УДК 55.22

д.т.н., проф. И.Н. Кравченко, к.т.н., доц. Е.М. Зубрилина, О.Я. Москаль, А.А. Клименко

Военно-технический университет, Россия

Регулирование остаточных напряжений в системе покрытие-основа

путем наведения термоупругих напряжений

Аннотация. Расчет остаточных напряжений становится особенно важным при оценке корреляции между уровнем остаточных напряжений в покрытии и величиной прочности сцепления покрытия с основой. В статье дана оценка влияния температурных условий на величину остаточных напряжений и прочность сцепления покрытий в процессе напыления и наложения термоупругих напряжений в покрытии после напыления.

Для оценки влияния охлаждения на остаточные напряжения проведен численный расчет при граничных условиях, учитывающих различную интенсивность охлаждения. На рисунке 1 показано распределение остаточных напряжений в покрытии из NiCr на стали при напылении без охлаждения со сдувом плазменной струи и при охлаждении подложки водой, имеющей температуру окружающей среды = 300 К. Анализ рисунка показывает, что применение охлаждения приводит к снижению уровня остаточных напряжений как на границе покрытия с основой, так и в самом покрытии.

Нанесение покрытия на данную точку напыляемой поверхности представляет собой циклический процесс многократного нанесения слоев, получаемых за один проход плазмотрона, сопровождающихся тепловым воздействием на систему покрытие-основа. Подложка без соответствующего охлаждения может нагреваться до 100…300^оС, а перепад температуры в покрытии и основе до и во время пика нагрева может достигать несколько сотен градусов. При последующем охлаждении это приводит к возникновению термических напряжений на границе покрытия и основы из-за разницы в величинах КТР. Величина этих напряжений может превысить предел прочности сцепления покрытия, что приведет к отслоению покрытия. Поэтому интенсивным охлаждением стремятся не допустить чрезмерного нагрева системы покрытие-основа [1].

На рисунке 2 представлены результаты экспериментальных исследований по нанесению вольфрама и керамики на стальные и алюминиевые подложки до отслоения покрытия с охлаждением и без охлаждения подложки. Напыление производили на образцы размером 25×30×2 мм.

Рисунок 1 – Распределение остаточных напряжений в покрытии NiCr на стали:

○ – без охлаждения; □ – сдув струи; _* – сдув струи и охлаждение водой

Анализ полученных результатов показывает, что во всех сочетаниях материалов покрытия и основы использование охлаждения подложки приводит к повышению прочности сцепления покрытий с основой и возможности наращивания покрытий до отслаивания на 20…30% более толстых, чем без охлаждения.

Рисунок 2 – Максимальная толщина покрытия до отслаивания с охлаждением подложки (2) и без (1) при напылении на стальные и алюминиевые подложки

Снижение уровня остаточных напряжений на границе покрытия с основой при предварительном нагреве подложки объясняется тем, что при напылении, например, керамики на сталь в частицах формируются растягивающие напряжения, если подложка холодная [2, 3]. При нагреве подложки растягивающие напряжения уменьшаются и могут перейти в сжимающие. Таким образом, между температурой напыляемых частиц и подогревом подложки существует оптимальное соотношение, которое следует учитывать при напылении покрытий повышенной прочности.

На рисунках 3 и 4 представлены экспериментальные данные прочности сцепления с основой и численные значения остаточных напряжений в зависимости от температуры предварительного нагрева подложки. В качестве параметра, характеризующего уровень остаточных напряжений, в численных расчетах принято среднее значение по модулю напряжений в покрытии. Результаты анализа проведенных расчетов остаточных напряжений показывают, что в общем случае предварительный нагрев подложки ведет к повышению уровня остаточных напряжений в покрытии.

Рисунок 3 – Зависимость остаточных напряжений, рассчитанных численно, и экспериментальных значений прочности сцепления покрытия из вольфрама на алюминиевой основе от температуры подогрева подложки

Однако, если КЛР основы намного больше КЛР покрытия, как, например, при напылении керамики на металл или W и Mo на алюминий, невысокий подогрев подложки в пределах 100…150°С обеспечивает минимум остаточных напряжений на границе покрытия с основой. В этом случае оптимальная температура, обеспечивающая максимум прочности сцепления покрытия с основой, в два раза больше, как это показано на рисунке 4.

Повышение температуры предварительного нагрева подложки способствует улучшению условий образования адгезионной связи покрытия с основой. Однако рост остаточных напряжений ограничивает ее величину. Использование предварительного нагрева подложки позволяет повысить прочность покрытий из материала ПГ-19М-01 на стали и латуни, а также вольфрама на алюминии в 1,5…2 раза по сравнению с прочностью сцепления покрытий, напыленных без предварительного нагрева основы.

а)

б)

Рисунок 4 – Зависимость остаточных напряжений, рассчитанных численно, и экспериментальных значений прочности сцепления покрытия из ПГ-19М-01 с основой от температуры подогрева подложки: а) стальная основа; б) основа латунь

Одним из способов снижения остаточных напряжений в покрытиях является термическая обработка, при которой осуществляется нагрев деталей с покрытиями до температуры, величина которой не превышает температуры плавления материала детали с последующей выдержкой в таком состоянии в течение определенного интервала времени [4, 5]. В большинстве случаев термообработка проводится при высоких температурах и длительное время. В данном разделе предложен способ, не требующий высоких температур и длительного времени выдержки.

Остаточные напряжения наиболее опасны на границе раздела покрытия и основы и по величине не могут превосходить наименьшего из пределов текучести основы и покрытия. Согласно термомеханическому способу уменьшения остаточных напряжений [6], на эти напряжения можно наложить упругие температурные напряжения, которые при взаимодействии с имеющимися в покрытии и основе остаточными напряжениями приводят к пластической деформации. Наведение термоупругих напряжений возможно путем нагрева системы покрытие-основа [7]. При этом нагрев необходимо проводить до температуры, при которой из-за разницы в коэффициентах линейного расширения в пограничных слоях между покрытием и основой возрастающие внутренние напряжения могут превысить предел текучести основы или покрытия. Тогда в материале, где внутренние напряжения превышают предел текучести, произойдут пластические деформации. После снятия поля температурных напряжений образуется новое поле остаточных напряжений с меньшим уровнем на границе покрытия и основы (рисунок 5).

Рисунок 5 – Наложение термоупругих напряжений при напылении W на Al:

○ – исходное состояние остаточных напряжений; □ – температурные напряжения;

_* – конечное состояние остаточных напряжений

Положительный эффект снижения уровня остаточных напряжений возможен при наложении термоупругих напряжений (ТН), если при нагреве остаточные напряжения возрастают и превышают предел текучести. Если при нагреве происходит разгрузка остаточных напряжений, то наложение термоупругих напряжений приведет к повышению остаточных напряжений.

На рисунке 6 показано влияние циклического нагрева до 300°С покрытия Аl₂O₃ и стальной основы на прочность сцепления. Из рисунка видно, что наложение одного цикла термоупругих напряжений привело к повышению прочности керамического покрытия на стальной подложке в 1,4…1,8 раза.

Учитывая снижение остаточных напряжений в покрытии при наложении термоупругих напряжений, нами проведено напыление покрытия повышенной толщины из вольфрама на алюминиевую подложку (рисунок 7).

Рисунок 6 – Влияние наложения термоупругих напряжений (TH) в стальной подложке на прочность сцепления покрытия Al₂O₃

Рисунок 7 – Зависимость прочности сцепления покрытия из вольфрама на алюминии от толщины покрытия: 1 – при наложении термоупругих напряжений;

2 – без наложения термоупругих напряжений

Процесс плазменного напыления покрытия был разбит на этапы, в течение первого из которых наносился слой толщиной = 0,4…0,5 мм по обычной технологии с охлаждением подложки. Проведение следующих этапов сопровождалось контролем температуры подложки алюмелевой термопарой.

При достижении температуры 300°С напыление прекращалось и подложка с покрытием охлаждалась в ванне с водой до температуры окружающей среды. Затем процесс наращивания слоев покрытия повторялся. Таким способом удается напылить вольфрам на алюминии практически неограниченней толщины, в то время как при обычном способе напыления с интенсивным охлаждением подложки гарантированного покрытия получить толщиной > 1,5 мм не удавалось (см. рис. 3). Наложение подслоя с промежуточными значениями теплофизических характеристик по отношению к характеристикам материалов покрытия и основы приводит к снижению уровня остаточных напряжений в покрытии и соответственно к повышению прочности сцепления покрытия с основой, как это видно из рисунка 8.

Рисунок 8 – Влияние материала подслоя толщиной 0,1 мм на прочность сцепления покрытий из Al₂O₃ на алюминии

Однако в ряде случаев такого соответствия не наблюдается из-за влияния на прочность сцепления химического, диффузионного и других видов взаимодействия материалов покрытия и основы, в результате которого связи покрытия с основой или усиливаются или ослабляются. При напылении подслоя наблюдается оптимальная его толщина, при которой уровень остаточных напряжений в покрытии минимален (рисунок 9).

Рисунок 9 – Влияние толщины подслоя из NiCr на уровень остаточных напряжений в покрытии Al₂O₃ на стали

Результаты анализа влияния различных параметров процесса напыления на остаточные напряжения и прочность сцепления покрытий показывают, что разработанная модель напряженно-деформированного состояния системы покрытие-основа позволяет определить оптимальные значения таких параметров, как интенсивность охлаждения подложки , толщина подслоя , температура нагрева напыленного покрытия при наложении термоупругих напряжений, при которых снижение остаточных напряжений сопровождается повышением прочности сцепления.

Выводы:

1. Применение интенсивного охлаждения напыляемой поверхности водой путем ее разбрызгивания способствует повышению прочности покрытий по сравнению с охлаждением струей сжатого воздуха на 20…30% за счет перераспределения остаточных напряжений (уменьшением их на границе покрытия с основой и увеличением в поверхностных слоях). Предварительный нагрев стальной основы до температуры 320°С превышает прочность сцепления покрытия ПГ-19М-01 в 1,5…2 раза. Наложение термоупругих напряжений на систему покрытие-основа путем нагрева позволило получить покрытия из W на алюминиевом сплаве без подслоя практически неограниченной толщины.

2. Установлено, что снижение уровня остаточных напряжений при их регулировании однозначно соответствует повышению прочности сцепления покрытия лишь при постоянстве среднемассовой температуры частиц в процессе напыления. При этом режимы напыления (ток, расход и состав плазмообразующего газа) определяются из условия обеспечения среднемассовой температуры частиц, соответствующей максимуму прочности сцепления или заданной пористости. Регулирование остаточными напряжениями в системе покрытие-основа возможно управлением расхода наносимого материала, скоростью перемещения плазмотрона, а также предварительным нагревом подложки и ее охлаждением.

Список использованных источников:

1. Marayama Yuzo, Takeuchi Hiroaki, Mitsuda Shoichi, Ueda Shigetomo. Kindzoky hemen gidzyuzy // J. Metal Finish Soc. Jap. – 1987. – №1. – P. 576 – 581.

2. Газотермическое напыление / кол. авторов; под общей ред. Л.Х. Балдаева. – М.: Маркет ДС, 2007. – 344 с.

3. Кулик А.Я. Остаточные напряжения в оксидных плазменных покрытиях / А.Я. Кулик, Е.А. Шаронов, А.Ю. Мезерницкий // Теория и практика газотермического нанесения покрытий. – Рига: Зинатне, 1980. – Том 2. – С. 12 – 16.

4. Глинский М.А. Разработка САЕ-системы проектирования технологических процессов упрочнения и восстановления деталей машин с использованием плазменных методов / М.А. Глинский, А.Ф. Пузряков, И.Н. Кравченко // Технология машиностроения. – 2012. – № 2. – С. 55 – 59.

5. Bertram W., Schemmer M. Haftfestigkeit von Metallschichten auf Stahlen bei statischer und wechseinder Beanspruchung // Z. Werkstofftechn. – 1985. – №1. – P. 1 – 12.

6. Антонов А.А. Регулирование остаточных сварочных напряжений путем наведения термоупругих напряжений / А.А. Антонов // Физика и химия обработки материалов. – 1991. – № 1. – С. 121 – 124.

7. Кравченко И.Н. Методика обоснования процесса перераспределения остаточных напряжений в наплавленных покрытиях путем их нагрева и охлаждения / И.Н. Кравченко, Е.В. Панкратова, А.В. Шиян // Механизация строительства. – 2011. – № 10. – С. 13 – 16.