Влияние профиля границы раздела на деформацию и разрушение композиций "защитное покрытие - основа" при механическом и термическом нагружении

• Автор: Салах Алеаша Камель Юссиф
• Шифр специальности: 05.16.01, 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 175 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1. ТЕРМИЧЕСКИ ОСАЖДЕННЫЕ ПОКРЫТИЯ ПРОБЛЕМЫ, ПРИМЕНЕНИЕ, РАЗРАБОТКА И ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА

1.1 Применение термобарьерных покрытий ТБП

1.2 Структура термобарьерных покрытий

1.2.1 Материал основы подложки

1.2.2 Промежуточный адгезионный слой ПАС и термически выращенный оксидный слой ТВО

1.2.3 Керамическое покрытие

1.3 Напыление термобарьерного покрытия

1.3.1 Воздушноплазменное напыление АРБ ТБП

1.3.2 Электроннолучевой метод осаждения ТБП из паровой фазы

1.4 Разрушение термобарьерных покрытий

1.4.1 Режимы разрушения ТБП, нанесенных воздушноплазменным напылением
1.4.2 Режимы разрушения покрытий, нанесенных электроннолучевым осаждением из паровой фазы
1.5 Численное моделирование систем ТБП
1.6 Краткие итоги анализа данных литературы
1.7 Постановка задачи исследований
РАЗДЕЛ 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
2.1 Материал и методика экспериментальных исследований
2.1.1 Композиции с газодинамически напыленными покрытиями
2.1.2 Композиции покрытиесталь X основа малоуглеродистая сталь .
2.1.3 Композиции с напыленным газотермическим покрытием, обработанным ультразвуком в процессе оплавления
2.2 Применение МКЭ в теории пластичности
2.2.1 Критерий текучести
2.2.2 Закон течения
2.2.3 Закон упрочнения
2.2.4 Увеличение пластической деформации
2.2.5 Алгоритм вычисления пластической деформации
2.2.6 Описание билинейного кинематического упрочнения
2.3 Схема вычислений
РАЗДЕЛ 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА РАЗРУШЕНИЯ НАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ НАГРУЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОПТИКОТЕЛЕВИЗИОНОГО КОМПЛЕКСА ТОМ8С
3.1 Исследование влияния адгезионной прочности на характер пластической деформации на мезоуровне композиций с газодинамически напыленными покрытиями
3.1.1 Сценарий 1
3.1.2 Сценарий 2 . .
3.1.3 Сценарий 3
3.1.4 Обсуждение результатов
3.2 Влияние структуры и свойств композиции покрытие из стали X основа из малоуглеродистой стали на поведение в условиях деформации сжатием
3.2.1 Композиции с АДМпокрытием
3.2.2 Композиции с ГПНпокрытием
3.2.3 Обсуждение результатов
3.3 Влияние обработки ультразвуком в процессе оплавления газотермических покрытий на характер деформирования и разрушения композиций покрытиеоснова при трехточечном изгибе
3.3.1 Покрытия, оплавленные без ультразвуковой обработки УЗО
3.3.2 Покрытия, оплавленные с ультразвуковой обработкой УЗО
3.4 Выводы по разделу 3
РАЗДЕЛ 4. ТЕРМОУПРУГИЙ И ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОТКЛИК ТЕРМОБАРЬЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ
4.1 Термобарьерное покрытие с плоской границейраздела покрытияосновы
4.1.1 Поля температуры, упругой деформации и напряжений
4.1.2 Распределение пластической деформации и интенсивности напряжений
4.2 Термобарьерное покрытие с зубчатой границей раздела
4.2.1 Поля температуры, упругой деформации и напряжений
4.2.2 Распределение пластической деформации и интенсивности напряжений
4.3 Термобарьерное покрытие с синусоидальной границей раздела
4.3.1 Поля температуры, упругой деформации и напряжений
4.3.2 Распределение пластической деформации и интенсивности напряжений
4.4 Температура, интенсивность упругой деформации, интенсивность напряжений по границе раздела подложкапокрытие
4.5 Выводы по разделу 4
РАЗДЕЛ 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ПРИ УСТАНОВИВШЕЙСЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ТЕРМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ
5.1 Алгоритм моделирования разрушения в композиции керамическое покрытие медная подложка
5.2 Моделирование термически индуцированного разрушения керамического покрытия
5.2.1 Упругая деформация и максимальное нормальное напряжение в керамическом покрытии
5.2.2 Влияние изменения количества зубцов на максимальное напряжение и деформацию при высоте зубца 4мкм
5.2.3 Влияние изменения высоты зубцов на максимальное напряжение и деформацию при количестве зубцов 4
5.2.4 Влияние плотность сетки конечных элементов на сходимость результатов по доли разрушенных керамических элементов
5.2.5 Влияние изменения высоты и количества зубцов на удельную долю разрушенной керамики
5.3 Моделирование механически индуцированного разрушения керамического покрытия
5.3.1 Вычислительный алгоритм моделирования разрушения керамического покрытия при механическом нагружении
5.3.2 Поля интенсивности деформаций и напряжений в образце при механическом нагружении
5.3.3 Влияние профиля границы раздела на разрушение керамического покрытия при механическом нафужении
5.4 Влияние промежуточного слоя на характер разрушения
5.5 Создание промежуточного слоя путем проникновения зубцов из подложки в покрытие
5.4 Выводы по разделу 5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Кроме того, обсуждаются основы применения метода конечных элементов для анализа термического и механического поведения композиций покрытиеоснова в упругопластической постановке. 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 напряженнодеформированное состояния при термическом нагружении напыленного керамического покрытия А, 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 напряженнодеформированного состояния по границе раздела. В пятом разделе рассматриваются результаты моделирования разрушения при механическом и термическом нагружении композиции керамическое покрытие Амедная основа. Специальная программамакрос, написанная на языке РогТгап , взаимодействует с. АЧ8У8Х 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 АЫБУБ 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. Панин Сергей Викторович за постаноку задачи и регулярное и плодотворное обсуждение результатов, и выражает искреннюю благодарность к. О.Н. Нехорошкову за помощь в проведении металлографических исследований, а также д. А.П. Алхимову, д. В.А. Клименову, д. 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. РАЗДЕЛ 1. Настоящая глава посвящена анализу литературы о термобарьерных покрытиях, их применении, структуре, видах разрушения и численных методах, используемых для анализа их отклика при приложении термических нагрузок. Термобарьерные покрытия используются для защиты высокотемпературных частей газовых турбин и реактивных двигателей, таких, как лопатки, форсунки, переходные каналы и сопла. На рис. Рис. Поперечное сечение газовой турбины с увеличенным изображением лопатки с теплозащитным покрытием 1. Разработка термобарьерных покрытий имеет целью усовершенствование теплоотдачи газотурбинного двигателя 26, которая определяется, главным образом, входной температурой турбины ВТТ. Чем выше ВТТ, тем выше теплоотдача. Разработка более эффективной газовой турбины может быть сведена к решению трех основных задач разработка новых а жаростойких высокопрочных материалов б защитных и термостойких покрытий и в системы охлаждения элементов рис.