РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
2.1. Механизм формирования покрытий при детонационно-газовом напылении. Математическая постановка задачи
Процессы формирования и релаксации, а также методики расчёта остаточных напряжений в системе покрытие-подложка рассматривались в ряде работ [63-66]. Существующие модели расчёта и их особенности приведены на рис. 2.1. Характерной особенностью подавляющего большинства моделей является то, что они учитывают только воздействие теплового фактора при формировании поля остаточных напряжений в системе покрытие-подложка.
Для процессов детонационно-газового нанесения покрытий особое влияние на процесс формирования поля остаточных напряжений оказывает ударное воздействие частицы на подложку [52, 66, 67]. Скорости частиц могут превышать 1000 м/с [1, 23].
В работе [52] исследовалось распределение остаточных напряжений в покрытиях типа карбид вольфрама - никель и карбид хрома - никель, нанесенных на подложки размером 100 х 10 х 2,5 мм из сплавов ВТ-20 и ВЖЛ-14. Напыление проводилось на режиме: GH2 =1,4 ± 0,2 м3/ч; GO2= 2,2 ± 0,2 м3/ч; L=280 мм; скорострельность -2 выстрела в секунду.
Остаточные напряжения в напыленных слоях определялись в процессе непрерывного электрополироваиия.
Как показали исследования[52], в покрытиях на основе карбида вольфрама, плакированного 15% никеля и легированного алюминием (ВНпА-15), и механической смеси карбида вольфрама с 15% никеля (ВНм-15) формируются примерно одинаковые остаточные напряжения. На глубине слоя свыше 0,07 мм наблюдалось формирование растягивающих остаточных напряжений, а вблизи внешней поверхности покрытия - сжимающих.
Рис. 2.1. Модели расчёта остаточных напряжений в системе покрытие-подложка
Максимальная величина сжимающих напряжений - на глубине 0,03 - 0,04 мм и равна 200 МПа. При напылении покрытий типа карбид хрома - никель на подложке ВЖЛ-14 формируются растягивающие напряжения с максимальным значением 240 МПа на внешней поверхности покрытия. Поскольку в обоих случаях коэффициент термического расширения покрытия был существенно ниже, чем коэффициент термического расширения подложки, то авторами [52] сделано предположение о наличии различных механизмов, определяющих условия формирования остаточных напряжении в этих системах.
Формирование покрытий при детонационном напылении происходит в процессе послойного нанесения достаточно тонких слоев с постепенным увеличением температуры системы, пластического деформирования уже напыленных слоев под действием напыляемых частиц и последующего остывания всей системы. Необходимо также отметить влияние стеснения деформации системы из-за жесткого закрепления подложки. Таким образом, в зависимости от доминирования одного из перечисленных факторов будет изменяться механизм формирования остаточных напряжении.
С целью определения преобладающих факторов, авторами [52] были проведены металлографические исследования покрытий. Как свидетельствуют результаты исследований, в процессе напыления частицы никеля и карбида хрома полностью расплавляются, а частицы карбида вольфрама вкраплены в никелевую матрицу и не имеют даже следов оплавления.
Согласно выводам [52], для покрытия карбид вольфрама - никель процесс наклепа (пластического деформирования) ранее напыленных слоев будет существенен, а для покрытия карбид хрома - никель этот процесс не должен быть преобладающим.
Следовательно, превалирующим фактором при напылении частиц из карбидов вольфрама является процесс пластического деформирования, и для расчёта остаточных напряжений в покрытиях данного типа неприменимы модели, учитывающие только тепловой фактор.
Таким образом, возникает задача построения модели для определения величины и распределения остаточных напряжений в системе подложка-покрытие, учитывающей как влияние теплового фактора, так и процессы пластического деформирования.
Задача математического описания процесса ударного взаимодействия характерна тем, что температурные условия в период ударного взаимодействия являются нестационарными, поэтому возникает необходимость учета изменения зависящих от температуры свойств материалов. Также частицы напыляемого материала могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии, что меняет условия ударного взаимодействия.
По степени проплавления частиц, процессы напыления можно разделить на несколько групп (согласно [31]):
- Частицы находятся в твердом состоянии и их деформации незначительны в сравнении с деформацией подложки;
- Частицы находятся в твердом состоянии, но их деформации существенны;
- Частицы полностью проплавлены;
- Частицы находятся в жидком состоянии и имеют твердый керн.
При нанесении покрытий из тугоплавких материалов, имеющей высокую температуру плавления, наиболее приемлемыми являются варианты 1 и 2.
В работе рассматривается процесс напыления покрытий из карбида вольфрама, имеющего высокую температуру плавления, следовательно, в дальнейшем будет принят вариант процесса 1.
Исследование процесса формирования остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемых деталей приводит к необходимости построения математической модели, описывающей механизм соударений и пластического деформирования частиц и подложки в процессе формирования покрытия и нестационарных температурно-силовых полей, которые определяют величину и распределение термических напряжений в системе покрытие-подложка.
Алгоритм решения данной задачи может включать несколько этапов (рис. 2.2.).
Первый этап - включает в себя экспериментальные исследования, направленные на выявление прочности, пористости, модулей упругости материала покрытия, что позволит в дальнейшем прогнозировать распределение остаточных напряжений в системе покрытие-подложка.
Материалы покрытий могут иметь существенные отличия по своим физико-механическим свойствам, которые напрямую зависят от основных энергетических пар