Влияние профиля границы раздела на деформацию и разрушение композиций «защитное покрытие — основа» при механическом и термическом нагружении

Актуальность темы

диссертации. Медь широко применяется в технических системах в силу своей высокой теплопроводности (в частности, в фурмах доменных печей, кристаллизаторах непрерывной разливки стали, многослойных композиционных конструкционных материалах и пр.). В то же время изделия из меди требуют защиты поверхности, в том числе тепловой, что может быть обеспечено путем нанесения теплостойкого керамического покрытия, обладающего высокой прочностью и износостойкостью, а также низкой теплопроводностью. При эксплуатации композиций «покрытие-основа» наличие границы раздела двух разнородных материалов приводит к образованию на ней локальных участков, испытывающих действие растягивающих (и сжимающих) нормальных напряжений. Согласно литературным данным, такое распределение может носить упорядоченный «шахматный» характер. Будучи хрупким материалом, защитное керамическое покрытие может растрескиваться / отслаиваться, что означает его частичное или полное разрушение.

Настоящая работа посвящена изучению влияния геометрии границы раздела «напыленное покрытие — пластичная основа» на распределение параметров напряженно-деформированного состояния при механическом и термическом нагружении. Предполагается, что путем варьирования параметров структурных неоднородностей и геометрии «переходного слоя» между пластичной основой и хрупким покрытием удастся заметно уменьшить несовместность деформации в сопрягаемых разнородных материалах и тем самым существенно снизить степень разрушения керамики или сделать его контролируемым.

В рамках экспериментальной части исследований на пластичную стальную подложку напыляли защитные покрытия, обладающие способностью к пластическому деформированию. При теоретическом исследовании использовали двухслойную модель «керамическое покрытие, осажденное на медную подложку» с плоской, синусоидальной* и зубчатой границами раздела. Конечной целью работы является сопоставление результатов численного моделирования и экспериментальных исследований.

В работах школы академика В. Е. Панина проведены систематические исследования явлений на границах раздела в структурно-неоднородных и наноструктурных материалах и сплавах. В частности, в рамках подходов физической мезомеханики изучено воздействие тепловых циклических нагрузок на покрытие Si-Al-N, напыленное на медную подложку. Показано, что в процессе термоциклирования наблюдается «шахматное» разрушение и отслаивание фрагментов теплозащитного покрытия.

В статьях P.P. Балохонова построена многоуровневая модель и изучено влияние нерегулярной геометрии границы раздела на деформацию и разрушение композиции «стальная подложка — боридное покрытие». Кроме того, он изучал деформацию на мезоуровне композиции «покрытие-подложка» с зубчатой границей раздела при действии растягивающих напряжений и рассмотрел влияние варьирования угла в вершине зубцов на распределение НДС.

В работах P.A. Миллера (исследовательский центр NASA) по численному моделированиюповедения, термобарьерных покрытий с использованием метода конечных элементов рассматривали синусоидальный профиль границы раздела между покрытием и адгезионным подслоем. Показано определяющее влияние термически выращенного оксидного слоя на распределение параметров напряженно-деформированного состоянияв композиции «термобарьерное покрытие-адгезионный слой-основа».

В то же время в литературе нет сформулированных рекомендаций по выбору геометрического профиля границы раздела «покрытие-основа» и инженерного метода для оценки его влияния на напряженно-' деформированное состояние в многослойных композиционных материалах.

В свете сказанного актуальным представляется проведение комплексных экспериментально-теоретических исследований поведения композиций «защитное покрытие — пластичная основа», имеющих неплоский профиль границы раздела, а также разработка путей повышения устойчивости композиционных слоистых материалов к возникновению дефектов при механическом и термическом воздействиях.

Целью настоящей работы является экспериментальное и теоретическое исследование характера разрушения защитных покрытий, нанесенных на пластичную основу, выявление параметров, определяющих закономерности их растрескивания на различных структурно-масштабных уровнях и механические характеристики композиций, а также оценка влияния геометрии границы раздела на характер разрушения при термическом и механическом нагружениях.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи.

Провести экспериментальное исследование закономерностей деформации и разрушения композиций «напыленное покрытие — пластичная основа» в условиях растяжения, сжатия и трехточечного изгиба для выявления взаимосвязи между мезоструктурой (соотношением адгезионной и когезионной прочности, пористостью, профилем границы раздела и т. д.) и характером растрескивания.

— Оценить напряженно-деформированное состояние в композициях «покрытие-основа» с различной геометрией границы раздела при термическом нагружении для выявления участков с максимальной концентрацией напряжений, которые вызывают опасную локализацию деформации.

— Провести параметрические исследования влияния структурных неоднородностей в области границы раздела в композициях «покрытие-основа» на распределение напряженно-деформированного состояния при механическом и термическом нагружении для определения параметров, обеспечивающих минимальную степень растрескивания покрытия и, соответственно, наименьший риск катастрофического разрушения.

— Предложить алгоритм, позволяющий моделировать формирование дефектности в композиции «защитное покрытие-пластичная основа» для использования совместно с инженерным пакетом ANSYS, использующий количественный параметр, характеризующий степень разрушения покрытия.

Научная новизна. В настоящей работе впервые:

С использованием коммерческого программного обеспечения (ANSYS) и оригинальной подпрограммы-макрос, написанной на языке FORTRAN77, проведены параметрические исследования влияния характеристик геометрии границы раздела при механическом и термическом нагружении на степень растрескивания покрытия, позволившие выявить рациональное соотношение между высотой, шириной и числом зубцов, (для заданных геометрических размеров композиции «покрытие-основа», использованных в настоящем исследовании).

На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований предложен подход для разработки композиций «покрытие-основа», являющихся устойчивыми к образованию дефектов за счет формирования переходного слоя, характеризуемого как «механическая смесь» двух взаимно проникающих материалов. Формирование такого слоя идентично введению переходного (демпфирующего) подслоя и позволяет реализовать концепцию контролируемого растрескивания покрытия.

Практическая значимость работы. Алгоритм моделирования разрушения и оригинальная подпрограмма-макрос для его реализации совместно с коммерческим программным обеспечением ANSYS с высокой вычислительной эффективностью могут быть использованы для отработки технологических/структурных параметров, обеспечивающих минимальную степень разрушения. Технологический прием для формирования неплоского профиля границы раздела «покрытие-основа», позволяющий при нагружении реализовать множественное растрескивание вместо образования магистральной трещины, может быть рекомендован для других методов формирования защитных покрытий.

Работа выполнялась в рамках следующих научных проектов и программ: проект г/б исследований СО РАН № 3.6.1.1 «Разработка принципов физической мезомеханики многоуровневых систем и создание на их основе конструкционных и функциональных материалов с наноструктурой во всем объеме, только в поверхностных слоях, с наноструктурными покрытиями или модифицированными наноструктурными наполнителями» (2006;2008 гг.) — интеграционный проект СО РАН № 90 «Научные основы создания наноструктурированных поверхностных слоев и внутренних границ раздела материалов для работы в условиях экстремальных внешних воздействий» (2006;2008 гг.) — проект ОЭММПУ РАН № 4.12.5 «Мезомеханика множественного растрескивания наноструктурных покрытий с зубчатым градиентным подслоем при активном нагружении» (2006;2008 гг.) — проект Президиума РАН № 2.2 «Разработка принципов создания наноструктурных многоуровневых термоцикл ически стойких покрытий для работы в экстремальных условиях нагружения» (2008;2011 гг.).

Достоверность результатов определяется применением комплекса современных методов теоретических и экспериментаьных исследований, систематическим характером их проведения и обработки результатов, хорошим согласием с результатами подобных исследований других авторов.

Вклад авторасостоит в совместных с научным руководителем постановке задач диссертации, проведении испытаний на растяжение, сжатие, трехточечный изгиб, обработке полученных результатов, самостоятельном проведении полного комплекса теоретических расчетов и разработке оригинальной программы-макрос моделирования разрушения, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей. Создание образцов с газодинамически напыленными покрытиями выполнено в Учреждении Российской академии наук Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАНобразцы с газопламенными покрытиями были изготовлены в Институте механики и надежности машин HAH Беларусинанесение плазменных покрытий с последующим оплавлением при приложении ультразвуковых колебаний проведено в Учреждении Российской академии наук Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты мезомасштабных экспериментальных исследований композиций «напыленное покрытие — пластичная основа» при растяжении, сжатии и трехточечном изгибе, определяющие пути заметного повышения характеристик прочности и пластичности путем контролируемого множественного растрескивания защитных пластически деформируемых покрытий (в зависимости от соотношения адгезионной/когезионной прочности, пористости, профиля границы раздела).

2. Методика выбора структуры композиции «покрытие-основа» путем варьирования параметров профиля границы раздела, основанная на алгоритме проведения вычислений формирования дефектности покрытия, который реализуется посредством комбинирования коммерческого программного обеспечения (АЫ8У8) и оригинальной подпрограммы-макроса (на языке БОЯТКАМ 77).

3. Результаты параметрических исследований разрушения композиции «покрытие — основа» при термическом и механическом нагружении, показавшие, что при более низком уровне интенсивности напряжений на плоской границе раздела, чем в случае синусоидального и зубчатого профилей, неплоская граница раздела в условиях контролируемого множественного растрескивания покрытия может обеспечить более высокие эксплуатационные характеристики материала с покрытием.

4. Теоретическое и экспериментальное обоснование способа создания эффективного промежуточного слоя между покрытием иосновой, состоящего из взаимно проникающих друг в друга выступов обоих материалов при условии малой «жесткости» напряженного состояния в покрытии, обусловленного проникновением острых зубцов пластичного материала основы.

Апробация работы.

Основные результаты настоящего исследования были представлены на следующих конференциях: Международная школа-семинар

Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения", 9−12 сентября 2008 г., ТомскТретий Международный форум по стратегическим технологиям ПЮЭТ, Новосибирск-Томск, Россия, 23−29 июня, 2008 г.- 9-я и 11-я Всероссийские школы-семинары «Новые материалы — Создание, структура и свойства», Томск, 2009, 2011 г.- Международная конференция по материаловедению и новым технологиям, 24−26 сентября, 2009 г. Шеньян, КитайЧетвертый Международный форум по стратегическим технологиям, 21−23 октября, 2009 г., Хошимин, ВьетнамМеждународная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 7−11 сентября 2009 г.- 16, 17-ая Международные научно-практические конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Современная техника и технология, 2010, 2011 г., Томск.

Публикации.

Результаты работы изложены в 12 публикациях (в 3 статьях в рецензируемых журналах и 9 статьях в сборниках тезисов и трудов конференций).

Структура научной работы.

Диссертация состоит из 5 разделов, введения, заключения и списка литературы. Она включает в себя 175 страниц, 97 рисунков, 7 таблиц и 141 источника литературы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определенаэ цель исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна результатов и практическая ценность, представлена структура диссертации.

В первом разделе проведен обзор литературы по структуре, свойствам и анализу разрушения напыленных покрытий на пластичной основе, прежде всего, в системах с термобарьерными покрытиями (ТБП). Обобщаются преимущества использования ТБП для защиты элементов газовых турбин, подвергаемых воздействию горячих газов, что позволяет повышать входную температуру газа и, следовательно, увеличить производительность турбины. Приводятся данные о характерной структуре ТБП, состоящего, как правило, из четырех слоев (керамическое покрытие, термически выращенный оксидный слой, устойчивый к окислению адгезионный слой и металлическая основа, изготавливаемая из суперсплава). Описаны основные методы нанесения ТБП: плазменное напыление и осаждение, путем испарения электронным лучомхарактерные типы микроструктуры покрытия, формирующейся при использовании каждого из методов осаждения. Проводятся результаты сравнение видов разрушения систем ТБП для каждого из методов осаждения. В завершении первой главы приведены описания различных численных методов, которые используются при моделировании поведения ТБП и видов его разрушения в условиях циклического термического нагружения. В ряде исследований граница раздела между покрытием и основой моделируется как синусоидальная. Основное внимание сосредоточено на методе конечных элементов (МКЭ) и коммерческих компьютерных пакетах, таких, как ABAQUS и MARC, которые широко применяются при решении задач анализа деформационного поведения ТБП.

Во втором разделе приведено описание анализируемых в работе материалов и методов их исследований. Кроме того, обсуждаются основы применения метода конечных элементов для анализа термического и механического поведения композиций «покрытие-основа» в упруго-пластической постановке.

В третьем разделе проведен цикл экспериментальных исследований с целью выявления параметров, определяющих характер растрескивания напыленных покрытий, нанесенных на пластичную подложку. В первом подразделе изучалось влияние соотношения между адгезионной и когезионной прочностью на характер разрушения покрытия при испытаниях на растяжение. Второй подраздел экспериментальной части работы посвящен исследованию влияния пористости напыленного покрытия на характер растрескивания при сжатии. Применяются две технологии: активированная дуговая металлизация (АДМ) и газопламенное напыление (ГПН). Заключительная часть экспериментального раздела посвящена исследованию влияния геометрии границы раздела на характер растрескивания напыленного покрытия при испытании на трехточечный изгиб. Зубчатый профиль границы раздела был получен путем приложения ультразвуковых колебаний при оплавлении покрытия.

В четвертом разделе теоретически рассматривается влияние изменения профиля границы раздела на напряженно-деформированное состояния при термическом нагружении напыленного керамического покрытия А12Оз, осажденного на медную основу. Приведена модель образцов композиции с плоской, синусоидальной и зубчатой границами раздела. Показано, что изменение профиля границы раздела между покрытием и подложкой с плоского на неплоский приводит к изменению распределения напряженно-деформированного состояния по границе раздела.

В пятом разделе рассматриваются результаты моделирования разрушения при механическом и термическом нагружении композиции «керамическое покрытие АЬОз-медная основа». Специальная программа-макрос, написанная на языке Fortran 77, взаимодействует с. внешней расчетной средой ANS YS® и выполняет следующие задачи: (1) оценка максимального сдвиговых напряжений в пластичной основе и нормальных напряжений в хрупком покрытии с соответствующими пределами прочности обеих материалов, (2) исключение разрушенных конечных элементов из глобальной расчетной сетки, (3) расчет удельной доли разрушенных элементов для каждого материала и сохранение результатов во внешнем файле, (4) возврат в среду АМБУБ®для дальнейшей обработки данных. Удельная доля разрушенных элементов керамического покрытия (в процентном соотношении) рассчитывается путем суммирования доли разрушенных (исключенных из расчета) керамических элементов и нормированием на общее количество элементов керамического покрытия.

В заключении диссертации приводится основные результаты и выводы.

Автор считает нербходимым в первую очередь выразить благодарность своему научному руководителю д.т.н Панин Сергей Викторович за постаноку задачи и регулярное и плодотворное обсуждение результатов, и выражает искреннюю благодарность к.т.н. О. Н. Нехорошкову за помощь в проведении металлографических исследований, а также д.т.н. А. П. Алхимову, д.т.н. В. А. Клименову, д.т.н. М. А. Белоцерковскому за предоставленные образцы для проведения экспериментальных исследований. Автор выражает глубокую признательность академику В. Е. Панину за участие в постановке задачи исследований и регулярное и плодотворное обсуждение результатов, а также профессору Б. А. Люкшину за ряд полезных замечаний при выполнении работы.

Годы.

Рис. 1.2 — Разработки входной температуры турбины (ВТТ) за период с.

1950 по 2000 годы.