость давления на поверхности контакта от номинального диаметра посадки H7/s6 ГЦС, поверхностно-модифицированного сплавом TiNi, рассчитанная по формуле (1.19). Видно, что удельное давление на поверхности контакта не превышает ограничений упругого деформирования, устанавливаемых условием не превышения предела текучести материала втулки.

Рис. 1.16. Эквивалентное напряжение у посадочной поверхности контакта ГЦС (посадки H7/s6) с валом, поверхностно-модифицированным сплавом TiNi, в заданных условиях нагружения

–  –  –

Для выбранного диаметра вала среднее значение эквивалентного напряжения ранее рассчитано по формуле (7.19) и экв=375 МПа (рис.1.16).

Коэффициент запаса прочности по средним напряжениям:

–  –  –

Вероятность безотказной работы PП (нормальное распределение) по критерию прочности охватывающей детали соединения PП =0,9893.

1.3 Использование композиции «сталь – материал с ЭПФ» для расширения функционально-механических возможностей крепежных изделий Почти все современные машины включают в себя ответственные резьбовые детали, их надежность - это, в первую очередь, гарантия длительного сохранения усилия предварительной затяжки в период эксплуатации. Ее нестабильность является одним из основных недостатков. Несмотря на применение специальных типов гаек (стопорные, с продольными шлицами, корончатые, крыльчатые и т.д.), вибрации часто становятся причиной ослабления соединения. Увеличение количества гаек приводит к повышению веса конструкции.

Анализ существующего на сегодняшний день рынка производства и потребления метизов установил следующие факты. Известно, что около 70% механических повреждений приходится на разрушения крепежных изделий. Большинство отказов в автотранспортных средствах, так или иначе, связано с крепежными деталями, ослаблением соединений, а любые ремонты и обслуживание – с отвинчиванием и завинчиванием болтов, гаек, винтов и т.д. требуют больших затрат времени. Негерметичность и невысокая коррозионная стойкость резьбового соединения (характерно для метрической резьбы) связана с наличием зазоров между витками гайки и болта по длине свинчивания, что и обуславливает неравномерное распределение нагрузки. Суммарная масса крепежных деталей в современных конструкциях порой достигает 25% от общей массы и совершенно очевидно, что применение способа соединения без гайки (там, где это возможно) позволит существенно снизить вес конструкции.

Описанные проблемы, связанные с необходимостью повышения надежности и долговечности стальных крепежных изделий, можно решить при использовании особых свойств материала с эффектом памяти (в частности, сплава с ЭПФ). Покрытия и сплошные поверхностные слои из СПФ на резьбовой части позволяет достигнуть: во-первых, равномерного распределения нагрузки по всей резьбе (за счет устранения сплавом с ЭПФ в процессе восстановления формы межвитковых зазоров по среднему диаметру) – это приводит к повышению величины усилий, вызывающих срез витков резьбы; во-вторых, герметизации и защиты резьбы от коррозии; в-третьих, фиксации резьбового соединения (предотвращается самоотвинчивание под воздействием вибраций, ударных нагрузок и т.д.). Кроме того, появляется возможность использовать соединение без гайки за счет обеспечения этим материалом посадки с натягом в результате недовосстановления первоначальной формы, что позволит существенно снизить вес конструкции, что особенно актуально для элементов соединений летательных аппаратов. Материал с памятью в резьбовом соединении выполняет одновременно несколько очень важных функций: предотвращает самоотвинчивание и стабилизирует силу затяжки; оказывает существенное влияние на коэффициент трения (первоначально при завинчивании он отсутствует, а после проявления эффектов памяти материалом покрытия – увеличивается).

Резьбовое соединение с покрытием из СПФ может быть исполнено в двух вариантах: как разъемное и неразъемное соединения. В первом случае поверхностным слоем сплава с памятью реализуется ОЭПФ в ТИМП. Для второго случая, т.е. неразъемных соединений, подверженных повышенным нагрузкам, температурам и вибрациям и не требующим последующей разборки, достаточно реализации однократного ЭПФ в обратном МП. При этом состав СПФ-покрытия регламентируется ТИМП, принадлежащим высокотемпературной области.

1.3.1 Болтовое соединение с элементами сплава с ЭПФ

Новые материалы с уникальными технико-эксплуатационными характеристиками являются основой при создании конкурентной техники. При этом ключевым фактором достижения успеха является комплексный подход, в основе которого лежит использование интеллектуальных изделий и материалов, способных адаптироваться и формоваться в зависимости от внешних условий и внутренних факторов. К числу интеллектуальных материалов относятся материалы с эффектом памяти формы (ЭПФ). В настоящее время наблюдается ускоренный рост индустрии материалов с ЭПФ, связанный как с разработкой новых технологий получения, так и их использования в различных областях техники. Это обусловлено широким спектром физико-механических свойств и связанным с ними функционально-механическим поведением, в основе которого лежат такие свойства как память и восстановление, чувствительность, переключаемость, активация, адаптивность, энергоемкость, преобразование энергии, демпфирование [17].

Уникальные возможности материалов с памятью уже успешно реализованы при создании ряда устройств в аэрокосмическом [18] и автомобильном комплексе, в приборо- и машиностроении [19], в электронике, в медицине и биотехнологиях [37]. Среди сплавов, обладающих термомеханической памятью, наиболее широкое применение получил интерметаллид на основе никелида титана TiNi, что связано с большей способностью к обратимому формоизменению [17, 38]. Кроме того, TiNi обладает высокими физикомеханическими и технологическими свойствами. Сложности его использования связаны с проектированием изделий, поскольку TiNi, как и все сплавы с ЭПФ, проявляют сложное трехмерное термомеханическое поведение с гистерезисом, определяемое большим количеством параметров; при этом нет однозначных зависимостей между температурой, состоянием и силовым воздействием. Теоретические расчеты и определяющие уравнения, описывающие функциональное поведение сплавов с ЭПФ, не всегда дают точное описание, и зачастую расходятся с экспериментом [2].

Несмотря на то, что использование материалов с ЭПФ в машиностроении имеет большие перспективы [7], экономически нецелесообразно из-за высокой стоимости самого материала использовать сплав TiNi как конструкционный материал. Значительное снижение стоимости при одновременном обеспечении функционально-механических свойств изделий может быть достигнуто при использовании композитов «основа – сплав с ЭПФ»

[14] и материалов, поверхностно модифицированных сплавами с ЭПФ [4], обеспечивающих выполнение основных функций сплошного материала. Более того, синергетический эффект при использовании композитов и поверхностно-модифицированных материалов дает возможность объединять свойства основы и поверхностных слоев с получением материалов, обладающих характеристиками, недостижимыми при использовании одного материала [26]. Поэтому создание на этой основе комбинированных деталей с качественно новыми характеристиками с учетом стоимости сплава с ЭПФ является экономически и технологически перспективным

1.3.2 Перспективы создания интеллектуальных резьбовых соединений

В машиностроении к числу наиболее ответственных изделий относятся резьбовые соединения. Надежность резьбовых соединений - это, в первую очередь, гарантия длительного сохранения усилия предварительной затяжки, а ее нестабильность является одним из основных недостатков. Несмотря на применение специальных типов гаек (стопорные, с продольными шлицами, корончатые, крыльчатые) [36] и разработанных методов повышения физико-механических свойств резьбовых поверхностей с использованием наноструктурированных тонкопленочных покрытий тугоплавких металлов [39], вибрации, удары часто становятся причиной ослабления соединения, а большое число гаек приводит к повышению веса конструкции. Анализ существующего на сегодняшний день рынка производства и потребления метизов показал, что около 70% всех механических повреждений приходится на разрушения крепежных изделий [40]. Большинство отказов машиностроительных конструкций связано с крепежными деталями, ослаблением соединений, а любые ремонты и обслуживание с отвинчиванием и завинчиванием болтов, гаек, винтов приводит к увеличению временных затрат и стоимости продукции. Негерметичность и невысокая коррозионная стойкость резьбовых соединений связана с наличием зазоров между витками гайки и болта по длине свинчивания, что обуславливает также неравномерное распределение нагрузки. Кроме того, суммарная масса крепежных деталей в современных конструкциях иногда достигает 25% от общей массы и совершенно очевидно, что применение способа соединения без гайки, там, где возможно, позволит существенно снизить вес конструкции.

Указанные проблемы, связанные с необходимостью повышения надежности и долговечности крепежных изделий, можно решить при использовании особых свойств материала с ЭПФ.

Изготовление резьбовой части соединения из композиционного материала «сталь – материал с ЭПФ» позволит обеспечить:

- равномерное распределение нагрузки по всей резьбе за счет устранения в процессе восстановления формы межвитковых зазоров по среднему диаметру, что приводит к повышению величины усилий, вызывающих срез витков резьбы;

- герметизацию и защиту резьбы от коррозии; фиксацию резьбового соединения, предотвращающую самоотвинчивание под воздействием вибраций и ударных нагрузок;

- возможность использовать соединение без гайки за счет обеспечения материалом с ЭПФ посадки с натягом в результате недовосстановления первоначальной формы, что позволит существенно снизить вес конструкции, особенно актуальный для элементов соединений летательных аппаратов.

Материал с ЭПФ в резьбовом соединении может выполнять одновременно несколько важных функций: снижение эффекта влияния сложного напряжнного состояния и создание условия, при которых детали подвергаются только растяжению под действием предварительной затяжки; предотвращение самоотвинчивания и стабилизация силы затяжки;

оказание существенного влияния на коэффициент трения, который после проявления ЭПФ увеличивается.

Резьбовое соединение из композиционного материала «сталь – материал с ЭПФ»

может быть исполнено в двух вариантах: как разъемное и неразъемное соединение. В первом случае в материале с памятью реализуется обратимый ЭПФ в температурном интервале мартенситных превращений (ТИМП). Для случая неразъемных соединений, подверженных повышенным нагрузкам, температурам, вибрациям и не требующим последующей разборки, достаточно реализации однократного ЭПФ в обратном мартенситном превращении. При этом состав сплава с ЭПФ регламентируется ТИМП, принадлежащем высокотемпературной области.

В настоящем разделе обоснована целесообразность использования многофункционального композиционного материала «сталь – сплав с ЭПФ» для изготовления резьбовых соединений, работающих в сложных условиях нагружения с анализом технологической эффективности и функциональной надежности.

1.3.3. Болтовое соединение из композиционного материала «сталь - Ni– TiNi» для работы в условиях вибраций

В настоящее время широко применяются миниатюрные неразъемные болтовые соединения из композитных полимеров с ЭПФ в мобильных телефонах известных марок:

Nokia, Sony, Panasonic, Motorolla [41]. Одной из первых подобных разработок резьбового соединения деталей с элементами материала с ЭПФ стал запатентованный MSE Incorporated способ завинчивания болта с резьбой, на которую нанесен слой сплава с ЭПФ в резьбовое отверстие сопрягаемой детали [42]. Для работы в условиях вибраций предложено новое болтовое соединение с элементами сплава с ЭПФ [43], технологический процесс изготовления которого дополнен операцией поверхностного модифицирования (рис.1.17), включающей нанесение на рабочую часть заготовки болта сплава TiNi одним из разработанных способов наплавки или напыления [4, 13, 44,45].

–  –  –

Рис. 1.17 Схема технологического процесса изготовления болтового соединения с использованием операций поверхностного модифицирования сплавом с ЭПФ При непосредственном нанесении TiNi на сталь вследствие малой растворимости титана в железе на границе соединения образуются хрупкие интерметаллидные слои. Для получения надежного соединения нанесения TiNi производится на подслой чистого никеля, имеющего неограниченную растворимость с железом. Таким образом, формируется надежный слоистый композит «сталь –Ni – TiNi.

–  –  –

Рис. 1.18. Структура поверхностного слоя Ni – TiNi, полученного лазерной наплавкой – а), аргонодуговой наплавкой с местной защитой – б), плазменным напылением – в) На рабочей части болта (заготовки) с предварительно нанесенным слоем сплава с ЭПФ (TiNi) резьба формируется холодным пластическим деформированием - накаткой наружной резьбы в интервале температур мартенситных превращений (МП) Мs–Мf. Для рассматриваемого композиционного материала «сталь – сплав с ЭПФ» образование профиля резьбы резанием довольно сложно, трудоемко, и, самое главное, не обеспечивает необходимые функционально-механические свойства. В зависимости от химического состава сплава с ЭПФ и требуемых условий эксплуатации процесс накатывания резьбы производится в условиях комнатных или пониженных температур [46] (рис. 1.19).

мартенситное состояние аустенитное состояние сборка сборка б) в) а) Рис. 1.19. Накатывание плашками наружной резьбы на заготовке со слоем сплава с ЭПФ – а); схема соединения с ЭПФ в сборке: б) – без гайки; в) – с гайкой; 1- болт, 2 – слой сплава с ЭПФ, 3 и 4 – соединяемые детали, 5 – гайка Режим охлаждения определяется температурами мартенситными превращениями (МП) (Мs– Мf) сплава с ЭПФ. Для никелида титана с содержанием Ni 55,5вес.% обратное МП завершается в условиях комнатных температур. Накатывание резьбы осуществляется методом пластического выдавливания TiNi –слоя заготовки с помощью резьбовых реек (либо плашек) или роликов (рис. 1.19, а). При этом, одновременно с формированием профиля резьбы производится предварительное пластическое деформирование TiNi –слоя.

После сборки конструкции узел нагревают до температур (Аs– Аf) для возникновения посадки с натягом за счет недовосстановления сплавом с ЭПФ заданной деформации. В результате, за счет эффекта памяти формы слоя TiNi обеспечивается не только оптимальная затяжка, но и надежная работа в условиях динамических нагрузок. Это исключает возможность разгерметизации и самоотвинчивания резьбы и необходимость использования гайки, что позволяет значительно снизить вес всей конструкции.

1.3.4. Оценка функционально-механических возможностей резьбовых соединений из композиционного материала «сталь – Ni– TiNi»

–  –  –

где r – относительная деформация формовосстановления;

ТD2, Тd2 – поле допуска среднего диаметра резьбы гайки и болта, мкм;

EID2, ESD2 и eid2, esd2 – соответственно нижнее и верхнее отклонение среднего диаметра D2 резьбы гайки и среднего диаметра d2 резьбы болта, мкм;

Если условие (1.26) не выполняется, то подбирают необходимые для обеспечения минимального натяга (при проявлении ЭПФ) толщины слоев сплава c ЭПФ по параметру допуска С, задаваясь необходимым минимальным натягом и параметрами соединения:

N min 0,0005 (TD2 Td 2 ) С. (1.29) р r Относительная деформация формовосстановления r определяется функциональномеханическими свойствами слоя TiNi в условиях процесса накатывания резьбы. При подстановке расчетного значения параметра С в формулу (1.25) определяют необходимую толщину функционального слоя с ЭПФ. Предельные отклонения резьбы в слое с ЭПФ нормируются и соответствуют значениям отклонений метрических резьб наиболее часто используемых в машиностроении (ГОСТ 16093-81). ЕСДП для номинальных диаметров резьбы от 5,6 до 45 мм предлагает различные посадки (рассмотрим резьбы среднего класса точности). Для достижения легкой свинчиваемости предпочтительными посадками, обеспечивающими гарантированные зазоры в соединении, являются: 6Н/6g; 6Н/6e; 7Н/6g;

7Н/6e [28]. Поскольку нижнее отклонение среднего диаметра D2 резьбы гайки EID2=0 для выбранных посадок, то при проявлении ЭПФ задаваемый максимальный натяг в указанных соединениях Nmax, мм, равен:

N max p r 0,0005 es d 2. (1.30) На рис. 1.20 представлена схема расположения полей допусков метрической резьбы в слое из сплава с ЭПФ при формировании посадки с натягом

–  –  –

Рис. 1.20. Схема расположения полей допусков среднего диаметра для метрической резьбы в слое из сплава с ЭПФ при формировании посадки с натягом Болт имеет два поля допуска Tda и Tdм, два верхних предельных отклонения esa и esм, два нижних предельных отклонения eia и eiм, соответствующих аустенитному и мартенситному состояниям сплава с ЭПФ. Первоначально производится сборка резьбового соединения по посадке с зазором (точки 12), при последующем нагреве (точки 23) формируется посадка с натягом (точки 34), которая переходит в посадку с зазором при охлаждении (точки 41).

Зависимость приведенной толщины наплавленного слоя TiNi, мм, от номинальных диаметров метрической резьбы, наиболее часто используемых в машиностроении (ГОСТ 16093-81), для стандартных посадок с зазором представлена на рис. 1.21,а. Расчет выполнен для значения r =4% и r =8% сплава TiNi. Как видно, использование TiNi- слоя целесообразно для болтов с диаметром более 5 мм. Кроме того, применение посадки 7Н/6e при r 8% не имеет смысла. На рис. 1.21,б приведены предельные значения эффективной толщины слоя сплава c ЭПФ в зависимости от шага резьбы для широко используемой посадки метрических резьб 7Н/6g. Величины min и max обеспечивают необходимый минимальный и максимальный натяг в резьбовом соединении при восстановлении предварительно заданной деформации r =8%.

–  –  –

Рис. 1.21. Зависимость необходимой толщины слоя сплава с ЭПФ от номинального диаметра резьбы среднего класса точности с шагом резьбы 1,25 мм – а) и от номинального диаметра резьбового профиля для посадки 7H/6g метрических резьб различных шагов – б).

–  –  –

Для обеспечения надежности резьбового соединения композиции «сталь – Ni– TiNi»

необходимо проанализировать напряженно-деформированное состояние (НДС) соединения на этапе формирования резьбы и оценить его функционально-механические свойства в эксплуатационных условиях. Исследование НДС осуществлялось методом конечных элементов (МКЭ), хорошо зарекомендовавшим себя при расчете высокопрочных болтов в авиакосмической и нефтегазовой области [47].

За расчетную модель принималась заготовка болта М101,2530 из стали 30ХГСА, на рабочую часть которой наплавлялся TiNi-слой толщиной 2,2 мм. Выбор необходимой толщины эффективного слоя с ЭПФ осуществлялся для посадки 7H/6g по вышеописанной методике (рис. 1.21,б). В целях обеспечения необходимых функциональномеханических свойств болта цикл накатывания наружной резьбы производится в температурном интервале Мs–Мf методом холодного пластического деформирования (накаткой).

В процессе температурного и силового воздействия в слое с ЭПФ на основе TiNi создаются условия, обеспечивающие формирование термомеханической памяти в определенном интервале фазовых превращений: обратимая деформация, коэффициент формовосстановления, реактивные напряжения. Для оценки НДС резьбы М101,25 использовался пакет конечно-элементного моделирования MSC/NASTRAN V4,0 for Windows в упругопластической постановке [48].

–  –  –

Рис. 1.22 Геометрия профиля резьбы– а); конечноэлементная сетка MSC/NASTRAN 4,0 – б) Этапы построения расчетной модели включали: разработку геометрии профиля резьбы с помощью программы Компас 3D V7, SolidWorks-2005 и AutoCAD 2004 (рис. 1.22,а), создания конечно-элементной сетки (рис. 1.22,б), формирования нагрузок и конечных условий, выполнения расчета с учетом свойств материала и конечных элементов. Вследствие геометрической симметрии детали и симметрии приложения нагрузки для сокращения размерности задача формулировалась для части (рис. 1.23,б).

а) б) Рис. 1.23. Общий вид накатанной резьбы: эквивалентные напряжения (а) и пластические деформации (б) при накатке поверхностного слоя сплава TiNi Материал наплавленного слоя TiNi принимался однородным и изотропным. Допущение было принято из условия проведения после наплавки стабилизирующего отжига.

Состав слоя с ЭПФ (Ti- 50,8ат.%Ni), имел следующие характеристики фазовых превращений: Mf = 2303К, Ms = 2503К, As = 2703К, Af = 2303К. На рис. 1.24 приведена сетка конечных элементов болта М10 и распределение напряжений. Для определенного набора граничных условий сетка конечных элементов создана таким образом, что на границе слоя TiNi и основы генерируются пары узлов, совпадающие по координатам, но принадлежащие разным поверхностям. При этом узлы жестко связаны друг с другом, разбивка проводилась шестигранными элементами (Solid). Плоскую геомeтрию профиля резьбы, сформированную в формате (.dxf), и объемную в формате (.sat) импортировали в NASTRAN.

Задание граничных условий производилось следующим образом: запрещались премещения по Х, повороты вокруг ОХ, OY, OZ; в плоскости OXY нет перемещений по Z; в плоскости OYZ - по Х. На первом этапе расчетов исследовался характер распределения эквивалентных напряжений и пластических деформаций в слое сплава TiNi после формирования резьбы накаткой (рис. 1.24, рис. 1.25).

а) б) Рис.1.24. Изолинии эквивалентных напряжений (а) и пластические деформаций б) в накатанном профиле резьбы поверхностного слоя сплава TiNi Накатка представляет собой термосиловое воздействие, формирующее совокупность функционально-механических свойств в слое с ЭПФ на основе TiNi, которая в процессе эксплуатации обеспечивает необходимый уровень реактивных напряжений в резьбовом соединении из композиционного материала «сталь – Ni – TiNi». Картины распределения напряжений и деформаций показали, что наибольшие их значения приходятся на элементы, расположенные вдоль впадины резьбового профиля (рис. 1.24). Установлено, что степень пластической деформации в резьбовом профиле не допускает появления трещин, повреждений накатанной резьбы при достаточно высоком уровне деформации.

Далее моделировали формоизменение резьбового профиля в процессе проявления ЭПФ сплавом TiNi при нагреве соединения выше температуры Аs для TiNi (Т=2703 К).

Возврат деформации, заданной в процессе накатки, осуществляется за счет стремления материала принять первоначальную форму. В результате происходит изменение профильных размеров резьбы, как показано на рис. 1.25. Смещение материала резьбы в слое TiNi реализуется относительно среднего диаметра, при этом устраняется первоначально заданный и максимально возможный зазор в соединении по среднему диаметру болта (согласно полю допуска для номинального диаметра резьбы 10 мм с шагом резьбы 1,25 мм для посадки 7Н/6g), равный z m ax 0,5 TD 2 Td 2м 173 мкм. За счет изменения профильных размеров резьбы по высоте недовосстановленная деформация (в большей степени по впадинам профиля) создает напряженное соединение.

Рис. 1.252. Общий вид части резьбового соединения и изолинии эквивалентных напряжений по профилю резьбы TiNi-слоя после проявления им ЭПФ В условиях запрета возврата основную роль в механизме ЭПФ играют остаточные напряжения после накатки, обеспечивающие генерацию реактивных напряжений в местах противодействия свободному восстановлению (рис. 1.25). Картина эволюции остаточных напряжений представлена на рис. 1.26.

–  –  –

стояние) переходят в - растягивающие напряжения (реактивные) в результате недовосстановления обратимой деформации (аустенитное состояние). Естественно, они тем выше, чем больше величина недовосстановленной деформации, т.е. если задать минимальный зазор в соединении по среднему диаметру рассматриваемого болта (для посадки 7Н/6g равный zmin=0,5esd2м=14 мкм), то значения генерируемых напряжений будут значительно выше, соответственно возрастет и надежность такого соединения.

1.3.6 Оценка экономической целесообразности использование композиции «сталь – Ni – TiNi» для обеспечения надежности болтовых соединений Выполненный анализ НДС болтового соединения из композиционного материала «сталь – Ni – сплав с ЭПФ на основе TiNi» (рис.1.24, 1.25, 1.26) показывает, что возникающие при проявлении ЭПФ реактивные напряжения свидетельствуют об эффективности используемых технологий получения композита и о функциональной надежности болтового соединения, обеспечивающего герметизацию и исключающего возможность самоотвинчивания. В результате за счет слоя с ЭПФ обеспечивается не только оптимальная затяжка, но и надежная работа в условиях динамических нагрузок, а в случае жесткого требования по минимизации веса конструкции болтовое соединение из композиционного материала обеспечит надежность соединения без гаек.

В целях определения экономической целесообразности использование композиции «сталь – TiNi» для изготовления болтов выполнена оценка затрат TiNi по массе, показавшая, что для надежного проявления ЭПФ слой TiNi должен составлять (20-48) % от основного металла в зависимости от размера изделий. Учитывая удорожание технологии изготовления, которая при массовом производстве незначительна, крепежные изделия из композиционного материала можно рекомендовать для труднодоступных, потенциально опасных и высокоресурсных герметичных соединений, работающих в условиях динамических нагрузок с жесткими требованиями обеспечения надежности. Следует учесть, что экономическая целесообразность оценивалась без учета затрат на монтаж изделий, осмотры и ремонты, которые в машиностроении при использовании стандартного крепежа составляют (20-40) % от общей стоимости, и без учета эффекта повышения надежности при использовании болтов из композиционного материала «сталь-сплав с ЭПФ».

Таким образом, обоснована целесообразность использования многофункциональной композиции «сталь – Ni – сплав с ЭПФ на основе TiNi» для изготовления резьбовых соединений, работающих в сложных условиях нагружения. Показано, что слой материала с ЭПФ одновременно выполняет несколько функций: предотвращает самоотвинчивание, стабилизирует силу затяжки, защищает от коррозии, оказывает существенное влияние на коэффициент трения. Выполненный на основании классических подходов расчет допусков и посадок резьбовых соединений для композита сталь – сплав с ЭПФ позволил определить эффективную толщину слоя с ЭПФ, обеспечивающую необходимый натяг.

Выполненная конечно-элементная оценка НДС метрического резьбового соединения из композиционного материала «сталь - сплав с ЭПФ на основе ТiNi» последовательно для двух этапов: при накатке резьбы и при последующем формоизменении резьбового профиля в результате проявления ЭПФ показала, что на первом этапе в процессе температурного и силового воздействия в слое TiNi создаются условия, обеспечивающие формирование термомеханической памяти в определенном интервале фазовых превращений, а на втором этапе при проявлении ЭПФ в резьбовых соединениях реализуется смещение материала относительно среднего диаметра, при этом устраняется максимально возможный зазор по среднему диаметру болта.

Оценка экономической целесообразности использования композиционного материала для изготовления болтов показала, что для надежного проявления ЭПФ слой TiNi должен составлять (20-48) % от основного металла в зависимости от размера изделий.

Учитывая снижение затрат на ремонты и обслуживание, а также многофункциональность сплава TiNi и гарантированную надежность соединения рекомендовано использовать композит «сталь – сплав TiNi» для высокоресурсных изделий машиностроения, работающих в условиях динамических нагрузок с жесткими требованиями обеспечения надежности.

1.4 Компенсатор трубопроводов с элементами из материалов с ЭПФ

В настоящее время существуют различные способы компенсации линейных и угловых перемещений в трубопроводах. Известны компенсаторы: сильфонные, мембранные, сальниковые, манжетные, типа гнутой трубы, тканевые и др. Основным назначением различных типов компенсаторов является компенсация перемещений, происходящих в различных системах трубопроводов. Перемещения (между двумя элементами систем) вызываются температурными деформациями, деформациями за счет перепадов давления в системе, инерционными силами, монтажными погрешностями, а также усадкой грунта. Наибольшее распространение получили компенсаторы на основе сильфона.

Их основные недостатки заключаются в следующем:

– сильфонные компенсаторы не способны воспринимать большие осевые и угловые перемещения, которые могут возникнуть при эксплуатации трубопроводов, сильфонный компенсатор с условным диаметром 200 мм способен компенсировать только 14 мм.

Причем, с увеличением условного диаметра до 1000 мм способность к компенсации возрастает только до 18 мм [50]. Поэтому для компенсации значительных перемещений устанавливают последовательно два – три сильфонных компенсатора, что дает возможность компенсировать до 100 мм. Сильфонные компенсаторы не способны воспринимать высокие давления. Для всех размеров сильфонных компенсаторов предельное условное давление составляет 2,5 МПа;

- еще меньшие возможности имеют угловые сильфонные компенсаторы, которые позволяют компенсировать углы поворота равные (2,5–3.0)о, независимо от величины условного диаметра прохода;

- самое слабое звено компенсатора – сильфоны, при изготовлении которых вероятность образования дефектов кристаллического строения, в том числе и трехмерных, велика. Поэтому у сильфонов, работающих в условиях малоциклового нагружения и при воздействии сред, содержащих агрессивные добавки (вода, морская вода, соли), происходит накопление повреждений, что ускоряет формирование и развитие усталостных трещин и приводит к разрушению от усталости [51-53];

- к недостаткам сильфонных компенсаторов следует отнести высокие требования к монтажу;

Сальниковые компенсаторы могут компенсировать большие линейные и угловые перемещения, но в них периодически возникает течь, которую необходимо ликвидировать. Использование сальниковых компенсаторов при значительных давлениях и частоте изменения компенсирующих размеров нецелесообразно. Недостатками компенсаторов из гнутой трубы является их неспособность воспринимать большие осевые и угловые перемещения, которые могут возникнуть при эксплуатации трубопроводов, а так же занимаемая ими площадь.

Важной задачей является создание универсального компенсатора, который мог бы одновременно воспринимать большие линейные и угловые перемещения, высокие гидростатические нагрузки (25–100 МПа) и надежно работать при значительной частоте изменения компенсирующих размеров и температуры. Эта задача может быть решена применением трех шаровых шарниров (рис.1.27, поз. I, II, III), состоящих из трех пустотелых шаров связанных между собой полусферами и соединительными патрубками [33].

Для того чтобы шары имели бы возможность поворачиваться друг относительно друга в любом направлении пространства, и при этом проходное сечение для продукта не менялось, в пустотелых шарах и шаровых сферах имеются прямоугольные вырезы 7, 14.

Эти же вырезы позволяют компенсировать угловые смещения в пределах 300.

Для компенсации больших линейных перемещений, в аварийных случаях, используется патрубок, покрытый материалом с эффектом памяти формы TiNi, который сопрягается со стальной муфтой по посадке с гарантированным натягом [35]; при превышении растягивающей нагрузки определенной величины, начнется взаимное проскальзывание втулки 16 относительно патрубка 8 с компенсацией больших линейных перемещений.

Рис. 1.27. Шаровой компенсатор: 1,2,9,10 – внешние полусферы; 3,11 – прокладка;

4 – присоединительные патрубки; 5,7,14 – прямоугольные окна; 6,13 – внутренние сферы;

8,12,15 – соединительные патрубки; 16 – соединительные втулки; 17 – слой функционального материала.

Компенсатор работает следующим образом: технологическая среда поступает через патрубок 4 в шарнир I, откуда, последовательно, через патрубки 8 и 12 в шарнир II. Из шарнира II, технологическая среда, посредствам патрубков 15 и 8 поступает в шарнир III, откуда через патрубок 4 выходит в технологическую линию. На рис. 1.27 компенсатор изображен в нижнем положении, когда расстояние между соединяемыми объектами минимально. В случае увеличения расстояния межу соединяемыми объектами шарнир II поднимается вверх, тем самым, компенсируя линейные перемещения.

Рассматриваемая конструкция шарового компенсатора обладает следующими преимуществами по сравнению с сильфонными:

- простота монтажа;

- возможность компенсации больших линейных и угловых перемещений;

- позволяет работать при высоких давлениях;

- позволяет работать при высоких температурах;

- позволяет работать при значительных частотах изменения компенсационных размеров;

- простота и надежность длительной эксплуатации.

Таким образом, произведенный анализ существующих компенсационных систем с целью выяснения основных технологических и конструктивных дефектов, приводящих при длительной эксплуатации к развитию дефектности, образованию трещин и потере устойчивости показал, что сильфонные осевые и угловые компенсаторы не являются достаточно надежными устройствами для компенсации температурных и механических (сдвиги и просадки в почвах, землетрясения) перемещений в трубопроводах. Рекомендовано использовать компенсаторы сдвиговые и поворотные. Разработана конструкция компенсатора шарового типа, защищенная патентом РФ № 2265769.

1.5 Соединение цилиндрических деталей одного диаметра

Как указывалось выше, широкое применение в машиностроении получили специальные муфты из сплавов с ЭПФ для соединения цилиндрических деталей, работающих под внутренним давлением. Учитывая высокую стоимость материалов с ЭПФ (стоимость 1 кг сплава на основе NiTi составляет от 200 до 700 USD в зависимости от профиля, способа получения и функционально-механических свойств) имеет смысл использовать их в качестве покрытий. Кроме того, появляется возможность создания композиционного материала, сочетающего в себе свойства основного материала и свойства покрытия.

Ресурс тонкостенных сосудов давления (ТСД) определяется минимальным временем безотказной работы составляющих его частей. Выход из строя хотя бы одной составляющей, как правило, влечет за собой замену всего сосуда. Так, например, зам ена электродного блока никель-водородного аккумулятора (НВА) невозможна без замены корпуса, ресурс которого может быть далеко не исчерпан. С целью повышения долговечности ТСД рассмотрено соединение цилиндрических деталей одного диаметра из материалов, как с разными, так и с одинаковыми механическими свойствами и выполнение соединительного элемента из материала с ЭПФ в виде покрытия без снижения характеристик прочности и герметичности соединения.

Разработано соединение цилиндрических деталей, установленных соосно, содержащее соединительный элемент из материала с ЭПФ (рис. 1.28). На соединяемом конце одной детали (1) закреплено кольцо (3) с пазом (4) в стенке выступающей части кольца. На соединяемом конце другой детали (2) закреплено второе кольцо (5) с в ыступом (6), для соединения с первым кольцом через паз. Соединительный элемент из материала с ЭПФ выполнен в виде покрытия (7), нанесенного на обе поверхности выступа второго кольца. Толщина выступа второго кольца меньше ширины впадины первого кольца на толщину покрытия с учетом величины восстанавливаемой матери алом с ЭПФ деформации и требуемой величиной реактивных напряжений. Оба кольца на соединяемых концах цилиндрических деталей могут быть закреплены электродуговой сваркой.

Рис. 1.28. Соединение цилиндрических деталей (1, 2 – соединяемые детали; 3, 5 – кольца;

4 – паз; 6 – выступ; 7 – покрытие из сплава с ЭПФ; 8 – сварные швы для крепления колец к цилиндрическим деталям).

Для получения прочного соединения необходимо рассчитать толщину слоя с ЭПФ и режимы термомеханической обработки. Термомеханическая обработка заключается в деформации покрытия на рассчитанную величину при температуре ниже Mf и последующий нагрев до температуры выше Af. Толщина наносимого покрытия зависит от функционально-механических характеристик материала с ЭПФ, способа его нанесения, размеров элементов соединения и режимов ТО покрытия для стабилизации кристаллической структуры и снятия остаточных напряжений. Величина деформации, во сстанавливаемой покрытием в процессе обратного МП, должна обеспечивать прочность и герметичность соединения и не создавать в стенках соединения пластической д еформации.

В качестве примера рассматриваются цилиндрические детали из стали 12Х18Н10Т диаметром 50 мм и толщиной стенки 5 мм. Расчет соединения производится с помощью МКЭ в MSC/Nastran for Windows V4.0.

Геометрическая симметрия соединения позволила избежать громоздких вычислений и рассматривать лишь осевое сечение конструкции. В качестве материала покр ытия был выбран сплав TiNi с известными функционально-механическими свойствами.

Контакт между покрытием 7 и пазом 4 (рис.Рис.1.29) осуществлялся элементом Slide Line. Геометрические размеры колец и толщина покрытия с ЭПФ определялись МКЭ в режиме Design Optimization, с ограничением по допускаемым напряжениям. В результате расчета толщина наносимого покрытия 7 должна составлять 1,05-1,10 мм, при толщине выступа 6 не менее 3 мм и длиной не менее 15,37 мм. Низкотемпературная деформация нанесенного покрытия должна составлять не более 8 % и может быть в ыполнена любым известным способом, например обкаткой роликами.

Рис. 1.29. Распределение эквивалентных напряжений (а), МПа и невосстановленной деформации (б) в соединении.

На рис.1.29 представлена картина распределения напряжений и невосстановленной сплавом TiNi деформации в результате сборки соединения и перевода материала с ЭПФ в аустенитное состояние. Анализ НДС соединения показывает неоднородное распределение напряжений, максимум которых приходится на покрытие ( 360 МПа).

Наибольшие напряжения в кольце не превышают 200 МПа. Передаваемый кр утящий момент соединения оказался равным 453 Н·м. Описанное соединение цилиндрических деталей является прочным и герметичным при температурах от -20 0С до 120 0С.

1.6 Способ соединения сопрягаемых деталей

Рассматриваемое техническое решение может быть использовано для сопряжения и закрепления полумуфт или втулок на валу с целью передачи крутящего момента или обеспечения герметичного соединения. В настоящее время для передачи крутящего момента от полумуфты к валу существуют несколько способов: с помощью шпоночных и шлицевых [36]; с помощью промежуточной втулки, сделанной из материала с памятью формы [54]; с помощью аргонодуговой наплавки шликерной обмазки из NiTi на поверхность вала [30]. Для обеспечения герметичности соединений используют прокладки из резины, пластика и др.

Недостатки шпоночных и шлицевых соединений заключаются в ослаблении вала и ступицы шпоночными и шлицевыми пазами, наличии концентраторов напряжения в зоне шпоночных и шлицевых пазов, что приводит к снижению усталостной прочности, высоких требованиях к точности выполнения шпоночных и шлицевых пазов, необходимости в дополнительных деталей для осевой фиксации зубчатых колес, шкивов.

Недостатком соединения с помощью промежуточной втулки, сделанной из материала с памятью формы, является большой расход дорогостоящего материала. Недостатком способа аргонодуговой наплавки шликерной обмазки из NiTi на поверхность вала является образующаяся загрязненность наплавленного слоя за счет того, что шликерная обмазка, приготовленная на основе клея БФ–2 и нанесенная на поверхность стали, при температурном воздействии приводила к чрезмерному науглероживанию слоя TiNi. Это приводило к ухудшению свойств памяти.

Разработанный способ для сопряжения и закрепления деталей включает [55]:

- нанесение материала c ЭПФ на посадочные места вала. Наиболее просто эту операцию можно произвести аргонодуговой наплавкой. Материал с ЭПФ подается в сварочную ванну в виде присадочной проволоки, что значительно снижает загрязненность поверхностного слоя посторонними элементами и позволяет контролировать глубину перемешивания основного материала и покрытия за счет изменения технологических режимов наплавки;

- механическую обработку полученного слоя до требуемых размеров. Требуемые размеры наплавленного слоя (высота и ширина валика) определяются технологическими режимами наплавки и зависят от типа наплавляемого материала. В случае отклон ений, превышающих заданные, точность достигается шлифованием наплавленных валиков для получения требуемой геометрии поверхности;

- отжиг в среде защитных газов необходим для стабилизации кристаллической структуры сплава с ЭПФ и приобретения им требуемых на последующих этапах термомеханических свойств. Температура отжига колеблется в пределах 450-550 0С;

- деформирование нанесенного слоя на величину, гарантирующую требуемую посадку, при температурах конца прямых фазовых превращений. Температура может изменяться в широких пределах и зависит от химического состава наплавляемого мат ериала и усилия при деформировании. Наиболее просто деформирование можно осущ ествить при помощи обкатки;

- сборка соединения и нагрев до температур конца обратного МП. В процессе обратных фазовых превращений материал покрытия восстанавливает форму, и при сбо рке обеспечивает посадку с натягом в соединении;

- расчет технологических режимов получения описанного выше соединения производился для стали 45 с покрытием из сплава Ni55,3Ti44,7. На вал 20 мм с помощью аргонодуговой наплавки наносились валики с шагом 4-5 мм). Перед наплавкой поверхность вала обрабатывалась шлифовальной бумагой для удаления окислов и обезжиривалась ацетоном. В зависимости от режимов наплавки (сила тока, скорость вращения и продольная подача образца, скорость подачи проволоки) изменялись ге ометрические размеры наплавляемых валиков (ширина и высота). В результате п роведенных исследований определены режимы наплавки: сила тока – 80 А, скорость вращения образца – 5 об/мин, скорость продольной подачи – 25 мм/мин; скорость подачи проволоки – 400 мм/мин. Ширина наплавленных валиков составила 4,7-5,0 мм, высота

– 0,9-1,0 мм, длина наплавленного слоя – 20 мм (рис.1.30).

Рис. 1.30. Общий вид наплавки проволоки 1 мм из сплава Ni55,3Ti44,7 на вал из стали 45 20 мм.

Механической обработки полученный слой не требовал за исключением удаления окисной пленки, образовавшейся после наплавки. Отжиг образца проводился в п ечи ЭКПС-50 в среде аргона в течение 1 часа при температуре 500 0С (охлаждение с печью). Дальнейшим этапом было деформирование поверхностного слоя. Деформирование осуществлялось при помощи обкатки в радиальном направлении. Обкатываемый образец зажимался в токарном патроне, устройство для обкатки закреплялось в резцедержателе суппорта. Изменение усилия обкатки обеспечивалось двумя гайками, величина усилия измерялась динамометром. Скорость вращения патрона и продольная подача подбирались экспериментально таким образом, чтобы процесс обкатки проходил стабильно. Режимы обкатки были следующими: усилие обкатки 500 Н, продольная подача 0,08–0,10мм/об, скорость обкатки 1130 мм/мин и число оборотов 18 мин -1.

Далее обкатанный образец вынимали из устройства и замеряли деформацию поверхн остного слоя. Средняя деформация в радиальном направлении при длине наплавки 25 мм составила 6,43 %. Завершающим этапом являлись сборка и нагрев соединения до температуры 50 0С, превышающей температуру конца аустенитных As превращений сплава Ni55,3Ti44,7 на 6 0С. В результате получилось прочное соединение вал-втулка, способное выдержать крутящий момент 440 Нм.

1.7 Повышение долговечности лопастей гребного винта судна поверхностным модифицированием TiNi Основным наиболее ответственным и дорогостоящим элементом движительнорулевого комплекса современных судов до сих пор остатся гребной винт (ГВ), который работает в условиях значительных переменных нагрузок. Хотя за последние годы изменились конструкции ГВ, появились новые материалы, выросли требования к качеству изготовления, обеспечение надежности и безотказности ГВ все еще остается актуальной задачей. Поломка ГВ в процессе эксплуатации судна сопряжена со значительными материальными затратами, связанными с постановкой судна в док, заменой винта, простоем судна. В условиях шторма выход из строя ГВ чрезвычайно опасен, т.к. в большинстве случаев ведет к потере управляемости и хода судна, а иногда и к его гибели.

Сложность решения задачи обеспечения надежности и безотказности ГВ обусловлена слабой формализацией сведений об отказах, о причинах их происхождения и закономерностях развития. Знания о развитии деградационных процессов, о причинах повреждений и разрушений ГВ, охватывают широкий круг областей знаний (металловедение, гидромеханика, механика разрушения, технологическая механика производства и эксплуатации и т.д.), а сведения о повреждениях и авариях часто носят описательный характер. Поэтому только специалист, обладающий большим опытом работы в данной области и широким кругозором, может обоснованно принять решения по конкретному отказу.

Обоснованное решение таких задач можно выполнить только на основе анализа видов, причин и последствий отказов ГВ.

1.7. 1 Анализ отказов гребных винтов

Возникновение отказов ГВ зависит от того, каким образом происходит развитие отказа, обусловленное закономерным изменением состояния и параметров всех составляющих. С этой точки зрения можно условно считать, что такое изменение может происходить двумя путями: постепенно и внезапно (рис. 1.31). Наибольший материальный ущерб возникает в случаях внезапного отказа и аварийных ситуаций, связанных с разрушением ГВ. Основными признаками, определяющими различные виды отказов, служат причины возникновения и особенности протекания процессов, приводящих к отказу, последствия отказов и меры по их предупреждению. Классификация отказов с указанием причин и последствий, выполненная по данным источников информации [56,57] приведена на (рис.

1.31). Принятие обоснованных мер по предотвращению возможных и фактических отказов ГВ позволяет обеспечить надежность и безопасность судна в целом.

–  –  –

1. Некритический отказ (последствия отказа 1. Катастрофический отказ (полное разрунезначительны, небольшая деформация шение винта) - необходим ремонт с выволопастей вследствие случайных столкнове- дом из эксплуатации с полной заменой ний с твердым предметом) – необходим ре- гребного винта.

монт гребного винта. 2. Критический отказ (значительная дефорОтказ с малыми последствиями (не при- мация с загибом лопастей, с выкрашиванием, усталостными трещинами, отрывом ловодит к заметным последствиям (риски, царапины, точечная коррозия лопастей и др. ) пасти) – необходим капитальный ремонт с

– необходим ремонт гребного винта. заменой гребного винта.

Рис. 1.31 Классификация отказов гребных винтов

Опыт эксплуатации морских судов показывает, что их эксплуатационная надежность существенно зависит от множества факторов, как технологических (поры, включения, остаточные напряжения и т.д.), так и эксплуатационных (коррозия, эрозия, кавитация, усталость, механические повреждения). Коррозии обычно подвергаются ГВ из углеродистой стали, срок службы которых составляет 1,5-2,5 года. Коррозионно-эрозионные разрушения ГВ происходят довольно быстро вследствие начальных мелких разъеданий лопастей как на нагнетающей, так и на засасывающей поверхностях. Повреждения распространяются быстро на значительную площадь лопасти (рис 1.32). Имеют место даже случаи, когда поверхности лопастей превращались в "губчатую поверхность" и из-за снижения несущей способности наблюдался отрыв лопасти [56,57]. Наиболее коррозионностойкими в морской воде и обладающими достаточной механической прочностью являются винты из нержавеющей стали аустенитно-ферритного класса ОХ17НЗГ4Д2Т. Хорошо себя зарекомендовали в условиях коррозионного воздействия морской воды ГВ из нержавеющей стали 1Х14НДЛ. Коррозионная стойкость гребных винтов из этой стали в 25 раз больше стойкости винтов из углеродистой стали, но их использование ограничено по экономическим соображениям.

Рис. 1.32. Характерные отказы гребных винтов

Одной из причин снижения прочности ГВ является кавитация. Обычно кавитация сопровождается появлением дефектов на кромках засасывающей поверхности лопасти. В процессе эксплуатации в области засасывающей поверхности образуется безводная полость, заполненная пузырьками воздуха и парами воды. Вода как бы вскипает в разряженном пространстве и вызывает, кроме снижения эксплуатационных характеристик ГВ, появление кавитационно-эрозионных повреждений лопастей в виде удаленных частичек металла, в результате чего поверхность становится пористой и снижается ее прочность. Эрозия металла происходит от механического воздействия на поверхность металла быстродвижущихся частиц жидкостей, песчинок твердых тел, взвесей, газовых пузырьков и т. п.

Интенсивность эрозионного разрушения зависит от однородности структуры и механических свойств металла (рис. 1.32). Иногда эрозионные повреждения достигают глубин в 10мм через 10000 часов работы, а кавитационные разрушения глубиной 6-8 мм достигают за 19000 часов работы [58]. На коррозионно-эрозионные процессы оказывают влияние состав морской воды (наличие в ней солей и содержание кислорода), уровень нагруженности. Эффективными способами повышения прочностных свойств и сопротивления коррозионо-эрозионным воздействиям являются термические и термомеханические упрочняющие обработки и нанесение на поверхность металла защитных покрытий [59].

В результате неравномерной коррозии и эрозии, а также механических повреждений в процессе эксплуатации судна возникает механическая неуравновешенность гребного винта, не подлежащая учету. Неуравновешенность резко возрастает при выкрашивании или поломке лопасти (рис.1.33), когда механическая и гидродинамические неуравновешенности суммируются. Анализ показывает, что доминирующими деградационными процессами, вызывающими подавляющую часть отказов ГВ морских судов, являются повреждения, вызванные коррозионно-эрозионными и усталостными процессами с образованием трещин (рис. 1.33). Количественные характеристики повреждений лопастей ГВ приведены в табл. 1.1.

–  –  –

Важным условием обеспечения безотказности ГВ является установление уровня их поврежденности и разработка методов, тормозящих накопление повреждений и, как следствие, повышающих эксплуатационную надежность. Сложные условия эксплуатации, коррозионно-активная среда, возможные перегрузки, значительные трудности со своевременным обнаружением развивающихся дефектов в условиях ограниченного доступа серьезно усложняют поставленную задачу. Поэтому вопросы прогнозирования технического состояния ГВ, а также технологическое обеспечение их надежной эксплуатации и принятие мер по увеличение жизненного цикла играют важную роль как в процессе эксплуатации судна, так и в снижении непроизводственных затрат, связанных с ремонтом. Задача достижения высокого уровня надежности гребных винтов диктуется необходимостью обеспечения должной степени безопасности и достижения минимального ущерба, связанного с потерями при возможных аварийных ситуациях. Очевидно, что задача повышения надежности гребных винтов может быть решена технологическими методами.

1.7.2 Технологические методы повышения долговечности гребных винтов

Для изготовления ГВ широко используются бронзовый сплав БрАЖН10-4-4 и коррозионно-стойкие стали, микроструктурные особенности которых оказывают существенное влияние на развитие усталостного разрушения, как на стадии накопления повреждений, так и на стадии распространения трещины [60].

Общеизвестна роль поверхностного слоя в формировании разрушения [61]. Так, авторы [62] с помощью растровой и просвечивающей микроскопии изучали накопление несплошностей в различных материалах и сплавах и установили, что в поверхностных слоях толщиной в десятки микрометров разуплотнение на один два порядка выше, чем в объеме, причем с увеличением толщины образца увеличивается и толщина этого слоя.

Размер зародышевых трещин в металлах и сплавах составляет 0,1- 0,3 мкм, а их максимальная концентрация 10-17 – 10-18 м-3, в процессе накопления микротрещин происходит их слияние. Концентрация микротрещин в поверхностном слое на два-три порядка больше чем в объеме. Подтверждением определяющей роли поверхностного слоя в разрушении является фотография, приведенная на рис.1.34, на которой отчетливо видна зона зарождения поверхностной коррозионно-эрозионной трещины в лопасти ГВ, послужившей причиной его разрушения [63].

В настоящее время для повышения надежности изделий активно разрабатываются методы, тормозящие процесс накопления повреждений, среди которых наиболее перспективным является поверхностное модифицирование. Для решения задачи повышения долговечности изделий машиностроения широко используются различные методы инженерии поверхности [61]. Одним из практических способов повышения прочности и ресурса в условиях действия циклических нагрузок является поверхностное модифицирование. К числу новых, интенсивно разрабатываемых методов поверхностного модифицирования относятся методы нанесения функциональных покрытий из материалов с обратимой фазовой структурой [5].

–  –  –

Замедлить процесс накопления повреждений или снизить их влияние на наиболее слабую поврежденную зону можно поверхностным модифицированием материалом с ЭПФ. Одним наиболее изученных и широко применяемых сплавом с ЭПФ является никелид титана TiNi, обладающий свойствами памяти, восстановления, адаптивности и высокими эксплуатационными свойствами. В основе повышения долговечности материала с поверхностным слоем из материала с ЭПФ на основе TiNi при циклическом нагружения лежит эффект псевдоупругости (рис. 1.35). При сравнительно небольших напряжениях доминирующим механизмом деформации в поверхностном слое является неди слокационный, в результате которого при частичной разгрузке образца появление пластических деформаций резко снижается. При этом даже частично происходит «залеч ивание» образовавшихся микротрещин, свойственное материалам с ЭПФ [54,65]. Важной особенностью сплавов TiNi, обогащенных никелем, заключается в том, что при механическом нагружении фазы аустенита возникает механомартенсит, который после разгрузки демонстрирует значительный псевдоупругий возврат деформации. Механизм «залечивания» состоит в изменении поля напряжений вблизи микроконцентраторов и 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. Необы чное деформационное поведение материалов с ЭПФ можно наблюдать по петлям механического гистерезиса (рис. 1.35). При одинаковых условиях испытаний деформация, накапливаемая сплавом NiTi, значительно меньше (в 5-6 раз), чем деформации стали 12Х18Н10Т. Подобный эффект можно наблюдать и для материала с покрытием, однако величина его меньше по причине присутствия вторичных упрочняющих фаз, тормоз ящих термоупругие превращения в покрытии.

–  –  –

Важным аргументом в пользу использования материалов с ЭПФ для формирования поверхностных слоев ГВ является то обстоятельство, что сплав TiNi выделяется среди других материалов с обратимой фазовой структурой высокой коррозионной стойкостью и сопротивлением износу [66, 67]. Результаты коррозионных испытаний в воде Черного моря при температуре 22С образцов показали, что покрытие TiNi, полученное лазерной наплавкой обеспечивает надежную защиту от коррозии.

Следует отметить, что сплавы с ЭПФ на основе TiNi обнаруживают высокую стойкость к эрозионному изнашиванию. Результаты исследования кавитационного износа низкоуглеродистой стали, плакированной TiNi, и традиционно применяемых в машиностроении трибо-материалов показали, что сталь, плакированная TiNi, имеет величину массового износа 20 раз меньше нержавеющей стали и в 4-6 раз меньше износа кобальтового слава St6 и St21 [68]. Сравнение результатов кавитационной износостойкости TiNi (3,5 % NaCl, 20кГц), нержавеющей стали SUS304 и никельсодержащего самофлюсующегося сплава (Ni16Cr4Si4B3Cu3Mo2,5Fe0,5C), широко применяемых в гидравлическом машиностроении в качестве эрозионноустойчивых материалов, показало, что после испытания в течение 300 минут совокупный массовый износ нержавеющей стали SUS304 в 45 раз, а для никельсодержащего сплава в 15 раз больше чем у нитинола [69-71].

Прочностные и фукционально-механические свойства деталей с покрытиями определяются химическим составом и состояние структуры, предварительной и последующей обработкой. Результаты исследования поведения поверхностных слоев под нагрузкой, полученные в последние годы, показывают, что целенаправленное изменение поверхностных слоев позволяет управлять механизмами вязкопластического течения и обеспечить повышение прочностных характеристик материалов. Одним из эффективных рычагов такого управления является создание наноструктурированных поверхностных слоев [72]. В настоящее время основным методом создания наноструктур в поверхностном слое металлов является обработка концентрированными потоками энергии – электронным, лазерным, плазменным. На рис. 1.36,а,б. представлено наноструктурированное покрытие TiNi, полученное плазменной наплавкой механоактивированного порошка. Исследования микроструктуры поверхностного слоя TiNi на растровом электронном микроскопе высокого разрешения показало, что TiNi покрытие на 70-80% имеет нанокристаллическую структуру с размером зерна 40-120нм (рис.1.36,в), пористость менее 5%..Результаты рентгеноструктурного анализа поверхностного слоя TiNi после полного цикла обработки (плазменное напыление, ТО, ППД), приведенные на рис 1.36,г подтверждают сохранение функциональных свойств материала с ЭПФ.

а) б) в) г) Рис.1.36. Наноразмерное TiNi покрытие, полученное плазменным напылением механически активированного порошкa 37000 –а); микроструктура покрытия TiNi после ТМО с ППД 12000 - б); количественное распределение размера зерен и их процентное содержание в покрытии TiNi – в); рентгенограмма поверхности TiNi после полного цикла обработки – г) Механизм упрочняющего эффекта наноструктурных материалов при достаточно высокой пластичности до конца не решен. Основным отличием нанострктурированных материалов является резкое возрастание границ объема нанозерен (до 50-70%) по сравнению с обычным металлом (5-10%) [74]. Наличие такого количества дефектов в наноструктурных материалах подавляет зарождение в них дислокаций. Это приводит к созданию барьерного слоя, который затрудняет генерацию дислокаций в поверхностном слое и их проникновение в объем материала. Этот эффект барьерного слоя обеспечивает повышение прочностных характеристик материала с одновременным увеличением его пластичности.

Наноструктурирование, прежде всего, оказывает влияние на процесс зарождения микротрещин, т.к. при измельчении зерен вместо нескольких сильных концентраторов в поверхностном слое появляется множество мелких, одновременно действующих, которые снижают вероятность образования магистральной трещины и, таким образом, повышает прочность материала [72,74]. С увеличением числа структурных элементов материала можно ожидать увеличение пороговых значений коэффициента К, отвечающих образованию нераспространяющихся трещин и соответствующих размеру структурных элементов, создающих барьеры на пути их движения.

1.7.3 Анализ напряженно-деформированного состояния лопасти ГВ с поверхностно модифицированным слоем сплавом Ti-Ni Для оценки уровня поврежденности и опасности разрушения ГВ необходимо оценить напряженно-деформированного состояния (НДС) лопастей. Необходимость изучения и развития методов по оценке НДС лопастей, установления уровня их поврежденности, разработка методов, тормозящих накопление повреждений и, как следствие, повышающих эксплуатационную надежность ГВ стоит сейчас особенно остро. Сложные условия эксплуатации, коррозионно-активная среда, возможные перегрузки, возникающие при маневрировании судна (особенно в штормовых условиях), значительные трудности со своевременным обнаружением развивающихся дефектов серьезно усложняют поставленную задачу. В настоящем исследовании рассмотрена возможность использования поверхностного модифицирования лопастей ГВ сплавом с ЭПФ на основе TiNi, выполнен численный анализ напряжений и деформаций в каждой точке лопасти после поверхностного модифицирования сплавом TiNi. Сложность решения задачи, связанной с оценкой ресурса ответственных инженерных объектов, таких как ГВ, определяется сложностью процессов, происходящих в конструкционных материалах в эксплуатационных условиях. Понимание закономерностей этих процессов позволяет построить математическую модель, которая содержит конкретные параметры кинетики НДС, определяющиеся условиями эксплуатации.

Поскольку процессы накопления повреждений тесно связаны с кинетикой НДС, то точность расчетных оценок прочности и ресурса конструктивных элементов зависит от того, насколько уравнения состояния адекватно описывают деформирование в заданных условиях эксплуатации. Представляя собой геликоидальную оболочку переменной толщины и кривизны лопасть ГВ, жестко закрепленная на ступице, в процессе эксплуатации находится под действием внешних сил гидродинамической природы, а также сил инерции [75]. В процессе работы ГВ за корпусом силы, действующие на его лопасти, переменны в течение оборота винта, и их мгновенные амплитуды могут существенно превышать средние значения нагрузок. В процессе реверса силы и моменты, действующие на лопасти могут превосходить соответствующие величины на установившихся режимах движения. Динамический характер нагрузок приводит к возникновению во время работы ГВ сложного и переменного во времени напряженно-деформированного состояния (НДС), определяемого напряжениями изгиба, кручения и растяжения.

В общей постановке с учетом реальной геометрии лопасти ГВ и всей системы стационарных и не стационарных сил, действующих на нее при всех режимах работы пропульсивного комплекса, оценка прочности винта чрезвычайно сложна и не имеет пригодного для инженерной практики аналитического решения. Поэтому до недавнего времени практическое проектирование ГВ базировалось на приближенных, до некоторой степени условных методах. Погрешности этих методов компенсировались большими запасами прочности, уровень которых определялся на основе многолетнего опыта проектирования. Однако данный подход обеспечивал удовлетворительные результаты лишь для винтов традиционных конструкций в более или менее общих эксплуатационных условиях; при отходе же от традиционных решений при проектировании движителей, как правило, возникали ошибки, как в безопасную, так и в опасную сторону.

Широко применяемая для оценки прочности лопастей ГВ «балочная теория» [69], в которой лопасть винта представляется консольно закрепленной балкой, подверженной изгибу под действием гидродинамических сил и растяжению и изгибу под действием инерционных сил, а также другие методы (методы Тейлора и Рамсона) основанные на оценке статической прочности лопастей винта по наибольшим напряжениям не дают реальной картины НДС. Для ГВ с большой откидкой лопасти и широкополосных ГВ современных быстроходных судов расчет по балочной теории приводит к большим погрешностям. Балочная теория не учитывает нормальных напряжений, связанных со стесненным кручением, возникающим вследствие влияния заделки лопасти на ступице. Кроме того, практически все методы, основанные на балочной теории, не позволяют оценивать местную прочность лопастей ГВ, что особенно важно при изучении долговечности лопастей при циклически изменяющейся нагрузке.

Другим подходом к оценке прочности лопастей ГВ является методика, основанная на идеализации лопасти изотропной пластиной переменной толщины, жестко закрепленной на ступице. При этом контур пластины задается контуром развернутой поверхности лопасти, а загружается пластина поверхностной нагрузкой, нормальной к срединной поверхности пластины. Подобная схема, использующая общие положения теории жестких пластин малого прогиба, позволяет удовлетворительно оценить НДС широколопастных гребных винтов. Однако широкого распространения она не получила в связи с развитием альтернативных методов, позволяющих более точно описать геометрию лопасти и характер ее НДС.

Более того, ни «балочная теория» ни «теория жестких пластин малого прогиба», вследствие определенных допущений лежащих в основе этих подходов, не позволяют смоделировать нанесенное на поверхность ГВ покрытие, повышающее его прочностные свойства, а также защищающее лопасти ГВ от влияния коррозионной среды.

Активное развитие расчетных методик, связанных с численным анализом гидродинамики ГВ (CFD methods), а также появление глубоко интегрированных систем прочностного анализа, базирующихся на хорошо зарекомендовавших себя вариационно-разностных методах (FEA methods), позволило с достаточной степенью точности оценить возникающие в элементах ГВ напряжения и деформации. Численная оценка возникающих напряжений и деформаций, с учетом влияния поверхностного модифицирования сплавом с ЭПФ является одной из задач настоящего исследования [76].

Для численного анализа НДС лопастей ГВ (рис. 1.37) нами был выбран теплоход «NS Concord», принадлежащий ОАО «Новороссийское Морское Пароходство». Расчетные данные по распределению давлений жидкости на поверхностях лопастей ГВ были получены нами ранее посредством численного анализа работы ГВ в потоке жидкости в одном из современных пакетов газогидродинамического анализа [60,76]. Данный программный комплекс позволяет экспортировать результаты расчетов в межпакетный формат NASTRAN Bulk Data содержащий основные данные для подготовки расчета: первичную расчетную модель ГВ в виде совокупности узловых точек и плоских (треугольных) пластинчатых элементов (Plate Element Type - CTRIA3+PSHELL), а также численные значения и направления сил, действующих в узловых точках расчетных элементов [78].

На основе импортированной поверхностной геометрической модели ГВ, содержащей первичное разбиение, в пакете прочностного анализа была выполнена дискретизация внутреннего пространства ГВ конечным числом пространственных (объемных) твердотельных элементов (тетраэдров) второго порядка (Solid Element Type – CTETRA+PSOLID). Применение параболических элементов (второго порядка), имеющих по одному промежуточному узлу вдоль каждой из сторон, позволило достаточно точно повторить кривизну поверхности лопасти ГВ, а также повысить точность расчетов, при сравнительно невысоких затратах вычислительных ресурсах ЭВМ. Для имитации высоконагруженного поверхностного слоя материала, размер пространственных твердотельных элементов, формируемых внутри ГВ, задавался меньшим по сравнению с их размерами на поверхности, что позволило существенно снизить потребность в расчетных ресурсах.

Рис. 1.37. Подготовка расчетной модели для проведения прочностного анализа

Для моделирования покрытия, нанесенного на поверхность лопасти ГВ, плоские элементы из импортированной модели были модифицированы и представлены как плоские (треугольные) многослойные пластинчатые элементы (Laminate Element Type - CTRIA3+PCOMP) (рис. 1.38). Обладая возможностью учета всех внутренних силовых факторов: мембранных, сдвиговых, поперечных и изгибных, данные элементы позволяют моделировать многослойные композитные пластины и оболочки, содержащие до 180 слоев. При этом для каждого слоя указывается идентификатор материала, толщина слоя, угол наклона оси упругой симметрии материала относительно локальной системы координат элемента, а также смещение нижней поверхности первого слоя относительно базовой плоскости, проходящей через узлы элемента [79]. Кроме того, в свойствах элемента может быть указана используемая теория разрушения (расслоения) элемента, согласно критериев Хилла, Хоффмана, Цая-Ву или критерия наибольших сдвиговых деформаций.

Рис. 1.38. Основные типы расчетных элементов, применяемых при построении расчетной модели прочностного анализа Также в пакете прочностного анализа были определены граничные условия для узлов, лежащих на торцевой поверхности ступицы ГВ, в виде их жесткого защемления по всем возможным перемещениям. Применение подобного защемления позволило обеспечить неподвижность расчетной модели в пространстве, а также предотвратить вырождение матрицы жесткости, вследствие недостаточности связей. Для учета центробежных сил инерции, возникающих при вращении ГВ, к каждому узлу расчетной модели были приложены объемные нагрузки от вращения, вычисляемые программно в зависимости от положения узла в пространстве.

В качестве материала ГВ (табл. 1.2) нами была выбрана сталь 08Х14НДЛ, а для материала покрытия мы использовали никелид титана, представленный в двух состояниях: с аустенитной структурой и с мартенситной структурой. В расчетной модели данный материал задавался нами как однородная изотропная субстанция непрерывно, сплошным образом, заполняющая область пространства огрниченную внутренними поверхностями расчетных элементов.

Для анализа НДС лопастей ГВ был использован один из современных расчетных пакетов, в котором моделирование поведения лопасти ГВ под действием внешних нагрузок осуществлялось при помощи алгоритмов, построенных на системе уравнений равновесия сплошной среды. Численное решение данных уравнений было выполнено посредством одного из наиболее распространенных вариационно-разностных методов [79] – метода конечных элементов (МКЭ) (табл. 1.3). Для количественной оценки НДС лопастей ГВ в потоке жидкости было использовано эквивалентное напряжение по критерию Мизеса.

–  –  –

Рис. 1.39 Распределение эквивалентных напряжений в поверхностно модифицированномматериале с ЭПФ TiNi и теле гребного винта т/х «NS Сoncord» в процессе вращения Рис. 1.40. Напряжнно-деформированное состояние лопастей гребного винта, т/х «NS Concord» поверхностно-модифицированных TiNi в процессе вращения гребного винта

–  –  –

Рис.1.41. Эквивалентные напряжения по Мизесу в теле ГВ – а, б); в покрытии с аустенитной структурой – в, г); в покрытии с мартенситной структурой 1.7.4. Исследования эксплуатационных свойств сталей, поверхностно-модифицированных сплавом с ЭПФ на основе TiNi С учетом особенностей эксплуатации гребных винтов к их поверхности предъявляются повышенные требования: по структуре металла, его химическому составу, механическим свойствам, наличию дефектов с учетом качества и стоимости изделий. В этих условиях, учитывая решающую роль поверхностного слоя в накоплении повреждений и разрушении, обеспечение многофункциональности, а также увеличения надежности и ресурса достигается поверхностным модифицированием с использованием комплексной нанотехнологии, включающей механическую активацию наносимого материала, формирование промежуточного адгезионного слоя никеля, имеющего неограниченную растворимость с железом и близкие коэффициенты температурного расширения, формирование функционального слоя из материала с ЭПФ на основе TiNi, термическую обработку (вакуумный отжиг) для снятия остаточных напряжений и термомеханическую обработку в интервале температур мартенситных превращений поверхностным пластическим деформированием для придания поверхностному слою ЭПФ [13,81,82].

Для оценки качества функциональных слоев и композиции проводились испытания напыленных слоев металла на адгезию, микротвердость, износ, коррозионную, кавитационную стойкость и усталостную прочность. Адгезионную прочность определяли из испытания на отрыв в специальном приспособлении на испытательной машине Instron. Предел выносливости определяли из испытания на многоцикловую усталость при изгибе с вращением на машине МУИ-6000 на базе испытаний 107 циклов. Испытания на износ осуществляли на машине трения СМТ-1–2070, обеспечивающей возможность контроля температуры образца в процессе испытания. При испытании на коррозионную стойкость потерю массы определяли гравиметрическим методом. Испытания на кавитационную стойкость проводились в соответствии с американским стандартом ASTM G32-10 (Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus), с применением ультразвуковой вибрационной установки и стандартной статистической обработкой полученных экспериментальных данных [83].

Одной из основных механических характеристик поверхностного слоя является микротвердость. Для всех исследованных образцов наблюдалось повышенное значение микротвердости слоя никелида титана относительно основного металла. Распределение микротвердости по глубине слоя TiNi на различных этапах формирования плазменным напылением механоактивированного порошка на сталь 45 представлено на (рис. 1.42). Микротвердость TiNi-слоя колеблется в пределах H=8,211,8 ГПa. Такое повышение микротвердости объясняется тем, что вследствие высоких скоростей соударения частиц с подложкой, высокой скорости их охлаждения и быстрой закалки сплава образуются высокопрочные, метастабильные структуры Рис. 1.42.Микроструктура, 400, и распределение микротвердости сплава Ni-TiNi, полученного плазменным напылением механоактивированного порошка.

Известно, что высокая агрессивность морской воды связана с содержанием в ней до 3,5-4% солей, преимущественно NaCl и MgCl2. На рис. 1.43 представлены результаты испытаний в воде Черного моря стальных образцов при температуре 22С, сверхупругой проволоки титан-никелевого сплава ТН 1мм и TiNi-слоя толщиной TiNi=0,45мм на сталь 12Х18Н9Т. Как показал сравнительный анализ относительных весовых потерь испытываемых образцов, наибольшее уменьшение массы соответствовало стальным образцам.

Внешнее проявление повреждений образцов из стали 38ХН3МФА определяется равномерной коррозией. При осмотре образцов из стали 12Х18Н9Т особых изменений поверхности практически не было отмечено. Коррозионные повреждения нержавеющей стали распространялись вглубь и носили межкристаллитный характер.

По виду кривой 4 на рис.1.43,а, соответствующей слою сплава TiNi и имеющей горизонтальную площадку при меньших потерях массы в процессе длительных испытаний, можно утверждать, что слой полностью защищает от коррозии. В результате проведения ТО (Т=500С, 1 час) стали 12Х18Н9Т с TiNi-слоем одновременно со снижением внутренних напряжений уменьшается скорость коррозии в морской воде на ~6-12% по сравнению с неотожженными образцами. Количественная оценка коррозионной стойкости сталей с поверхностным слоем TiNi в воде с различной концентрацией солей приведена в табл. 1.4

–  –  –

Рис. 1.43. Относительные потери массы, %, за время испытаний в воде Черного мор;– а); сравнительная характеристика интенсивности изнашивания стали 45, поверхностно-модифицированной материалом с ЭПФ TiNi при давлении на диск 12 МПа Таблица 1.4. Коррозионная стойкость сталей в воде с различной концентрацией солей

–  –  –

Оценка сопротивления изнашиванию поверхностных слоев сплавов с ЭПФ TiNi производилась по величине убыли массы TiNi при весовом износе (ГОСТ 16429-70). Испытания проводились при сухом трении закаленной втулки из стали У10 о поверхность образцов с покрытиями TiNi толщиной 1мм, скорость вращения образца внутри втулки составляет 1500 об/мин, при нагрузке 300Н. Как видно из рис.1.43,б, из все исследованных материалов минимальную интенсивность изнашивания имеют стальные образцы с покрытием TiNi.

Для сопоставления результатов усталостной прочности сталей с поверхностным слоем TiNi с целью определения возможности снижения стоимости изделий проводидись испытания на многоцикловую усталость стали 45 и стали 08Х14НДЛ, обычно используемой для изготовления лопастей гребных винтов. Уравнение кривой усталости может быть представлено в форме a N 1 NG a 1 ; N при a 1.

m m при Показатель степени m характеризует наклон левой ветви кривой усталости. Величина m находится из уравнения, вытекающего из (1.30) lg N G N m.

(1.30) lg a 1 Параметрами кривых усталости стали 45 без покрытия являются:

-1=275 МПа, NG=0,95106 циклов, m=14,3; а после ПМСЭПФ TiNi параметры кривой усталости составили:

-1=415 МПа, NG=1,1106 циклов, m=16,7. Предел выносливости, (-1) стали 08Х14НДЛ без покрытия составил: на воздухе - 315 МПа; в морской воде без покрытия – 200 МПа; после ПМСЭПФ TiNi на воздухе – 430 МПа, т.е. увеличилось на 36,5%; после ПМСЭПФ TiNi (в морской воде) – 330 МПа, т.е. увеличилось на 65% (рис. 1.44).

Параметры кривых усталости стали 08Х14НДЛ без покрытия следующие:

-1=315 МПа, NG=107 циклов, m=12,1; после ПМСЭПФ TiNi на воздухе

-1=430 МПа, NG=1,12107 циклов, m=16,2.

Макроанализ усталостных изломов подтвердил упрочняющий эффект ПМСЭПФ.

Рис.1.44. Кривые многоцикловой усталости стали 08Х14НДЛ: без покрытия среда воздух (1), без покрытия среда морская вода (2), ПМСЭПФ NiTi среда воздух (3) ПМСЭПФ NiTi среда морская вода Кавитационное разрушение поверхности образцов без покрытий проявляется уже через 2 часа проведения испытаний (рис. 1.45, а). Повышенная шероховатость поверхности способствует интенсификации процесса кавитационного разрушения (рис.1.45,б).

Сравнительные исследования кавитационной стойкости многослойных композитных покрытий на основе материалов с ЭПФ, показали, что наибольшее влияние на кавитационную стойкость покрытия в агрессивных средах оказывают дефектность структуры и адгезионная прочность покрытия. Так, наличие в структуре покрытия дефекта (рис. 1.45, в) в 5 раз снижает кавитационную стойкость в месте образования дефекта при испытаниях в морской воде [84-86].

–  –  –

Проведенные экспериментальные исследования образцов с модифицированным поверхностным слоем TiNi, сформированным в условиях высокоэнергетических воздействий (для всех реализованных технологий: аргонодуговая, лазерная и плазменная наплавка) показали значительное повышение усталостной прочности. [75,76] Наибольший эффект повышения предела выносливости при изгибе с вращением достигнут для образцов с наноструктурированным поверхностным слоем полученным плазменной наплавкой (рис. 1.

43). С точки зрения структуры металла усталостная прочность определяется, прежде всего, энергией, необходимой для зарождения трещины, и скоростью ее распространения.

Плазменная наплавка, как средство модификации поверхностного слоя влияет, в первую очередь, на процесс зарождения микротрещин. Механизм такого влияния вероятно связан: во первых, 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); во вторых, с особенностями химического и фазового состава, обеспечивающего проявление ЭПФ; в третьих, оптимальным распределением остаточных напряжений.

Описанная методика численного анализа НДС лопасти ГВ и выполненный расчет значений действующих напряжений и деформаций в каждой точки лопасти ГВ с учетом влияния наноструктурированного покрытия на основе TiNi показал, что покрытие из материала с ЭПФ на основе TiNi, как в аустенитном, так и в мартенситном состояниях, приводит к снижению напряжений в наиболее опасной зоне на поверхности. С учетом повышенных характеристик TiNi сопротивления износу и коррозии покрытие способствует повышению надежности ГВ. Экспериментальные исследования усталостной прочности стали 08Х14НДЛ с поверхностно-модифицированным слоем TiNi, полученным плазменным напылением, в условиях воздействия морской воды подтвердили повышение условного предела выносливости на базе 5107 циклов на 40-50 %.

Рекомендуется для повышения кавитационной стойкости наносить многослойное покрытии из материалов с ЭПФ с наружным износостойким слоем. Кавитационная стойкость покрытия с внешним износостойким слоем из тугоплавких соединений толщиной 100 мкм, повышает в 4-5 раз кавитационную стойкость по сравнению с деталями без покрытия при условии, что покрытие не имеет дефектов, а при наличии дефектов кавитационная стойкость повышается не более чем в 3 раза. Это связано с расслаиванием поверхностных слоев покрытия.

1.8 Повышение устойчивости к отказам лопастей гребного винта судна формированием функционально-ориентированной слоистой поверхностной композиции из многокомпонентных материалов с ЭПФ В предыдущем разделе изложены результаты исследования по повышению долговечности лопастей гребного винта судна поверхностным модифицированием сплавом с ЭПФ TiNi эквиатомного состава. Приведены результаты численного исследования НДС гребного винта с наноструктурированным поверхностным слоем, сформированным комплексной обработкой, включающей механическую активацию, плазменное напыление, ТО и ТМО. Экспериментальные исследования поверхностно-модифицированных образцов на усталостную прочность, износостойкость, коррозионную и кавитационную стойкость в морской воде подтвердили повышение эксплуатационных характеристик. Основным недостатком пламенного напыления с местной защитой заключается в невысоких значениях адгезионной прочности. Имеющее место образование оксидов в процессе напыления снижает функциональные свойства TiNi. Указанные недостатки несколько снижают эффективность поверхностно модифицирования материалами с ЭПФ в повышении долговечности и обеспечении надежности.

Для гребных винтов, работающих в условиях многофакторных воздействий и ограниченного доступа в процессе эксплуатации, исключительно важно не только повышение эксплуатационных свойств по предотвращению разрушения на стадии накопления повреждений и инициации разрушения, но и повышение отказоустойчивости, продление жизненного цикла с уже сформировавшимися дефектами [87,88]. Эта задача может быть решена путем интеллектуализации поверхностного слоя формированием особой архитектуры функционально-ориентированной слоистой композиции из многокомпонентных материалов с ЭПФ [89,90]. Решение такой задачи требует новых экономически обоснованных технических решений, обеспечивающих функциональную надежность и технологическую эффективность [91].

Для повышения функционально-механических свойств поверхностных композиций из многокомпонентных материалов с ЭПФ (снижения содержания оксидов и повышения адгезионной прочности до 100 -120МПа) разработана технология высокоскоростного газопламенного напыления (ВГН) в камере в атмосфере аргона, позволившая реализовывать процесс формирования поверхностной композиции с последующей ТО и ТМО в едином технологическом цикле без промежуточного нагрева (патенты № 2402628, 247556, 2535432). Модернизированная установка ВГН GLC позволяет осуществлять подачу напыляемого порошкового материала в разные зоны газового потока с учетом температур плавления компонентов [45,91].

Повышение долговечности лопастей гребного винта на стадии накопления повреждений может быть реализована путем формирования поверхностной слоистой структуры, наружный слой которой обладает повышенным пределом выносливости и трещиностойкости, коррозионно- и износостойкости, а нижележащий слой повышенной релаксационной и демпфирующей способностью, а также возможностью торможения развивающихся дефектов при обязательном условии надежной адгезии между слоями и с основой. Обеспечить такое сочетание свойств составляющих слоев можно, использую уникальные свойства материалов с ЭПФ регулированием температур фазовых превращений составляющих слоев [90]. Температуры фазовых превращения материалов с ЭПФ можно регулировать в определенных пределах химически составом композиций и термической и термомеханической обработкой.

Совершенно очевидно, что многослойная композиция «основа - сплав с ЭПФ» характеризуется большей энергопоглощаемостью чем однослойные покрытия, снижением скорости распространения микротрещин в слоях, имеющих градиент по фазовому составу и толщине, высокими адгезионными свойствами составляющих слоев и основы, технологическими особенностями при подборе соединительного слоя. При использовании в качестве материала с ЭПФ сплавов на основе TiNi наиболее рационально в качестве соединительного адгезионного слоя использовать Ni при нанесении на сталь, так как Ni и стальная основа характеризуются неограниченной растворимостью основных элементов и кристаллохимическим сродством материала основы, соединительного и функционального слоев. Кроме того, все составляющие поверхностного слоя имеют близкие значения коэффициента термического расширения. Таким образом, для обеспечения повышения отказоустойчивости целесообразно на поверхности ГВ формировать композитный поверхностный слой из материалов с ЭПФ на основе TiNi с различной температурой фазовых превращений в условиях эксплуатации и адгезионным слоем Ni. Прочность соединения поверхностного композитного слоя, полученного ВГН, с основой составляет 100-120 МПа.

Для решения задачи о возможности и целесообразности использования композиционного поверхностного слоя из материалов с ЭПФ для повышения надежности гребного винта и с целью выбора оптимальной структуры и архитектуры композиции и химического состава чередующихся слоев выполнено конечно-элементное моделирование НДС гребного винта многослойной поверхностной композицией из многокомпонентных материалов с ЭПФ с различными температурами фазовых превращений.

1.8.1 Методика расчета НДС лопасти гребного винта с композитным поверхностным слоем Численный анализ НДС лопастей ГВ выполнен на примере теплохода «NS Concord», ОАО «Новороссийского Морского Пароходства». Исходные данные следующие: Диаметр гребного винта Dpr = 7,20 м. В качестве материала ГВ выбрана сталь 08Х14НДЛ, широко используемая для гребных винтов. Характеристики основного материала гребного винта следующие:

E – 200 ГПа ; – 0,28 ; – 7835 кг/м3.

Механические характеристики материалов покрытий приведены в табл. 1.5.

Табл. 1.5. Механические характеристики исследуемых материалов

–  –  –

Гидродинамический расчет винта произведен в программе Fluent Flouwizard. Fluent Flouwizard –специализированный модуль для численного моделирования процессов гидрогазодинамики и тепломассообмена на основе решения уравнений Навье-Стокса в стационарной и нестационарной постановках. Пакет Fluent Flouwizard характеризуется следующими возможностями моделирования 2D плоских, 2D осесимметричных, 2D осесимметричных закрученных и 3D потоков.

Расчет распределения давления по поверхности винта был сделан для скоростей от 0 до 4,66 узлов -2,4 м/с при расчетных оборотах винта -1,616 об/с. Для расчета твердотельная модель винта была разбита на 19565 элементов типа 3D solid parabolic. Общий вид модели винта, подготовленный для конечно – элементного анализа, представлен на рис.

1.46.

Для дальнейших расчетов нагрузки, полученные в ходе гидродинамического расчета, и конечно – элементная (КЭМ) модель транслирована в специализированный пакет для расчетов прочности методом конечных элементов Femap for NX Nastran.

–  –  –

Основные этапы расчета методом конечных элементов следующие:

– разбиение сетки конечных элементов на 3D модели в препроцессоре ручным или автоматизированным методом;

– присвоение свойств элементам;



Pages:   || 2 |
Похожие работы:

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет и...»

«Новосибирский государственный университет Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет» Адрес: 630090, Новосибирская область, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2 Телефон: (383) 330-32-44. Фа...»

«ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ Лекция 2 Механизмы координации хозяйственной деятельности Экономические системы Механизм координации экономической деятельности – способ согласования потребностей и решений экономических агентов, позволяющий им ве...»

«ISSN 1812-5123. Российский журнал биомеханики. 2012. Т. 16, № 4 (58): 8–21 УДК 531/534:[57+61] ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ ГЛАЗА НА МОДЕЛИ И IN VIVO С ПОМОЩЬЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРНОГО АВТОДИНА Д.А. Усанов1, А.В. Скрипаль1, Т.Б. Усанова2, С.Ю. Добдин1...»

«51 }bnk~0h“ hmqhr` qn0h`k|mncn qp`unb`mh“ h ecn q`mnbkemhe b pnqqhh И.А. УХАЛИНА, ассистент, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт), email: uhalina@yandex.ru В статье рас...»

«Е. С. МОЛЧАНОВА, А. П. НАЗАРЕТЯН, Ж. ЖОЛДАСОВА, Е. ИСМАИЛОВ, Л. А. КАРНАЦКАЯ, Н. Ю. КУВШИНОВА, Н. Э. МАТВЕЕВА, А. ТОЛЕШ ЭПИДЕМИЯ КОНВЕРСИОННЫХ РАССТРОЙСТВ В ЖАНАОЗЕНЕ (ЗАПАДНЫЙ КАЗАХСТАН): ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, ДИАГНОЗЫ И ПРОГНОЗЫ В статье рассматриваются предыстория и механизмы развития массо...»

«Нгуен Ван Нгон МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ СТРУКТУРИЗАЦИИ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО КОНТЕНТА И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОННОГО ОБУЧЕНИЯ ПЕРСОНАЛА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА ОСНОВЕ ГРАФОВЫХ МОДЕЛЕЙ С...»

«Министерство образования Российской Федерации Ульяновский государственный технический университет ОАО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения» А. А. Кучерявый БОРТОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КУРС ЛЕКЦИЙ 2-е издание, переработанное и дополненное Ульяновск УДК 629.054 (075) ББК 39...»

«Утверждн ЮТДН.402258.003 РЭ – ЛУ Изделие АНКЕР-Р Руководство по эксплуатации ЮТДН.402258.003 РЭ Анкер-Р Руководство по эксплуатации СОДЕРЖАНИЕ Стр Введение 3 1. Описание и работа 3 1.1. Назначение изделия 3 1.2. Технические характеристики 3 1.3. С...»

«РА Л Ь С К И Й ГОСУДАРСТВЕННЫ Й ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УГТУ УПИ РАДИО ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ ЕКАТЕРИНБУРГ В.Г.Степанов В.В.Мельников НА.Нехонов Н.И.Кирсанов первый декан (19551962) (19621964) (1964) (1952-1955) ІАКомаров Н.ГБЛоншаков Б.А.Панченко А.И.Дружинин (1971 1973) (19761987) (1964-1968) (1968-1...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Бийский технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» А.В. Фрол...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический униве...»

«Внимание! Документ утратил силу с 05.01.2016 г. Документ, прекращающии деи ствие: постановление Правительства РФ от 24.12.2015 г. № 1416 Постановление Правительства РФ от 24 декабря 2008 г. N 1020 О государственной регистрации договоров о распоряжении исключительным правом на изобретение, полезную модель, промышленный образец, зарегист...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра истории и социально-политических дисциплин А.Ф. Исламова Н.Е. Кричевцова СОЦИОЛОГИЯ СБОРНИК ПЛАНОВ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ Методические указания для студентов всех специальностей и всех направлений очной и заочной форм обучения Екатеринбур...»

«ГОСУДАРСТВЕННЫЕ СТАНДАРТЫ СОЮЗА ССР N ЕДИНАЯ СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ГОСТ 14.001— 73, ГОСТ 14.002— 73, ГОСТ 14.003— 74, ГОСТ 14.004— 83, ГОСТ 14.101-73 — ГОСТ 14.103-73, ГОСТ 14.104— 74, ГОСТ 14.105— 74, ГОСТ 14.107— 76, ГОСТ 14.201— 83, ГОСТ 14.202-73 —...»

«Группа Н17 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ МОЛОКО ЦЕЛЬНОЕ СУХОЕ Технические условия ГОСТ 4495-87 Dry unskimmed milk. Specifications МКС 67.100.10 ОКП922310 Дата введения 01.09.88 Настоящий станд...»

«ИНВЕСТИЦИОННЫЕ ПРОЕКТЫ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ УНИХИМ'ОМ С ОЗ К РАЗРАБОТКЕ И РЕАЛИЗАЦИИ Ю.Я. Ласыченков, К.В. Ткачев, Т.Е. Стахровская Перестройка хозяйственного механизма при переходе к рыночной экономике неизбежно отражается и на научно-технической деятельности. Новые технологические и аппарату...»

«Руководство для сотрудников юридического лица по работе в личном кабинете РГП “Государственная Техническая Служба” КСИИ МИР РК Содержание АННОТАЦИЯ 1. ПОДГОТОВКА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ 1.1...»

«МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИИ ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ ЭЛЕКТРОНИКИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ВОЛГОГРАД 2012 Структура контролируемых элементов дисциплины Код Наимен...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОВЕДЕНИЮ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯ...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Е.Б. ГОЛУШКОВА ХИМИЯ ОРГАНИЧЕС...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Е.Н. РОГОТНЕВА ДОКУМЕНТНАЯ ЛИНГВИСТИКА Рекомендовано в...»

«30 ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА И ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. 2003. Т. 44, N5 УДК 532.526.013+533.6.011.5 РАЗВИТИЕ КОНТРОЛИРУЕМЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В УДАРНОМ СЛОЕ НА ПОВЕРХНОСТИ СЖАТИЯ В. М. Анискин, С. Г. Миронов Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, 630090 Новосибирск Представлены ре...»

«КАПЛЕНКО АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СЫРОВ С ЧЕДДЕРИЗАЦИЕЙ И ПЛАВЛЕНИЕМ МАССЫ Специальность: 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандида...»

«База нормативной документации: www.complexdoc.ru МЕТОДИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ООО «ТЕКТОПЛАН» ООО «ГЕОЛОГОРАЗВЕДКА» МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЧНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И ГЛУБИНЫ ЗАЛЕГАНИЯ, А ТАКЖЕ РАЗРЫВОВ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ (СИЛОВЫХ, СИГНАЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ, Т...»










 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.