автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние профиля границы раздела на деформацию и разрушение композиций "защитное покрытие - основа" при механическом и термическом нагружении

На правах рукописи

Салах Алсаша Камель Юссиф

ВЛИЯНИЕ ПРОФИЛЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА НА ДЕФОРМАЦИЮ И РАЗРУШЕНИЕ КОМПОЗИЦИЙ «ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ - ОСНОВА» ПРИ МЕХАНИЧЕСКОМ И ТЕРМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Специальности

05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов 01.02.04 Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г8СЕН 2011

Томск-2011

4852856

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» и

Учреждении Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Панин Сергей Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Гриняев Юрий Васильевич

доктор технических наук, профессор Батаев Анатолий Андреевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Научно-исследовательский Томский государственный университет»

Защита состоится « 30 » сентября 2011 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 003.038.01 при ИФПМ СО РАН по адресу: 634021, Томск, пр. Академический, 2/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФПМ СО РАН. Автореферат разослан «_»_2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

О.В. Сизова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 моделированию поведения термобарьерных покрытий с использованием метода конечных элементов рассматривали синусоидальный профиль границы раздела р., между покрытием и адгезионным подслоем. Показано определяющее влияние \ j термически выращенного оксидного слоя на распределение параметров^

1 i , ;

напряженно-деформированного состояния в 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.

Д ля 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 мезострукгурой (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 ОЭММГГУ РАН №4.12.5 «Мезомеханика множественного растрескивания наноструктурных покрытий с зубчатым градиентным подслоем при активном нагружении» (20062008 гг.); проект Президиума РАН №2.2 «Разработка принципов создания наноструктурных многоуровневых термоциклически 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 автора состоит 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 РАН; образцы с газопламенными покрытиями были изготовлены в Институте механики и надежности машин HAH Беларуси; нанесение 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 (ANSYS) и оригинальной подпрограммы-макроса (на языке FORTRAN 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 и основой, 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., Томск; Третий Международный форум по стратегическим технологиям IFOST, 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, Китай; Четвертый Международный форум по стратегическим технологиям, 21-23 октября,

2009 г., Хошимин, Вьетнам; Международная 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 страницы, 97 рисунков, 7 таблиц и 141 источника литературы.

Основное содержание научной работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определена 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; приводятся данные о характерной структуре ТБП; описаны основные методы нанесения ТБП. Проводятся результаты сравнение видов разрушения систем ТБП для каждого из методов осаждения. Приведены описания различных численных методов, которые используются при моделировании поведения ТБП и видов его разрушения в условиях термического циклического нагружения.

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

приведены результаты

экспериментальных исследований с целью выявления параметров, определяющих характер растрескивания

покрытий, нанесенных на пластичную подложку. В первом подразделе изучалось влияние соотношения между адгезионной и когезионной прочностью на характер разрушения покрытия при испытаниях на растяжение. На рис. 1 показано три типа кривых течения образцов с различной адгезионной

прочностью. В соответствии с этими кривыми, выделено три сценария деформации и разрушения, отличающиеся характером растрескивания покрытия.

Первый сценарий соответствует высокой адгезионной прочности. Первоначально в покрытии возникали поперечные когезионные трещины. После этого наблюдалось формирование множественных вторичных адгезионных микротрещин, развитие которых инициировалось от вершин когезионных трещин. Указанные процессы сопровождались вихревым характером пластической деформации в основе (рис. 2,а,г). Второй сценарий заключается постепенном

О 6 10 16 20 26 30 36 40 46 СЬинчпзшисудшянк.'.а

Рис. 1. Кривые течения образцов с двухслойными газодинамическими покрытиями, имеющими различный уровень адгезионной прочности (1-максимальная адгезия; 2-средний уровень адгезии; 3-минимальная адгезионная прочность)

распространении адгезионной трещины вдоль границы раздела, что стимулировалось локальным изгибом образца в области, соответствующей положению вершины трещины (рис. 2,б,д). Третий сценарий проявляется в полном отделение покрытия от основы вследствие низкой адгезионной прочности (рис. 2,в,е).

(г) (Д) (е)

Рис. 2. Сценарии разрушения газодинамически напыленных покрытий: (а) высокий, (б) средний, (в) низкий уровень адгезии. Векторы перемещений в соответствии с (г) первым, (д) вторым и (е) третьим сценариями.

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). Процент пористости покрытия в случае с АДМ составляет 3-4 %, а в случае с ГПН - 89 %. Кривые течения (рис. 3), показывают, что предел текучести образцов с покрытием составляет 65 МПа, что значительно меньше аналогичного параметра для стали - 165 МПа (рис. 3, кривая 3).

Композиция с АДМ- 0 покрытием имеет более высокое деформационное упрочнение по сравнению с образцом с ГПН-покрытием. Разрушение в первом случае происходит при степени деформации е=3%, в то время как образец с ГПН-покрытием разрушается при е=5%, что обусловлено его более высокой пористостью, которая

благоприятствует релаксации концентраторов напряжений. На рис. 4 показан характер растрескивания АДМ-покрытия. Видно, что разрушение

Относительное укорочение

Рис. 3 Кривые течения образцов Ст 3 и композиций с газотермическими покрытиями при нагружеюга параллельно покрытию: (1) АДМ, (2) ГПН, (3) Ст 3.

происходит вследствие хрупко-вязкого распространения магистральной трещины в покрытии. В то же время высокая пористость ГПН-покрытия обуславливает эффективную релаксацию напряжений, в результате чего разрушение происходит более медленно и характеризуется фрагментарным растрескиванием (рис. 4,6).

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 [1]. На рис. 5 видно, что использованная комбинированная обработка привела к частичному затеканию материала покрытия в нижележащий слоя подложки, что, прежде всего, привело к повышению адгезионной прочности. Указанный эффект проявляется на кривой течения образцов обоих типов (рис. 5,в).

Рис. 4. (а) магистральная трещина в АДМ-покрытии (низкая пористость), и (б) фрагментарное растрескивание в случае ГПН-покрытия (высокая пористость).

Показано, что разрушение обработанного образца происходит при величине деформации 0,9 %, в то время как в образце без ультразвуковой обработки разрушение происходит при е=0,58%. В этом случае формировалась одна поперечная магистральная трещина (рис. 6,а), в то время как при неплоской границе раздела характер растрескивания был более мелкий и фрагментарный (рис. 6, б).

Рис. 6. Влияние профиля границы раздела на характер растрескивания; (а) плоская и (б) неплоская граница раздела. УвеличениехЗО

В четвертом разделе теоретически рассматривается влияние изменения профиля границы раздела на напряженно-деформированное состояния при термическом нагружении напыленного керамического покрытия А1203 на медной основе. На рис. 7 приведена модель образцов композиции с плоской, синусоидальной и зубчатой границами раздела.

Т=50 иС FX|k,0i«O

(а) (б) (в)

Рис. 7. Математическая модель образца «керамическое покрытие-медная основа» с (а) плоской, (б) синусоидальной и (в) зубчатой границами раздела.

Термическое нагружение моделируется путем задания постоянного значения температуры к верхней и нижней поверхности основы соответственно. Боковые грани модельных образцов являются адиабатическими. Математические выражения тепловых и деформационных граничных условий записываются следующим образом:

Т(х,hsub + hcoat) = 500° С, 7(*,0) = 50°С дТ(д,у) _ дТ(width, у) = дх дх

и(0,у) = 0, v(x,0) = 0 Fx (х,0) = Fx (width, у) = Fx (х, hsub + hcoat) = 0 Fy (width, у) = Fy (x, hsub + hcoat) = Fy (0, у) = 0 Влияние изменения профиля границы раздела на распределение температуры проявляется преимущественно в области границы раздела «покрытие-подложка», где характер распределения температуры подобен профилю соответствующей границы раздела (рис. 8,а). Самое высокое значение температуры Т=264,3°С соответствует плоской границе раздела, так как она перпендикулярна направлению теплового потока. В случае неплоской границы раздела наименьшая средняя температура относится к зубчатой границе раздела - 7,=240,7°С. Средняя температура синусоидальной границы раздела - Т=257,2°С, что выше температуры для зубчатой границы раздела, но меньше температуры для плоского профиля интерфейса. Локальные максимумы значений интенсивности упругой деформации относятся к неплоским границам раздела (рис. 8,6). Они равны 1,8*103 и 1,9*10"3 в случае с синусоидальной и зубчатой границами раздела соответственно. Для плоского профиля границы раздела она имеет постоянное значение 1,3*10~3. Минимальные значения упругой деформации для зубчатой и синусоидальной границ раздела равны 1,0*10"3 и 1,1*10 , соответственно, что меньше ее среднего значения, характерного для плоской границы раздела.

рагггоинме по грани

(в)

похрнгнем, иян

Рис. 8. Распределение (а) температуры, (б) упругой и (в) пластической деформации, а также (г) интенсивности напряжений по границе раздела между керамикой и медью в случае с плоского, синусоидального и зубчатого профилей интерфейса

Интенсивность пластической деформации для неплоской границы раздела осциллирует около значений, характерных для плоской границы раздела (рис. 8,в). Видно, что в последнем случае интенсивность пластической деформации постепенно возрастает от левого края к правому, так же, как и ее распределение, характерное для синусоидального и зубчатого профилей. Средние значения интенсивности пластической деформации в случае неплоских профилей интерфейса близки к тем же параметрам плоской границы раздела; 2,4*10"3 2,0*10"3 и 2,3*10"3 в случае с синусоидальной, зубчатой и плоской границами раздела, соответственно. Формирование зубчатого и синусоидального профилей приводит к перераспределению постоянного значение интенсивности напряжений, характерного для плоской границы раздела, в переменные максимумы и минимумы интенсивности напряжения, расположенные на вершинах и впадинах зубцов (рис. 8,г). Диспергирование глобального максимума интенсивности напряжения на множественные локальные экстремумы уменьшает средние значения интенсивности напряжения с 358,7 МПа, что соответствует плоской границе раздела, до 334,8 МПа и 276,7 МПа, характерных для синусоидальной и зубчатой границ раздела, соответственно. Видно, что минимальное среднее значение интенсивности напряжения относится к зубчатой границе раздела.

Изменение профиля границы раздела между покрытием и подложкой с плоского на неплоский приводит к изменению распределения напряженно-деформированного состояния по границе раздела с постоянного значения на

переменные. Следовательно, неплоский профиль позволяет перераспределять значение глобального максимума в напряженно-деформированном состоянии на несколько локальных максимумов и минимумов, соответствующих концентраторам напряжения. Данные концентраторы будут расположены в вершинах зубцов, а локальные минимумы - во впадинах. Это обеспечивает возможность реализации идеи контролируемого растрескивания покрытия вместо формирования единственной магистральной макротрещины в покрытии.

(а) (Ь) (с)

Рис. 9. Интенсивность напряжений в медной подложке в случае с (а) плоским, (б) синусоидальным и (в) зубчатым профилями интерфейса.

Разрушение может происходить и в пластичной медной основе, если интенсивность напряжений в ней превзойдет предел прочности. Однако интенсивность напряжений в медной основе не превышает напряжения разрушения меди - 190 МПа (рис. 9). Деформационное упрочнение в медной основе обуславливает повышение напряжения ее течения. В работе используется билинейная кинематическая модель деформационного упрочнения. Синусоидальный профиль обусловливает большее деформационное упрочнение, чем зубчатый (рис. 9,6), поэтому для него получаются большие значения интенсивности напряжений, чем у последнего (рис. 9,в). Наивысшая температура при плоской границе раздела (рис. 9,а) создает высокое значение интенсивности напряжения в медной подложке вблизи границы раздела. Более того, увеличение интенсивности пластической деформации от левого края образца к правому (рис. 9,в) приводит к соответствующему повышению интенсивности напряжений, которое завершается скачком на правом свободном крае (рис. 9,а).

С другой стороны, трещина может возникнуть в керамическом покрытии, если максимальное или минимальное значение нормального напряжения в керамическом элементе превосходит предел его прочности при растяжении или сжатии. Согласно литературным данным предел прочности керамики А1203 на растяжение составляет 260 МПа и 2945 МПа на сжатие. Таким образом, разрушение керамического покрытия будет более вероятно при действии растягивающих нагрузок. На рис. 10 показаны распределения максимальных растягивающих напряжений в керамическом покрытии. В общем, для всех профилей разрушающее напряжение превосходит предел прочности, что должно обусловить растрескивание. Тем не менее, в случае неплоской границы по сравнению с единственной магистральной адгезионной трещиной при плоском интерфейсе (рис. 10,а) наблюдается образование нескольких мелких максимумов в вершинах зубцов (рис. 10,б,в).

В пятом разделе рассматриваются результаты моделирования разрушения при механическом и термическом нагружении композиции «керамическое покрытие А1203-медная основа». Специальная программа-макрос, написанная на

языке Fortran 77, взаимодействует с внешней расчетной средой ANSYS 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 ANSYS® для дальнейшей обработки данных (рис. 11). Удельная доля разрушенных элементов керамического покрытия (в процентном соотношении) рассчитывается суммированием доли разрушенных (исключенных из расчета) керамических элементов и нормированием на общее количество элементов керамического покрытия.

Л

]Ц

rJ

v-w ^

(а) (б) (в)

Рис. 10. Распределение максимальных нормальных напряжений в керамике в случае (а) плоского, (б) синусоидального и (в) зубчатого профиля интерфейса.

Влияние профиля границы раздела на характер разрушения образца

«керамика-медь АЬОз» при термическом нагружении показано на рис. 12. В случае плоской границы раздела трещина распространяется в керамическом покрытии параллельно границе

раздела. Ее рост прекращается, когда

максимальное нормальное напряжение становится меньше предела прочности (рис. 10,а). Подобный

характер распространения трещины характеризуется полным отслоением

керамического покрытия и высоким значением удельной доли разрушенных керамических элементов - 19,6%.

Неплоская граница раздела реализует концепцию контролируемого растрескивания, когда максимальное нормальное напряжение превосходит предел прочности только в вершинах зубцов и не превышает его во впадинах зубцов

Рис. 11. Вычислительный алгоритм, моделирующий отслаивание керамического покрытия, с помощью пакета АШУЭ® и подпрограммы, реализованной на языке ФОРТРАН77

(рис. 10,б,в). Это позволяет сохранить адгезию большей части покрытия к подложке. При синусоидальной и зубчатой границах раздела основные трещины, формируясь вблизи вершин структурных неоднородностей, обусловливают фрагментацию покрытия (рис. 12,б,в). При этом удельная доля разрушенных керамических элементов снижается с 19,6%, (в случае плоской границы раздела) до 11,7% и 7,3% в случае с синусоидального и зубчатого профилей соответственно (рис. 13,г).

Проведены параметрические исследования влияния высоты, количества и ширины зубцов на удельную долю разрушенных элементов керамического покрытия при термическом и механическом нагружении. При термическом нагружении в случае синусоидальной границы раздела увеличение высоты зубцов приводит к уменьшению удельной доли разрушенной керамики с 17 % при высоте зубца в 1 мкм до 12% при высоте зубца в 3 мкм. Дальнейшее увеличение высоты зубца при синусоидальной границе раздела практически не влияет на количество разрушенных элементов покрытия (рис. 13,а).

^ИЙШШ

1-_—

19 564

;

В

7 •26%

(Г)

Рис. 12. Влияние профиля границы раздела на характер разрушения керамического покрытия в случае (а) плоской, (б) синусоидальной и (в) зубчатой границами раздела; (г) массовая доля разрушенных элементов покрытия

I!

I;

н ¡1

г

ч

(а) (б)

Рис. 13. Влияние (а) высоты и (б) количества зубцов на долю разрушенных элементов керамического покрытия. Термическое нагружение.

В случае зубчатого профиля, увеличение высоты зубца приводит к сокращению удельной доли разрушенных элементов покрытия. Значение нелинейно снижается с 17 % при высоте зубца 1 мкм до 8 % при высоте 3 мкм. В дальнейшем, при высоте более 3 мкм зависимость между удельной долей и высотой становится линейной. Увеличение высоты зубца, в основном, приводит к

линейному возрастанию удельной доли разрушенных элементов керамики (рис. 13,6). Ее значение увеличивается с 12,2 % и 4,2 % при количестве зубцов равном 2 для синусоидального и зубчатого профиля границ раздела соответственно, до 20 % и 15,8 % при количестве зубцов 10.

На рис. 14 показано влияние ширины зубца на удельную долю разрушенных элементов керамического покрытия при высоте зубца 1, 4 и 7 мкм при термическом нагружении. Видно, что увеличение ширины зубца приводит к повышению степени разрушения керамики. Максимальная доля разрушения - 17,3 % характерна для минимальной высоте зубца 1 мкм и максимальной ширине 6 мкм. Минимальная доля разрушения - 1,3 % - получается при максимальной высоте 7 мкм и минимальной ширине 2 мкм зубца.

Ширина зубца 4 мкм

6 мкм

2 мкм

Рис. 14. Влияние ширины и высоты зубцов на долю «разрушенных» элементов керамического покрытия ц. Термическое нагружение.

На рис. 15 показано влияние высоты зубцов и их количества на долю разрушенных элементов керамики при механическом нагружении. Механическая нагрузка представляет собой растягивающее напряжение величиной 130 МПа, прикладываемое к правому краю образца. В целом, как и в случае с термическим нагружением, неплоская граница раздела приводит к меньшей степени разрушения керамики по сравнению с плоской, и, кроме того, зубчатая граница раздела дает наименьшее значение удельной доли разрушенных элементов керамического покрытия. На рис. 15,а показано, что увеличение высоты зубца приводит к сокращению количества разрушенных элементов покрытия. В то же время, увеличение количества зубцов неоднозначно сказывается на удельной доле разрушенных элементов в случае синусоидального профиля (рис. 15,6). Бе величина меняется от 11 % при количестве зубцов 2 до 10 % при количестве зубцов 10 и обладает локальным минимумом 9% при количестве зубцов равном 6. В случае зубчатой границы раздела зависимость между количеством зубцов и долей

разрушенных элементов также имеет минимальное значение 3,8 % при количестве зубцов 6.

(б)

Рис. 15 Влияние (а) высоты зубца и (б) количества зубцов на долю «разрушенных» элементов керамического покрытия. Механическое нагружение.

Значения удельной доли разрушенной керамики при обеих схемах нагружения были сведены в Таблице 1. Видно, что увеличение ширины зубца, в основном, приводит к возрастанию доли разрушенных керамических элементов. При механическом нагружении максимальная доля разрушенных элементов равна 15,0%, что происходит при минимальной высоте 1 мкм и максимальной ширине зубца 6 мкм. Минимальная доля разрушения, равная 0,81 %, имеет место при происходит при максимальной высоте 7 мкм и минимальной ширине зубца 2 мкм.

Таблица 1. Влияние ширины и высоты зубцов на долю «разрушенных» элементов керамического покрытия при механическом и термическом нагружении.

Удельная доля разрушенной керамики, %

Ширина зубца 2 мкм 4 мкм 6 мкм

Нагружение Термич. Механ. Термич. Механ. Термич. Механ.

н й 1 мкм 16.11% 14.07% 16.76% 14.32% 17.31% 14.98%

о я О Ю 4 мкм 4.49% 4.54% 7.26% 4.83% 8.9% 6.54%

£ & со 7 мкм 1.33% 0.81% 4.57% 0.88% 7.68% 2.39%

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлено три характерных сценария растрескивания/отслаивания напыленного покрытия, которые определяются соотношением адгезионной/когезионной прочности покрытия и пластичной основы. Показано, что более высокая пористость и неплоский профиль границы раздела могут привести к диспергированию мощных концентраторов напряжения при испытаниях на сжатие и трехточечный изгиб и обеспечить существенное повышение степени деформации до разрушения.

2. Показано, что концентрация напряжений в образцах с неплоской границей раздела (в вершинах зубцов) всегда выше, чем в случае с плоским профилем интерфейса раздела. В то же время при учете процессов разрушения подобная концентрация может оказать положительный эффект в случае, когда зарождение трещины сопровождается релаксацией напряжений. При плоском профиле границы мощные концентраторы напряжений сосредоточены вдоль всей границы раздела

«покрытие-основа», что является причиной быстрого адгезионного отслоения (откола) покрытия.

3. В результате анализа проведенных параметрических исследований показано, что наименьшая доля «разрушенных элементов» сетки конечных элементов при термическом нагружении соответствует образцам с зубчатым профилем границы раздела. При этом доля разрушенных элементов постепенно уменьшается при увеличении высоты зубца, в то время как при варьировании количества зубцов она имеет локальный минимум. Полученные результаты хорошо согласуются с концепцией контролируемого растрескивания.

4. Для изучения разрушения в композиции «хрупкое покрытие - пластичная основа» предлагается алгоритм, который включает оригинальную подпрограмму-макрос и условие разрушения, учитывающие уровень нормальных напряжений в покрытии и интенсивность сдвиговых напряжений в подложке. С использованием данного алгоритма была определена рациональная структура композиции «покрытие-подложка» (при использованных в работе материалах и размерах образцов), обеспечивающая наименьшую степень дефектности при механическом и термическом нагружении.

5. Дано теоретическое и экспериментальное обоснование способа создания эффективного промежуточного слоя между покрытием и основой, характеризуемого взаимным механическим проникновением обоих материалов композиции при условии низкой «жесткости» напряженного состояния в покрытии, вызванного проникновением зубцов основы.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.А. Клименов, С.В.Панин, P.P. Балохонов и др. Экспериментальное и теоретическое исследование мезоскопической деформации и разрушения при сжатии образцов малоуглеродистой стали с напыленными покрытиями, оплавленными в условиях мощных ультразвуковых колебаний. Физическая мезомеханика. 2003. -Т. 6. - №2. - С. 99-110.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1- Панин C.B., Юссиф С.К., Овечкин Б.Б., Сергеев В.П., Власов И.В., Панин В.Е., Проблемы разрушения поверхностно упрочненных материалов с различной геометрией границы раздела «покрытие-основа». Известия ТПУ, Т. 319, № 2, 2011, С. 50-57.

2- Панин C.B., Бяков A.B., Гренке В.В., Шакиров И.В., Юссиф C.A.K. Многомасштабное исследование стадийности локализованной пластической деформации при растяжении образцов сплава Д16АТ с надрезами акустико-эмиссионным и оптико-телевизионным методами // Физическая мезомеханика. - 2009. - Т. 12. - № 6. - С. 63-72.

3- С.А.К. Юссиф, C.B. Панин, П.А. Люкшин, В.П. Сергеев. Напряженно-деформированное состояние на интерфейсе «керамическое теплозащитное покрытие - медная основа». Физическая мезомеханика, 2011, Т. 14, №4. С. 8194.

В других научных изданиях:

4- V.E. Panin, S. Yussif, D.D. Moiseenko, P.V. Maksimov, S.V. Panin. Simulation of thermo and mass transfer in "coating-substrate" systems on the base of hybridization of Finite Element Method and Stochastic Excitable Cellular Automata Method. Сборник тезисов международной школы-семинара «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения», 9-12 сентября 2008 г., Томск, Россия. С. 177-178.

5- V.E. Panin, D.D. Moiseenko, S. Yussif, S.V. Panin, P.V. Maksimov. Hybrid FEMSECAM Model for Simulation of Material Restructuring under External Heat Flows Proceedings of Third International Forum on Strategic Technologies Novosibirsk-Tomsk, Russia, June 23-29, - 2008. p. 87-91.

6- Yussif S.A.K., V.E. Panin, P.A. Lyukshin, B.A. Lyukshin, S.V. Panin, V.P. Sergeev. Design of thermal-barrier coating (TBC) using FEM via varying "coating-substrate" interface geometry // Труды Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Новые материалы» Создание, структура и свойства, Томск, изд-во ТПУ, 8-11 сентября, 2009, Стр. 109-117.

7- S.V. Panin, S.A.K. Yussif, V.E. Panin, P.A. Lyukshin, B.A. Lyukshin, V.P. Sergeev. FEM based design of thermal-barrier coating in terms of varying "coating-substrate" interface geometry // Proceedings of the int/ conference on Materials Science and Technology, September 24-26,2009, Shenyang, China, 7p.

8- V.E. Panin, S.A.K. Yussif, P.A. Lyukshin, B.A. Lyukshin, S.V. Panin, V.P. Sergeev. Effect of coating-substrate interface profile on steady state stress and strain fields in thermal barrier coating // Proceedings of the 2009 international forum on strategic technologies, October 21-23,2009, Ho-Chi Min City, Vietnam, 2009, P. 10-14.

9- Yussif S.A.K., Panin V.E., Lyukshin P.A., Lyukshin B.A., Panin S.V., Sergeev V.P. Design of thermal-barrier coating (TBC) using FEM on the assumption of chessboard like stress distribution at coating-substrate interface // Тезисы докладов международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 7-11 сентября 2009г., Томск, Р. 377-378.

10- S.A. Yussif, V.E. Panin, S.V. Panin, Effect of geometry of coating - substrate interface profile on deformation and stress fields of thermal barrier coatings, Proceedings of the 16th international scientific and practical conference of students, post-graduates and young scientists modern technique and technologies, MTT' 2010, April 12 - 16,2010, Tomsk, Russia. P. 73-74.

11 - Yussif S.A.K., V.E. Panin, P.A. Lyukshin, et al. Design of thermal-barrier coating (TBC) using FEM via varying "coating-substrate" interface geometry // Труды Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Новые материалы» Создание, структура и свойства, Томск, изд-во ТПУ, 14-17 июнь, 2011 г., С. 35-40.

12- Yussif S.A.K., Alkhimov А.Р., Kupriyanov S.N. Study of fracture patterns of sprayed protective coatings as {miction of their adhesion. Proceedings of the 17th International scientific and practical conference of students, post-graduates and young scientists "Modern technique and technologies", MTT'2011, April 18-22,2011.

Подписано к печати 18.08.2011. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл.печ.л. 1,04. Уч.-изд.л. 0,94. _Заказ 1113-11. Тираж 100 экз._

Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008

ИЗДАТЕЛЬСТВОтпу. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30

Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru

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 Воздушно-плазменное напыление (APS) ТБП.

1.3.2 Электронно-лучевой метод осаждения ТБП из паровой фазы

1.4 Разрушение термобарьерных покрытий.■

1.4.1 Режимы разрушения ТБП, нанесенных воздушно-плазменным 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. 49 '

2.1.2 Композиции «покрытие-сталь 40X13 - 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 ПОКРЫТИИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ

НАГРУЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОПТИКО-ТЕЛЕВИЗИОНОГО

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

40X13 — основа из малоуглеродистой стали » на поведение в условиях деформации сжатием.

3.2.1 Композиции с АДМ-покрытием.

3.2.2 Композиции с ГПН-покрытием.

3:2.3 Обсуждение результатов.

3.3 Влияние обработки ультразвуком в- процессе оплавления газотермических покрытий на характер деформирования и разрушения композиций «покрытие-основа» 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. ТЕРМОУПРУГИИ И ПЛАСТИЧЕСКИМ ОТКЛИК

ТЕРМОБАРЬЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ.

4.1 Термобарьерное покрытие с плоской границей- раздела «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 № 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 напряжении.

4.4 Температура, интенсивность упругой деформации, интенсивность напряжений по границе раздела «подложка-покрытие».

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 4 мкм.

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 нагружении.

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.

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 моделированию- поведения, 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 состояния- в 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 автора- состоит 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 РАН; образцы с газопламенными покрытиями были изготовлены в Институте механики и надежности машин HAH Беларуси; нанесение 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 и- основой, 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., Томск; Третий 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, Китай; Четвертый Международный форум по стратегическим технологиям, 21-23 октября, 2009 г., Хошимин, Вьетнам; Международная 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 лучом; характерные 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.