Влияние многослойного покрытия на поведение стальной подложки конструкции при динамическом нагружении

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Влияние многослойного покрытия на поведение стальной подложки конструкции при динамическом нагружении

ВВЕДЕНИЕ

деформация многослойный покрытие

Высокоскоростное (сверхзвуковое) газопламенное напыление (HVOF) является сравнительно недавним дополнением к семейству процессов газотермического напыления. Данная методика по праву считается наиболее современной из технологий напыления. Из-за малой скорости частиц при газоплазменном напылении поверхность частиц успевает окислиться, что приводит к низкой плотности формирования покрытий. Увеличение скорости частиц при меньшей их температуре позволило снизить уровень окисленности частиц и повысить плотность порошкового покрытия. В порошковых распылителях HVOF первого и второго поколений использовалось цилиндрическое сопло, тогда как в третьем поколении используются расширяющиеся профильные сопла Лаваля. Такой подход позволяет скорости потока газа превышать 2000м/с, а скорости частиц порошка 800м/с. При HVOF методике достигается высокая адгезия, а пористость покрытия не превышает 1% [1].

В данной работе исследуется поведение стальной подложки с многослойным покрытием, нанесенным методом HVOF, при динамическом нагружении конструкции ударником при различных скоростях взаимодействия. Задача решалась численно, методом конечных элементов с использованием явной конечно-разностной схемы в рамках модели [2]. Границы раздела между слоями покрытия полагались плоскими, не обладающими кривизной.

1.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассматривается взаимодействие стального компактного цилиндрического ударника с многослойной преградой. Диаметр ударника равен длине и составляет 2мм. В качестве материала ударника применялась сталь марки Сталь 3. Исследуются два типа преград. В первом типе преграды верхний слой нанесен методом HVOF и содержит 87% WC и 13% Co, толщина этого слоя 0,25 мм. Второй слой толщиной 0,205мм - сплав из 95% Ni и 5% Al. Третий слой толщиной 1,5мм - подложка из стали 316L, состоящей из 0.03% C, 1%Si, 2% Mn, 0.045% P, 0.03% S, 16-18% Cr, 2-3% Mo и 10-14% Ni.

Второй тип преграды - однослойная монолитная преграда из стали 316L. Толщина первой и второй преград одинакова - 1,955мм. Толщины слоев в расчетах для первой преграды задавались на основе экспериментальных данных, полученных на сканирующем электронном микроскопе [3]. Механические характеристики используемых материалов приведены в табл. 1. Начальная скорость ударника варьировалась от 50 до 400м/с. Угол встречи (угол между нормалью к преграде и продольной осью ударника) составляет (нормальный удар).

Таблица 1. Механические характеристики материалов.

2.ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рис. 1 приведена расчетная конфигурация ударника и преграды первого типа для начальной скорости 200м/с в момент времени 3мкс. В сечении градациями серого цвета представлены области разрушения, реализующиеся в верхнем слое, полученным методом HVOF. Уровень разрушения характеризуется относительным объемом - отношение объема разрушенного материала в конечном элементе () к общему объему элемента (). Значение соответствует полному разрушению материала.

К 3мкс наблюдается разрушение материала верхнего слоя преграды по всей его толщине, диаметр разрушенной зоны незначительно превышает диаметр ударника. Разрушение верхнего слоя происходит за счет развития в нем растягивающих напряжений возникающих в результате воздействия волн разгрузки и внедрения ударника.

Рис. 1. Расчетная конфигурация. Момент времени =3мкс.

Развитие волновых процессов в преградах можно проследить по графикам на рис. 2, где представлены распределения в различные моменты времени напряжения на оси симметрии по толщине слоистой и монолитной преград. В момент удара по преградам начинают распространяться волны сжатия, причем в многослойной преграде амплитуда волны сжатия на 17% выше, чем в монолитной (кривые 1). Это обусловлено более высокими упругими характеристиками WC-Co по сравнению со сталью 316L. Затем в зону контакта ударника с преградой приходят волны разгрузки, которые образовались в результате отражения волны сжатия от боковой и тыльной поверхности ударника. Эти волны разгрузки распространяются по преграде по направлению к тыльной поверхности, понижая напряжения за волной сжатия. Причем снятие сжимающих напряжений в многослойной преграде сопровождается разрушением верхнего слоя из WC-Co и как следствие ослабление волны разгрузки. Это иллюстрируют кривые 5-8 на рис. 2а - к 1,1мкс напряжения равны нулю по всей толщине верхнего слоя. Поэтому максимальные растягивающие напряжения, которые возникают в подложке в зоне интерференции волн разгрузки, распространяющихся с боковой и тыльной поверхностей ударника и тыльной поверхности преграды, в слоистой преграде меньше на 33%, чем в монолитной. Это существенно снижает вероятность возникновения откольных разрушений в стальной подложке. На рис. 3 приведены кривые описывающие изменения во времени глубины внедрения ударника в слоистую и монолитную преграды для различных начальных скоростей взаимодействия.

аб

Рис. 2. Распределение напряжений по толщине слоистой (а) и монолитной (б) преграды.

Рис. 3. Глубина внедрения ударника в слоистую и монолитную преграды.

Полученные результаты свидетельствуют, что в рассмотренном диапазоне скоростей глубина внедрения ударника меньше в случае слоистой преграды. Например, к 3мкс разница в глубине кратера для слоистой и монолитной преграды составляет: для начальной скорости 100м/с - 57%, для 200м/с - 21%, для 400м/с - 18%. Уменьшение разницы в глубине внедрения ударника с ростом скорости взаимодействия связано с уменьшением влияния прочностных свойств при увеличении скорости удара.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проведен сравнительный анализ проникающей способности ударника в стальную монолитную преграду и преграду с многослойным NiAl - WC-Co покрытием. Исследования показали, что наличие высокопрочного слоя, полученного методом HVOF, повышает сопротивление разрушению конструкции при ударном нагружении. Повышение прочности не пропорционально соотношению объемов покрытия и преграды, а достигается за счет изменения характера развития волновых процессов и связанного с этим снижения уровня растягивающих напряжений в зоне вероятного откола. В результате происходит более интенсивное торможение и деформирование ударника на начальной стадии процесса, что приводит к уменьшению его проникающей способности. Данный эффект наиболее ярко выражен для низких и средних скоростей ударника.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

J. Stokes. The Theory and Application of the HVOF Thermal Spray Process. Dublin City University. Dublin. - 2005.

Радченко А.В. Модель поведения хрупких анизотропных материалов при динамических нагрузках и ее приложения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2003. - №. 2.

J. Jiang, A. Fasth, P. Nylen, W. B. Choi. Microindentation and Inverse Analysis to Characterize Elastic-Plastic Properties for Thermal Sprayed Ti2AlC and NiCoCrAlY. Journal of Thermal Spray Technology. - V. 18. - № 2.

Размещено на Allbest.ru