Badania naprężeń własnych w powłokach natryskiwanych metodą HVOF

Transkrypt

1 Dariusz Golański Tomasz Chmielewski Grzegorz Gontarz Jolanta Zimmerman Władysław Włosiński Badania naprężeń własnyh w powłokah natryskiwanyh metodą HVOF residual stress investigations in oatings deposited by HVOF thermal spraying Stre zzenie W pray przedstawiono wyniki badań naprężeń własnyh w powłokah metaliznyh (Cu, ni, Ti) natryskiwanyh metodą HVOF na podłoża eramiki korundowej Al 2. naprężenia w powłokah badano przez pomiar krzywizny wygięia powłoki z podłożem oraz z wykorzystaniem zmodyfikowanego równania Stoneya opraowanego przez Clynea. Zbudowano model MES analizowanyh układów powłoka-podłoże, który następnie poddano obiążeniu w taki sposób, aby doprowadzić badany układ do wygięia odpowiadająego rzezywistym zmierzonym ugięiom badanyh próbek. W ten sposób uzyskano obraz stanu naprężeń własnyh na przekroju badanyh złązy wywołany rzezywistym wygięiem próbek. Przedstawiono porównanie wyników wyznazonyh naprężeń w układzie powłoka-podłoże wg równań Clynea oraz z modelu MES. a trat This paper presents the results of residual stresses estimation in the metal oatings (Cu, ni, Ti) thermally sprayed on the Al 2 substrate by the HVOF method. The stresses in the oatings were tested by measuring the bending urvature of the oating and substrate samples and using a modified Stoneys formula developed by Clynea. The FEM model was built to analyze the oatingsubstrate systems subjeted to a load, in suh a way as to bring the system to obtain model defletion orresponding to the atual value measured in the real samples. This way the state of the residual stress in the joints aused by the atual urvature of the samples was obtained. A omparison of the stress results alulated by the Clynes equations in the oating-substrate system and obtained by the FEM model was shown. t p Jednym z ważniejszyh zagadnień badawzyh związanyh z wytwarzaniem powłok metodami natrysku ieplnego jest występowanie w układzie powłokapodłoże naprężeń własnyh [1]. niekorzystny rozkład naprężeń własnyh zarówno w powłoe, jak i na graniy powłoki i podłoża może mieć deydująy wpływ na trwałość eksploatayjną nanoszonyh materiałów. Oena stanu naprężeń w natryskiwanyh powłokah prowadzona jest metodami analityznymi, eksperymentalnymi oraz z wykorzystaniem analiz numeryznyh r a inż ari z ola ki pro P dr a inż toma z C mielew ki mgr inż rzegorz ontarz dr inż olanta immerman Politehnika Warszawska, pro dr a inż łady ław ło i ki Instytut Maszyn Przepływowyh PAn, Warszawa. [2 4]. Każdy z tyh sposobów obarzony jest liznymi uproszzeniami, założeniami zy też błędami pomiarów, dlatego trudno jest ustalić, która z metod umożliwia dokładne określenie wielkośi i rozkładu naprężeń. najzęśiej wykorzystuje się kilka metod. W pray przeprowadzono oblizenia naprężeń w powłokah metaliznyh nanoszonyh na podłoże eramizne z wykorzystaniem modelu analityznego opisanego przez Clynea [5], który opiera się na wygięiu układu dwóh połązonyh płyt. Wyznazone wg tego modelu rozkłady naprężeń na przekroju badanyh powłok uzupełnione zostały o wyniki oblizeń numeryznyh (MES) dla analizowanyh próbek, z któryh otrzymano rozkłady naprężeń powstająyh w zasie hłodzenia powłoki utworzonej na podłożu. Odejmują od siebie oba otrzymane rozkłady naprężeń, uzyskano informaję o naprężeniu wynikająym z proesu tworzenia się powłoki na podłożu. 30

2 odel płyty r wnanie Stoney a Układ powłoka-podłoże możemy rozpatrywać jako połązenie dwóh płyt (rys. 1a). W wyniku różnego skurzu poprzeznego obu materiałów, powstająego w proesie ih hłodzenia, powstaje pewne niedopasowanie płyt Δε (rys. 1b), przy zym układ sił poprzeznyh musi być w równowadze dla ałego układu (rys. 1). Efektem końowym jest zatem wygięie płyt związane z powstająymi momentami gnąymi M (rys.1d) i opisane krzywizną wygięia k. Gdy powłoka jest dużo ieńsza od podłoża, naprężenia w podłożu stają się pomijalne, a naprężenie w powłoe nie będzie się znaząo zmieniać na grubośi ze względu na powstająe wygięie płyt. Zagadnienie takie, opisane równaniem Stoneya [6] wiążąym krzywiznę wygięia układu powłoka-podłoże z naprężeniem w powłoe przedstawia zależność: ( 1 1 ) σ = 1 E 2 s h s 6 (1 v s ) h r 2 r 1 Jeśli grubość powłoki nie jest dużo mniejsza od grubośi podłoża, należy zmodyfikować równanie (1). Ponadto nie można pominąć naprężeń w podłożu, które mogą przybierać istotne wartośi. Spośród wielu różnyh modyfikaji równania Stoneya najszerzej przyjął się model Tsui-Clynea [7], którzy opisali w sposób analityzny układ dwóh płyt o znanym niedopasowaniu Δε, uzyskują rozwiązanie umożliwiająe wyznazenie naprężeń w powłoe i podłożu: naprężenie na powierzhni górnej powłoki: σ = E Δε( h s y= h ) + k(h δ) (2) h naprężenie na powierzhni dolnej powłoki: σ = E Δε( h s ) y= 0 k δ h naprężenie na powierzhni górnej podłoża: σ E s = Δε( h s ) y= 0 k δ h naprężenie na powierzhni dolnej podłoża: σ E s = Δε( h s ) y= k(h s +δ) hs h gdzie: σ,s naprężenie w powłoe () i podłożu (s), Δε =(α s α ) ΔT, α,s współzynnik rozszerzalnośi ieplnej powłoki i podłoża, ΔT różnia temperatury generująa odkształenie, = /(1 v ), = /(1 v s ), h,s grubość powłoki i podłoża,,s moduł Younga powłoki i podłoża, k krzywizna wygięia (1/r), δ położenie osi obojętnej układu płyt. Mierzą ugięie próbek po naniesieniu powłoki można oblizyć promień oraz krzywiznę wygięia, na podstawie któryh możliwe jest rozwiązanie równań (2) (5) i wyznazenie naprężeń w powłoe i podłożu. (1) (3) (4) (5) Ry 1 Shemat powstawania wygięia w układzie dwóh płyt opisująyh powłokę i podłoże ig 1 The sheme of defletion of two plates representing oating and substrate Ry 2 Ugięie podłoża z powłoką po natryskiwaniu ig 2 The Sheme of oating/substrate defletion after thermal spraying Pomiary wygi ia pr ek po natry kiwani Przeprowadzono próby nanoszenia powłok miedzianyh, niklowyh oraz tytanowyh na podłoże eramiki Al 2 metodą natryskiwania płomieniowego naddźwiękowego (HVOF). Zastosowano system HV-50 firmy Flame Spray Tehnologies z palnikiem HVOF JP Materiały nanoszono w postai proszku o średniy µm, a podłożem eramiznym były płytki prostokątne o wymiarah 20x30x0,593 mm. na rysunku 3 przedstawiono zdjęia fragmentów powierzhni otrzymanyh powłok. Powierzhnia podłoża została równomiernie pokryta nanoszonymi materiałami, a uzyskane powłoki dobrze przylegają do podłoża. Efektem natrysku materiału metaliznego na podłoże eramizne jest wygięie próbki spowodowane zróżniowaniem właśiwośi ieplno-fizyznyh dwóh różnyh materiałów. Ugięie próbek mierzono za pomoą przyrządu z yfrowym zujnikiem zegarowym. Płytki przed proesem były zerowane w przyrządzie, a potem ponownie w nim umieszzone w elu określenia wygięia powstałego 31

3 ta lia I Zmierzone ugięia próbek oraz grubośi nałożonyh powłok ta le I. Measured defletions and thiknesses of deposited oatings by HVOF method Ugięie próbki, mm powłoka Cu Średnie ugięie mm Średnia grubość powłoki mm 0,064 0,071 0,069 0,038 0,061 0,105 powłoka Ti 0,088 0,063 0,052 0,053 0,064 0,119 powłoka ni 0,066 0,084 0,064 0,063 0,069 0,133 a) ) ) Ry 3 Zdjęia próbek eramiznyh z naniesionymi powłokami metalowymi: a) Cu, b) ni, ) Ti ig 3 The pitures of erami samples oated with: a) opper, b) nikel, ) titanium układu powłoka-podłoże. W tabliy I przedstawiono zmierzone wartośi ugięia próbek z natryskiwanymi powłokami oraz zmierzonymi grubośiami powstałyh powłok. Grubośi średnie badanyh powłok metalowyh (wyznazone z ztereh próbek) wyniosły od 0,1 do 0,133 mm. na podstawie zmierzonego ugięia próbek h oraz rozstawu podpór pomiarowyh (a = 27 mm), wykorzystują zależnośi geometryzne (rys. 4), oblizono promień krzywizny r oraz krzywiznę próbek k z powłokami. odel S powłoka-podłoże W elu porównania wyników naprężeń w powłoe i podłożu, otrzymanyh z pomiarów krzywizny wygięia próbek oraz równań opraowanyh przez Stoneya i Clynea, zbudowano model elementów skońzonyh układu powłoka-podłoże odpowiadająy geometrii analizowanyh próbek. Model ten odzwieriedlał geometrię Ry 4 Shemat oblizania promienia i krzywizny wygięia na podstawie ugięia próbki ig 4 The sheme of alulation the sample radius and urvature after oating deposition i wymiary natryskiwanyh wześniej próbek. na model nałożono siatkę elementów skońzonyh składająą się z ośmiowęzłowyh (łąznie węzłów) elementów zworokątnyh (rys. 5). Dane materiałowe dla eramiki Al 2 i miedzi, niklu oraz tytanu przyjęto na podstawie dostępnyh źródeł literaturowyh [8 10]. Oblizenia prowadzono przy użyiu programu LUSAS v.14-7 opartego na metodzie elementów skońzonyh. Zagadnienie rozwiązywano jako dwuwymiarowe w płaskim stanie naprężenia w zakresie termosprężystym. Zbudowano po 3 modele z powłoką miedzianą, tytanową i niklową o grubośiah powłok wynosząyh odpowiednio: 0,105; 0,110 i 0,133 mm i stałej grubośi podłoża Al 2 równej 0,593 mm. Model ten obiążano różnią temperatury (spadkiem) o takiej wielkośi, aby wywołać wygięie próbki wynikająe ze zróżniowanego skurzu poprzeznego materiału powłoki oraz podłoża. Dla każdego materiału powłoki oraz jej grubośi zmieniano wielkość obiążenia termiznego (spadku temperatury) połązenia w ten sposób, aby uzyskać ugięia zbliżone do zmierzonyh na rzezywistyh próbkah. Umożliwiło to określenie wielkośi oraz rozkładu naprężeń własnyh w badanyh układah powłoka-podłoże. 32

4 Ponieważ próbki z natryskanymi na podłoże Al 2 powłokami Cu, Ti, ni ulegały różnym wygięiom to wielkość obiążenia termiznego modelu była różna dla poszzególnyh materiałów. Uzyskano zgodność wygięia modelu MES z wygięiem próbek mierzonym po natrysku HVOF dla następująyh wielkośi obiążenia: dla powłoki Cu było to ΔT = 100 C, dla powłoki ni ΔT = 95 C, dla powłoki Ti ΔT = 425 C. Dla elów porównawzyh otrzymanyh wyników analizowano jedynie składową naprężenia σ xx na kierunku x. na rysunku 6 przedstawiono mapę obrazująą rozkład naprężeń σ xx oblizony dla modelu z powłoką miedzianą (ΔT = 100 C). W pozostałyh analizowanyh modelah (powłoki ni i Ti) rozkłady naprężeń σ xx były jakośiowo identyzne z modelem z powłoką miedzianą. Ry 5 Siatka elementów skońzonyh dla modelu powłoki nałożonej na podłoże eramizne ig 5 The finite element mesh of the model of oating deposited onto erami substrate Ry 6. Mapa (fragment) rozkładu naprężenia σ xx w modelu powłoki Cu na podłożu Al 2 hłodzonyh do temperatury otozenia (ΔT=100 C) ig 6 The map (a part) of σ xx stress distribution in the model of Cu oating substrate ooled down to ambient temperature (ΔT=100 C) yniki o lize napr że Końowe naprężenia własne (σ res ) w natryskiwanyh powłokah są sumą naprężeń pohodząyh od hłodzenia natryskiwanyh ząstek materiału na podłożu (σ q ) oraz naprężeń powstająyh w zasie hłodzenia utworzonej powłoki i podłoża jako ałośi (σ ): σ res = σ q + σ (6) Wyznazone rozkłady naprężeń w powłoe i podłożu (σ res ) z wykorzystaniem pomiarów krzywizny wygięia próbek zawierają w sobie oba rodzaje naprężeń wynikająyh z ałego proesu formowania się powłoki metalowej na eramiznym podłożu. Przeprowadzone modelowanie numeryzne naprężeń własnyh obejmowało naprężenia pohodząe od fazy hłodzenia utworzonej na podłożu eramiznym powłoki metalowej (σ ). Stąd, odejmują od naprężeń wyznazonyh na podstawie krzywizny wygięia próbek naprężenia oblizone metodą MES otrzymamy tę zęść naprężeń własnyh (σ ), jaka wynika z proesu formowania się powłoki metalowej aż do osiągnięia pełnej grubośi. na rysunkah 7 9 przedstawiono rozkłady naprężeń własnyh w analizowanyh powłokah miedzianyh, niklowyh oraz tytanowyh wyznazone w opariu o model Clynea na podstawie pomiarów krzywizny wygięia próbek, tzn. naprężenia sumaryzne (σ res ), naprężenia oblizone numeryznie dla etapu hłodzenia utworzonego układu powłoka-podłoże do temperatury otozenia (σ ), oraz naprężenia od natrysku opisująe etap osadzania się powłoki metalowej na podłożu eramiznym (σ q ) wyznazone geometryznie przez odjęie rozkładów naprężeń σ od naprężeń σ res. Z przedstawionyh oblizeń wynika, że naprężenia końowe (σ res ) we wszystkih natryskiwanyh powłokah mają harakter roziągająy o wartośiah do 130 MPa dla miedzi, 333 MPa dla niklu oraz do 92 MPa dla tytanu. na graniy powłoka-podłoże występuje skok naprężenia do wartośi ujemnyh (powłoka Cu, Ti) lub dodatnih (powłoka ni) po stronie eramiki. niska różnia współzynników rozszerzalnośi ieplnyh między tytanem i eramiką sprzyja niezbyt wysokiemu poziomowi naprężeń w powłoe. Podobne wielkośi naprężeń wyznazono w powłoe miedzianej, dla której ta różnia jest stosunkowo wysoka. Jednak z pewnośią ma tu bardzo duży wpływ wysoka plastyzność miedzi, dzięki której łatwość deformaji plastyznej umożliwia znazną redystrybuję naprężeń podzas tworzenia i stygnięia układu powłoka-podłoże. W tym kontekśie, w powłoe niklowej wyznazone naprężenia są dużo wyższe niż w pozostałyh powłokah. Z jednej strony nikiel ma niewiele niższy współzynnik rozszerzalnośi ieplnej od miedzi, ale z drugiej nie jest na tyle plastyzny, aby w takim stopniu jak miedź redukował poziom naprężeń. Wielkość naprężeń w powłoe zależy w dużym stopniu od właśiwośi ieplnyh oraz fizyznyh materiału powłoki i podłoża. Dominująą rolę odgrywa tu różnia współzynników rozszerzalnośi ieplnyh obu materiałów zy też różnia ih sztywnośi opisana przez moduł Younga. Obie te wielkośi są zęsto zależne od temperatury, przy zym współzynnik rozszerzalnośi ieplnej (α) większośi metali i eramiki rośnie z temperaturą, a moduł Younga (E) maleje. Z pewnym przybliżeniem można założyć, że ilozyn α E dla danego materiału jest wartośią niezmienną od temperatury. Taka zależność wykorzystywana jest przez wielu autorów do oeny równozesnego wpływu tyh dwóh właśiwośi na wielkość naprężeń w konstrukji. W przypadku analizowanyh materiałów powłokowyh zależność tę przedstawiono na rysunku 10. na jej podstawie widać, że powyżej pewnej wielkośi ilozynu α E (2,2 2,5) następuje gwałtowny wzrost naprężeń w powłoe oraz skok naprężenia na graniy połązenia. 33

5 Ry 7 Rozkład naprężeń własnyh σ xx w powłoe miedzianej natryskiwanej na podłoże Al 2 ig 7 Residual stress distribution (σ xx ) in Cu oating thermally sprayed substrate Ry 8 Rozkład naprężeń σ xx w powłoe niklowej natryskiwanej na podłożu Al 2 ig 8 Residual stress distribution (σ xx ) in ni oating thermally sprayed substrate Ry 9 Rozkład naprężeń σ xx w powłoe tytanowej natryskiwanej na podłożu Al 2 ig 9 Residual stress distribution (σ xx ) in Ti oating thermally sprayed substrate Ry 10 Wpływ ilozynu współzynnika rozszerzalnośi ieplnej i modułu Younga powłoki na wielkość naprężeń w powłoe oraz różnię naprężeń na graniy powłoka-podłoże ig 10 The relation between the produt α E for the oating and the residual stresses in oating and stress hange at the oatingsubstrate interfae. nio ki Przedstawiono sposób wyznazania naprężeń własnyh na przykładzie powłok metalowyh (Cu, ni, Ti) natryskiwanyh na podłoże eramizne Al 2 metodą HVOF. Wykorzystano w tym elu równania (Clynea) oparte na modelu dwóh płyt, w któryh występuje niedopasowanie odkształeń Δε. Stanowią one rozwinięie modelu Stoneya, opraowanego dla warunków, gdy powłoka jest dużo ieńsza od podłoża, o w przypadku proesów natryskiwania najzęśiej nie występuje. Oblizenia naprężeń opierają się na zmierzonym po proesie natryskiwania ugięiu próbki i wyznazonym na tej podstawie promieniu oraz krzywiźnie wygięia. Oblizone na tej podstawie wielkośi obrazują naprężenia własne końowe w układzie powłoka-podłoże po ałym proesie natryskiwania. Badania uzupełniono o oblizenia numeryzne (MES) dla modeli odzwieriedlająyh badane materiały, w któryh wprowadzono takie obiążenie termizne, aby uzyskać zbliżone ze zmierzonymi wygięia próbek. Otrzymane naprężenia stanowią zęść naprężeń końowyh obrazująą stan wynikająy z etapu hłodzenia utworzonej na podłożu eramiznym powłoki metalowej. Pozostałą zęść naprężeń obejmuje stan z etapu formowania się powłoki na podłożu w proesie nanoszenia materiału powłokowego. Została ona w pray wyznazona na podstawie różniy naprężeń ałkowityh oraz naprężeń wyznazonyh z etapu hłodzenia utworzonej na podłożu eramiznym powłoki. należy podkreślić, że oblizenia zawierają wiele uproszzeń, przez o rzezywisty stan naprężeń w badanyh układah może różnić się od podanego. 34

6 Wpływają na to lizne zynniki, jak np. zagadnienia związane z deformają plastyzną ząstek metalu padająyh na podłoże i ih dalszym płynięiem plastyznym, zy też zagadnienia niestajonarnego przepływu i wymiany iepła między powierzhniami powłoki i podłoża. Analizie naprężeń poddano trzy materiały powłokowe różniąe się właśiwośiami ieplno-fizyznymi i mehaniznymi. Z punktu widzenia ih połązenia z podłożem eramiznym Al 2 zarówno miedź, jak i nikiel mają od niej znaznie wyższe współzynniki rozszerzalnośi ieplnej, podzas gdy dla tytanu ta różnia jest nieznazna. Z drugiej strony wysoka plastyzność miedzi sprzyja jej deformaji i powstawaniu odkształeń plastyznyh, które w dużym stopniu ułatwiają redystrybuję powstająyh naprężeń o trudniej osiągąć w materiałah o wyższej graniy plastyznośi (ni, Ti). Przedstawione w pray wspólne oddziaływanie współzynnika rozszerzalnośi ieplnej (α) oraz sztywnośi powłoki opisanej modułem Younga (E) na naprężenia w powłoe i na graniy powłoka-podłoże pokazało, że przekrozenie pewnej wartośi ilozynu α E (2,2 2,5) prowadzi do szybkiego wzrostu naprężeń roziągająyh w powłoe, o wystąpiło w przypadku powłoki niklowej harakteryzująej się wysokim współzynnikiem α oraz większą sztywnośią w stosunku do pozostałyh materiałów. Dalsze badania z udziałem większej lizby materiałów powłokowyh o zróżniowanyh właśiwośiah są wskazane, aby potwierdzić opisane zależnośi. Przedstawiona analiza zakłada zysto sprężyste zahowanie się materiałów, o w rzezywistośi spełnione jest jedynie dla eramiznego podłoża. niemniej jednak powstająe po proesie natryskiwania wygięia próbek są na tyle małe, że mieszzą się w zakresie sprężystym, dla którego ważne są zależnośi opraowane dla modelu dwóh płyt. Uzyskane wyniki odzwieriedlają wię w pewnym stopniu proes powstawania naprężeń własnyh w natryskiwanyh powłokah metalowyh i z tego względu są ważnym elementem harakterystyki właśiwośi natryskiwanyh powłok. Zaletą przestawionej metody oeny naprężeń jest łatwość i niski koszt jej przeprowadzenia. Literat ra [1] Pawłowski L.: The Siene and Engineering of Thermal Spray Coatings. John Wiley & Sons, Ltd [2] Lindemann Z., Zimmerman J., Golański D., Chmielewski T. Włosiński W.: Modelowanie naprężeń własnyh generowanyh w proesie termiznego nanoszenia powłok. Biuletyn Instytutu Spawalnitwa, nr 5/2012, s [3] Ju D.Y., nishida M., Hanabusa T.: Simulation of the thermomehanial behavior and residual stresses in the spray oating proess. Journal of Materials Proessing Tehnology (1999) [4] Totemeier T.C., Wright J.K.: Residual stress determination in thermally sprayed oatings a omparison of urvature models and X-ray tehniques. Surfae & Coatings Tehnology 200 (2006) [5] Clyne T.W., Gill S.C.: Residual Stresses in Surfae Coatings and Their Effets on Interfaial Debonding: A Review of Reent Work. J. Thermal Spray Tehnology 5(4) (1996) [6] Stoney G.G.: The Tension of Metalli Films deposited by Eletrolysis. Pro. R. So. London, A82 (1909) [7] Tsui Y.C., Clyne T.W.: An analytial model for prediting residual stresses in progressively deposited oatings Part 1: Planar geometry. Thin Solid Films vol. 306 (1997) [8] Goldsmith A., Waterman T.E., Hirhorn H.J.: Handbook of thermophysial properties of solid materials. new York [9] Boyer R., G. Welsh, E. Collings ed.: Materials Property Handbook. Titanium Alloys ASM International, Materials Park, OH, [10] Handbook of Engineering Tables ed. R.C. Dorf, CRC Press LLC, Podzi kowanie Dziękujemy firmie Resurs sp. z.o.o. oraz Panu Andrzejowi Radziejewskiemu za udostępnienie urządzenia do natrysku metodą HVOF. Praa finansowana z projektu Narodowego Centrum Nauki nr N N