Підвищення ефективності виготовлення елементів торцевих імпульсних ущільнень турбомашин нанесенням функціональних покриттів

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. Об’єкт дослідження – технологічний процес формування функціональних покриттів на поверхні елементів торцевих імпульсних ущільнень турбомашин. Предмет дослідження – закономірності технологічного процесу формоутворення поверхні із заданими експлуатаційними властивостями, що забезпечують необхідну якість (довговічність, зносостійкість, працездатність) торцевих імпульсних ущільнень турбомашин. Метою дослідження є забезпечення працездатності торцевих імпульсних ущільнень (ТІУ) турбомашин шляхом виготовлення кілець із композиційних матеріалів, що поєднують у собі механічну міцність основи й захисні властивості покриттів, підвищують зносостійкість торцевих поверхонь кілець, герметичність і захист елементів вторинного ущільнення від фретинг-корозії. Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі: − Провести аналіз технології виготовлення й особливостей експлуатації ТІУ. − Розробити методику спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ залежно від умов роботи ущільнення й властивостей навколишнього середовища. − Удосконалити метод електроерозійного легування (ЕЕЛ) для здійснення процесів сульфідування й сульфоцементації енергоефективними й екологічно чистими методами, альтернативними хіміко-термічній обробці. − Розробити новий метод збільшення товщини шару підвищеної твердості шляхом формування на попередньо зміцнених цементацією методом ЕЕЛ торцевих поверхнях кілець ТІУ комбінованих електроерозійних покриттів; − Провести дослідження якісних параметрів поверхневих шарів, сформованих методом іонного азотування, конденсованого іонного бомбардування та карбонітрацією. − Розробити метод зниження фретинг-процесу для контактуючих поверхонь ущільнювальних елементів ТІУ. − Розробити технологічні рекомендації виготовлення ТІУ залежно від умов роботи та перекачуваного середовища. − Упровадити результати досліджень у практику виготовлення ТІУ турбомашин. У вступі обґрунтований вибір теми дисертації та наукових завдань, сформульовані мета й завдання дослідження, визначені наукова новизна й практичне значення одержаних результатів, а також наведена інформація про апробацію, структуру та обсяг роботи. У першому розділі виконано аналіз проблем підвищення якості елементів ТІУ. Наведено загальні відомості про торцеві ущільнення, розглянуті їх конструктивні особливості, галузі застосування, матеріали і види руйнувань. Досліджено технологічні методи підвищення якості робочих поверхонь ТІУ. Все це дозволило сформулювати мету й завдання дисертації. У другому розділі на основі теоретичного розгляду вимог до якості функціональних покриттів робочих поверхонь деталей роторних машин були розроблені система й критерії спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ шляхом аналізу і синтезу існуючих аналогів, досвіду промисловості та рекомендацій у вітчизняній і зарубіжній літературі. Система спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ охоплює весь їх життєвий цикл, що включає матеріал кілець та їх елементів, технологію їх виготовлення, технологію ремонту та ін. Всі вони розглядаються через спеціальні методи спрямованого вибору. До того ж враховується вплив обраних методів один на одного, який у кінцевому підсумку буде позначатися на якості виробу. Варіанти реалізації технологій, що задовольняють рішення були подані орієнтованим графом, вузлами якого є етапи розв’язання задачі, а ребрами – трудомісткість їх розв’язання (технологічна собівартість). Результат пошуку зводиться до розв’язання задачі цілочислового програмування комбінаторного виду, в якій розв’язок шукають на кінцевій множині можливих значень змінних. Як метод оптимізації використовували комбінаторний метод «гілок і меж». Результатом спрямованого вибору технології, що забезпечує необхідні експлуатаційні властивості робочих поверхонь торцевих імпульсних ущільнень, обирався мінімізований за критерієм собівартості технологічний процес формування функціональних покриттів. Третій розділ присвячений методиці експериментальних досліджень впливу різних технологій на якість поверхонь елементів ТІУ. Були розглянуті особливості технології електроерозійного легування (ЕЕЛ) при обробці поверхонь елементів ТІУ. Подано результати досліджень процесу обробки торцевих поверхонь ТІУ іонним азотуванням, конденсованим іонним бомбардуванням, карбонітрацією. Наведена методика досліджень трибологічних властивостей елементів ТІУ, виготовлених різними способами. Подано методику дослідження впливу способів виготовлення кілець ТІУ на механічні властивості. Наведені стендові випробування газового торцевого імпульсного ущільнення. У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень підвищення якості робочих поверхонь елементів ТІУ сформованих різними методами. Розглянуті питання підвищення якості поверхні кілець ТІУ методом ЕЕЛ, іонного азотування, конденсованого іонного бомбардування, карбонітрації. Підвищення зносостійкості робочих поверхонь вуса та втулки. Подані результати досліджень нових технологій сульфідування та сульфоцементаціі реалізованих на базі методу ЕЕЛ. Наведений аналіз особливостей методів, що застосовуються для підвищення якості елементів ТІУ. У п’ятому розділі наведені результати дослідження впливу способів підвищення якості елементів ТІУ на механічні властивості. Подано результати порівняльних трибологічних випробувань поверхонь ковзання ТІУ, сформованих різними методами. Наведені результати впливу припрацювальних покриттів на трибологічні властивості поверхонь ковзання ТІУ, результати досліджень зносостійкості контактуючих поверхонь деталей пар тертя ТІУ. Розроблені технологічні рекомендації спрямованого вибору найкращого матеріалу кілець ТІУ і технологій підвищення їх якості. Згідно з розробленою методикою спрямованого вибору, виходячи з експлуатаційних властивостей функціональних покриттів і показників якості поверхні, таких як: шорсткість, мікротвердість, зносостійкість, мікроструктура поверхневого шару, які необхідно забезпечити, відбувається спрямований вибір технологічних методів, якими можна вирішити поставлену задачу. До того ж критерієм вибору є мінімальна технологічна собівартість реалізації інтегрованої технології в умовах конкретного підприємства. Практична корисність розробленої методики представлена технологічними рекомендаціями, наведеними у зведеній таблиці. Ця таблиця містить механічні й триботехнічні властивості функціонального покриття, а також інформацію про інтегровану технологію, що дозволяє забезпечити ці властивості. Здійснені натурні випробування імпульсного газового торцевого ущільнення для компресора вуглекислого газу. Відповідно до поставленої мети та задач у роботі отримані наступні результати: 1. Аналіз технології виготовлення й експлуатації ТІУ засвідчив, що резервом зниження собівартості й підвищення якості ТІУ можуть бути технологічні методи ЕЕЛ, ЦЕЕЛ, ІА, КІБ, КН та ін., що дозволяють створювати на підкладках зі сталей і сплавів композиційні матеріали, що поєднують захисні властивості покриттів із механічною міцністю основи. 2. На підставі теоретичних досліджень розроблена формалізована методика визначення раціонального варіанта технології виготовлення елементів ТІУ, яка відрізняється тим, що кожному варіанту відповідає план реалізації можливих комбінацій рішень, мінімізований за трудомісткістю виконання. Розроблено модель синтезу інтегрованої технології, що враховує умови експлуатації ТІУ, фізичні принципи роботи устаткування та дозволяє відповідно до технологічних обмежень формувати функціональні покриття на робочих поверхнях елементів ТІУ. Проведені дослідження були передумовами для створення системи спрямованого вибору технології виготовлення ТІУ турбомашин, що дозволяє формувати робочі поверхні кілець ТІУ, а також контактуючої поверхні вторинного ущільнення й захисної втулки із заданими експлуатаційними властивостями. 3. Набув подальшого розвитку метод ЕЕЛ для здійснення процесів сульфідування й сульфоцементації, застосовуваних для запобігання схоплюванню й зміцненню контактуючих поверхонь ТІУ. 4. Визначено, що для зміцнення сталевих кілець ТІУ методом ЕЕЛ найкращим є КЕП складу ВК8 + Cu + ВК8, нікелевих сплавів – ВК8 + ВК8 + Cu і ВК8 + ВК8 + Ni, а для берилієвої бронзи – хром. Водночас товщину зони підвищеної твердості можна збільшити за рахунок попередньої ЦЕЕЛ. 5. Установлено, що при зміцненні методом ІА, сталі 40Х і 38Х2МЮА товщина зміцненого шару досягає 250 і 500 мкм, а мікротвердість – 8 820 і 9 950 МПа відповідно. Найбільша товщина 250 мкм і мікротвердість зміцненого шару 11 190 МПа, при ІА сталі 40Х належать комбінованому способу зміцнення ІА + ЦЕЕЛ. При зміцненні зразків зі сталі 12Х18Н10Т і Р6М5 методом КІБ товщина покриттів становить ~ 2–3 мкм, мікротвердість основи відповідно для сталі Р6М5 і 12Х18Н10Т становить ~ 6,8 і ~ 2,5 ГПа, а покриття – ~ 18 і 14,5 ГПа. При зміцненні зразків зі сталі 38Х2МЮА методом КН формуються поверхневі шари товщиною до 0,5 мм і мікротвердістю ≥ 10 000 МПа. 6. Запропоновано новий спосіб зниження фретинг-корозії контактуючих поверхонь вторинного ущільнення, виготовлених зі сплаву ХН58МБЮД або БрБ2, за якого перед ЦЕЕЛ на одну поверхню сплаву ХН58МБЮД методом ЕЕЛ наносять покриття з міді або нікелю, а на іншу – з міді. Відповідно до іншого способу перед ЦЕЕЛ на одну з контактуючих поверхонь із бронзи БрБ2 наносять покриття з міді. 7. Розроблено технологічні рекомендації виготовлення ТІУ, адаптовані до умов їх роботи. Аналіз поданих даних дозволяє в першому наближенні вибрати найбільш кращий матеріал для їх виготовлення, а також метод підвищення якості їх елементів. Використання в парах тертя припрацьовувальних КЕП сприяє зниженню сили й коефіцієнта тертя. Дослідження показало, що кільця із застосованих матеріалів мають низький, середній і високий параметри PV і їх можна застосовувати в I, II і III категоріях ущільнень. 8. Результати дисертаційної роботи впроваджені на двох підприємствах та в навчальному процесі Наукова новизна одержаних результатів: 1. Вперше розроблена система спрямованого вибору технології виготовлення ТІУ турбомашин, що дозволяє формувати робочі поверхні кілець, а також контактуючі поверхні вторинного ущільнення та захисної втулки із заданими експлуатаційними властивостями. 2. Набула подальшого розвитку технологія ЕЕЛ елементів ТІУ, які працюють в агресивних середовищах і виготовляються зі сталевих, нікелевих та бронзових сплавів, що дозволило формувати торцеві поверхні кілець і контактуючі поверхні вторинного ущільнення з необхідними експлуатаційними характеристиками. 3. Доведена доцільність нанесення на робочі поверхні сталевих кілець і кілець із нікелевих сплавів ТІУ багатошарових комбінованих електроерозійних покриттів, сформованих відповідно послідовностями ВК8 + Сu + ВК8 і ВК8 + ВК8 + Сu та цементації методом ЕЕЛ, що збільшує товщину шару підвищеної твердості. 4. Обґрунтована доцільність застосування технології сульфідування та сульфоцементації, здійснюваних у практиці зміцнення сталевих поверхонь хіміко-термічнною обробкою, альтернативними, екологічно чистими та більш енергоефективними методами ЕЕЛ. 5. Дістав подальшого розвитку взаємозв’язок між технологічними методами формування покриттів, що забезпечують підвищення зносостійкості торцевих поверхонь кілець, та експлуатаційними характеристиками ТІУ. Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці технологічних рекомендацій по виготовленню елементів ТІУ, адаптованих до умов роботи насосних та турбокомпресорних агрегатів та перекачуваного середовища. Аналіз поданих даних дозволяє в першому наближенні вибрати найбільш кращий матеріал для їх виготовлення, а також метод підвищення якості їх елементів.Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in specialty 05.02.08 - Manufacturing Engineering. The object of research is the technological process of forming functional coatings on the surface of the elements of end impulse seals of turbomachines. The subject of the research is the regularities of the technological process of surface formation with the specified operational properties that provide the required quality (durability, durability, efficiency) of end impulse seals of turbomachines. The aim of the research is to ensure the efficiency of the face impulse seals (FIS) of turbomachines by making rings of composite materials that combine the mechanical strength of the substrate and the protective properties of coatings, increase the wear resistance of the end surfaces of the rings, tightness and protection of corrosion elements. To achieve this aim, the following tasks were formulated: - To carry out the analysis of manufacturing technology and features of operation of FIS. - To develop a method of directional selection of technology to ensure the required quality of the working surfaces of the FIS rings, depending on the working conditions of the seal and the properties of the environment. - Improve the method of electro-erosion alloying (EEA) for the implementation of the processes of sulfidation and sulfocarbonization by energy-efficient and environmentally friendly methods alternative to chemical-thermal treatment. - Develop a new method of increasing the thickness of the layer of high hardness by forming on the carbonized by EEA method the end surfaces of the rings of FIS combined electro-erosion coatings; - To study the qualitative parameters of surface layers formed by the method of ion nitriding, condensed ion bombardment and carbonitration. - Develop a method of reducing fretting process for the contact surfaces of the sealing elements of the FIS. - Develop technological guidelines for the production of FIS depending on the operating conditions and the pumped medium. - Introduce research results into the practice of manufacturing FIS for turbomachines. The introduction substantiates the choice of the topic of the dissertation and scientific tasks, formulates the aim and tasks of the research, defines the scientific novelty and practical significance of the obtained results, as well as provides information on the approbation, structure and scope of work. The first chapter analyzes the problems of improving the quality of FIS elements. General information on face seals, their design features, applications, materials and types of fractures are presented. Technological methods of improving the quality of work surfaces of FIS are investigated. All this allowed us to formulate the purpose and tasks of the dissertation. In the second chapter, on the basis of theoretical consideration of the requirements for the quality of functional coatings of the working surfaces of parts of rotary machines, a system and criteria for the directional choice of technology to ensure the required quality of the working surfaces of the FIS rings by analyzing and synthesizing existing analogues, industry experience and recommendations in domestic and foreign. The system of directional choice of technology to ensure the required quality of the working surfaces of the FIS rings covers their entire life cycle, including the material of the rings and their elements, the technology of their manufacture, technology of repair, etc. They are all considered through special directional choice methods. In addition, the impact of the choice methods on each other, which will ultimately affect the quality of the product. Options for implementing the technologies that satisfy the solution were presented by an oriented graph, whose nodes are the steps of solving the problem, and the edges represent the complexity of solving them (technological cost). The result of the search is to solve the integer programming problem of combinatorial form, in which the solution is searched for a finite set of possible values of variables. The combinatorial branch and boundary method was used as the optimization method. As a result of the directional choice of technology that provides the required operational properties of the working surfaces of the FIS, the process of forming functional coatings minimized by the cost criterion was selected. The third chapter is devoted to the method of experimental research of the influence of different technologies on the quality of the surfaces of the FIS elements. The features of electro-erosion alloying technology in the treatment of the surfaces of the FIS elements were considered. The results of studies of the process of treatment of end surfaces of FIS with ionic nitriding, condensed ion bombardment, carbonitration are presented. The technique of investigations of tribological properties of FIS elements made in different ways is presented. The technique of studying the influence of the methods of manufacturing the FIS rings on the mechanical properties is presented. Bench tests of gas face impulse seal are given. The fourth chapter presents the results of experimental research of improving the quality of the working surfaces of the elements of the FIS formed by different methods. The questions of improvement of surface quality of FIS rings by EEA method, ion nitriding, condensed ion bombardment, carbonitration are considered. Increasing the wear resistance of the working surfaces of the mustache and sleeve. The results of researches of new technologies of sulfidation and sulfocarbonization implemented on the basis of EEA method are presented. The analysis of the peculiarities of the methods used to improve the quality of FIS elements is given. The fifth chapter presents the results of a study of the effect of enhancing the quality of FIS elements on mechanical properties. The results of comparative tribological tests of the sliding surfaces of the FIS formed by different methods are presented. The results of the influence of the working coatings on the tribological properties of the sliding surfaces of the FIS, the results of studies of the wear resistance of the contacting surfaces of the parts of the friction pairs of the FIS are presented. Technological recommendations for direct selection of the best material of the FIS rings and technologies for improving their quality have been developed. According to the developed method of directional selection, based on the operational properties of functional coatings and surface quality indicators, such as roughness, microhardness, wear resistance, microstructure of the surface layer to be provided, there is a directional choice of technological methods that can be solved the problem. In addition, the criterion for selection is the minimum technological cost of implementing integrated technology in a particular enterprise. The practical utility of the developed methodology is represented by the technological recommendations given in the summary table. This table contains the mechanical and tribotechnical properties of the functional coating, as well as information about the integrated technology that enables these properties to be ensured. Field tests of pulsed gas end seals for carbon dioxide compressor have been carried out. In accordance with the set aim and tasks in the work the following results were obtained: 1. Analysis of the technology of production and operation of FIS showed that the reserve of reducing the cost and improving the quality of FIS may be technological methods EEA, carbonized by EEA, ion nitriding, condensed ion bombardment, carbonitration, etc., which allow to create composite materials on the substrates of steels and alloys that combine protective properties of coatings with mechanical strength of the substrate. 2. On the basis of theoretical research, a formalized methodology for determining a rational variant of the technology of fabrication of elements of FIS is developed, characterized in that each variant corresponds to the plan of realization of possible combinations of solutions, minimized by the complexity of execution. A model of synthesis of integrated technology was developed, which takes into account the conditions of operation of the FIS, the physical principles of operation of the equipment and allows, in accordance with technological limitations, to form functional coatings on the working surfaces of the FIS elements. The conducted researches were prerequisites for creation of the system of directed choice of technology of production of FIS of turbomachines, which allows to form working surfaces of FIS rings, as well as the contacting surface of the secondary seal and the protective sleeve with the specified operational properties. 3. The EEA method for the implementation of the sulfidation and sulfocementation processes used to prevent the adhesion and strengthening of the contacting surfaces of the FIS has been further developed. 4. It is determined that to strengthen the FIS steel rings of BK8 + Cu + BK8, nickel alloys - BK8 + BK8 + Cu and BK8 + BK8 + Ni, and chromium for beryllium bronze, is best for the reinforcement of FIS steel rings by the EEA method. At the same time, the thickness of the high hardness zone can be increased at the expense of the previous carbonized by EEA. 5. It is found that, when strengthened by the ion nitriding method, 40X and 38X2MЮA steels, the thickness of the hardened layer reaches 250 and 500 μm, and the microhardness is 8 820 and 9 950 MPa, respectively. The maximum thickness of 250 μm and the microhardness of the hardened layer is 11 190 MPa, for ion nitriding steel 40X belong to the combined method of strengthening ion nitriding + carbonized by EEA. When hardening specimens of 12X18H10T and P6M5 steel by condensed ion bombardment method, the coating thickness is ~ 2–3 μm, the microhardness of the substrate, respectively, for the P6M5 and 12X18H10T steel is ~ 6.8 and ~ 2.5 GPa, and the coating is ~ 18 and 14.5 GPa. When hardening the 38X2MЮA steel samples, surface layers of up to 0.5 mm thickness and microhardness ≥ 10,000 MPa are formed by the carbonitration method. 6. A new method of reducing the fretting corrosion of the contact surfaces of the secondary seal made of ХН58МБЮД or БрБ2 alloy is proposed. In this case, copper or nickel coatings are applied to the EEA method on one surface of the ХН58МБЮД alloy by the EEA method, and the other surface is made of copper. According to another method, a copper coating is applied to the carbonized by EEA on one of the БрБ2 bronze contacting surfaces. 7. Technological recommendations for the production of FIS have been developed, adapted to their working conditions. The analysis of the submitted data allows in the first approximation to choose the best material for their production, as well as a method of improving the quality of their elements. The use in the friction pairs of the combined electroerosion coatings contributes to the reduction of the friction force and coefficient. The study showed that the rings of the materials used have low, medium and high PV parameters and can be used in I, II and III seals. 8. The results of the dissertation are implemented at two enterprises and in the educational process. Scientific novelty of the obtained results: 1. For the first time, a system of directional selection of the technology of manufacturing FIS of turbomachines is developed, which allows forming the working surfaces of the rings, as well as the contacting surfaces of the secondary seal and the protective sleeve with the specified operational properties. 2. The EEA technology of FIS elements, which work in corrosive environments and made of steel, nickel and bronze alloys, has been further developed, which allowed to form the end surfaces of the rings and the contact surfaces of the secondary seal with the required performance characteristics. 3. The expediency was proved of coating on the working surfaces of steel nickel alloys FIS rings of multilayer combined electro-erosion coatings formed respectively by the sequences BK8 + Cu + BK8 and BK8 + BK8 + Cu and carbonized by EEA is increases the thickness of the layer of increased hardness. 4. The feasibility of applying the technology of sulfidation and sulfo-cementation carried out in the practice of hardening steel surfaces by chemical-thermal treatment, alternative, environmentally friendly and more energy-efficient EEA methods is substantiated. 5. The further development of the relationship between the technological methods of forming coatings to improve the wear resistance of the face surfaces of the rings, and the performance characteristics of FIS. The practical significance of the obtained results lies in the development of technological recommendations for the production of FIS elements, adapted to the operating conditions of the pump and turbocharger units and the pumped medium. The analysis of the submitted data allows in the first approximation to choose the best material for their production, as well as a method of improving the quality of their elements.