Модернизация машины трения для изучения фреттинг-изнашивания материалов и покрытий в режиме полного скольжения

Приведены результаты многолетней эксплуатации, совершенствования и модернизации специализированной машины трения, спроектированной и изготовленной для изучения фреттинг-изнашивания материалов и покрытий в режиме полного скольжения. Известны различные режимы поведения поверхностей контактов трения при фреттинге: полное схватывание (заедание) и частичное скольжение (схватывание-скольжение), для которых характерны усталостные разрушения и трещинообразование, а также полное скольжения с переходом в возвратно-поступательное скольжение, для которых основным разрушением контактирующих поверхностей является изнашивание. Последнее характерно для узлов трения, в которых специальным образом спроектированы подвижные контакты поверхностей трения, присущие большому числу установок, машин и механизмов, в частности узлам трения газотурбинных двигателей (ГТД) и энергоустановок на их основе. Представлены основные результаты исследований фреттинг-изнашивания различных узлов трения на каждом этапе модернизации машины. Достоинства этой машины определяются возможностями управления одним из основных факторов фреттинг-изнашивания — амплитудой скольжения (относительного циклического перемещения), а также использования цанговых зажимов закрепления образцов для испытания различных форм контактов трения, таких как сфера – плоскость, плоскость – плоскость, цилиндр – цилиндр, цилиндр – плоскость и других. На всех этапах модернизации специализированной машины трения разработаны и испытаны на фреттингостойкость различные конструкции покрытий для защиты от фреттинг-изнашивания поверхностей трения, в частности замков вентиляторных лопаток и пар трения бандажных полок лопаток ГТД, работающих в условиях полного скольжения. Сравнение величин линейного и объемного фреттинг-износов различных вариантов покрытий и их составляющих позволило установить, что разработанные и предложенные покрытия обладают хорошей фреттингостойкостью в заданных и реализованных на машине трения режимах. С использованием анализа вариантов зависимостей тангенциальной силы трения от величин смещения (амплитуд) полного скольжения получены значения энергии диссипации (энергии трения) и построены петли фреттинга. Они позволили оценить ресурс каждого из рассматриваемых покрытий при их известной толщине и заданном смещении и установить наиболее эффективное по фреттингостойкости и ресурсу покрытие. По результатам испытаний материалов и покрытий в условиях трения плоскость – плоскость при температуре 175 – 180 °C разработаны рекомендации по использованию этих материалов и технологий в парах трения бандажных полок лопаток ГТД. Рассмотренные возможности модернизированной машины трения позволяют в лабораторных условиях исследовать изнашивание различных материалов и покрытий в модельных узлах трения различных энергоустановок, машин и механизмов при заданных режимах эксплуатации.

1. Петухов А. Н. Механизм фреттинга и фреттинг-усталость высоконагруженных малоподвижных соединений ГТД и ЭУ. — М.: ЦИАМ, 2008. — 204 с.

2. Mittal D., Singh D., Sharma S. K. Thermal Characteristics and Tribological Performances of Solid Lubricants: A Mini Review / Chapter 6 of Advance in Rheology of Materials. Open Access Peer-Reviewed Edited Volume. — 220 p. DOI: 10.5772/intechopen.109982

3. Hedayati H., Mofodi A., Al-Fadhli A., Aramesh A. Solid Lubricants Used in Extreme Conditions Experienced in Machining: A Comprehensive Review of Recent Developments and Application / Lubricants. 2024. Vol. 12. P. 69. DOI: 10.3390/lubricants12030069

4. Kong Y., Bennet C. J., Hyde C. J. A computationally efficient method for the prediction of fretting wear in practical engineering application / Tribol. Int. 2022. Vol. 165. 107317. DOI: 10.1016/j.triboint.2021.107317

5. Suciu C. V., Uchida T. Modeling and simulation of the fretting hysteresis loop / International Conference on P2P, Parallel, Grid, Cloud and Internet Computing. IEEE, 2010. P. 560 – 564. DOI: 10.1109/3pgcic.2010.96

6. Буяновский И. А., Самусенко В. Д., Щербаков Ю. И. Модернизация узла трения машины КТ-2 для оценки антифрикционных характеристик тонких покрытий при трении в режиме граничной смазки / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 12. С. 65 – 68. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-12-65-68

7. Белый А. В. Инженерия поверхностей материалов триботехнического назначения с использованием концентрированных потоков заряженных частиц: современные подходы и перспективы / Трение и износ. 2022. Т. 43. № 6. С. 548 – 564. DOI: 10.32864/0202-4977-2022-43-6-548-564

8. Тамбовцев А. С., Тарышкин П. А., Кузьмин В. И., Гуляев И. П. Нанесение защитных покрытий для топливно-энергетического комплекса методом плазменного напыления / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2022. № 71. С. 156 – 166. DOI: 10.15593/2224-9982/2022.71.17

9. Meghwal A., Anupam A., Murty B. S., et al. Thermal Spray High-Entropy Alloy Coatings: A Review / J. Therm. Spray Tech. 2020. Vol. 29. P. 857 – 893. DOI: 10.1007/s11666-020-01047-0

10. Пантелеенко Ф. И., Оковитый В. А., Девойно О. Г., Оковитый В. В. Формирование и исследование многослойных композиционных плазменных покрытий / Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. 2021. № 2. С. 15 – 27.

11. Sickdar S., Menezes P. V., Maccione R., et al. Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) Process — Processing, Properties, and Application / Nanomaterials. 2021. Vol. 11. 1375. DOI: 10.3390/nano11061375

12. Zhang J., Dai W., Wang X., et al. Micro-arc oxidation of Al alloys: mechanism, microstructure, surface properties, and fatigue damage behavior / J. Mater. Res. Technol. 2023. Vol. 23. P. 4307 – 4333. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.02.028

13. Fernandez-Lopez P., Alves S. A., San-Jose J. T., et al. Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) as a Promising Technology for the Development of High-Performance Coatings on Cast Al-Si Alloys: A Review / Coatings. 2024. Vol. 14. 217. DOI: 10.3390/coatings14020217

14. Лежнев Л. Ю., Лесневский Л. Н., Ляховецкий М. А. и др. Износостойкость композитных плазменных покрытий с графитом / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2017. № 1. С. 31 – 40.

15. Raz Y., Dirnfeld S. Plasma Arc Spraying of Ti-6Al-V with CuNiIn / Surface Eng. 1990. Vol. 6. P. 121 – 124. DOI: 10.1179/sur.1990.6.2.121

16. Niu Zh., Zhou W., Wang Ch., et al. Fretting wear mechanism of plasma-sprayed CuNiIn on Ti-6Al-4V substrate under plane/plane contact / Surface Coatings Technol. 2021. Vol. 408. 126794. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126794

17. US Pat. No. 2006/0292398 A1. Vigneau J., Lesnevskiy L., Troshin A. Method of Protecting Coatings Surfaces Between Two Metal Parts Benefiting from Such Protection. Priority Date 07.07.2004, 2006.

18. Fouvry S., Kapsa Ph., Zahouan H., Vincent L. Wear analysis in fretting of hard coatings throught a dissipated energy concept / Wear. 1997. Vol. 203 – 204. P. 393 – 403. DOI: 10.1016/s0043-1648(96)07436-4

19. Willert E. Influence of Profile Geometry on Frictional Energy Dissipation in Dry, Compliant Stel-on-Stel Fretting Contact: Macroscopic Modelling and Experiment / Machines. 2023. Vol. 11. 484. DOI: 10.3390/machines11040484

20. Лесневский Л. Н., Николаев И. А. Развитие исследований и прогнозирование износа плазменных покрытий из порошка графита, плакированного никелем / Цветные металлы. 2023. № 6. С. 52 – 58. DOI: 10.17580/tsm.2023.06.07

21. Иноземцев А. А., Нихамкин М. А., Сандрацкий В. Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 2. — М.: Директ-Медиа, 2022. — 368 с.