MODELOWANIE NUMERYCZNE WYBRANYCH ZAGADNIEŃ NATRYSKIWANIA CIEPLNEGO

ISBN: 978-83-7814-906-4

320 stron
format: B5
oprawa: miękka
Rok wydania: 2019

Metody natryskiwania termicznego są jednymi z najbardziej uniwersalnych technik nanoszenia materiałów powłokowych na materiał podłoża. Umożliwiają one wytwarzanie zarówno warstw metalicznych, ceramicznych, jak i kompozytowych, zarówno na podłożach metalicznych, jak i ceramicznych. W procesach natryskiwania podgrzane lub zimne cząstki materiału powłokowego wyrzucane są z dużą prędkością w kierunku podłoża. W końcowym etapie procesu następuje schłodzenie do temperatury otoczenia podłoża wraz z utworzoną powłoką, co generuje naprężenia własne wynikłe z powodu różnic właściwości cieplnych, fizycznych i mechanicznych materiałów powłoki i podłoża. Stan naprężeń własnych w powłoce i podłożu ma istotny wpływ na ich wytrzymałość, odporność na udar termiczny i trwałość zmęczeniową przy cyklicznie zmiennych obciążeniach cieplno-mechanicznych.

SPIS TREŚCI

Wykaz oznaczeń i skrótów

Przedmowa

Wstęp1. Natryskiwanie cieplne powłok1.1. Metody nanoszenia warstw i powłok1.2. Natryskiwanie łukowe1.3. Natryskiwanie plazmowe1.4. Natryskiwanie płomieniowe1.4.1. Natryskiwanie płomieniowe z prędkością poddźwiękową1.4.2. Natryskiwanie płomieniowe z prędkością naddźwiękową HVOF1.5. Natryskiwanie laserowe1.6. Natryskiwanie na zimno (Cold Spray)1.7. Stopowanie i przetapianie laserowe1.7.1. Stopowanie laserowe1.7.2. Przetapianie laserowe powłok1.8. Porównanie metod natryskiwania2. Wybrane właściwości powłok natryskiwanych2.1. Proces tworzenia się powłoki2.2. Przyczepność powłoki do podłoża2.2.1. Wpływ przygotowania powierzchni2.2.2. Wpływ temperatury2.2.3. Wpływ energii kinetycznej2.2.4. Wpływ fizykochemicznych własności materiałów2.3. Naprężenia własne w warstwach powierzchniowych2.4. Naprężenia własne wywołane niedopasowaniem cieplnym3. Materiały powłokowe do natryskiwania3.1. Materiały metalowe3.1.1. Stopy na osnowie żelaza3.1.2. Stopy na osnowie kobaltu3.1.3. Stopy na osnowie niklu3.1.4. Stopy na osnowie miedzi3.2. Czyste metale3.3. Kompozyty ceramiczno-metalowe3.4. Materiały ceramiczne3.5. Tworzywa sztuczne4. Badania powłok nanoszonych termicznie metodą płomieniową i detonacyjną4.1. Badania wstępne powłok nanoszonych termicznie metodą płomieniową i detonacyjną4.2. Charakterystyka materiałów powłokowych4.3. Naprężenia w układzie powłoka-podłoże4.4. Budowa przyrządu do badania wygięcia podłoża z powłoką po procesie natryskiwania4.5. Natryskiwanie powłok tytanowych na podłoża ceramiczne4.6. Wyznaczanie naprężeń własnych w natryskiwanych powłokach4.6.1. Powłoki tytanowe4.6.2. Powłoki kompozytowe Ti+Al2O34.7. Analiza numeryczna naprężeń własnych w powłokach tytanowych i kompozytowych4.7.1. Wyniki obliczeń4.8. Pole temperatury w czasie chłodzenia układu powłoka-podłoże4.8.1. Przedmiot badań4.8.2. Założenia do obliczeń numerycznych4.8.3. Wyniki obliczeń4.8.4. Analiza porównawcza wyników obliczeń rozkładu temperatury4.9. Badania naprężeń w powłokach Ti oraz Ti+Al2O3 natryskiwanych metodą detonacyjną na podłoże Al2O34.9.1. Materiały powłokowe4.9.2. Parametry natryskiwania detonacyjnego4.9.3. Pomiary krzywizny wygięcia w próbkach po natryskiwaniu detonacyjnym4.9.4. Naprężenia w natryskanej powłoce na podstawie krzywizny wygięcia próbki4.10. Podsumowanie5. Modelowanie naprężeń własnych w procesie natryskiwania termicznego5.1. Wstęp - modelowanie fizyczne procesu i generowania naprężeń własnych5.2. Metodologia przyjęta do modelowania naprężeń własnych w termicznie nakładanych powłokach5.3. Modelowanie uderzenia cząstek przy użyciu programu ANSYS-AUTODYN5.4. Wybrane wyniki obliczeń5.5. Modelowanie uderzenia cząstek w podłoże5.6. Uderzenie cząstek Ti w podłoże Al2O3 i cząstek w podwarstwę w procesie natrysku detonacyjnego5.6.1. Wpływ temperatury początkowej cząstki5.7. Model termomechaniczny procesu termicznego natryskiwania5.7.1. Rozkłady temperatury w układzie powłoka Ti-podłoże Al2O3 podczas natryskiwania detonacyjnego5.7.2. Rozkłady naprężeń w układzie powłoka Ti-podłoże Al2O3, natrysk detonacyjny5.7.3. Wpływ temperatury podgrzania podłoża na naprężenia w układzie powłoka Ti-podłoże Al2O35.8. Wpływ prędkości uderzenia na naprężenia własne w układzie powłoka (Ti)-podłoże (Al2O3)5.8.1. Wyniki dynamicznych obliczeń uderzenia cząstki materiału powłokowegow podłoże ceramiczne5.8.2. Uderzenie cząstek materiału powłokowego Ti w podwarstwę powłoki Ti5.8.3. Wyniki obliczeń rozkładów temperatury dla różnych prędkości natryskiwania5.8.4. Wyniki obliczeń ugięć płyty i rozkładów naprężeń dla różnych prędkości natryskiwania5.9. Podsumowanie6. Modelowanie uderzenia pojedynczej cząstki w podłoże6.1. Opis modelu6.2. Model Steinberga-Guinana6.3. Model Johnsona-Holmquista6.4. Model pomocniczy Cu-Cu6.4.1. Budowa geometryczna i numeryczna6.4.2. Symulacja komputerowa6.5. Założenia do modelu cząstka Ti natryskiwana na podłoże ceramiczne i metalowe6.5.1. Wyniki modelowania natryskiwania cząstki Ti na podłoże ceramiczne Al2O3(V = 500 m/s)6.5.2. Model natryskiwania cząstki Ti na podłoże ceramiczne Al2O3 (V = 800 m/s)6.6. Analiza porównawcza symulacji uderzenia cząstek w podłoże ceramiczne i metalowe6.6.1. Cząstka tytanowa6.6.2. Cząstka miedziana6.6.3. Geometria cząstki po uderzeniu w podłoże6.7. Modelowanie uderzenia rozgrzanej cząstki Ti w podłoże ceramiczne6.7.1. Model geometryczny6.7.2. Wyniki symulacji deformacji modeli6.7.3. Rozkład temperatury w układzie cząstka Ti-podłoże Al2O36.7.4. Rozkład naprężeń zredukowanych w układzie cząstka Ti-podłoże Al2O36.8. Podsumowanie7. Badania strukturalne i modelowanie naprężeń własnych w powłokach metalowychnatryskiwanych metodą HVOF na ceramikę7.1. Stanowisko do natryskiwania7.2. Badania strukturalne7.3. Badania zwilżalności powłok7.3.1. Badania zwilżalności w argonie7.3.2. Badania zwilżalności w próżni7.3.3. Podsumowanie7.4. Badania naprężeń własnych w układzie powłoka-podłoże7.4.1. Wyznaczanie naprężeń własnych w oparciu o krzywiznę wygięcia próbki7.4.2. Badania naprężeń własnych w powłokach metodą rentgenowską (X-ray)7.5. Podsumowanie7.6. Numeryczna i eksperymentalna analiza naprężeń własnych generowanych w metalicznych powłokach nanoszonych metodą HVOF na podłoże Al2O37.6.1. Uderzenie cząstek Ti w podłoże Al2O37.6.2. Rozkłady temperatury w układzie powłoka Ti, Cu, Ni7.6.3. Rozkłady naprężeń w układzie powłoka Ti (Cu- Ni)-podłożeAl2O37.6.4. Podsumowanie8. Badania odkształceń i naprężeń w natryskiwanych powłokach Ti i Cu metodą interferometrii siatkowej8.1. Metoda interferometrii siatkowej8.2. Technologia siatek dyfrakcyjnych8.3. Automatyczna analiza obrazów prążkowych8.4. Stanowisko pomiarowe8.5. Procedura pomiarowa8.6. Pomiary na powłoce tytanowej natryskanej na podłożu Al2O38.6.1. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3?14,3 mm przed wykonaniemnacięcia8.6.2. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3?14,3 mm po wykonaniu nacięcia8.6.3. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3?14,3 mm po wykonaniu drugiego nacięcia8.6.4. Pomiary w małym polu pomiarowym (3,7?3,7 mm)8.7. Pomiary na powłoce miedzianej natryskanej na podłożu Al2O38.7.1. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3?14,3 mm przed wykonaniemnacięcia8.7.2. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3?14,3 mm po wykonaniu nacięcia8.7.3. Pomiary w małym polu pomiarowym (3,7?3,7 mm)8.8. Porównanie odkształceń dla próbek z powłoką Cu i Ti8.9. Modelowanie ugięcia i naprężeń własnych w układach Cu/Al2O3 i Ti/Al2O3 przed i po przecięciu płyty8.9.1. Model powłoka Cu-podłoże Al2O38.9.2. Model powłoka Ti-podłoże Al2O38.10. Porównanie wyznaczonych naprężeń własnych8.11. Podsumowanie9. Podsumowanie i wnioski końcoweBibliografia