Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag

Результати експериментів та моделювання методом скінченних елементів у пружній постановці свідчать, що в стійкому до окислення тонкому покритті, нанесеному на основу з титанового сплаву, виникають залишкові напруження високого рівня. Пропускання імпульсного електричного струму через зразок із пок...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2008
Автори:	Степанов, Г.В., Бабуцький, А.І., Мамеєв, І.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2008
Назва видання:	Проблемы прочности
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48261
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag / Г.В. Степанов, А І. Бабуцький, І.А. Мамеєв // Проблемы прочности. — 2008. — № 3. — С. 47-52. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-48261
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-482612013-08-17T16:11:05Z Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag Степанов, Г.В. Бабуцький, А.І. Мамеєв, І.А. Научно-технический раздел Результати експериментів та моделювання методом скінченних елементів у пружній постановці свідчать, що в стійкому до окислення тонкому покритті, нанесеному на основу з титанового сплаву, виникають залишкові напруження високого рівня. Пропускання імпульсного електричного струму через зразок із покриттям суттєво знижує середній рівень залишкових напружень у покритті. Результаты экспериментов и моделирования методом конечных элементов в упругой постановке свидетельствуют, что в стойком к окислению тонком покрытии, которое нанесено на основу с титанового сплава, возникают остаточные напряжения высокого уровня. Пропускание импульсного электрического тока через образец с покрытием существенно снижает средний уровень остаточных напряжений в покрытии. According to test results and FEM simulation analysis in elastic formulation, high-level residual stresses are generated in an thin oxidation- resistant coating applied to a titanium alloy base. Electric current pulse, subjected to a coated specimen, results in a significant drop of the residual stress average values in the coating. 2008 Article Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag / Г.В. Степанов, А І. Бабуцький, І.А. Мамеєв // Проблемы прочности. — 2008. — № 3. — С. 47-52. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 0556-171X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48261 539.3;537.39 uk Проблемы прочности Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Степанов, Г.В. Бабуцький, А.І. Мамеєв, І.А. Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag Проблемы прочности
description	Результати експериментів та моделювання методом скінченних елементів у пружній постановці свідчать, що в стійкому до окислення тонкому покритті, нанесеному на основу з титанового сплаву, виникають залишкові напруження високого рівня. Пропускання імпульсного електричного струму через зразок із покриттям суттєво знижує середній рівень залишкових напружень у покритті.
format	Article
author	Степанов, Г.В. Бабуцький, А.І. Мамеєв, І.А.
author_facet	Степанов, Г.В. Бабуцький, А.І. Мамеєв, І.А.
author_sort	Степанов, Г.В.
title	Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag
title_short	Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag
title_full	Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag
title_fullStr	Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag
title_full_unstemmed	Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag
title_sort	експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті ti-al-si-ag
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/48261
citation_txt	Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag / Г.В. Степанов, А І. Бабуцький, І.А. Мамеєв // Проблемы прочности. — 2008. — № 3. — С. 47-52. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
series	Проблемы прочности
work_keys_str_mv	AT stepanovgv eksperimentalʹnaocínkavplivuímpulʹsnogoelektričnogostrumunazališkovínapružennâvpokrittítialsiag AT babucʹkijaí eksperimentalʹnaocínkavplivuímpulʹsnogoelektričnogostrumunazališkovínapružennâvpokrittítialsiag AT mameêvía eksperimentalʹnaocínkavplivuímpulʹsnogoelektričnogostrumunazališkovínapružennâvpokrittítialsiag
first_indexed	2025-07-04T08:34:46Z
last_indexed	2025-07-04T08:34:46Z
_version_	1836704687302115328
fulltext	УДК 539.3;537.39 Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag Г. В. Степанов, А. І. Бабуцький, І. А. М амеєв Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України, Київ, Україна Результати експериментів та моделювання методом скінченних елементів у пружній постановці свідчать, що в стійкому до окислення тонкому покритті, нанесеному на основу з титанового сплаву, виникають залишкові напруження високого рівня. Пропускання імпульс ного електричного струму через зразок із покриттям суттєво знижує середній рівень залишкових напружень у покритті. К л ю ч о в і с л о в а : магнетронне напилення, стійке до окислення покриття, сплав Timetal 834, залишкові напруження, імпульсний електричний струм. Вступ. Вплив залишкових напружень (ЗН) розтягу на міцність деталей з покриттям добре відомий. За існуючими методами рівень ЗН у системі покриття-основа зменшують шляхом використання проміжних шарів із по годженими властивостями, позитивний ефект дає також нанесення дискрет них покрить [1]. Разом із тим розробка нових методів є актуальною. Згідно з численними експериментальними даними імпульсний елект ричний струм (ІЕС) суттєво впливає на релаксацію напружень у металах при їх активному навантаженні розтягом [2-4], у той час як інформація про релаксацію ЗН практично відсутня. Відомо, що обробка ІЕС зменшує ЗН першого та другого роду, що формуються після технологічних операцій, пов’язаних із пластичним деформуванням [5]. Є також дані щодо викорис тання обробки ІЕС для зниження рівня ЗН після зварювання [6]. Дані про вплив обробки ІЕС на ЗН в покриттях відсутні. Нижче наведено результати експериментального визначення ЗН у тонкому покритті, що нанесене на основу з титанового сплаву, до та після обробки ІЕС. М атеріал для досліджень. При проведенні досліджень за матеріал основи брали сплав Timetal 834 (Ti-5,8Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb-0,5M o-0,35Si- 0,06С-0,090, ваг.%), що є майже а-титановим сплавом. Цей сплав широко використовується при виробництві деталей компресорів сучасних газотур бінних двигунів [7]. Через досить низький опір окисленню його застосу вання обмежено температурами приблизно 600° С. Для покращання цієї характеристики на основу зі сплаву Timetal 834 магнетронним напиленням наносять покриття Ti-A l-Si-A g. Досліджували зразки, які виготовляли зі сплаву Timetal 834 у формі стрижня з поперечним перерізом 3 x 1 0 мм та довжиною 70 мм. Покриття наносили магнетронним напиленням: зразки підвішували на тонких (діа метр 0,5 мм) сталевих нитках під горизонтальним столом, що обертався з частотою 0,2 Гц навколо вертикальної осі симетрії циліндричної вакуумної камери. Чотири магнетронні гармати з мішенями з ТС, А1, Ag та Si розмі щували симетрично по окружності камери (одна від одної з кутом 90°) на відстані 200 мм від осі камери. Під час нанесення покриття камеру заповню- © Г. В. С Т ЕП А Н О В , А. І. БА Б У Ц Ь К И Й , І. А . М А М ЄЄВ, 2008 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 3 47 Г. В. Степанов, Л. I. Бабуцъкий, І. Л. Мамеев вали аргоном під тиском 0,2 Па при його безперервному потоці 0,2 см 3 /хв. Більш детально процес нанесення покриття описано в роботі [8 ]. Мікроструктурний аналіз зразків проводили з використанням оптичної мікроскопії, скануючої та аналітичної трансмісійної електронної мікроскопії (СЕМ та ТЕМ відповідно). ТЕМ-дослідження проводили на мікроскопі ІБОЕ ІБМ-2010 АКР з використанням тонких фольг, які виготовляли сфокусо ваним променем іонів. Мікроструктура сплаву в стані поставки складається з а-фази (гекса гональна щільно упакована) та невеликої кількості ;3-фази (кубічна об’ємно центрована). Додатково в зернах та на їх границях було виявлено високо дисперсні виділення £г58 І4 (гексагональні примітиви). Детальний опис мікро структури сплаву в стані поставки наведено в роботі [9]. Мікроструктура основи не змінюється після нанесення покриття. Типовий вигляд СЕМ-мікроструктури покриття Ti-A l-Si-A g на основі з Timetal 834 показано на рис. 1. ТЕМ-дослідження свідчать, що покриття формується у вигляді двох субшарів із відмінною мікроструктурою: зовніш ній стовпчастий у-ТіА1 субшар та аморфний внутрішній. Детальні ТЕМ- дослідження продовжуються. Слід зауважити, що товщина покриття на до сліджуваних зразках сягала близько 10 мкм. Ti-AI-St-Ag coating Substrate 2 ц т Рис. 1. СЕМ-мікроструктура покриття Ti-Al-Si-Ag на основі з Timetal 834 (поперечний переріз, зображення у вторинних електронах). Оцінка залиш кових напружень у покритті. Залишкові напруження оцінювали руйнівним методом. Його суть полягає в тому, що із зразка вирізається певний об’єм навантаженого матеріалу і вимірюється резуль туюча деформація в суміжних областях. Існуючі залишкові напруження у видаленому матеріалі можна розрахувати за виміряними деформаціями, оскільки в даній точці матеріалу вони залежать від усіх напружень, що існували у такому матеріалі. На цій основі базуються руйнівні методи вимірювання ЗН [10]. Як правило, надалі співвідношення між деформаціями та напруженнями визначаються методом скінченних елементів (МСЕ). Щоб визначити розподіл ЗН у тілі за допомогою цієї методики, зазвичай на певній ділянці поступово під контролем видаляють матеріал з одного боку зразка і реєструють пружні деформації на протилежній його стороні. При виконанні даних досліджень провести контрольоване поетапне вида лення (зменшення товщини) покриття товщиною 10 мкм із одночасною реєстрацією деформацій досить складно. У зв’язку з цим було розроблено 48 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 3 Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму методику оцінки в шарі покриття осереднених напружень. За допомогою цього методу не можна визначити розподіл напружень у тонкому покритті та поблизу межі поділу основи і покриття, але можна оцінити вплив обробки ІЕС на осереднені напруження в покритті. Наявність ЗН напружень о с у покритті призводить до певного розподілу напружень в основі (рис. 2,а). При цьому потрібно враховувати, що напруження в основі дуже малі і є сумою поздовжніх компонент та компонент від згину. Через видалення шару покриття (рис. 2 ,6 ) знімаються поздовжні напруження в основі і змінюється поздовжня деформація, що реєструється, на величину Ає к . Порівняння зареєстрованих змін у показаннях датчика деформації до, після обробки ІЕС та при подальшому видаленні покриття може використовуватися для оцінки величини осереднених напружень у цьому покритті. Рис. 2. Схематичний розподіл напружень у зразку з одностороннім покриттям до (а) та після (6) видалення частини покриття. При проведенні експериментів на кожний зразок приклеювали по два тензодатчики з базою 5 мм (на стороні, що протилежна до покриття Т і-А І- Si-Ag, рис. 3). Дані щодо деформації датчиків отримували з використанням двоканальної вимірювальної системи, що включала два комерційні модулі ІСР СОК І-7016Р. За допомогою модуля ІСР СОК 1-7520 (И^ 232) отримані дані передавалися до персонального комп’ютера для подальшої обробки. На одному із зразків деформації вимірювали до, після обробки ІЕС та при видаленні покриття. На іншому зразку деформації вимірювали до і після видалення покриття (обробку ІЕС не використовували). У всіх випадках покриття навпроти тензодатчика видаляли тонким шліфуванням на ширину В більше ніж 10 мм (повноту видалення покриття визначали за появою характерного кольору основи). і В * ISSN 0556-171Х. Проблеми прочности, 2008, № 3 49 Г. В. Степанов, А. І. Бабуцький, І. А. Мамєєв Рис. 3. Зразок сплаву Тішеїаі 834 зі стійким до окислення покриттям (а) та його зворотній вигляд із встановленими тензодатчиками (б). Обробку ІЕС проводили за допомогою генератора імпульсного струму [11]. Через зразок пропускали два імпульси струму з максимальною амплі тудою 40 кА. Результати вимірювання деформації, осереднені за даними двох датчи ків, наведено на рис. 4. Обробка ІЕС призводить до зміни деформації на АєІЕС = 0,00716%, в той час як видалення покриття - на Аєл * = 0,01432%. Видалення покриття на необробленому зразку призводить до зміни дефор мації на Аєл = 0,01395%. Всі зміни деформації мають від’ємний знак (де формації стиску). Від’ємна величина зареєстрованих змін деформації від повідає напруженням розтягу в покритті. Результати експериментів показа ли, що обробка ІЕС суттєво (практично в два рази) змінює напружено- деформований стан системи покриття-основа. Лер, % 0,015 п а б в Рис. 4. Зміни деформації датчиків, зареєстровані в експериментах: а - після обробки ІЕС (Аеіес ); б - після обробки ІЕС та видалення покриття (ДеІЕС + Дед); в - після видалення покриття без обробки ІЕС (Дея). За умови пружної поведінки основи невідоме осереднене напруження о с (рис. 2) пропорційне виміряній деформації Д е к . Напруження в основі збільшуються лінійно з ростом осереднених напружень о с у шарі покриття та товщини останнього д с. Видалення покриття призводить до зміни поздовж ньої деформації на нижній стороні основи на величину Де к . Виходячи із загальних міркувань для тонкого покриття (д с < < д 5) та пружної поведінки основи, деформація Де к пропорційна о с, д с, модулю Юнга основи Е 8 та обернено пропорційна товщині основи д Таким чином, співвідношення між поздовжнім напруженням о с у покритті та зареєстрованою деформа цією Де я на протилежній стороні основи можна записати в формі 50 0556-171Х. Проблемы прочности, 2008, № 3 Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму о с = k E gA e R ,^ с де коефіцієнт k залежить від розмірів зразка з вирізом на місці видаленого покриття, напруженого стану в зразку і не залежить від природи напружень о с . Напруження в основі за величиною малі, їх знаки в покритті та на нижній поверхні основи збігаються. Для визначення коефіцієнта k за домомогою MCE було виконано моде лювання поведінки зразка з покриттям в умовах плоскої деформації. При цьому напруження розтягу о с штучно наводили шляхом зниження темпера тури в покритті без підводу тепла з основи. Видалення покриття на ширину 10 мм моделювали шляхом видалення елементів, що належать покриттю. За результатами числового моделювання величина коефіцієнта k для зразка з покриттям вищевказаної геометрії складає приблизно 0,54. З урахуванням наведеного вище виразу, значення E s = 120 ГПа та вели чини зміни деформації АєR = 0,01395% можна обчислити осереднені напру ження у покритті. Розрахована величина напружень розтягу о с = 2,7 ГПа є досить високою. Вона може бути завищеною внаслідок використання пруж ної моделі поведінки основи на границі з покриттям. Можлива непружна поведінка матеріалу основи біля поверхні поділу покриття і основи могла бути результатом локального підвищення температури під час нанесення покриття. Обробка IEC зразка з покриттям призводить до зміни розподілу залиш кових напружень, що реєструються відповідною зміною деформації Ає Шс ■ Слід зазначити, що сума АєШс і АєR (остання є додатковою зміною деформації через наступне видалення покриття) приблизно рівна величині зміни деформації Ає R , яка реєструвалася під час видалення покриття в зразку без обробки IEC (рис. 4), що, власне, і очікувалося. В и с н о в к и 1. Розрахунки, що базуються на пружній поведінці матеріалу основи, вказують на високий рівень залишкових напружень розтягу в тонкому по критті T i-A l-Si-A g, нанесеному на сплав Timetal 834. 2. Обробка IEC в значній мірі зменшує величину осереднених залиш кових напружень у тонкому покритті T i-A l-Si-A g, нанесеному на сплав Timetal 834. Вплив нелінійної поведінки матеріалу основи при нанесенні покриття та параметрів обробки IEC на перерозподіл залишкових напружень є метою наступних досліджень. Работа виконана за часткової підтримки EU Network of Excellence проект Knowledge-based Multicomponent Materials for Durable and Safe Performance (KMM-NoE) за контрактом No. NMP3-CT-2004-502243. Автори щирo дякують за допомогу в проведенні TEM-досліджень Д. Eвер, д-ру X. Пенкалла (Research Centre Julich, Germany) та за надані зразки д-ру T. Москалевичу (AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland), д-ру Б. Вендлеру (Lodz University of Technology, Lodz, Poland). ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2008, № 3 51 Г. В. Степанов, А. I. Бабуцъкий, I. А. Мамеев Р е з ю м е Результаты экспериментов и моделирования методом конечных элементов в упругой постановке свидетельствуют, что в стойком к окислению тонком покрытии, которое нанесено на основу с титанового сплава, возникают остаточные напряжения высокого уровня. Пропускание импульсного элект рического тока через образец с покрытием существенно снижает средний уровень остаточных напряжений в покрытии. 1. Л яш ен ко Б. А ., Р ут ковски й А. В ., С орок а Е. Б ., Л ип ин ская Н. В . О снижении остаточных напряжений в вакуум-плазменном покрытии // Пробл. прочности. - 2001. - № 4. - С. 62 - 68. 2. Б а р а н о в Ю . В ., Троицкий О. А ., А вр а а м о в Ю . С ., Ш ляпин А. Д . Физи ческие основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы. - М.: МГИУ, 2001. - 844 с. 3. S p rech er A. F ., M an nan S. L ., a n d C o n ra d H . On the mechanisms of the electroplastic effects in metals // Acta Met. - 1986. - 34, No. 7. - P. 1145 - 1162. 4. S tep a n o v G. V., B a b u tsk ii A. I., M a m e ev I. A ., a n d O liso v A. N . Pulse current effect on stress levels in a metal strip in tension // Strength Mater. - 2005. - 37, No. 6. - P. 593 - 597. 5. Б о гусл а ев В. А ., Д о л м а т о в А. И ., Ж ем а н ю к П. Д . и др . Повышение ресурса деталей ГТД из титановых сплавов. - Запорожье, 2000. - 108 с. 6. Г л и н берг А. Д ., К а р а н д а ш ев Н. А ., К рут и н А. Ф ., С и дорен ков Е. Н, Практика и перспективы применения магнитно-импульсной обработки материалов: Тез. докл. междунар. конф. “Действие электромагнитных полей и тока на материалы”. - М., 2003. - С. 55 - 57. 7. K a y sse r W. Surface modifications in aerospace applications // Surface Eng. - 2001. - 17. - P. 305 - 312. 8. W endler B. G. a n d K a c zm a re k L. Oxidation resistance of nanocrystalline microalloyed y-TiAl coatings under isothermal conditions and thermal fatigue // J. Mater. Proc. Tech. - 2005. - 164-165. - P. 947 - 953. 9. M o sk a lew icz T., G ro g g e r W., a n d C zyrsk a -F ilem o n o w icz A . Microstructural characterisation o f nitrided Timetal 834 // J. Microscopy. - 2006. - 223. - P. 195 - 199. 10. S ch a jer G. S. a n d P r im e M . B. Use of inverse solutions for residual stress measurement // J. Eng. Mater. Techn. - 2006. - 128, No. 3. - P. 375 - 382. 11. S tep a n o v G. V., B a b u tsk ii A. I., a n d M a m eev I. A . High-density pulse current-induced unsteady stress-strain state in a long rod // Strength Mater. - 2004. - 36, No. 4. - P. 377 - 381. Поступила 22. 01. 2007 52 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2008, № 3

Експериментальна оцінка впливу імпульсного електричного струму на залишкові напруження в покритті Ti-Al-Si-Ag

Репозитарії

Схожі ресурси