CC BY
141
УДК 621.762
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЕННЫХ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
А.Н. Зайцев, В.А. Максимов
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация e-mail: [email protected]; [email protected]
Приведены результаты исследования свойств керамических покрытий из оксида алюминия, оксида алюминия с 13% диоксида титана, алюмомагнезиальной шпинелью, полученных методом плазменного напыления на подложках, изготовленных из сплава Инконель 718 и стали 316L(N). Проведены трибологические испытания плазменных покрытий в диапазоне скоростей от 0,75 до 6м/мин при давлении 6,3 и 7МПа без смазки в паре со сплавом Инконель 718 и сталью 316L(N). Рассмотрены факторы, влияющие на изменение характеристик данных материалов при трении и износе. Плазменные покрытия при высокой твердости достаточно хрупкие, абразивное изнашивание таких покрытий в условиях сухого трения обычно выражается в неравномерном отделении частиц материала покрытия. Наибольшей износостойкостью обладает пара Инконель 718-оксид алюминия + 13% диоксид титана по сравнению с другими парами, что также коррелируется с низким коэффициентом трения.
Ключевые слова: плазменные электроизоляционные покрытия, трибология, бланкет ИТЭР.
STUDYING TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF PLASMA ELECTRICAL INSULATING COATINGS
A.N. Zaitsev, V.A. Maksimov
Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 107005 Russian Federation e-mail: [email protected]; [email protected]
The results ofstudying properties of the ceramic coatings: aluminum oxide, aluminum oxide with 13% of titanium, and magnesium aluminum spinel (obtained using the method for plasma spraying on the substrates made of the alloy Inconel 718 and the steel 316L(N)) are given. The tribological tests of the plasma coatings have been conducted within a speed range from 0.75 to 6 m/min under pressures of 6.3 and 7MPa without greasing in pair with the alloy Inconel 718 and the steel 316L(N). The factors effecting the variation in characteristics of these materials with friction and wear are considered. The plasma coatings with high hardness are brittle enough, the abrasive wear of these coatings under conditions of dry friction is typically revealed in the form of inhomogeneous separation of the coating material particles. The pair of Inconel 718-aluminum oxide + 13% dioxide titanium possesses the highest wear resistance as compared to other pairs, which also correlates with a low friction factor.
Keywords: plasma electrical insulation coatings, tribology, blanket of International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).
Элементы конструкций соединителей модулей (СМ) и несущие конструкции первой стенки (НКПС) бланкета международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) должны сохранять функциональные свойства под одновременным действием нормальных статических нагрузок до 7 МПа и касательных динамических нагрузок до 50 МПа, возникающих в результате воздействия электро-
102 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2013. №3
магнитного нагружения продолжительностью от 25 до 30 мс и тепловых упругих деформаций. При этом для предотвращения прохождения электрического тока между НКПС и защитным модулем бланкета необходимо использовать электроизоляционные керамические покрытия в условиях циклического изменения температур от 20 до 250 °С продолжительностью 1800 с в паре со сплавом Инконель718 и сталью 316L(N).
В течение всего срока эксплуатации ИТЭР поверхности деталей НКПС с нанесенными электроизоляционными покрытиями будут подвержены абразивному изнашиванию в паре со сплавом Инконель 718 и сталью 316L(N). Путь трения за весь цикл работы реактора может варьироваться от нескольких до десятков метров. Микроперемещения, а также полное скольжение между трущимися деталями (керамика-металл) при превышении некоторого значения тангенциальной силы могут вызвать разрушение поверхностного слоя в местах реального контакта, что приведет к снижению электроизоляционных свойств покрытий (рост трещин, сколы, уменьшение толщины электроизоляционного покрытия).
В элементах конструкций бланкета ИТЭР покрытия должны сохранять электроизоляционные свойства (удельное объемное электросопротивление не менее р =1,0 • 107Ом- см, напряжение электрического пробоя не менее U = 50 В) при скольжении без смазывания в паре со сплавом Инконель 718 и сталью 316L(N) в вакууме 10-7 Па. При этом наибольшее опасение вызывают импульсные касательные механические нагрузки, возникающие в процессе электромагнитных импульсов во время работы реактора. Эти нагрузки могут привести к сдвигу покрытия относительно основы при условии ^тр > ^ад (^тр -сила трения, ^ад — адгезионная прочность покрытия). Из этого следует актуальность снижения коэффициента трения между трущимися деталями и увеличения адгезионной прочности между покрытием и основой.
Анализ литературных источников [1, 2] показал, что коэффициент трения р для пары А1203-Инконель 718 при контактном нормальном давлении 2,67... 49 МПа варьируется от 0,51 до 0,72. При этом значение р на 20% меньше на воздухе, чем в вакууме.
Определяющими факторами при испытании плазменных покрытий на износ являются их механические свойства и структура. Наличие микропор на границе напыленных частиц и низкая когезионная прочность снижают трибологические свойства [3].
Применение электроизоляционных покрытий на основе А1203 в реакторе типа Токамак показало их работоспособность в условиях,
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2013. № 3 103
близких к заявленным требованиям эксплуатации защитных покрытий в термоядерном реакторе типа ИТЭР [1, 4].
Цель настоящей работы — сравнительная оценка триботехнических характеристик плазменных электроизоляционных покрытий на основе Al2 O3 в паре со сплавом Инконель 718 и сталью 316L(N) при трении без смазывания.
Объектами испытания были выбраны керамические электроизоляционные покрытия Al2O3, Al2O3 + 13 % TiO2, MgAl2O4.
Методика эксперимента. Для испытаний были изготовлены образцы (контртела) из сплава Инконель 718 (НВ = 220) и закаленной стали 316L(N) ^RC = 42) — пластины 70 х 20 х 10 мм, штифты диаметром 6 и 6,35 мм. Шероховатость после механической обработки составляла Ra = 1,6 мкм.
Покрытия формировались плазменным газотермическим методом на стандартной установке УПУ-8М, оснащенной специальным плаз-матроном мощностью 15 кВт (разработка ОАО НИКИЭТ). Для подачи порошкового материала использовались дозаторы Praxair 1264 с применением средств автоматизации (робота-манипулятора Almega AX-V16).
Покрытия наносились на рабочую поверхность пластин и торцы штифтов. В процессе напыления контролировалась температура изделия, которая не превышала 100 °С. Перед нанесением покрытий поверхности подвергались абразивно-струйной обработке корундом с фракцией 1000 мкм (Rz = 70 мкм (минимум) после обработки).
В качестве материалов керамических покрытий применялись специализированные порошки узкого фракционного состава фирмы Starck и шпинель отечественного производства фирмы ООО “Нейтрино” (табл. 1). Технологические режимы плазменного напыления представлены в табл. 2.
Таблица 1
Фракционный состав используемых порошков
Наименование материала Химическая формула Примеси щелочных металлов, не более, %, Фракция, мкм
Amperit 250.001 NiCr 0,20 22-45
Amperit 740.001 AI2O3 0,25 45-90
Amperit 744.001 AI2O3-13%TiO2 0,22 22-45
Шпинель MgAl2O4 0,15 45-100
Трибологические свойства керамических покрытий исследовались при комнатной температуре на многофункциональном трибометре фирмы Center for Tribology Inc., США, мод. UMT-2 по схеме штифтпластина без смазки при возвратно-поступательном движении. Рассматривались пары двух типов: металл-керамика, керамика-керамика.
104 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2013. №3
Принципиальная схема машины трения приведена на рис. 1. Образец (пластина) 1 закрепляется на подвижном столе 2, совершающем возвратнопоступательное движение посредством кривошипно-шатунного механизма 3, который приводится в движение электродвигателем 4 через редуктор 5. Контртело (штифт) 6 закрепляется в специальной оправке 7, фиксация в продольном и поперечном направлениях осуществляется с помощью двух регулировочных винтов, что позволяет избежать перекосов и биений во время испытаний. Нагрузка на штифт передается через шток 8, приводимый в движение шариковинтовой передачей 9 посредством редуктора 10 и серводвигателя 11. Установка снабжена датчиком (трехкомпонентным), позволяющим измерять действующие на образец силы (Fx,Fy, Fz). Работая в режиме поддержания нормальной нагрузки Fz на постоянном уровне, измерительная система прибора вырабатывает сигнал рассогласования в том случае, если происходит изменение линейного размера сопряжения (пластина-штифт) вдоль направления нагрузки Fz.
Главной причиной такого изменения является износ исследуемого сопряжения. Сигнал рассогласования поступает на привод шариковинтовой передачи, который перемещает гайку 11 и вместе с ней оправку с контртелом по направляющим до тех пор, пока не будет восстановлено прежнее значение нормальной нагрузки Fz. Это смещение регистрируется прибором в качестве линейного износа. Машина трения также снабжена тензодатчиками, позволяющими определять коэффициент трения и температуру в зоне контакта исследуемых образцов. Износ образцов (Ah) контролируется бесконтактным емкостным датчиком перемещения с точностью 0,2 мкм.
Прибор обеспечивает непрерывную регистрацию и запись сил трения, сближение исследуемых пар, коэффициент трения и температуру в зоне трения.
Нагрузочно-скоростные характеристики выбирались максимально приближенными к реальным условиям работы деталей НКПС бланкета ИТЭР и составляли соответственно: скорость скольжения v = 0,75 м/мин для пар Инконель 718-керамика и v = 6 м/мин для пар сталь 316Ь^)-керамика при нагрузках 6,3 и 7 МПа.
Рис. 1. Принципиальная схема трибометра UMT-2
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2013. №3 105
106 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2013. №3
Таблица 2
Режимы плазменного напыления керамических электроизоляционных покрытий AI2O3, AI2O3 -13 % Т1О2
Вид покрытия Сила тока I, А Напряжение и, В Расход порошка, г/мин Расход плазмо-бразующего газа Аг2, л/мин Расход плазмо-бразующего газа N2, л/мин Расход транспортирующего газа Аг2, л/мин Скорость перемещения плазмотрона V, см/мин Число проходов
Подслой NiAl 270-300 45-50 4,7 20-25 1,5-2,0 2,0-2,5 1600 1
Рабочий слой 320-350 50-55 16,2 25-30 2,0-2,4 2,5-3,0 1100 6
Таблица 3
Сводная таблица результатов испытаний керамических покрытий Al20;j и Al20;j +13 % ТЮ2 в паре со сплавом
Инконель 718 и сталью 316L(N)
Образцы (вид и покрытие) Время Путь трения Коэффициент Износ h, мкм Интенсивность к
Штифт Пластина испытаний t9 с L, км трения /х изнашивания Ih, мкм/км
v = 0,75 м/мин, р = 7 МПа
Керамика (А12Оз + 13%ТЮ2) Керамика (А1203) 1200 12,5-10 3 0,57 383 14,3 -103 to О со
Инконель 718 Керамика (А1203) 950 О О 1 со 0,54 157 Ъ\ О со Хр О со
Инконель 718 Керамика MgAl204 1060 14,5-10 3 0,53 278 324,0-Ю3 46,2-103
v = 6, 0 м/мин, р = 6 , ЗМПа
Инконель 718 Керамика (А12Оз+13%ТЮ2) 1712 О 1 со 0,55 102 Os О со О ОО О со
Сталь 316L(N) Керамика (А1203) 1574 13,4-10 3 0,67 733 О О со 1,Ы03
Для сравнения свойств пар трения использовались такие параметры износа, как средняя линейная интенсивность изнашивания Ih, мкм/км, и коэффициент износостойкости к, определяемые по известным соотношениям [5]:
Ih =
Ah
AL’
к
Ah
ALP’
где AL — путь трения образца, км; Ah — линейный износ образцов, мкм; P — нагрузка на образец, МПа.
Интенсивность изнашивания оценивали при установившихся режимах испытаний после приработки пар трения и стабилизации коэффициента трения ц (рис. 2).
Результаты испытаний и обсуждение. Данные триботехнических характеристик различных пар, полученные в ходе проведения экспериментов, представлены в табл. 3. Следует отметить, что визуальная оценка износа трущихся деталей показала, что во всех проведенных испытаниях плазменных покрытий в паре с металлами доминировал износ покрытия.
Динамика изменения коэффициента трения ц между различными трибологическими парами представлена на рис. 2.
Из данных табл. 3 следует:
— актуальность нанесения дополнительного слоя Al2O3+13 % TiO2 на уже сформированное покрытие Al2 O3, обладающего лучшей износостойкостью Ih = 6,1 • 103 мкм/км (пара Инконель 718—Al2O3 + + 13%TiO2 по сравнению с парой Инконель 718—Al2O3 Ih = 13,6 х х 103 мкм/км;
— существенной разницы между антифрикционными свойствами разных плазменных покрытий на основе оксида алюминия в паре с
Рис. 2. Сравнительные результаты измерения коэффициентов трения:
кривая 1 — (Al2O3+13%TiO2)/(Al2O3), кривая 2 — Инконель 718/ MgAl2O4, кривая 3 — Инконель 718/(Al2O3), кривая 4 — Инконель 718/(Al2O3+13%TiO2), кривая 5 — сталь 316L(N)/(Al2 O3)
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2013. №3 107
металлами не выявлено, при этом коэффициент трения ц составил от 0,53 до 0,55 (см. рис. 2);
— износостойкость плазменных покрытий Л120з в паре с Л120з + + 13 % Ti02 и Инконель 718 практически одинаковы, но значения коэффициента трения незначительно различаются; так, для пары Л1203-Л1203 + 13 %Ti02 ц оказался максимальным и составил 0,57;
— пара Инконель 718-MgAl2O4 показала наименьший коэффициент трения ц = 0,53, но при этом максимальную интенсивность изнашивания (Ih = 32,4 • 104 мкм/км), что говорит о низкой когезионной прочности покрытия. Это может быть связано с режимами напыления, определяющими температуру разогревания частиц напыляемого материала.
Пониженные трибологические характеристики пары керамика-керамика по сравнению с парой керамика-Инконель 718 можно объяснить высокой теплопроводностью (например, у сплава Инконель 718 при T = 20 °С коэффициент теплопроводности в 7 раз выше, чем у плазмонапыленного покрытия Al2O3), а также процессами переноса металла и его оксидов на поверхность керамики [6, 7].
Оксидные покрытия показали стабильный коэффициент трения и равномерный износ в течение всего эксперимента. Подтвердилось предположение о снижении интенсивности изнашивания с ростом скорости скольжения на примере пары сталь 316Ь(^-керамика [1].
Трение между контактирующими телами в условиях отсутствия смазочного материала обусловлено двумя основными факторами: адгезия в областях реального контакта, возникновение канавок на сопрягающих поверхностях менее твердой поверхности [5]. В нашем случае неровность металла копировалась на поверхности керамики, что говорит о ее меньшей твердости (HVi = 326) и высокой пористости (7... 10%).
Сравнение полученных триботехнических характеристик плазменных покрытий с данными работ [1, 2] показало их хорошее совпадение (табл. 4).
Выводы. 1. Проведение трибологических испытаний контактирующих пар на стенде UMT-2 позволяет определить оптимальный вариант конструкции электроизоляционного покрытия для обеспечения требуемых эксплуатационных условий.
2. Проведенные испытания показали, что покрытие MgAl2O4 в паре с Инконель 718 имеет наибольшую интенсивность изнашивания (Ih = 32,4 • 104 мкм/км) и наименьший коэффициент трения (ц = 0,53) по сравнению с другими плазменными покрытиями на основе оксида алюминия.
108 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2013. №3
Таблица 4
Сравнение полученных результатов триботехнических свойств с данными из литературных источников
Данные работ [1,2]
Условия испытаний Пара трения Ih, мкм/км М
v = 0,426 м/мин, p = 6,89 МПа Инконель 718-А12Оз + 13 %TiO2 2,4-103 0,58
v = 1,2 м/мин, p = 0,5 МПа 30ХГСА-А12Оз +13 %TiO2 4^ О со 0,43
v = 1,2 м/мин, p = 0,5 МПа ЖС6К-А12 Оз + 13 %TiO2 4,4-103 0,52
Полученные результаты испытаний
v = 0,75 м/мин, p = 7 МПа Инконель 718-А12Оз + 13 %TiO2 6,15-103 0,55
Инконель 718-А12Оз 13,6103 0,54
3. Наибольшую износостойкость имеет пара Инконель 718 - Al2O3 + + 13 % TiO2 (Ih = 6,15 • 103 мкм/км), у этой же пары наименьший период приработки по сравнению с другими парами и стабильный режим в течение всего хода испытания (см. рис. 2).
4. Трибологические испытания, проведенные на серии образцов контактирующих пар керамика (Al2O3, Al2O3 + 13%TiO2) и металл (Инконель 718, сталь 316 L(N) позволили установить возможность их применения на деталях НКПС бланкета ИТЭР при последующей технологической приработке.
5. Все исследуемые пары за исключением пары Инконель 718-MgAl2O4 после проведения триботехнических испытаний сохранили требуемые электроизоляционные свойства, что позволяет говорить о возможности их применения на деталях НКПС бланкета ИТЭР.
ЛИТЕРАТУРА
1. Trester P. W. et al. Selection and qualification of materials for relative motion and electricalisolation in a vacuum environment // Thin Solid Films. 1984. Vol. 119. P. 113-120.
2. Носовский И. Г. Исследование трения и изнашивания некоторых диффузионных и детонационных покрытий в вакууме // Трение и износ. 1983. Т 4. № 5. С. 796800.
3. Пузряков А.Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления: учеб. пособие по курсу “Технология конструкций из металлокомпозитов”. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
4. Zatz I.J. Dynamic analysis of the TFTR bumper limiter // Nuclear Eng. And Design. 1987. Vol. 4. P 141-148.
5. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968.
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение” 2013. № 3 109
6. Lee S.W., Hsu S.H., Shen M.C. Ceramic wear maps: zirconia // J. Amer. Ceram. Soc. 1993. Vol. 76. № 8. P. 1937-1947.
7. Becker P.C., Libsch T.A., Rhee S.K. Wear mechanisms of toughening zirconias // Ceram. Eng. And Sci. Proceed. 1985. No. 7. P. 1040-1058.
REFERENCES
1. Trester P.W., McKelvey T.E., Doll D.W., Sevier D.L., Ulrickson M.A. Selection and qualification of materials for relative motion and electrical isolation in a vacuum environment. Thin Solid Films, 1984, vol. 119, pp. 113-120.
2. Nosovskiy I.G. The study of friction and wear processes for certain diffusion and detonation coatings in vacuum. Trenie i iznos [Frict. Wear], 1983, vol. 4, no. 5, pp. 796-800 (in Russ.).
3. Puzryakov A.F Teoreticheskie osnovy tekhnologii plazmennogo napyleniya: ucheb. posobie po kursu “Tekhnologiya konstruktsiy iz metallokompozitov” [Theoretical foundations of plasma spray technology: textbook for the course “Technology of metallic composite structures”]. Moscow, MGTU im.N.E. Baumana Publ., 2008. 360 p.
4. Zatz I.J. Dynamic analysis of the TFTR bumper limiter. Nucl. Eng. Des., 1987, vol. 4, pp. 141-148.
5. Kragel’skiy I.V Trenie i iznos [Friction and wear]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1968. 358p.
6. Lee S.W., Hsu S.H., Shen M.C. Ceramic wear maps: zirconia. J. Amer. Ceram. Soc., 1993, vol. 76, no. 8, pp. 1937-1947.
7. Becker P.C., Libsch T.A., Rhee S.K. Wear mechanisms of toughening zirconias. Ceram. Eng. Sci. Proc., 1985, no. 7, pp. 1040-1058.
Статья поступила в редакцию 2.10.2012
Андрей Николаевич Зайцев — аспирант кафедры “Металлорежущие станки” МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специализируется в области износостойких антифрикционных электроизоляционных покрытий, применяемых в особо ответственных узлах металлорежущих станков и реакторах синтеза легких ядер.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.
A.N. Zaitsev — post-graduate of “Metal-Cutting Machines” department of the Bauman Moscow State Technical University. Specializes in the field of the wear-resistant antifriction electrical-insulation coatings used in very critical joints of metal-cutting machines, in reactors for light-nuclei fusion.
Bauman Moscow State Technical University, Vtoraya Baumanskaya ul., 5, Moscow, 105005 Russian Federation.
Виталий Александрович Максимов — аспирант кафедры “Металлорежущие станки” МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специализируется в области износостойких антифрикционных электроизоляционных покрытий, применяемых в особо ответственных узлах металлорежущих станков и реакторах синтеза легких ядер.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.
V.A. Maksimov — post-graduate of “Metal-Cutting Machines” department of the Bauman Moscow State Technical University. Specializes in the field of the wear-resistant antifriction electrical-insulation coatings used in very critical joints of metal-cutting machines, in reactors for light-nuclei fusion.
Bauman Moscow State Technical University, Vtoraya Baumanskaya ul., 5, Moscow, 105005 Russian Federation.
110 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2013. №3
