научная статья по теме МЕХАНИЗМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕГРАДАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ НА СТАДИЯХ РАЗВИТОЙ КАПЛЕУДАРНОЙ ЭРОЗИИ Физика

Текст научной статьи на тему «МЕХАНИЗМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕГРАДАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ НА СТАДИЯХ РАЗВИТОЙ КАПЛЕУДАРНОЙ ЭРОЗИИ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 2, с. 100-112

УДК 620.193.1:621.165.51:669.018

МЕХАНИЗМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕГРАДАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ НА СТАДИЯХ РАЗВИТОЙ КАПЛЕУДАРНОЙ ЭРОЗИИ

© 2015 г. О. В. Кудряков, В. Н. Варавка*

Донской государственный технический университет, 344010 Ростов-на-Дону, Россия

*Е-таИ: vvaravka@dstu.edu.ru Поступила в редакцию 20.08.2014 г.

Исследованы особенности разрушения аустенитной стали при циклическом каплеударном воздействии на стадии существования развитого эрозионного рельефа поверхности. Методами электронной микроскопии и моделирования показано, что деградация поверхности на этой стадии эрозии происходит в результате пузырьковой кавитации при участии усталостных процессов. Описаны условия возникновения пузырьковой кавитации, закономерности ее влияния на эрозионное изнашивание поверхностного слоя и механизм формирования эрозионных свищевых каналов.

Ключевые слова: каплеударная эрозия, многоцикловое нагружение, эрозионный рельеф поверхности, пузырьковая кавитация, усталостное разрушение, аустенитная сталь, растровая электронная микроскопия.

БО1: 10.7868/80207352815020122

ВВЕДЕНИЕ

Эрозионный процесс деградации поверхности металла при циклическом жидкокапельном ударном воздействии может быть условно разделен на начальную и развитую фазы исходя из характера повреждений поверхности. К начальной фазе относятся процессы, не приводящие к заметной инструментально определяемой потере массы металла. В пределах этой фазы у достаточно пластичных металлов наблюдается пластическая деформация с образованием деформационного рельефа на поверхности и образование мелких одиночных эрозионных кратеров, расстояние между которыми существенно превышает диаметры самих кратеров. При этом в капле эродента (например, воды) при соударении развивается процесс гидродинамической кавитации с последовательным формированием двух кавитационных полостей: тороидальной (по периферии капли) и осевой (расположенной по диаметру капли, перпендикулярному поверхности металла) [1, 2]. Две ударные волны, генерируемые при схлопывании этих полостей, обеспечивают два пика давления в пятне контакта капли с металлической поверхностью в течение однократного соударения.

Эрозия поверхности металла при циклическом каплеударном воздействии считается развитой, когда в зоне соударений на поверхности сформировался эрозионный рельеф1, представляющий

1 Не путать с деформационным рельефом, при формировании которого разрушения поверхности не происходит.

собой совокупность эрозионных кратеров, достаточно плотно расположенных друг к другу, так что любая капля при соударении накрывает хотя бы один уже сформировавшийся эрозионный кратер. На этой стадии потеря массы металла существенно больше нуля и продолжает возрастать по мере увеличения расхода эродента.

С точки зрения кинетики эрозионного процесса стадийность несколько иная. Она включает три последовательных периода: инкубационный, переходный и асимптотический, которые отличаются по значениям усредненной скорости потери массы [3, 4]. В инкубационном периоде скорость потери массы нулевая, в переходном периоде она максимальная и практически линейно зависящая от времени воздействия (т.е. от расхода эродента), в асимптотическом — меньшая, чем в переходном, и характеризуется сложной степенной функцией времени. В результате начальная стадия каплеударной эрозии включает инкубационный период, а к стадии развитой эрозии относятся асимптотический период и заключительная часть переходного.

Экспериментальные данные показывают, что характер эрозионных разрушений на стадиях начальной и развитой эрозии существенно различается [5]. Это предполагает различные механизмы изнашивания, которые до настоящего времени практически не изучены. Исследование этих механизмов, которому посвящена настоящая работа, позволит целенаправленно осуществлять разработку мер антиэрозионной защиты. В частности,

эта проблема весьма актуальна в теплоэнергетике при эксплуатации мощных парогазовых установок, где каплеударная эрозия последних ступеней лопаточного аппарата, работающего в условиях конденсации остывающего пара, существенно сокращает срок службы турбины.

ОСОБЕННОСТИ КАВИТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА СТАДИИ РАЗВИТОЙ КАПЛЕУДАРНОЙ ЭРОЗИИ

Методическое обеспечение исследований. Испытания образцов на каплеударную эрозию проводились на специализированном стенде НИУ-МЭИ "Эрозия-М" [6]. При испытаниях вертикальный монодисперсный водно-капельный поток (радиус капель R0 = 0.01—0.6 мм; расстояние между каплями в потоке 5—10R0) разбивается металлическим образцом, движущимся (вращающимся) в горизонтальной плоскости с линейной скоростью V0 = 150—613 м/с. Испытания на каплеудар-ную эрозию обычно проводят при достаточно большом размере капель, чтобы получить измеряемые параметры эрозионного износа за конечное время испытаний. В этом случае при однократном ударе образец захватывает от 3 до 15 капель потока. Места единичных соударений капель с поверхностью образца при последовательных встречах металлического образца и капельного потока, как правило, не совпадают. Поэтому в результате полного цикла испытаний на поверхности образца формируется полоса следов соударений шириной 2.5—4.5R0, называемая эрозионной дорожкой (рис. 1а). Стенд имитирует соударения вращающихся рабочих лопаток паровой турбины с парокапельным конденсатом. Исследования проводили на образцах цилиндрической формы 020 х х 5 мм, изготовленных из высокопластичной мелкозернистой аустенитной стали 08Х18Н10Т с твердостью 1850 МПа, которая использовалась в качестве модельного сплава. Для структурных исследований применялся растровый электронный микроскоп (РЭМ) "Mira Tescan 3 LMU" с использованием рекомендаций работы [7].

Особенности строения эрозионного рельефа.

Электронно-микроскопическое исследование образцов после стендовых испытаний выявило ряд специфических особенностей строения эрозионного рельефа, представленных на рис. 1. К ним следует отнести:

1. Эрозионные кратеры, формирующие эрозионную дорожку на поверхности образца (рис. 1а) и имеющие в поперечном сечении преимущественно форму конуса или цилиндра (рис. 1е).

2. Каверны (ямки, выбоины, прострелы) на стенках кратеров, имеющие глобулярную форму диаметром 2—45 мкм (рис. 1б—г).

3. Эрозионные свищевые каналы, берущие начало на стенках кратеров и выходящие на поверхность в стороне от эрозионной дорожки (рис. 1д—м).

Наличие каверн правильной формы и каналов не находит объяснения в рамках различных подходов (ударно--усталостных, энергетических, ка-витационных и других), используемых в научной литературе при описании закономерностей кап-леударной эрозии. Для понимания механизмов их образования необходим свой аналитический аппарат, выработку которого начнем с исследования гидродинамики процесса соударений.

ГИДРОДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

КАПЛИ С ЭРОЗИОННЫМ РЕЛЬЕФОМ

Гидродинамика соударения капли с поверхностью металла, имеющей рельеф, отличается от гидродинамики соударения с плоской ровной поверхностью, описанной в работах [1, 2]. При вращении турбинной лопатки или стендового образца сформировавшийся на стадии развитой эрозии поверхностный рельеф заполнен водой (эроден-том), которая прижата к поверхности и не может покинуть впадины рельефа. Поэтому капля, попадая на эрозионный рельеф, соударяется не с металлической поверхностью, как на начальной стадии эрозии (рис. 2а), а с поверхностью воды, заполняющей кратеры. На схеме такого соударения, представленной на рис. 2б, эрозионный кратер имеет цилиндрическую форму. При ударе капли о поверхность воды (рис. 2б) возникают две ударных волны: отраженная Б1 и индуцированная Б2, направленные в разные стороны от водной поверхности кратера. Интенсивность каждой из них составляет половину интенсивности ударной волны Б, отраженной от гладкой плоской поверхности (на начальной стадии эрозии, рис. 2а) [1, 8]. При этом для скоростей соударения У0 < 1.2с0 скорость ударной волны аппроксимируется линейной зависимостью:

Б = со + к¥о, (1)

В

где с0 = —— скорость звука в жидкости при нор-\Ро

мальных условиях, м/с. Здесь В и у — константы в ба-ротропном уравнении Тэйта, их значения для воды при температуре 20—60°С полагают: В = 3.214 х х 108 Па, у = 7, р0 = 103 кг/м3 — плотность невозмущенной воды. При этих исходных данных получаем с0 = 1500 м/с. Аппроксимационный множитель в выражении (1) для отраженной волны (Б и Б1) составляет к ~ 2, а для индуцированной (Б2) — к ~ 3.

Рис. 1. Эрозионные каверны и каналы в образцах стали 08Х18Н10Т (РЭМ-изображения): а — общий вид эрозионной дорожки на стадии развитой каплеударной эрозии (наклон поверхности образца к оси сканирования — 53°); б—г — каверны различных размеров и плотности распределения в стенках кратеров (на б—в показаны стрелками); д—м — эрозионные свищевые каналы: вход в канал из стенки кратера (д), поперечное сечение канала (е, слева вверху) и всего кратера (е, в центре), раскрытый канал и фрагмент его русла (ж, з, где: 1 — русло канала, 2 — выход на поверхность, стрелками отмечены мелкие каверны на стенках русла канала), выходы каналов на поверхность образца (и—л — двойные, м — множественные).

Несложно показать, что с учетом выражения (1) время встречи двух ударных волн (Б1, отраженной от поверхности воды, и Б2, отразившейся от дна эрозионного кратера) составит т0 = 2И/У0, где Н— физическая глубина кратера. То есть за время т0 индуцированная волна Б2 догонит отраженную волну Въ и после этого, как отмечается в работе [1], "картина течения внутри капли качественно повторяет картину удара по твердой поверхно-

сти". В этом случае для времени т > т0 периодическая функция давления на поверхности контакта может быть описана выражением:

8т(л/2л0

+ а

л/2П(г + г'

(2)

где г = ют =

Р = р0С0^0

0 т — безразмерное время, макси

пУ0

Я

мальное значение (2я) которого соответствует

Рис. 1. Окончание.

физическому времени т одного соударения и определяет период Т = 2я/ю затухающей функции Р(?) или, при использовании физического времени т, эквивалентной функции Р(т); а = 1.8.

Для начальной стадии каплеуд

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком