METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
POROVNÁNÍ KAVITACE A EROZE VLIVEM DOPADU KAPALNÉ FÁZE (S OHLEDEM K PROTIEROZNÍM OCHRANÁM SYSTÉMEM TENKÁ VRSTVA-SUBSTRÁT) THE COMPARISON BETWEEN EROSION BY LIQUID IMPINGEMENT AND CAVITATION Marek Tenglera Ivo Štěpánekb a) S&A – CZ Stevenson and Associates – Czech Republic, Lábkova 8/34, Plzeň 318 06, ČR,
[email protected] a) Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR,
[email protected] Abstrakt Erosion for our purpose, denotes the gradual loss of original material from a solid surface, usually in the form of small particles or fragments, due to repeated dynamic or impulsive forces acting on the surface. Many cases of wear in technical practice combine the basic kinds of wear and which leads to many alternatives. The six basic kinds of wear are distinguished according to the standard ČSN 015050: abrasion, adhesion, cavitation, erosion, fatigue and vibrations. In our case of study - protection against the erosion with the help of thin film systems, we are concerned to gain data from same few experimental sources. In our contribution, we would like to concentrate on the explanation how very similar are matter of cavitation and matter of erosion by liquid impingement. Action of both of them gives the same results. That’s way the materials resisting to cavitation wear can be used with success also in cases of erosion attach to functional surface by liquid impingement are vice-versa. ÚVOD Eroze, tak jak popisuje norma ČSN 01 50 50, představuje jednu z nejdrastičtějších forem opotřebení povrchu a funkčních ploch strojních součástí. Degradace vlivem eroze se projevuje na zařízení sníženou účinností, nepříznivým povrchovým reliéfem se vznikem možných iniciačních center trhlin a lomů aj. V praxi se eroznímu působení bráníme různou formou: - zvýšením rezervy exponovaných součástí - řešení strojů se zřetelem na snadnou údržbu - vhodným usměrněním toku erozního média - příznivým elektro-chemickým prostředím - snížením objemu erozního média - použitím vhodných materiálů - chemicko-tepelným zpracováním materiálů - protierozní bariérou
-1-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Tenké vrstvy se uplatňují v širokém spektru strojírenských aplikací. Konkrétní zkušenosti našeho pracoviště jsou zahrnuté v následujícím přehledu úspěšného nasazení tenkých vrstev v extrémních podmínkách zátěže: - antifrikční povlaky kulových uzávěrů, šroubových čerpadel a převodových mechanismů - protišokové tepelné a korozní bariéry nástrojů ve sklářském průmyslu - řezné, střižné a tvářecí nástroje - nelepivé a protierozní filmy plastikářských forem a lisů Na vývoji protierozní ochran tenkou vrstvou v současné době spolupracujeme s partnery: Škoda Energo spol. s r.o. a Cink Vodní elektrárny a.s. Se spolupracujícími firmami řešíme problém ochran lopatek rotorů, přičemž první z nich, parních turbín – mokrá pára na oběžných lopatkách koncových stupních nízkotlakých dílů a druhý kavitaci lopatek BánkiCinkovy turbíny. 1. METODIKY STUDIA TENKÝCH VRSTEV Vývoj nové aplikovatelné tenké vrstvy – lépe vyjádřeno: systému tenká vrstvasubstrát, probíhá podle specifického scénáře. Velká pozornost se soustřeďuje na přípravnou studii, v které se snažíme zachytit úvodním experimentem, založeným na standardně deponovaných etalonech, podstatu problému. Experiment zpravidla probíhá na vybraném zkušebním stendu a metodami světelného optického zobrazování, případně ŘEMu analyzujeme rozsah a charakter poškození. V další fázi studia připravíme program depozičních parametrů, stanovených podle úvodní fáze. Vybrané depozičními parametry jsou: - materiál katod - poměry vstupních komponent deopzice (různé druhy a umístnění katod, parciální tlaky pracovních a pomocných plynů) - proud katod - velikost záporného předpětí na vzorku - … Kolekci deponovaných etalónů podrobíme analýze na dostupných přístrojích a dostatečně zdokumentujeme obrazovým materiálem. V současné době disponujeme tímto přístrojovým vybavením, jehož výběr odpovídá našim metodikám sledování systému tenká vrstva-substrát: - nanoindentor DUH 202 s …….. - scratch-tester CSEM……. - tribometr CSEM……. - kontaktní únava ……. - … Posouzením výsledku analýz zvolíme parametry depoziční technologie a aplikujeme na vzorky, které podrobíme experimentu na zkušebním stendu a z výsledků rozhodujeme o možnosti funkční aplikace na strojní součást. Řešení problému eroze a protierozních ochran jak na kavitujícím povrchu lopatek vodních turbín, tak na kapénkami bombardovaných plochách lopatek parních turbín, vyžaduje nákladné a provozem nákladné zařízení. Naším záměrem je minimalizovat experimenty na daných zařízení a přenést zkoumaní vzorku do laboratoří. Silným argumentem je ten fakt, že náš zájem se soustřeďuje na tenkou vrstvu s tloušťkou jednotek mikrometrů, a standardními postupy hodnocení erozní odolnosti získáváme pouze kvantifikovaný přehled -2-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
o poškození. A to nás neuspokojí. Abychom mohli opustit „hrubý“ experiment na zkušebním stendu, vytipujeme takové mechanicko-fyzikální parametry, které jsou vůdčími hybateli nejlépe vyjadřující posuzovaného opotřebení, a které můžeme simulovat a měřit na našem přístrojovém vybavení. Znovu musíme zdůraznit, že HODNOTÍME PŘILEHLÝ POVRCH S HLOUBKOU MAXIMÁLNĚ DESÍTEK MIKROMETRŮ. 2. KAVITACE – EROZE VLIVEM DOPADU KAPEK Problematice eroze vlivem dopadu kapalin a kavitaci bylo věnováno mnoho odborných statí a publikací. Existují významné monografie i českých autorů, jakým je například Noskievič[1] v oblasti kavitace. Z těchto pramenů můžeme čerpat řadu informací, především teorií a aparát matematických vztahů, které uplatňujeme v implementaci a přenosu na naše laboratorní přístroje. Odolnost kritických součástí namáhaných erozí limituje provozní spolehlivost zařízení, a proto se v minulosti hledalo vhodné kritérium určující jakost materiálu nebo povrchové ochrany. Musíme připomenout, že existuje celá řada modifikací a postupů pro klasifikaci kvality materiálu, ale v obecném vyjádření pro hodnocení erozní stability se ustálilo kvalifikační kritérium obecně vyjádřeném jako závislost hustoty erozních částic na erozním úbytku hmoty. Graf této závislosti je obvykle označován jako erozní křivka. Speciálně pro hodnocení erozní odolnosti materiálů a ochran lopatek parních turbín se tato křivka používá jako vyjádření trendu v úbytku hmoty a k predikaci spolehlivosti olopatkovaného rotoru v provozu celého turbosoustrojí. Na základě experimentů z erozním stendu se jednotlivé křivky materiálů srovnávají a vybírá se materiál nebo aplikovaná ochrana, která bude co nejlépe vyhovovat drsnému eroznímu prostředí. Pro kavitaci a erozi vlivem dopadu kapek jsou průběhy erozních křivek srovnatelné, tzn. po inkubační periodě následuje fáze rapidního přírůstku úbytku hmoty a poté následuje fáze ustálení úbytku hmoty. Působení kavitace a eroze vlivem kapek můžeme simplifikovat na klasický výraz rázu dvou těles. Impuls je v prvním případě evokován zánikem kavity a v případě druhém nárazem kapky na funkční povrch. Oba dva případy vyvolávají sílu, která trvá velice krátký okamžikmaximum síly se projeví ve 3 mikrosekundě [2, 3, 4] což lze přirovnat k explozi mikronálože proti funkčnímu povrchu. Výpočty energie rázu pro případ kavitace jsou shrnuty v literatuře [5] a pro případ dopadu kapky se používá konzervativního výpočtu kinetická energie hmotné částice. Reakce materiálu na vnášenou energii se projevuje deformací a to jak pochody pružné tak plastické deformace. Velice prostý výraz, který je v literatuře označován jako „hammer effect“ nás upozorňuje, že deformace je prezentována rychlostí šíření zvuku materiálem [6].
p = ρ ⋅c⋅v p, ρ, c, v ... tlak v místě dopadu, měrná hmotnost, rychlost zvuku, rychlost dopadu kapaliny Samozřejmě existuje celá řada odvozených variací a modifikací vzorce, ale tato jednoduchá jednodimenzionální úloha nám pomůže k chápání podstaty mechanických interakcí erozního média a materiálu.
-3-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Reakce na pulsy vyvolává v materiálu šíření napěťových polí. Rozlišujeme následující druhy napěťových vln [7, 8, 9]: - podélné vlny – šíří se do hloubky hmoty - příčné vlny – šíří se podél povrchu hmoty - Rayleighovy vlny – šíří se podélně hmotou v úzkém pásu blízko povrchu Překročí-li tlak pulsu mez kluzu materiálu dochází k plastické deformaci. Plastická deformace též vznikne dojde-li k interferenci napěťových vln, které vytváří napěťové špičky s maximem větším než mez kluzu.Cyklický průběh probíhajících napěťových vln též způsobují únavové poškození na mikroobjemech struktury hmoty. Pro vyjádření a výpočet konkrétních hodnot, které již můžeme experimentálně sledovat na vzorcích s tenkou vrstvou umístněných v našem přístroji – nanoindentoru, využíváme vztah publikovaný Evansem [10]: ∂ 2u ∂∆ ρ = (λ + µ ) + µ∇ 2u t ∂x 2 ∂v ∂∆ ρ = (λ + µ ) + µ∇ 2v t ∂y
ρ
∂2w ∂∆ = (λ + µ ) + µ∇ 2 w t ∂z
u, v, w ... posuvy ve směrech x, y, z λ, µ ... materiálové konstanty ∆ ... diferenciál změny objemu ρ ... hustota Stanovením okrajových podmínek a integrací získáváme z rovnic potenciály [11, 12] z kterých dokážeme určit vyvolané napětí v jednotlivých směrech x, y, z. Zavedení konkrétních výpočtových vztahů je poplatné úrovni zjednodušení, které autor konkrétní metody volí a je závislá na materiálu, chemickém složení kapaliny, charakteru porušení aj. Významný rozdíl v působení kavitace a eroze vlivem kapek spočívá v tom, že u kapek dopadajících na povrch dochází k rozstřiku a přičemž kapalina opouští místo střetu ve formě tangenciálních proudů. Tuto okolnost nemůžeme zanedbávat při analýze a výpočtech jednotlivých fenoménů, neboť rychlost jakou se kapalina roztéká bývá 2 až 3 krát větší než rychlost dopadu kapky na povrch [13]. Takto vzniká specifické „hrnutí“ materiálu v podélném směru což samozřejmě má vliv na průběh povrchových napětí; dominantní jsou tahové síly. Vliv chemického (elektrochemického) působení při krátkodobých experimentech je vůči mechanickému účinku minimální; v našich metodikách není uplatňován. Z hlediska dlouhodobého provozu ovšem tento faktor nelze přehlédnout; příkladem může být úspěšná aplikace katodické ochrany na vodních turbínách [14, 15]. ZÁVĚR Zobecněním fenoménů kavitace a eroze vlivem kapek na: vnesenou energie a kompenzaci-odezvu materiálu na vnášenou energii, nám umožňuje pracovat při modelování chování tenké vrstvy s mnoha variantami výpočetních postupů, které jsou tak bohatě
-4-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
publikovány. Výsledky syntetézního přístupu by nám měly podat vysvětlení nebo alespoň přiblížit k pochopení chování na mikroúrovních materiálu při tak komplikovaném a složitém ději jako je eroze. Tento rozbor představuje určitou filozofii v přístupu k metodikám analýz tenkých vrstev, kdy musíme respektovat vlastnosti povrchové modifikace materiálu prakticky zanedbávající třetí rozměr – tloušťku. Odklonění od tradičního přístupu k experimentu získáváme dvě základní výhod: - laboratorní přístroje nám zaručují opakovatelnost přesného měření v mikrolokalitách a na vybraných strukturách materiálu - snížení nákladů na výzkum spojených s provozem erozních stendů Příspěvek byl prezentován v rámci řešení projektu MPO č. FB-C3/73/00. LITERATURA [1] NOSKIEVIČ J.: Kavitace. Academia. Praha. 1969, 280 s. [2] BRUNTON J.H.: Náraz kapalin vysokou rychlostí. Phil.Trans. od the Royal Society. London. ser. A, č. 1110, sv. 260 [3] FIELD J.E.: Tlakové vlny, deformace a trhlinky způsobené nárazem tekutiny. Ibid., str. 86-93 [4] HANCOX N.L. - BRUNTON J.H.: Erose pevných látek opakovanými nárazy kapek tekutiny. Ibid., str. 121-139 [5] BRDIČKA M. – SANEK L. – TARABA O.: Kavitace, Diagnostika a technické využití. SNTL. Praha. 1981, 336 s. [6] JAUMOTE A.: Zpráva o erosi oběžných lopatek posledního stupně parní turbíny v Bagdádu a Dibis. Svobodná universita Brusel. 1966, 16 str., 14 obr., Soukromá zpráva. [7] BAULIN I.V. – PERELMAN R.G.: Volny Releja kak adin iz věduščich faktorov v kapelno-udarnom vozdějstviji. Problemy pročnosti, 1974, č.1, s. 70-74 [8] PERELMAN R.G.: Osnovy teorii erozinoj pročnosti pri kapleudarnom vvozdějstviji. Kolebanija i pročnosť dětalej dvigatělej latatělnych apparatov. Trudy MAI, 1972, č. 245, s. 100-110 [9] PERELMAN R.G. – BAULIN V.I. – DENISOV J.D.: O roli dinamičeskich naprjaženij pri kapleudarnoj erozii. Izvěstija VUZov, Mašinostrojenije, 1972, č.10, s. 64-70 [10] EVANS A.G.: “Mechanika razrušenija pri udare tverdich častic.” Erozija. Mir. Moskva. 1982, 464 s. [11] KOLSKY K.: Stress Waves in Solids. Dover, N.Y., 1963 [12] HOPKINS H.G., In. Progress in Solid Mechanics, I.N. Snedon, R. Hill (eds.), Wiley (Interscience), N.Y., 1960, p. 85. [13] VOCEL M. a kol.: Tření a opotřebení strojních součástí. SNTL, PRAHA, 1979, 376 s. [14] LEITH W.C. – THOMPSON L.A.: Some Corosion Effects in Accelerated Cavitation Damage. TSME. ser. D, 82 (1960), č.4, str. 795-807 [15] PLESET M.S.: On Cathodic Protection in Cavitation Damage. Ibid., str. 808-820.
-5-
