Расчетно-экспериментальный метод определения упругихи прочностных свойств жаростойких покрытий при действии термомеханических нагрузок. тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

НАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМ 1Я НАУК УКРА1НИ 1НСТИТУТ ПРОБЛЕМ. М1ЦНОСТ1

На правах рукопису

ДОЛГОВ Никола Анатол1йович

РОЗРАХУНКОВО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ МЕТОЛ ВИЗНАЧЕННЯ ПРУЖНИХ ТА М1ЦНОСТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЖАРОСТ1ЙКИХ ПОКРИТТ1В П1Д Д16Ю ТЕРМОМЕХАН1ЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

. 02. Og> - Динам i ка, м1цн1сть машин, прилад1в та апаратури

Автореферат дисертацП на здобуття наукового ступеня кандидата техн!чних наук

КИ1В 1996

Робота вшсонана в

1нститут1 проблем м!цност1 HAH Укра1ни

НаукоБИй кер1вник: доктор техн!чних наук, професор ■ Ляшенко Б.А.

0ф1ц1йн1 опоненти: доктор техн1чних.наук ' Кравчук. Л. В.

доктор техн1чних наук Копилов В. I.

Пров1дна орган!зац!я: 1нститут електрозварювання 1м. е.О.Патона HAH Укра1ни

• У3

' Захист в1дбудеться "Ш bpUoMSu 199f р. годин 1

на зас1данн1 спец1ал1зовако1 ради-Д 01.99.01 при 1нститут1 проблем mIühoctI HAH Укра1ни у прим1щенн1 конференц-залу 1нституту / 252014, Ки1в-14, вул. Т1м1рязевська, 2/.

3 дисертац1ею можно ознайомитися у б1бл1отец1 1нституту проблем м!цност1 HAH Укра1ни

Автореферат раз1слано " ./) и с р.

Вчений секретар спец1ал1зовано1 ради доктор техн1чних наук

Ф.Ф. Г1г1няк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АктуальнЮть роботи. Проблема п1двищення довгов1чност1 при високих температурах деталей машин може бути вир1шена шляхом ство-рення нових високоефективних технолог1чних процес!в та матер1ал1в. У списку таких процес1в. як! спрямован! на р1шення под1бних задач, центральне м1сце в1дведено покриттям, застосування яких зв'язують з реал!зац1ею принципово норого п!дходу до с-творення конструктив-них елемент1в: м1ц"1сть та несуча спроможн1сть детал! забезпе-чуеться 'за рахунок 'матер! алу основи, а оп1р знем1цнюючому впливу в!д терм1чних та рад!ац!йних поток1в, корозИ, окисления, зносу та 1нших фактор1в пГдвищуеться за рахунок нанесения жарост1йких пок-ритт1в.

Жарост1йк1 покриття' використовуються в багатьох галузях про-мисловост1. але найб1льш.широке застосування знайшли в газот^рбо-будуванн1.

Про роботоздатн!сть покритт1в в тих чи 1нших умовах судять за зм!нами' основних ф!зико-механ1чних показник1в п1сля випробувань за умов, у яких передбачаеться експлуатувати вир1б. Тому поряд з не-обх1дними початковими властквостями покритт1в найважлив1шою 1х характеристикою е здатн!сть збер1гати ц1 властивост1 без зм!н в про-цес! експлуатацП. Проблема забезпечення стаб!льност1 властивостей зкарост1йких покритт1в надто актуальна. В1домост1 про зм1ну властивостей покритт1в при дП ексйлуатац1йних фактор1в необх!дн1 при оптим1зац11 технолог!чних . процес!в нанесения_покритт1в. вибор1 компоновки та матер1алу покриття, . розрахунках на м!цн!сть ма-тер1ал1в з покриттями. В зв'язку з цим визначення властивостей покритт!в в умовах експлуатацП е надто актуальною задачею.

Мета роботи полягае в розробц! лабораторного розрахунко-во-експериментального методу визначення зм1ни механ!чних властивостей жаростшШх покритт1в при д!1 термомехан1чних навактажень.

Для досягнення дано! мети необх1дно вир!шити сл1дуюч1 задач1:

- розробити основи стандарту визначення вих1дного комплексу ыехан!чних властивостей композицП основа-покриття та його зм1ни в умовах, як! 1м1тують експлуатац1йн1;

- провести анал!тичне досл1дження напружено-деформованого стану композицП з урахуванням р1зниц1 коеф!ц1ент1в Пуасона покриття та основи;

- оц!нити р!вном1цн1сть композицП з урахуванням нестаб!льнос-т! механ1чних властивостей основ" та покриття;

- удосконалити експериментальну методику термоцикл1чних внпро-

бувань для досягнення б1льш високих швидкостей нагр!ву.'

Наукова новизна. Проведено анал1з напружено-деформованого стану (НДС) композицН основа-покриття з урахуванням р1зниц1 ко-еф1ц!ент!в Пуасона основи та покриття. Одержано анал!тичн! залеж-ност1. як1 дозволяють визначити нормальн1 напруги в пбкритт1 та дотичн1 напруги в площин1 адгез1йного контакту при наванталенн! основи. Показано, що додатков! нормальн! напруги можуть досягати 25% в!д основних.

Запропоновано к1нетичнийкритер1й р1вном1цн1ст1 композицН, що враховуе нестаб1льн1сть механ1чних властивостей основи та покри;гя при д11 експлуатац1йних фактор1в.

Запропоновано новий методичний п!дх1д до проведения експери-менту: сум1щення прискорених термоцикл1чних випробувань на повзу-ч1стъ з визначенням комплексу механ1чних властивостей композицН основа-покриття.

Показано суттеве зменшення адгезШю! та когез!йно1 м1цност1 покриття. границ! мЩност! на розрив основи при дП термомехан1ч-них навантажень. Визначено також зм!ну пружних властивостей покриття та основи. Визначено р!зний характер зм1ни кожно! з ме-хан!чних властивостей композицН основа-покриття при сумЮному вплив! теплозм!н та навантаження.

Практична ц!нн1сть. Розроблена методика визначення модуля пружност1 та коеф1ц1енту Пуассона як матер1алу покриття. так 1 ма-тер1алу основи (який п1длягае терм!чному впливу при нанесенн! покриття) при досл1дженн1 одного зразка на розтяг.

Розроблено методику визначення комплексу механ1чних властивостей композицН основа-покриття. що включае модул! пружност! покриття та основи. коефШенги Пуасона покриття та основи. адге-з1йну м!цн1сть композицН, когез!йну м!цн!сть покриття. деформац1ю руйнування композит!. Дана методика рекомендуеться як основа Державного стандарту Укра!ни. ' На приклад! ряду газотерм1чних локрит-т1в проведено апробаЩю запропоновано! методики.

Запропонован1 заходи, як1 дозволяють збЦышти швидк!сть наг-р1ву та знизити енергозатрати при досл!дженях на термоцикл!чн!сть.

На приклад1 композицН з детонац!йним покриттям вкзначена зм1на комплексу механ!чнкх властивостей при дН фактор!в, як! 1м1-тують експлуатац!йн!. Лабораторний метод досл1дження деталей з покриттями впроваджено у Кигвському !нститут! в!йськово-пов!тряних

сил (м. Ки!в). що дозволило скоротити час в!д розробки покриття до впровадження технологи у двигунобуд1вн1цтво.

Апробаи1я робота. Основы! результата дисертац1йноЬробота до-пов1далися та обговорювалися на IV М1жнародн1й конференцП з ме-хан!ки неоднор1дних структур /Терноп!ль, 1995/. М1жнародному нау-ково-техн1чному симпоз1ум1 у галуз1 ремонту машин /Кишин1в, 1996/, II М1жнародному симпоз1ум1 з тр15офатики /Москва. 1996/, науковому сем1нар1 лабораторИ "Ф1зико-х1м11 Еисокотемпературних покритт1в" 1нституту х1м1! сил1кат1в РАН /Санкт-Петербург, 1996/.

Публ1каа11. По матер1алам дисертацИ опубл1ковано 8 праць.

Обсяг робота. Дисертац1я викладена на стор1нках друкова-ного тексту, м!стить^£> 1люстрац1й, таблиц! та список л1тера-тури найменувань/.

Особистий внесок автора. Автором особисто отримано розрахун-ков1 вирази для визначення коеф1ц1енту Пуасона та модуля пружност!; покриття з урахуванням 1х взаемозалежност1. Запропоновано п1дх1д. який дозволяе оц1нити вплив р1зних значень коеф1ц1ент1в Пуасона матер1ал1в основи та покриття на розпод1л напружень у покритт1. Одержано вирази для обчислення нормальних та дотичних напружень у площини адгез1йного контакту основи та покриття, як1 виникають при навантаженн! основи. Одержано розрахунков! залежност1, що дозволя-ють обчислити адгез1йну та когез!йну м1цн1сть композицП осно-ва-покриття. Удосконалено установку для термоцикл1чних випробувань на повзуч1сть, що дозволило зб1льшити швидк1сть нагр1ву зразка та знизити енергозатрати при досл1дженнях. Визначено пру:кн1 та м1ц-ностн1 властивост! ряду газотермичних покритт1в.

ЗМ1СТ РОБОТИ

Дисертац1я складаеться 1з вступу, п'яти глав, загальних вис-новк1в, списку л1тератури, яка використовувалася, та додатку.

У вступ! обосновано актуальн1сть та мета роботи, в1дм1чено наукову ноеизну та практичну Ц1нн1сть результат1в, як1 були отри-ман1. сформулювано осчовн1 положения,' що виносено автором на за-хист.

У перш!й глав! розглянуто сфери зайтосування жарост1йких пок-ритт!в та методи 1х нанесения. Показано, що технологии! процеси нанесення покритт1в пост!йно удосконалюються. Визначено переваги та недол1ки р1зних метод1в нанесення покритт1в.

■ Визначено, що зараз 1снуе велика к!льк!сть праць, як! присвя-

чен1 досл1даенню НДС композиЩй основа-нокриття як чисельними, так 1 анал!тичними методами. Розглянуто р1зн! анал1тичн1 п1дходи до розрахунку НДС композицИ. Визначено обмежен!сть приведених анал!тичних моделей оц!нки нормальних та дотичних напружень "у пок-,ригт1. Показано, що'жодна 1з моделей не враховуе р!зниц1 ко-еф1ц1ент1в Пуасона покриття та основи.

Розглянуто теоретичн1,п1дходи до пояснения механ1зму адгезП покриття. Показано, що зараз не 1снуе едино!, достатньо над1йно! та коректно! теорИ адгезП. Внасл1док цього м1цн1сть зчеплення покриття 'з основою визначають експериментально.

Показано, шо' !ншою важливою-характеристикою покриття е коге-з!йна м1цн1сть.

Визначено. що 1снуе велика к!льк!сть метод1в вим1ру адгез!йн-но1 та когез1йно! м1цн!ст1.1

Розрахунков! модел1 як анал1тичн1, так I чисельн! використо-вують пружн1 характеристики основи та покриття.- Показано, що модуль пружност! матер1алу у компактному вид1 та того ж матер!алу у вид1 покриття може в1др1зняткся в межах порядку та у чимал1й м1р1 залежить в!д умов напиленя покриття. Тому. необх1дно визначати модуль пружност! для кожного конкретного покриття експериментально.

Показана необх1дн1сть експериментального визначення ко-еф1ц!енту Пуасона покриття.

В1дзначено. що експериментальн1 методи визначення пружних та м!цностних характеристик композицИ основа-покриття визначають лише одну характеристику. Ц1 методи використовують зразки р1зно! форми та розм1р!в, р!зн! види навантаження, внасл!док чого немож-ливо зр1внювати характеристики, як1 одержан! р!зними досл!дниками.

Розглянуто методи досл1дження довгов1чност1 покритт1в. Визначено. що внасл1док в!дм1нност! умов випробувань не можливо ко-ректно пор1внювати результата, одержан! р!зними досл1дниками.

Показана необх1дн1сть оЩнки дозгов!чност! покритт!з за допо-могою прискорених метод1в випробувань. Розглянуто р!зн1 методи оц1нки довгов1чност1. Показано. . що у ряд1 випадк1в у методах оц!нки довгов1чност! покритт!в при експлуатацП використовуються експериментальн! дан!, як1 одержан! при вкпробуванях, що не 1миту-ють умови екеплуатацП. Визначено. що жоден !з метод1в не дозволяе визначити нестаб1льн!сть окремих характеристик покритт1в при д!1 експлуатаЩйних фактор!в.' Тривал!сть випробувань разглянутих ме-

тод1в складае в1д к!лькох десятк1в до к1лькох сотен годин.

На п1дстав1 огляду сформульовано мету та завдання дисер-тац1йно! роботи.

У друг!й глав! приведено анал!тичне досл1дження НДС компо-зиц11 основа-покриття. Проведено анал1з методик визначення модуля пружност! покриття. Показана необх!дн!сть одночасного визначення коеф!ц!ент1в Пуасона та модулей пружност1 покриття. Виведено роз-рахунков1 вирази для обчислення г.оеф1ц1енту Пуасона )1п та модуля пружност1 Еп покриття з урахуванням !х взаемозалежност1 при дефор-муван1 композицП основа-покриття:

- СМЬ^+МО*-^")*] ■

е2пе2(1-мог; + КЕхп)г-(е2п)г] '

Е Н г 1-11 2 т г (1-й г)е' -Е П-Ц Е п т

Е = —— [ I ■ 0 2 2 0 х . (2)

П п I } I Е п+ м £ п )

~0 1 ГЛ X

де цо. Ео - коеф1ц!ент Пуасона та модуль пружност1 основи;

£г - в1дносна повдовжна деформац!я основи на д1льниц1 без покриття;

е2", ехп - в1дносна повдовжна та поперечна деформацП покриття; 2Н - товщина 'основи;

11 - товщина покриття.

Внасл1док р1зниц1 коеф1ц1ент1в Пуасона основи та покриття при одноосьовому розтягу основи у покритт! виникають додатков! напру-ги. Запропоновано розрахункову модель, що дозволяе оц1нити вплив р1зних значень коеф1ц1ент1в Пуасона матер1ал!в основи та покриття на розпод1л напружень у покритт1. Розглянуто прямокутну тонку пластинку товщиною 2Н, довжиною 1 та шириною Ь, до яко! прикладено з торц1в навантаження розтягу Р. На верхн1й та нижн1й поверхнях пластинки нанесено покриття товщиною Ь (рис.1). Показано виник-нення у покритт1 нормальних напружень б2 та бх у напрямках осей Ъ та X в1дпов1дно. Нормальними напруженнями у напрямку ос! У Енасл1док мало! згкнно! жорсткост! покриття можна зневажити.

Одержано неоднор1дне диференц1альне р1вняння для обчислення нормально! напруги розтягу у покритт1 б2 при одноосьоваму розтяз! основи. Р1вняння вир1шене методом ординарних ряд1в. Вираз, що дозволяе обчислити цю напругу у покритт!, представлено у вигляд!:

1 - в1дстань тр!щкн у покритт1 в умовах когез1йного руйнування композицН;

Е (К). Е (Ю, т (N>.6 (N5, 6 (К) - залежност! модуля пружност1

п О сц П. В .0

покриття та основи; м1цност1 зчеплення покриття з основою: когез1йно1 м1цност1 покриття; границ1 м1цн1ст1 основи в1д числа цикл!в п!д сум1сною д!ею теплозм1н та навантаження.

Умова оптимально! к1нетично1 адгез!йно-когез1йно! р1вном1ц-ност! мае вигляд:

0<К <1. (13)

р

У четверт!й глав! подано опис установки для визначення комплексу механ!чних властивостей композиц!! основа-покриття, що вико-ристовуе за основу стандарта! розривну машину та вим1рювальну апа-ратуру.

Надано опис зразка для досл1д1в, • що являе собою стандартний металевий зразок на розтяг. який використовуеться як основа. Покриття наноситься на час'тину робочо! д1льниц1 зразка.

Для ,вим!рювання деформац1й при досл!дах використовуються контакта! та- безконтактн1 метода. Використання для вим1ру деформац1й тензодатчик1в п!двищуе час п!дготовки зразка до випробувань, зни-жуе продуктивнЮть випробувань. Кр!м того клей, який проникае у пористу структуру покриття. може зм1нювати пружн! властивост! ос-таннього. Використання безконтактного оптико-електронного датчика деформяц!й дозволяе виключити операц1ю приклеювання тензодатчик1в. . Подано схему безконтактного датчика. Для п1двищення точност! вим!р1в використовуеться телев1з1йний м1кроскоп. який мае високий просторовий дозв!л. Запропановано методику вим1ру продовжних та поперечких деформаЩй.

Розроблено методику визначення на одному зразку за одне вип-робування коеф1ц1енту Пуасона та модуля пружност! покриття. Зразок з покриттям встановлюеться у захвати розривнох машини. П1сля вим1рювання деформацН при розтяз! зразка обчислюеться коеф1ц!ент Пуасона та модуль пружност! покриття. Схема розм1щешя тензодатчи-к1в на робоч1й д1льниц1 зразка подана на рис.3.

Викладено методику визначення зм!ни комплексу механ!чних властивостей композиц1! основа-покриття п!д д1ею термомехан1чного навантаження. На зразок з покриттям, який встановлюеться у захвати розрйвно! машини, крШиться датчик акустично1 ем1с!1. Момент руйнування композиц!I при деформуванн! зразка визначаеться за допомо-

Рис.3. Схема розм!щення тензодатчик1в на робоч1й д1льниц1 зразка: 1-оскова; 2-покриття; 3-тензодатчик1.

гою сигнал1в акустично! ем!с11. За допомогою експериментально ви-м1рено1 деформацП руйнування композицИ. з урахуванням обчислених пружних характеристик матер1ал1в основи та покриття. по розрахун-ковим залежностям визначаються вих!дн! м1цностн! властивост! композицИ. Другий зразок з таким же покриттям зазнае термовдкл1чних випробувань при повзучост1. П1сля цих випробувань зразок зазнае розтягу на розривн1й машин1. Визначаеться комплекс механ1чних властивостей композицИ. як1 зазнали зм1н. Термоцикл1чн1 випробу-вання при повзучост! проводилися на установц1 з променевим нагр1-вом у замкнут1й оптичн1й систем1. Осковним вузлом установки е пристр1й нагр1вання та охолодження, що складаеться з двох камер. Камери мають форму ел1птичних цил1ндр1в 1з дзеркальною внутр1шньою поверхнею з сп1льною фокальную в1ссю. уздовж яко! розм!щуетьоя зразок у робочому об'ем!. В1дносно сп1льно! фокально! ocl обер-таеться поворотний сектор. внутр!шня дзеркальна поверхня якого е продовженням ел1птично1 поверхн1 камер нагр1ву та охолоджування. При.замиканн1 камери нагр1ву променева енерг1я в1д нагр1вача. що знаходиться у другому фокус1, в!дбиваеться в!д дзеркальних стЛнок камери та фокусуеться на зразку. При поворот! сектору на 180° за-микаеться камера охолодження. Променеву енерг!ю. яку випром!нюе зразок, поглинае холодильник (т!ло. яке моделюе абсолютно чорне).

6ВКВ

■ Рис.2. Залежн1сть 'в1дносних екв1валентних напружень в!д ко-еф!ц1енту Пуасона покриття

сималь .о! напруги 6ъ у покритт1 в1д коеф1ц1енту Пуасона покриття. Визначено, що максимальна напруга бх в покритт1 в залежност1 в1д коеф1ц1енту Пуасона покриття зм1нюе св!й знак та абсолютну величину. Показано необх1дн1сть урахування р1зниц! м1ж коефЩ1ентами Пуасона покриття та основи, внасл1док яко! виникають поля додаткових напружень. Визначено, що величина додаткових нормальних напружень може досягати 25% в1д основних.

У трет!й глав! запропоновано новий п1дх1д до експ^рименталь-ного досл1дження стаб1льност1 властивостей композицИ основа-пок-риття при д11 термомехан!чного навантаження. Визначено, що випро-бування на термоцикл!чн!сть краще 1м1тують умови експлуатацП, н1ж 1зотерм1чн1, а кр1м того прискорюють процес накоплювання пошкод-жень у композицИ. Внасл1док цього так1 випробування дозволяють ■скоротал* тривалЮть експерименту. Поеднання випробувань на термо-цшсл1чн1сть та иовзучЮТь дозволяе б1лыи точно 1м1тувати вплив ексдлуатаШйних Фактор1в.

На основ1 цього п1дходу розроблено розрахунково-експеримен-гальний метод визначення зм1ни пружних та мХцностних властивостей композицП основа-покриття при -дП термомехан1чного навантаження. Спочатку на одному зразку визначаеться комплекс вих1дних ме-хан1чних властивостей композицП основа-покриття, який включае модул! пружност1 покриття та основи. коефЩ1енти Пуасона покриття та основи. адгез1йну м1цн1сть композицП, когез1йну м!цн1сть покриття. деформац!» руйнування композицП Шсля цього 1нший зразск з таким же покриттям п1длягае впливу термомехан!чного навантаження. Шсля цих випробувань визначаеться комплекс механ1чних властивостей композицП, що зм1нилися. Запропонований метод дозволяе визна-чити зм1ну механ1чних властивостей композицП основа-покриття при дП фактор1в, як1 1м1тують експлуатац1йн1. Новизна методичного п1дходу полягае у сум1щенн! термоцикл1чних випробувань на повзу-ч1сть з визначенням комплексу властивостей композицП основа-покриття.

На основ1 критер!ю адгез1йно-когез1йяо! р1вном1цност1, що дозволяе обчислити оптимальне сп1вв1дношення м1ж адгез1йною та ко-гез1йною м1цн1стю у композицП основа-покриття, розроблено як1сно новий к!нетичний критер1й р1вном1цн1ст1. Цей критер1й мае б1льш широк1 можливост1 застосування. В1н дозволяе з урахуванням зм1ни механ1чних характеристик композицП основа-покриття визначати р1в-ном1цн1сть Кр в залежност! в1д числа цикл!в теплозм1н:

т „(Ю - 6Ш)1Ж

К(Ю=—^-ч- ; (9)

р бв0(ЮЧ<. - 6П(ЮЙК

(ЬШ(К1))/ Е (Ы)К у ---а- . (10)

, [ 1+4[(Ь№(К1))/ Е (Ы)К ]г ]1/г

О

1/(Ь(1+дп)/Еп(Ю. + Н(1+/1о)/Ео(Ю) ; (11)

К= [(1/НЕ0(Ю +1/йЕп (Л) Ш~1/г . (12)

де Ф - коеф1Щент, що враховуе вплив фактор1в знем1цнення на гра-

ницю м1цност1 основи: Ь, К - коеф1ц1енти. що враховують зм1ну пружних властивостей основи та покриття п1д д1ею фактор1в знем1цнення;

Рис.1. Розрахункова схема

6z (X-Z)%4J.3.5[(d5/lknSe)(1-Chr„X/Ch(rnb/2)) +

+8ф (l/jtn)3chr:x/ch(r Ь/2)]sink г.

пал п п П

де

d, = Е /TS;

1 П

dg - i/T;

d3 - 1/s;2

rn = (S2/Si)'^;

Ф = -a-<>-z---

d4 = d-Mnz)/En;

ds ■ (i-WV k = яп/1;

(E/P+E/Pjd-^P)2) '

np _ _2_

■ U E Пр+Д E np

цПр_ rO О П П . q _

E np+E np '

О П

E np _ Enh • ? (1-|1пг)Н

2

(H/G +h/G )h

О П

Одержано неоднор1дне диференц1альне р!вняння для обчислення цодатково! нормально! напруги у покритт1 6%. що виникае внасл1док р1зниц1 коеф1ц1ент1в Пуасона основи та покриття. Бираз-, що дозво-ляе обчислити цю напругу у покритт1. представлено у вигляд1:

6Х (х. 3 5 [ (б5* /ЬХпрг) (1-сЬяпг/сЬ(Чп 1/2)) +

+8^шах(1/ЯП)3с11С!п2/С11(С1п1/2)121ПЧ.Х' (5) .

де

V = •

Ч»- (Р/Р.)1 - ^ах =-ЕпМ0£г •

3 урахуванням прийнятих допушень одержано вирази для обчислення дотичних напружень у площин1 адгез1йного контакту:

х2У1 5 /5г)а(гп (ь/2'х>)/с11 (ГпЬ/2)) +

+8<р . „(1/тт)гсЩг (Ь/2-х))/с!Цг„Ь/2)]созк г\ (7)

Ш 3 X П Л л

тху = (4Ь/Ь^ | 5 [ (с15'/р2) (1-сИ(Чп(1/2-г))/сИ^п1/2)) +

+8£ (1/тсп)2ей(<5 (1/2-г))/с!1(с| 1/2) ] собХ. х. (8)

шах п п п

Одержано вирази, як1 дозволяклъ в залежност1 в1д деформацП руйнування та пружних властивостей композицН основа-покриття. визначити адгез1йну та когез1йну м1цность покриття.

Показано, що екв1валентн1 напруги у покритт1 залежать в1д р1зниц1 величин коеф1ц1ент1в Пуасона основи та покриття. У результат! математичного моделювання одержано залежн!сть в1дносних екв1валентних напружень в!д коеф!ц1енту Пуасона покриття, де в1д-носн1 екв1валентн1 напруги - це в1дношення екв1валентних до м1н1-мальних екв1валентних напружень у покритт1. Характер залежност1, що одержана, ■ подано на рис.2. Анал1з цШ залежност1 показуе, що при проектуванн1 композицН основа-покриття необх1дно прагаути до певного значения коеф1ц1енту Пуасона покриття, при якому екв1ва-лентн! напруги мають м1н1мальне значения. Наведено залежнДсть мак-

що знаходиться у другому фокус!'камери. Для зб1льшення швидкостей нагр1ву при випробуваннях на термоцикл!чн1сть зовнШня поверхня поворотного сектору була виконана дзеркальною. Це дозволило зб!ль-шити' температуру нагр1вача у полуцикл! охолоджування зразка, внасл1док чого п!двисилась швидк1сть нагр!ву у полувдкл1 нагр1ву. Кр1м того використання енергИ в пер1од циклу охолодження дозволяе знизити енерговитрати при випробуваннях.

• У п'ят!й глав! наведено результата експериментал^них доел1джень плазмових покритст!в на основ! р!дкоземельних елемент1в, !ттр!я та твердого розчину оксиду алюм!н1ю у MgAl204. як! нанесен! на нержав1ючу сталь 12Х.18К10Т та детонац!йних покритт!в на OCHC/Ji карб1ду вольфраму з кобальтовою зв'язкою.. як! нанесен! на титано-вий сплав ВТ-20.

Визначено значения коеф!ц1ект!в Пуасона та модулей пружност! плазмових покрктт!в. Визначення ix на одному зразку дозволяе суттево зб1льшити достов1рн1сть результат!в.

Були визначен1 нормальк! та дотичн! напруги у площин1 адге-з1йного контакту плазмового покриття на основ! твердого розчину оксиду алюм1н!ю у MgAlg04. Основа перед напиленням п!ддавалася п1скоетруменев!й обробц! корундовим порошком. Зразок з покриттям, що у робоч!й частин! мае розм!ри 1=10мм та Ь=7мм, зазнае розтяг^ за допомогою розривно! машини. При деформацП основи 0.1% з ураху-ванням пружних констант покриття (Еп = 71ГПа, = 0,21) по розра-хунковим залежностям, як! наведен! у робот!, побудовано граф1ки розпод1лу напруг 6,6,1 , г (рис.4,5).

2 X Z У X У

Було проведено досл!дження м1цностних та деформац1йних влас-тивостей покритт!в на основ! р!дкоземельних елеменПв та 1ттр1я. Так! покриття широко внкористовуються в arowHift енергетиц!. Для покритт!в р!зного складу були проведен! випробування дек1лько^ парт1й зразк1в. У парт!! !з 5-ти зразк!в товщини покритт!в зм1ню-валися в межах 4.0 мкм. Анал!з одержаних результат!в м!цностних характеристик досл1джених композиЩй показав, що мол!бденовий дода-ток у покриття !з окису д1спроз!ю знижуе м!цностн1 властивост! композицП: найг1рш1 м!цностн! властивост! мають композицП з покриттям 1з сумшу Ву,03 та Т102; при створенн! елемент!в конс-трукц!й з покриттями тозщиною 0,2..,0,4мм за матер!ал покриття пе-реважно використовувати окис д!спроз!ю, а при товщиш покритт!Е 0,6. ..0,7мм - окис 1ттр!ю.

"WttXWfWUU .

vx/ллиипипл vwAuiiinmii» \mynnmnuu\ чмшшишщ

V А ПУ11 II ttllllll MtünilUllinil у lummumuv l/lllllllilllllUII

»lumiimtv umu^

К

^ÊIf

щш w

Рис.4.Розподiл напружень££/а/ та^/б/ на робочгй дьчьниц! зраэка

т

МПа

-4/ Ч

ч

Т^МПа

À

AYvMMntK

Рисг.5.Розпод1л напруженьТ^/а/ таТ^/о/ на pooouifl ддльнищ зраэка

Були одержан1 експериментальн! дан1, що дозволяють оц1нит! стаб1льн1сть комплексу механ1чних властивостей напиленого на тита-новий сплав ВТ-20 детонаЩйного зносост1йкого детонац!йного пок-риття ВК-25М, яке використовует'ься у двигунобудуванн1. При випро-буванях моделювалися умови робота сопряж!ння "корпус зм1шувача -к1льце зм!иувача" ав1ац!йного двигуна. Швидкост! нагр1ву та охо-лодження, м1н1мальна та максимальна температури циклу, напруга j робочому перетин1 зразка вибиралися такими, щоб 1м1тувати умов! експлуатацП даного вузла двигуна. П1сля 150. 300, 450, 600 цикл1£ визначався комплекс механ1чних властивостей, композицН. Було виз-начено. що п!д д!ею термомехан1чного навантаження в1дбуваетьс} суттеве зменшення'адгез1йно! та когез1йно! м1цност1, границ1 м1ц-н1ст1 на розрив основи. Пружн! характеристики основи та покриги також зм!нюються. В1дм1чено р1зний характер зм1ни кожно! 1з властивостей. На ochobI регресШного анал1зу були збудован1 матема-тичн1 модел1 зм1ни комплексу механ1чних властивостей композиц15 в залежност1 в1д к1лькост1 цикл1в при сумЮному вплив! теплозмЬ та навантаження. ' За допомогою к1нетичного критер!ю р1вном!цн!ст1 була оц1нена р1вном1цн1сть досл!джно! композицН основа-покриття. Якщо до дП термомехан1чного навантаження коефЩ1ент Кр композиц!! дор1внював 0,46. то п1сля 600 цикл1в теплозм1н в1н зм1нився дс -0,55. Це дозволило зробити висновок, що дана композиц1я не мае оптимального сп1вв1дношення м1цностних властивостей в умовах впли-. ву термомехан1чного навантаження. Слабкою ланкою дослЦженно! композит! е адгез1йна м!цн1сть.

Досл1джено розпод!л концентрац!й- елеменПв у перех!дн1й зон! м!ж основою ВТ-20 та покриттям ВК-25М. Визначено зернисту структуру покриття. Зм1на властивостей композицН п!сля випробувань в умовах, як! 1м1тують експлуатац1йн1, пов'язана з деструктившми процесами в покритт! та основ!. 1нтенсивн!сть дифуз!йних процес1в визначаеться р!зницею х!м!чного складу контактуючих uiapiB покриття та основи. Розраховано по методу Вагнера залежност1 коеф!ц1ент1в взаемод!фуз!1 Т! та Со в!д концентрацН '.

Дое.л1дження , проводимся в 1нститут1 х!мП с!ликат!в РАН <м.Санкт-Петербург) п!д кер1вництвом д.х.н., проф. В.О.Жабрева.

ЗАГАЛБН1 ВИСНОВКИ

1. Проведено анал!з НЛС двосторонього с1метричного покриття, цо нанесено на прямокутну пластинку, яка використовуеться як основа, з урахуванням р!зниц1 коефЩ1ент1в Пуасона основи та покриття. Одержано анал1тичн1 залежност!, що дозволяють визначити нормальн! тпруги у покритт1 та дотичн1 - у площин! адгез1йного контакту. 1оказано виникнення додаткових нормальних напружень, що можуть до-;ягати 25% в1д основних.

2. Розроблено • методику визначення на одному зразку стандарт-Ю1 форми коефЩ1енту Пуассона та модуля пружност1 покритт1в з фахуванням 1х взаемозалежност!.

3. Розроблено методику визначення комплексу механ1чних влас-гивостей композицП основа-покриття на одному зразку за одне вип-эобування. Комплекс механ!чних властивостей композицП вк^ючае <одул! пружност! покриття та основи, коеф1ц1енти Пуасона покриття га основи, адгез!йну м1цн!сть композицП, когез1йну м1цн1сть пок-жття, деформац1ю руйнування композицП-. Тому, що при визначенн! сомплексу властивостей використовуеться стандартний зразок та ;тандартне обладнання, то методику можна рекомендувати як стан-1артну для визначення комплексу механ1чних властивостей композицП >снова-покриття.

4. Розроблено лабораторну розрахунково-експериментальна мето-даку визначення зм1ни пружних та м1цностних властивостей жаростойких покритт1в п1д д1ею термомехан!чних навантажень.

" 5. Запропоновано к1нетичний критер!й р1вном"1цност1, що врахо-1уе зм1ни механ1чних характеристик композицП основа-покриття при [П термомеханичних навантажень.

6. На приклад! детонац1йного покриття показано, ' що при дП ■ермомехан!чного навантаження в1дбуваеться суттеве зменшення адге-1йно1 м1цн1ст1 композицП, когез1йнно1 м!цн1ст! покриття, границ! !1цност1 на розрив основи. Визначено зм!ну пружних характеристик снови та покриття. Показано, що характер зм!ни кожно! 1з характе-истик р!зний. На основ1 регрес1йного анал1зу були збудован! мате-атичн1 модел! зм!ни комплексу механ1чних властивостей композицП залежност1 в1д к1лькост! цикл!в при сум1сному вплив1 теплозм1н а навантаження. Оц1нено к!нетичну р!вном1цн1сть дано! композицП снова-покриття. Композиц1я не волод1е оптимальним сп!вв1дношекням 1цн,остних властивостей в умовах впливу термонехан1чних наЕанта-

жень.

OchobhI результата дисертац1йно! робота знайшли в1дображення у наступних публ1кац1ях:

1. К определению характеристик упругости защитных покрытий Н.А.Долгов. Б.А.Ляшенко, В. С. Веремчук., Ю.В.Дмитриев// Проблемь прочности. - 1995. -N7. - С.48-51.

■ 2.Влияние различия характеристик упругости основы и покрытия на напряженно-деформированное состояние композиции. Сообщение 1. К оценке напряжений растяжения в покрытии/ Н.А.Долгов. Б.А.Ляшенко, Я.Я.Рущицкий и др.// Проблемы прочности. - 1995. -N9. - С.37-43.

3.Влияние различия . характеристик упругости основы и покрыта? на напряженно-деформированное состояние композиции. Сообщение 2. Распределение напряжений растяжения в покрытии/ Н.А.Долгов, Б.А.Ляшенко. Я.Я.Рущицкий и др.// Проблемы прочности. - 1996.- N5. -С.63-67.

4. Исследование прочностных и деформационных свойств' композиций с плазмоьапыленными покрытиями/ Б.А.Ляшенко, B.C. Веремчук, Н.А.Долгов. В.М.Иванов//Проблемы прочности.' - 1996.- Кб,- С.57-59.

5.Аттестация проччостных свойств полимерных покрытий / Б.А.Ляшенко, В. С. Веремчук. Н.А.Долгов, Н. А.Эенкин; ГАЛПУ, К., 1994.-17с.-Деп. в ГНТБ Украины 15.12.94, N 2473-УК94.

6.Особенности напряженного .состояния покрытий, вызванные различием коэффициентов Пуассона основы и покрытия/ Н.А.Долгов, А.П.Коваленко, Б.А.Ляшенко-, В.А.Терлецкий // IV М1жнародна конфе-> ренц!я з механ!ки неоднор1дних структур. Терноп1ль. 19-22 вересш 1995 р.: Тези доп.-Льв1в: 1ППММ им.Я..С.П1дстригача. 1995. - .С.91.

7.Ляшенко Б.А.. Ермолаев В.Б.. Долгов H.A. Оптимизация техно: логических режимов нанесения покрытий по прочностным и экономическому критериям при восстановлении деталей машин .// Международный научно-технический симпозиум в области ремонта машин, Кишинев, 24-25 июня 1996г.: Тезисы докладов. -Кишинев: ГАУМ, 1996.-С.30-31.

8.Оптимизация составов и технологии нанесения износостойки? покрытий по критерию адгезионно-когезионной равнопрочности/ Б.А.Ляшенко, В.В.Ермолаев. Н.А.Долгов, G.Marci// II Международны} симпозиум по трибофатике, Москва. 15-17 октября 1996 г.: Тезись докладов. - М.:ИПМАШ, 1996. -С.58-59.

АННОТАЦИЯ

Долгов H.А. Расчетно-экспериментальный метод определения упругих и прочностных свойств жаростойких покрытий при действии термомеханических нагрузок. Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры. Институт проблем прочности НАН Украины. Киев. 1996.

Работа посвящена исследованию изменения упругих и прочностных свойств жаростойких покрытий после воздействия термомеханических нагрузок. Разработана методика определения комплекса механических свойств композиции основа-покрытие на одном образце за одно испытание. Проведен.-анализ напряженно-деформированного состояния композиции с учетом различий коэффициентов Пуассона основы и покрытия. Исследован ряд плазменных и детонационных покрытий промышленного применения. Результаты исследований опубликованы в 8 научных' работах.

ABSTRACT

Dolgov N. A. Calculâtion-and-experimental method for determining elastic and strength properties of heat-resistant coatings subjected to thermomechanlcal loads. Thesis for the degree of Candidate of Technical Science In the speciality 05.02.09 -The dlna-mics, strength of machines, instruments and apparatus. Institute for Problems of Strength of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1996.

The thesis is dedicated to the ivestlgation of elastic and strength properties variation for heat-resistant coating subjected to the action of thermomechanlcal loads. A procedure has been developed for the. determination of a complex of mechanical propertl-. es of the substrate-coating composition using one spesimen during a single test. The analysis of. the strëss-strain state of the composition has been made taking into account the difference In the Poisson ratios of the substrate and the coating. A number of plasma and detonation coatings of lndustrla,l application have been studied. The results of the investigation have been published In 8 scientific papers.

Ключов1 слова: напружено-деформований стан. механ1чн1 власти-BOCTi. композиц!я основа-покриття. термомехан1чн1 навантаження.