ВОЗМОЖНОСТЬ ВЫБОРА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ РАСЧЕТНЫМ ПУТЕМ
© Г.Т.Пащенко, Р.Г.Равилов, В.М.Самойленко
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Авиация и воздухоплавание"
2005 г.
Все химические элементы, вводимые в покрытие, неоднозначно влияют на их свойства. В настоящее время существует множество работ, в которых проведены исследования по влиянию того или другого элемента на служебные характеристики. Но в то же время отсутствуют работы по исследованию комплексного влияния вводимых в покрытие элементов на их служебные характеристики. Поэтому зачастую выбор состава диффузионного барьера определялся по таким исследованиям или интуитивно.
Выбор рационального состава первого слоя комбинированного покрытия требует проведения множества лабораторных экспериментов. Это приводит к достаточно высоким как экономическим, так и трудовым затратам.
Поэтому в рамках данной работы была решена серия задач по рациональному подбору химического состава катода для нанесения жаростойкого покрытия на лопатку турбины ГТД с целью улучшения его эксплуатационных свойств.
Для решения данных задач по рациональному подбору химического состава катода жаростойкого покрытия лопаток турбины ГТД необходима математическая модель, позволяющая по произвольным значениям концентраций химических элементов в покрытии предсказывать значения изменения толщины, привеса и стоимости катода. В качестве исходных данных для построения математической модели на базе искусственных нейронных сетей использовались результаты лабораторных испытаний различных покрытий.
С использованием данной математической модели было решено 5 задач по рациональному подбору химического состава жаростойкого покрытия лопаток турбины ГТД, отличающиеся только ограничением на стоимость. Ниже представлена физическая постановка данных задач оптимизации:
Варьируемые переменные: концентрации в покрытии Cr (0…40%), Al (0…20%), Y (0…3%), Ta (0…15%), Si (0…5%), Hf (0…3%), W (0…15%).
Ограничения:
- стоимость 1 тонны катода < 9000 у. е. (1-я задача), 10000 (2-я задача), 11000 (3-я задача), 12000 (4-я задача), 13000 (5-я задача);
- концентрации в катоде Ni > 0 (необходимо для того, чтобы обеспечить равенство 100% суммы концентраций элементов входящих в катод);
Критерии:
- минимизация изменения толщины покрытия при испытаниях на циклическую жаростойкость;
- минимизация привеса при испытаниях на изотермическую жаростойкость.
Полученные в результате решения задач множества Парето-оптимальных решений показали, что при заданной стоимости катода существует компромисс между привесом и изменением толщины. Увеличение стабильности покрытия, выраженное в неизменении толщины покрытия, в этих условиях приводит к увеличению привеса. Снижение стоимости катода приводит к ухудшению обоих эксплуатационных показателей покрытия – увеличению изменения толщины и привеса.
Результаты оценки точности предсказания параметров с использованием обученных нейронных сетей показали, что полученная математическая модель обладает удовлетворительной точностью предсказания эксплуатационных параметров покрытия.
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет выбрать рациональный состав катода для нанесения первого слоя комбинированного покрытия с учетом предъявляемых к нему требований и стоимости. Кроме того, разработанная модель позволяет подобрать характеристики покрытия в зависимости от имеющихся средств.