НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 620.1:622.276
© Коллектив авторов, 2015
Влияние защитного покрытия Сг-СгС на характеристики износа газоабразивным потоком плоской мишени из стали 20Х13 при угле атаки 30°1
Л.И. Селезнев, д.т.н., А.Ф. Медников, к.т.н., А.Б. Тхабисимов, Г.В. Качалин, к.т.н., О.С. Зилова, к.т.н., С.В. Сидоров
(Национальный исследовательский университет «МЭИ»)
Адрес для связи: abt-bkt@mail.ru
Ключевые слова: газовая и нефтяная отрасль, абразивный износ, защитное ионно-плазменное покрытие Сг-СгС, динамика разрушения, инкубационный период.
Influence of Cr-CrC protective coating on the gas-abrasive flow wear characteristics of flat X20Cr13 steel target at an attack angle 30°
L.I. Seleznev, A.F. Mednikov, A.B. Tkhabisimov, G.V. Kachalin, O.S. Zilova, S.V. Sidorov (Scientific Research Center Wear Resistance, National Research University Moscow Power Engineering Institute, RF, Moscow)
E-mail: abt-bkt@mail.ru
Key words: gas and oil industry, solid particle erosion, Cr-CrC ion-plasma protective coating, dynamics of destruction, incubation period.
The aim of this study was to research the effect of Cr-CrC ion-plasma protective coating on the intensity of steel X20Cr13 solid particle erosion. Studies of the failure dynamics and characteristics of the obtained coating (thickness, microhardness, composition, structure, etc.) were carried out with use of research equipment complex and the determination of the relative solid particle erosion resistance was carried out with use of specialized experimental rig. The studies revealed that at attack angle 30° and at sample surface temperature 550 °C Cr-CrC coating not less than 4 times increases steel X20Cr13 solid particle erosion resistance duration for the duration of the incubation period. The results of carried out tests can be used for further research of the solid particle erosion processes of various protective coatings which apply to protect elements of power equipment, oil and gas pipelines.
Защитные покрытия, позволяющие значительно увеличить надежность и ресурс различных высоко-нагруженных элементов оборудования, применяются в тепловой и атомной энергетике, газовой и нефтяной промышленности. Несмотря на большое число проведенных исследований [1-4], подтвердивших целесообразность использования таких покрытий, остаются нерешенными вопросы физического содержания, связанные с изучением процессов формирования и разрушения покрытий, в частности, в течение так называемого инкубационного периода, т.е. времени до начала разрушения поверхности. Целью работы являлось проведение исследований относительной абразивной стойкости и динамики разрушения защитного ионно-плазменного покрытия Сг-СгС, сформированного на экспериментальных образцах (мишенях) из стали 20Х13, при одновременном воздействии газоабразивного потока и высоких температур.
Методика получения защитного покрытия и исследований его абразивного износа
Формирование ионно-плазменного покрытия осуществлялось на опытно-промышленной вакуумной установке «Гефест» [5], в которой реализован один из самых современных и перспективных способов создания покрытий в вакууме - магнетронное распыление с применением планарных разбалансированных магнетронов.
Технологический процесс получения покрытия включал предварительную подготовку поверхностей экспериментальных образцов (полировку, удаление загрязнений и обезжиривание), их загрузку в вакуумную камеру, создание в ней высокого вакуума с предварительным нагревом, ионную очистку образцов и непосредственно формирование покрытия. В качестве материла катодов-мишеней использовался хром (Сг) в количестве 99,9 %, для создания и поддержания газового разряда низкого давления - аргон высокой чистоты, для синтеза карбида хрома - метан высокой чистоты. Основные параметры процесса ионно-плазменного формирования покрытия
приведены ниже.
Продолжительность стадии, мин ...................120-360
Напряжение на подложке, В ...............................40-80
Расход, л/ч:
аргона ......................................................................5-8
метана ......................................................................2-4
Общая мощность магнетронов, кВт....................25-35
Температура подложки, °С..............................350-400
Давление в вакуумной камере, Па....................0,1-0,3
Для изучения сформированных покрытий использовался комплекс научно-исследовательского оборудования, позволяющий оценить состав и структуру покрытий, измерить толщину, шероховатость, микротвердость, а также определить относительную абразивную
1Промежуточные результаты получены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.574.21.0011 от 17.06.14 г. (уникальный идентификационный номер RFMEFI57414X00l1).
стойкость. Толщина защитных покрытий оценивалась методом шарового шлифования с использованием лабораторного комплекса Calotest, структура и состав покрытия исследовались с применением сканирующего автоэмиссионного электронного микроскопа TESCAN MIRA 3 LMU, включающего рентгеновский энергодисперсионный спектрометр (EDS) X-Max 50 (Oxford Instruments). Микротвердость покрытия измерялась на микротвердомере MHT-10, установленном на оптический микроскоп Axiovert 25CA. Для построения профилограмм, изучения шероховатости и построения 3D карт поверхности мишени в области «абразивного следа» (не менее 300 и 500 профилей в поперечном и продольном направлениях) использовался профилометр Dektak 150.
Исследования показали, что сформированное защитное покрытие имеет зернистую структуру, размер зерен изменяется от 20-40 нм (рис. 1, а). Покрытие толщиной 7,0±0,3 мкм содержит четыре характерных слоя, различающихся по структуре (см. рис. 1, б). В результате энергодисперсионного элементного спектрального микроанализа состава покрытия установлено, что его основным элементом является Cr. Содержание Cr в карбидных слоях составило 89,4-92,2 % при содержании углерода (C) 6,2-9,5 %. Микротвердость покрытия составила HVq05=1400±30, что примерно в 7 раз больше микротвердости поверхности основного материала образца HVqq5=220±20.
Рис. 1. Топография поверхности (а) и изображение поперечного шлифа (б) образца из стали 20Х13 с покрытием О^Ю
Абразивная стойкость стали 20Х13 и стали с защитным покрытием Сг-СгС исследовалась на экспериментальном стенде НИУ «МЭИ», позволяющем варьировать расход газоабразивного потока, углы атаки, а также температуру поверхности мишеней [6]. Экспериментальный стенд относится к установкам струйного типа и позволяет проводить комплексные системные исследования особенностей износа конструкционных материалов и защитных покрытий в газоабразивном потоке. В работе [7] с использованием данного стенда было исследовано влияние угла атаки газоабразивного потока а на эрозионный износ лопаточной стали 20Х13, которое показало максимальный износ при угле, близком к 30° [7]. Полагая, что этот угол атаки наиболее «эффективный», именно для него исследовали абразивную стойкость покрытия Сг-СгС. Другие параметры испытаний приведены ниже. Расход, кг/с:
несущей среды Gв, ................................................5-10-4
абразивного эродента Gэ...................................5,8-10-5
Расходная массовая концентрация
эродента хэ*, %............................................................10,4
Угол атаки абразивного потока, градус.......................30
Температура поверхности мишени, °С......................550
Были испытаны три образца из стали 20Х13 без покрытия и три образца с покрытием Сг-СгС. Время экспонирования на стенде выбиралось таким образом, чтобы полученные зависимости были максимально точными и детально описывали процессы, происходящие в течение предполагаемой длительности инкубационного периода. В связи с этим испытания проводились при времени 60, 120, 180, 240, 300 с. Построение кривой абразивного износа выполнялось при времени 600, 1200, 1800, 2400, 3000, 3600 с. При абразивном износе происходят потеря массы материала Дт и увеличение площади пораженной области образца ДБ, поэтому результаты экспериментальных исследований были представлены в виде зависимостей удельной потери массы Дт/ДБ от времени экспонирования на стенде t.
Результаты исследований
На рис. 2 приведены результаты абразивных испытаний стали 20Х13 без покрытия и с защитным покрытием Сг-СгС. Для определения времени инкубационного периода отдельно было рассмотрено поведение кривых абразивного износа на временном интервале 60-300 с. В результате квадратичной интерполяции полученных зависимостей на этом интервале времени получены следующие значения времени инкубационного периода: Г(лс1®15 с для стали 20Х13 без покрытия, ТПс2®62 с для стали 20Х13 с защитным покрытием Сг-СгС, т.е. время увеличилось примерно 4 раза.
Рис. 2. Зависимость удельной потери массы мишени Лm/ЛS от времени t для стали 20Х13 без покрытия (1) и с защитным покрытием О^Ю (2)
Рост инкубационного периода обусловлен большей устойчивостью покрытия к воздействию атакующего эродента. В дальнейшем, по-видимому, покрытие разрушается и развивается абразивный износ основного материала мишени.
Производные полученных зависимостей по времени абразивного износа мишени без покрытия и с покрытием демонстрируют различные скорости абразивного износа основного материала мишени и материала с покрытием Сг-СгС. На рис. 3 представлены экспериментальные данные относительных значений абразивного износа G2/G1 ^2=(Дт/ДБ)2 - материал с покрытием Сг-СгС, G1=(Дm/ДБ)1 - основной материал мишени).
В целом износ при наличии покрытия меньше, чем при его отсутствии, однако отмечается резкое отличие износа в интервале 0-150 с и незначительное изменение при I > 200 с. По-видимому, при t > 150 с слои покрытия
с/с, 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
>
>- -1 1-
I
600 1200 1800 2400 3000 с
Рис. 3. Изменение относительного абразивного износа в2/61 в зависимости от времени t
уже д
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.