Помощь студентам в учебе
Расчет НДС в системе «подложка - покрытие» при тепловом нагружении
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ РАСЧЕТА НДС В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА-ПОКРЫТИЕ» ПРИ ТЕПЛОВОМ
НАГРУЖЕНИИ 9
1.1. Аналитическое решение задачи 9
1.2. Численное решение задачи 11
1.3. Постановка задачи исследования 15
2. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА НДС В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА-ПОКРЫТИЕ» ПРИ ТЕПЛОВОМ
НАГРУЖЕНИИ 17
2.1. Построение аналитической модели задачи с учетом изгибной
составляющей НДС 17
2.2. Апробация аналитической модели при разработке архитектуры EBC-
покрытия 20
2.2.1. Высокотемпературная газовая коррозия металлических
материалов, жаростойкость 20
2.2.2. EBC-покрытия 24
2.2.3. Постановка задачи апробации модели 29
2.2.4. Анализ НДС в системе «подложка - EBC-покрытие» с учетом
изгиба 34
2.2.5. Сравнение НДС в системе «подложка - EBC-покрытие» с учетом
изгиба и без него 38
2.3. Постановка и решение задачи оптимизации архитектуры EBC -
покрытия 43
2.3.1. Оптимальное планирование 43
2.3.2. Постановка задачи оптимизации 44
2.3.3. Решение задачи оптимизации 45
3. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА НДС В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА-ПОКРЫТИЕ» ПРИ ТЕПЛОВОМ
НАГРУЖЕНИИ 50
3.1. Постановка задачи 50
3.2. Разработка методики численного решения задачи с учетом изгиба... .51
3.3. Сравнение результатов аналитического и численного расчета НДС в
системе «подложка - EBC-покрытие» 59
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 66
1. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ РАСЧЕТА НДС В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА-ПОКРЫТИЕ» ПРИ ТЕПЛОВОМ
НАГРУЖЕНИИ 9
1.1. Аналитическое решение задачи 9
1.2. Численное решение задачи 11
1.3. Постановка задачи исследования 15
2. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА НДС В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА-ПОКРЫТИЕ» ПРИ ТЕПЛОВОМ
НАГРУЖЕНИИ 17
2.1. Построение аналитической модели задачи с учетом изгибной
составляющей НДС 17
2.2. Апробация аналитической модели при разработке архитектуры EBC-
покрытия 20
2.2.1. Высокотемпературная газовая коррозия металлических
материалов, жаростойкость 20
2.2.2. EBC-покрытия 24
2.2.3. Постановка задачи апробации модели 29
2.2.4. Анализ НДС в системе «подложка - EBC-покрытие» с учетом
изгиба 34
2.2.5. Сравнение НДС в системе «подложка - EBC-покрытие» с учетом
изгиба и без него 38
2.3. Постановка и решение задачи оптимизации архитектуры EBC -
покрытия 43
2.3.1. Оптимальное планирование 43
2.3.2. Постановка задачи оптимизации 44
2.3.3. Решение задачи оптимизации 45
3. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ РАСЧЕТА НДС В СИСТЕМЕ «ПОДЛОЖКА-ПОКРЫТИЕ» ПРИ ТЕПЛОВОМ
НАГРУЖЕНИИ 50
3.1. Постановка задачи 50
3.2. Разработка методики численного решения задачи с учетом изгиба... .51
3.3. Сравнение результатов аналитического и численного расчета НДС в
системе «подложка - EBC-покрытие» 59
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 66
В настоящее время во многих отраслях промышленности (авиационной,
космической, ракетной, машиностроительной и др.) особое внимание уделяется
вопросам увеличения тактико-технических характеристик создаваемых изделий, повышения их надежности, ресурса и экономичности. Решение проблем
требует применения материалов, способных работать в различных агрессивных
средах, в условиях циклических и знакопеременных нагрузок, высоких температур, давлений, вибраций, в том числе, при взаимодействии со скоростными
высокоэнтальпийными потоками окислительных газов (воздуха, продуктов сгорания топлив) и т.д.
Многие рабочие параметры и эксплуатационные характеристики изделий
в основном определяются физико-химическим состоянием поверхностного слоя
материалов, из которых они изготовлены. Использование однородных по
структуре материалов в большинстве случаев является недопустимым из-за невозможности одновременного удовлетворения ими многочисленных, зачастую
противоречивых, требований. Поэтому целесообразно применение либо функционально-градиентных материалов с плавным изменением химического состава и структуры по толщине, либо материалов со специальными многослойными
защитными покрытиями конечных толщин, химический состав и структурно-фазовое состояние которых качественно отличаются от аналогичных характеристик материала основы. Использование покрытий технически и экономически предпочтительнее в силу широты спектра решаемых с их помощью задач.
Номенклатурный перечень разработанных к настоящему времени специальных защитных покрытий и методов их нанесения довольно широк. Покрытия имеют самые разнообразные свойства – износостойкость, коррозионную
стойкость, жаростойкость, термостойкость, заданные тепло-, электро- и оптические свойства и т.д. Тем не менее, мировые достижения в области создания
функциональных покрытий отстают от возрастающих требований разработчиков перспективной техники, особенно в ракетно-космической отрасли. Поэтому
приоритетной является задача создания новых, более эффективных защитных
покрытий, а также технологий их нанесения и ремонта (при необходимости).
При переходе от основного (несущего) материала к наслоенному покрытию неизбежно возникает скачок или градиент свойств, в частности, коэффициента температурного линейного расширения (КТЛР), в результате чего в многослойной системе появляются постоянные (остаточные, наведенные) или временные (термические) внутренние напряжения. Они приводят к снижению адгезионной прочности сцепления, к увеличению скорости разрушения покрытий
в процессе эксплуатации, особенно в местах с малым радиусом закругления поверхностей (на острых кромках, зонах изменения геометрии). При напряжениях
сжатия, превышающих допустимый предел, слои покрытия отслаиваются друг
от друга и от основы, а при напряжениях растяжения в них возникают трещины. Поэтому, за редкими исключениями, следует принимать меры, направленные на снижение термомеханических напряжений в многослойных композициях. Вместе с тем напряжения сжатия предпочтительнее напряжений растяжения
с точки зрения сопротивления усталостным или термоусталостным разрушениям. Кроме того, подавляющее большинство материалов, используемых для получения неорганических покрытий, демонстрируют в условиях сжатия более
высокий уровень механических свойств, чем при растяжении.
Большое влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства
изделий с покрытиями свидетельствует о необходимости серьезного контроля
этого параметра качества. Более того, его логично использовать при выборе
направлений разработки новых покрытий, особенно на ранних стадиях принятия конструкторских решений, в том числе, при проектировании или совершенствовании структуры покрытий и прогнозировании ряда их эксплуатационных
свойств. Это позволит, с одной стороны, научно подойти к разработке архитектуры покрытий (выбору химического и фазового состава слоев, их количества и
толщин), а с другой – существенно сократить количество экспериментальных
1 Неорганические – состоящие из неорганических соединений металлов, например, оксидов, нитридов, боридов,
карбидов, силицидов и других керамических, бескислородных и керамоподобных химических соединений.
космической, ракетной, машиностроительной и др.) особое внимание уделяется
вопросам увеличения тактико-технических характеристик создаваемых изделий, повышения их надежности, ресурса и экономичности. Решение проблем
требует применения материалов, способных работать в различных агрессивных
средах, в условиях циклических и знакопеременных нагрузок, высоких температур, давлений, вибраций, в том числе, при взаимодействии со скоростными
высокоэнтальпийными потоками окислительных газов (воздуха, продуктов сгорания топлив) и т.д.
Многие рабочие параметры и эксплуатационные характеристики изделий
в основном определяются физико-химическим состоянием поверхностного слоя
материалов, из которых они изготовлены. Использование однородных по
структуре материалов в большинстве случаев является недопустимым из-за невозможности одновременного удовлетворения ими многочисленных, зачастую
противоречивых, требований. Поэтому целесообразно применение либо функционально-градиентных материалов с плавным изменением химического состава и структуры по толщине, либо материалов со специальными многослойными
защитными покрытиями конечных толщин, химический состав и структурно-фазовое состояние которых качественно отличаются от аналогичных характеристик материала основы. Использование покрытий технически и экономически предпочтительнее в силу широты спектра решаемых с их помощью задач.
Номенклатурный перечень разработанных к настоящему времени специальных защитных покрытий и методов их нанесения довольно широк. Покрытия имеют самые разнообразные свойства – износостойкость, коррозионную
стойкость, жаростойкость, термостойкость, заданные тепло-, электро- и оптические свойства и т.д. Тем не менее, мировые достижения в области создания
функциональных покрытий отстают от возрастающих требований разработчиков перспективной техники, особенно в ракетно-космической отрасли. Поэтому
приоритетной является задача создания новых, более эффективных защитных
покрытий, а также технологий их нанесения и ремонта (при необходимости).
При переходе от основного (несущего) материала к наслоенному покрытию неизбежно возникает скачок или градиент свойств, в частности, коэффициента температурного линейного расширения (КТЛР), в результате чего в многослойной системе появляются постоянные (остаточные, наведенные) или временные (термические) внутренние напряжения. Они приводят к снижению адгезионной прочности сцепления, к увеличению скорости разрушения покрытий
в процессе эксплуатации, особенно в местах с малым радиусом закругления поверхностей (на острых кромках, зонах изменения геометрии). При напряжениях
сжатия, превышающих допустимый предел, слои покрытия отслаиваются друг
от друга и от основы, а при напряжениях растяжения в них возникают трещины. Поэтому, за редкими исключениями, следует принимать меры, направленные на снижение термомеханических напряжений в многослойных композициях. Вместе с тем напряжения сжатия предпочтительнее напряжений растяжения
с точки зрения сопротивления усталостным или термоусталостным разрушениям. Кроме того, подавляющее большинство материалов, используемых для получения неорганических покрытий, демонстрируют в условиях сжатия более
высокий уровень механических свойств, чем при растяжении.
Большое влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства
изделий с покрытиями свидетельствует о необходимости серьезного контроля
этого параметра качества. Более того, его логично использовать при выборе
направлений разработки новых покрытий, особенно на ранних стадиях принятия конструкторских решений, в том числе, при проектировании или совершенствовании структуры покрытий и прогнозировании ряда их эксплуатационных
свойств. Это позволит, с одной стороны, научно подойти к разработке архитектуры покрытий (выбору химического и фазового состава слоев, их количества и
толщин), а с другой – существенно сократить количество экспериментальных
1 Неорганические – состоящие из неорганических соединений металлов, например, оксидов, нитридов, боридов,
карбидов, силицидов и других керамических, бескислородных и керамоподобных химических соединений.
Разработана и апробирована методика аналитического исследования НДС
в свободной от внешних усилий и закреплений многослойной системе
«подложка – покрытие» при ее плавном тепловом нагружении. Решение
получено для неоднородной по толщине пластины в постановке плоского
напряженного состояния. Предложенная математическая модель учитывает изгибные деформации, обусловленные изменением кривизны конструкционной стенки вследствие ее неоднородности и несимметричности
относительно срединной поверхности.
2. Построены температурные зависимости тепловых напряжений в слоях
конструкционной стенки «подложка - покрытие». Показано, что учет изгиба приводит к существенному изменению уровня и характера распределения тепловых напряжений по толщине стенки.
3. Поставлена и решена задача условной оптимизации архитектуры перспективного трехслойного EBC-покрытия в системе WC – Yb2Si2O7 –
Yb2SiO5, нанесенного на жаропрочный сплав В-5-МП.
4. Разработана и апробирована методика численного исследования НДС в
многослойной системе «подложка – покрытие» при ее тепловом нагружении на базе МКЭ. Решение получено для полубесконечной пластины в
постановке для обобщенной плоской деформации. Результаты численного решения хорошо согласуются с данными аналитического расчета. Таким образом, обоснована правомерность использования МКЭ для получения корректных оценок НДС в системе «подложка – покрытие».
5. Оценка уровня и характера распределения напряжений позволяет научно
подойти к разработке архитектуры покрытий (выбору химического и фазового состава слоев, их количества и толщин), а также существенно сократить количество экспериментальных исследований и испытаний, время и затраты на их реализацию. Для расчетной оценки температурного и
напряженно-деформированного состояния функциональных покрытий
различного назначения должна быть создана база данных по физикомеханическим и теплофизическим свойствам перспективных материалов
слоев.
в свободной от внешних усилий и закреплений многослойной системе
«подложка – покрытие» при ее плавном тепловом нагружении. Решение
получено для неоднородной по толщине пластины в постановке плоского
напряженного состояния. Предложенная математическая модель учитывает изгибные деформации, обусловленные изменением кривизны конструкционной стенки вследствие ее неоднородности и несимметричности
относительно срединной поверхности.
2. Построены температурные зависимости тепловых напряжений в слоях
конструкционной стенки «подложка - покрытие». Показано, что учет изгиба приводит к существенному изменению уровня и характера распределения тепловых напряжений по толщине стенки.
3. Поставлена и решена задача условной оптимизации архитектуры перспективного трехслойного EBC-покрытия в системе WC – Yb2Si2O7 –
Yb2SiO5, нанесенного на жаропрочный сплав В-5-МП.
4. Разработана и апробирована методика численного исследования НДС в
многослойной системе «подложка – покрытие» при ее тепловом нагружении на базе МКЭ. Решение получено для полубесконечной пластины в
постановке для обобщенной плоской деформации. Результаты численного решения хорошо согласуются с данными аналитического расчета. Таким образом, обоснована правомерность использования МКЭ для получения корректных оценок НДС в системе «подложка – покрытие».
5. Оценка уровня и характера распределения напряжений позволяет научно
подойти к разработке архитектуры покрытий (выбору химического и фазового состава слоев, их количества и толщин), а также существенно сократить количество экспериментальных исследований и испытаний, время и затраты на их реализацию. Для расчетной оценки температурного и
напряженно-деформированного состояния функциональных покрытий
различного назначения должна быть создана база данных по физикомеханическим и теплофизическим свойствам перспективных материалов
слоев.