Методика розрахунку складу покриття для мінімізації в ньому температурних напружень Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.793.7

Канд. техн. наук В. Г. Шевченко, О. Г. Попович

Нащоналъний техтчний утверситет, м. Запоржжя

МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ СКЛАДУ ПОКРИТТЯ ДЛЯ М1ЖМ1ЗАЦИ В НЬОМУ ТЕМПЕРАТУРНИХ НАПРУЖЕНЬ

Розроблено методику зниження температурных напружень у покриттях на деталях, що працюють в умовах неоднородного температурного поля. Методика дозволяе розрахо-вувати концентрацИ компонентов сумошо, з яко1 шляхом напилювання формуеться захисне покриття.

Покриття, температурт напруження, концентраця компонентгв, адгезя

В сучасному машинобудуванш для захисту деталей, як! працюють в контакт! з агресивними середовищами при щдвищених температурах, ви-користовують покриття з матер1алш, шертних до впливу цих середовищ при температурах експлу-атаци. При щдвищент робочих температур в де-тал1 з нанесеним покриттям у систем! «покриття-основа» значно зростають напруження, що часто призводить до руйнування покриття. Температурн1 напруження обумовлен! р!зницею коефiцieнтiв лшшного термчного розширення матер!алш покриття й основи. Для пвдвищення працездатност! та надшносп деталей з покриттями, як! функцю-нують в агресивних середовищах при пвдвище-них температурах, важливо вмпи регулювати температурн! напруження, що виникають у покриттях п!д час експлуатаци. 3 щею метою застосову-ють пром1жт щдшари м!ж основою та зовншшм шаром покриття, як! забезпечують поступовий перехвд властивостей ввд матер!алу основи до матер!алу зовшшнього шару покриття.

Мета роботи — аналтично визначити, як треба обирати склад покриття для детал!, яка пра-цюе в агресивному середовищ! при пвдвищених температурах за умов неоднор!дност! температурного поля, щоб температурн! напруження у по-критт! були мш1мальт.

Причиною руйнування бшьшосп покриттв е напруження першого роду, що зр1вноважуються в об'емах, розмри яких мають порядок товщини всього покриття [1]. Тому для аналтичного ощ-нювання температурного поля ! температурних на-пружень у детал! !з захисним покриттям було ви-користано теор!ю ф!зики суц!льного середовища.

Перш шж подати загальний розв'язок розг-лядуваного завдання, треба сформулювати два важливих пром!жних результати.

Щоб температурн! напруження в неоднорвд-ному за властивостями т!л! були в!дсутн!, необ-хвдно виконати умову:

аТ -9 = const, (1)

де 9 — прир!ст температури в данш точц! тша

© В. Г. Шевченко, О. Г. Попович, 2010

ввдносно температури Tq, при якш у ньому в!дсутн! температурн! напруження,

aT — середнш коефшдент лшшного термчно-го розширення в штерват температур (7Q; Tq + 9).

Зокрема, якщо температура по об'ему тша постшна, тобто градденту температур нема (9 = const), то температурн! напруження в тЫ, вшьно-му в!д поверхневих ! об'емних сил, будуть вадсутт лише у випадку постшносп коефшдента лшшного термчного розширення по об'ему тша ат = const. Тому, якщо деталь з нанесеним покриттям у ро-бочих умовах нагргта р1вном!рно по об'ему, то знизити температурн! напруження в покритт! можна тшьки шляхом вибору матер!ал!в покриття й основи з якомога ближчими коефшдентами лшшного терм!чного розширення. На практиц! досягти цього часто неможливо, ! в покритт!, товщина, а тому ! жорстюсть якого е малою у пор!внянн! з товщиною основи, виникають тем-пературн! напруження, пропорц!йн! до р!зниц! коефшденпв лшшного термчного розширення покриття й основи. (Напруження в основ! при цьому на порядок менш! за напруження у покритт!.) Однак ! в цьому раз! при застосуванш град!ентного тдшару м!ж покриттям ! основою працездатн!сть системи «покриття-основа» буде тдвищено. Причина цього полягае в тому, що найважлившою характеристикою покриття е мщшсть його зчеплення з основою (адгез!я). У випадку застосування град!ентного пром!жного тдшару покриття матер!ал його тонкого шару, прилеглого до основи, матиме значення ат таке саме, як ! у основи. Тому напруження в цьому тонкому шар! покриття (бо адгезшна мщшсть менша за когезшну) будуть меншими, шж напруження у зовшшньому шар! покриття.

Друге питання — якщо тшо виготовлено з матер!алу з граддентними властивостями, то як повинен змшюватися склад композици, щоб ви-конувалася умова м!шм!заци температурних напружень (1)?

Теплоф!зичн! властивост! двохкомпонентно! композици (наприклад, метал-керамжа) е функ-

Ц1ями концентраци c одного з компонентгв композицй у розглядуванш точщ тша:

aT =aT (c),

Xj = Xj (c),

де XT — теплопроввдшсть композици при температур! T.

Наприклад, вщомо [1], що коефшдент лшшно-го терм1чного розширення композицй (AI2O3+ + 3,5 %TiO2)-(Ni+Al) змшюеться в!д

aT кер = 6,8 *10-6K"1 при вм!ст керамжи

(А120з+3,5 %TiO2) у композицй близько 100 %

до aT ме = 13,5 10-6 K_1 при вм!ст керамжи (А120з+3,5 %TiO2) бiля 0 %, причому залежтсть близька до лшшно!, тобто

aT комп = aT кер ' скер + aT ме ' сме = = aT ме ' - (aT ме aT кер ) * скер,

лад, керамжа у поршнянш з металчним матер!а-лом).

Для виршення задач! про мштшзащю темпе-ратурних напружень у покритгi, яке зчеплене з основою, в умовах град!ента температур необх!-дно задовольнити дв! умови. Перша: щоб у по-критт не виникало напружень внаслддок р!знищ деформаци шару покриття, прилеглого до осно-ви, i деформаци основи на меж! покриття-осно-ва, необх!дно, щоб перем!щення точок покриття й основи на поверхш ¿хнього контакту дор!вню-вали одш одним. (Основу виготовлено з одно-рддного матер!алу.) Друга умова: щоб у покритт не виникало напружень внаслддок неоднаково! температурно! деформаци р!зних шаргв самого покриття, треба виконати умову (3). Таким чином, ця задача зводиться до розв'язання наступ-но! системи чотирьох р!внянь.

Р1вняння mennonpoeidnocmi основи:

де cKep ! cMe — частки керамжи та метал!чного

компоненту в композицй в долях одинищ,

c +c = 1 скер ме 1 •

Це питання зводиться до розв'язання систе-ми двох р!внянь (2 ! 3):

р!вняння геплопровiдностi [2] для стащонар-

i06 01 • ного температурного поля I — = о I при вддсут-

div[Xr осн * grad6оси (P)] = 0,

(4)

ност внутр1шшх джерел теплоти (w = 0)

div[XT [c( P)] * grad6(P)] = 0

(2)

з його граничними умовами,

та умови мтшшзаци температурних напружень

aT [c(P)] *6(P) = aT * [cP )] *6(P ).

(3)

3 цих двох р]внянь треба визначити дв! функцц координат точки Р тша: шукана концентращя одного з компонентгв с, що визначае склад композицй, та температурне поле 6 в тЫ.

Ф!зичний сенс описувано! методики полягае в наступному. Якщо шари матер!алу, як! в робо-чих умовах нагр!ваються до бшьш високо! тем-ператури, матимуть менший коефшдент терм!ч-ного розширення, то ц шари набудуть при ви-конанш сшввддношення (3) таку саму величину температурно! деформацй, що й шари, як! функ-цдонують при меншш температур!, але мають бшьший коеф1щент термчного розширення. В результат! т та друг! шари будуть розширятися, так би мовити, незалежно, не стискуючи та не розтягуючи одш одних. Зрозумшо, що сшввддно-шення (3) може бути виконано в тому раз!, якщо шари покриття, як! в умовах експлуатаци на-гр1Баються до бшьш високо! температури, будуть збагачеш тим компонентом, який мае менший коефшдент термчного розширення (наприк-

де XTom — теплопровддшсть основи при температур! T.

Температура основи 6осн (P) однозначно виз-начаеться р!внянням (4) з граничними умовами для функци 6осн (P):

6осн (Рзовн) = 6зовн - температура зовн]Шнь°1 поверхт основи;

де Р30вн — множина точок зовн1шньо1 поверхш основи;

q — густина теплового потоку, що вщводить-ся з одиниц плошд зовтшньо1 поверхш основи.

Граничними умовами до р!вняння теплопро-вддносп для покриття е р1Бшсть температур ! р!вн!сть теплових потоюв з боку покриття й основи на поверхш 1хнього контакту:

6(Ргр1) = 6осн(Ргр1) = 61;

X (T0 +61)[с(Ргр1)] * gradq(pSpi) = = X(T0+61 )осн * grad6 осн (Ргр1) .

Умова piвнocmi перемщенъ точок покриття ипкп й основи иосн на поверхш 1хнього контак-

иокр осн -*-

ту:

покр (Ргр1) - осн ( Ргр1).

(5)

Тут перем!щення точок покриття визначаються за вддносною деформац!ею шару покриття, при-леглого до основи. При в!дсутност! напружень у покритт ця деформацй е суто температурною:

епокр (Ргр1) = aT1 (Ргр1) * 61-

Нелшйне piвняння menлonpoвiднocmi для покриття (2).

ISSN 1727-0219

Вестник двигателестроения № 1/2010

- 97 -

Умова мттяацп температурных напружень у noKpummi (3), в якш вважаемо, що точка P* на-лежить множит точок P, поверхн! контакту покриття й основи, тод! 9(P*) = 91.

Таким чином, на основ! теор!й термопруж-ност! та теплопередач! розроблено методику виз-начення концентрац!й компонент!в захисного покриття для детал!, яка працюе в агресивному середовищ! при п!двищених температурах за умов неоднор!дност! температурного поля. Методику спрямовано на зниження в покритт! температур-

них напружень, як! виникають у випадку р!зниц! в коефшдентах терм!чного розширення матер!-ал!в покриття й основи, а також при утворенн! в детал граддента температур.

Перелж посилань

1. Кудинов В. В. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий / В. В. Кудинов, В. М. Иванов. — М. : Машиностроение, 1981. — 192 с.

2. Коваленко А. Д. Термоупругость / А. Д. Коваленко. — К. : Вища школа, 1975. — 216 с.

Поступила в редакцию 17.07.2009

V. G. Shevchenko, A. G. Popovich

CALCULATION OF COATING COMPOSITION FOR MINIMIZATION OF THERMAL STRESS IN THE COATING

Разработана методика снижения температурных напряжений в покрытиях на деталях, работающих в условиях неоднородного температурного поля. Методика позволяет рассчитывать концентрации компонентов смеси, из которой путем напыления формируется защитное покрытие.

Покрытие, температурные напряжения, концентрация компонентов, адгезия

There is developed technique for reduction of thermal stress in the coating of parts, operating in conditions of temperature gradient. The technique allows to calculate concentrations of mixture components used for protective coating formation by spraying.

Coating, thermal stresses, concentration of components, adhesion