RU2576543C1 - Способ контроля качества термической обработки теплозащитных покрытий - Google Patents
Способ контроля качества термической обработки теплозащитных покрытий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2576543C1 RU2576543C1 RU2014147564/28A RU2014147564A RU2576543C1 RU 2576543 C1 RU2576543 C1 RU 2576543C1 RU 2014147564/28 A RU2014147564/28 A RU 2014147564/28A RU 2014147564 A RU2014147564 A RU 2014147564A RU 2576543 C1 RU2576543 C1 RU 2576543C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- sample
- residual stresses
- residual
- relaxation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии напыления теплозащитных керамических покрытий, а более точно касается определения времени теплового воздействия, необходимого для релаксации остаточных напряжений в покрытии, а также энергии, требующейся для релаксации. Сущность: два образца с теплозащитным керамическим покрытием подвергают термической обработке в течение заданного для каждого образца времени, фиксируют время и температуру термической обработки каждого образца. Определяют уровень остаточных напряжений и энергии, необходимой для их релаксации, для каждого образца. По тому образцу, у которого достигается наибольшая полная релаксация остаточных напряжений, судят о качестве покрытия, и этот режим термической обработки выбирают для использования в производстве. Технический результат: получение значений остаточных напряжений в теплозащитном керамическом покрытии предварительно подвергнутых тепловому воздействию, что позволяет корректировать режимы термической обработки, а также прогнозировать долговечность покрытия в результате высокотемпературной эксплуатации. 3 табл., 5 ил.
Description
Изобретение относится к технологии напыления теплозащитных керамических покрытий, а более точно касается определения времени теплового воздействия, необходимого для релаксации остаточных напряжений в покрытии, а также энергии, требующейся для релаксации.
Изобретение может быть использовано для контроля качества последующей за напылением термической обработки теплозащитных покрытий при разработке новых технологий и текущего контроля серийных технологий.
Известен способ контроля качества термической обработки теплозащитных керамических покрытий [Takahashi S., Yoshiba M.., Harada Y. Microstructural features of mechanical failure in thermal barrier coating systems under static loadings // Materials at high temperatures, 2001, volume 18(2), pp. 125-130], заключающийся в определении характера развития трещин в керамическом слое покрытия. Способ заключается в нагружении образца с теплозащитным керамическим покрытием изгибающими нагрузками по четырехточечной схеме до разрушения и контроля характера образовавшихся трещин. Способ позволяет произвести лишь качественную оценку напряженного состояния керамического слоя покрытия и характера развития в нем трещин.
Известен способ определения модуля Юнга теплозащитного керамического покрытия в зависимости от температуры [M. Beghini, G. Benamati, L. Bertini, F. Frendo. Measurement of Coatings′ Elastic Properties by Mechanical Methods: Part 2. Application to Thermal Barrier Coatings // Experimental Mechanics, December 2001, Vol.41, No.4, p. 305-311], заключающийся в выдержке при определенной температуре образца с теплозащитным керамическим покрытием, последующего нагружения образца изгибающими нагрузками по 4-точечной схеме до разрушения и определении модуля Юнга покрытия. Однако данный способ не позволяет определить время, при котором начинает снижаться модуль Юнга покрытия.
Известен способ определения остаточных напряжений и энергетических характеристик газотермических покрытий (Ильинкова Т.Α., Ибрагимов А.Р., Бакиров И.Р., Мельникова Т.Н. патент №2499244], в котором нагружение образца с покрытием осуществляют изгибающей нагрузкой по 4-точечной схеме, не превышающей предел упругости материала покрытия, а затем разгружают до значения деформации растяжения, равной нулю, измеряют остаточное усилие, продолжают разгружение до получения значения усилия, равного нулю, и измеряют остаточную деформацию сжатия; по полученному деформационному гистерезису рассчитывают остаточные напряжения в покрытии. Однако данный способ осуществляется при комнатной температуре и не позволяет определить влияние времени теплового воздействия на напряженное состояние покрытия.
Технический результат: получение значений остаточных напряжений в теплозащитном керамическом покрытии, предварительно подвергнутых тепловому воздействию, что позволяет корректировать режимы термической обработки, а также прогнозировать долговечность покрытия в результате высокотемпературной эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что образец с покрытием, расположенный на опорах покрытием вниз, плавно нагружают по 4-точечной схеме статической нагрузкой до величины нагрузки, не превышающей предел упругости материала покрытия, последовательно разгружают до значения деформации растяжения, равной нулю, при этом измеряют остаточное усилие Р0 (Н), продолжают разгружение до получения значения усилия, равного нулю, и измеряют остаточную деформацию сжатия - L, (мкм).
По результатам измерения строится диаграмма в координатах: «Нагрузка - Р, (Н) - перемещение (абсолютная деформация) - L, (мкм), которая представляет собой деформационный гистерезис. По полученному деформационному гистерезису рассчитывают остаточные напряжения в покрытии и его энергетические характеристики, включающие: энергию высвобождения внутренних напряжений (Дж), энергию, необходимую для полной релаксации остаточных напряжений (Дж), плотность энергии, необходимой для полной релаксации остаточных напряжений (Дж/м3).
По полученному деформационному гистерезису рассчитывают:
1. Энергию высвобождения внутренних напряжений S (Дж) как разницу энергии S1, затраченную на процесс деформирования газотермического покрытия и энергии S2, высвобождающуюся при разгружении покрытия.
Расчет этих площадей можно осуществить по формулам (2) и (3):
где Pn1 - нагружение, Н; Рn2 - разгрузка, Н; Li - перемещение, мкм.
2. Энергию А (Дж), необходимую для полной релаксации остаточных напряжений в покрытии, которая рассчитывается как площадь прямоугольного треугольника в области сжатия:
где F - усилие, Н; а - перемещение в области сжатия, мкм, РO - остаточное усилие, Н.
3. Остаточные напряжения σ (МПа) рассчитывается по формуле:
где Р0 - остаточное усилие, при котором деформация становится равной нулю; В - ширина образца, мм; Н - полная толщина образца, мм; С - расстояние между нагруженной и опорной балкой, 10 мм.
4. Плотность энергии релаксации остаточных напряжений, Дж/м3 рассчитывается по формуле:
где σ=Pm/F есть растягивающее напряжение. Модуль упругости E трехслойной системы (основа - подслой - покрытие), используя правило аддитивности, находим по формуле:
где Еосн., Еподслой, Епк., - модули упругости основы, подслоя и керамического слоя, соответственно, МПа; hосн, hподслой, hпк - толщины основы, подслоя и газотермического покрытия, соответственно, мкм.
Сущность способа заключается в следующем. Предварительно по меньшей мере два образца с теплозащитным керамическим покрытием каждый подвергают термической обработке в течение заданного для каждого образца времени, фиксируют время и температуру термической обработки каждого образца, осуществляют вышеупомянутые действия по определению уровня остаточных напряжений и энергии, необходимой для их релаксации, по тому образцу, у которого достигается наибольшая полная релаксация остаточных напряжений, судят о качестве покрытия, и этот режим термической обработки выбирают для использования в производстве.
На фиг. 1 представлена схема 4-точечного изгиба, где 1 - прямоугольный металлический образец (пластина); 2 - подслой; 3 - покрытие; 4 - тензодатчик; 5 - измеритель деформации; 6 - устройство для нагружения.
На фиг. 2 представлена схема деформационного гистерезиса газотермического покрытия, где S1 - энергия, потраченная на деформирование образца; S2 - энергия, освобожденная при разгрузке образца; А - часть энергии S2, потраченная на релаксацию остаточных напряжений.
На фиг. 3 представлены деформационные гистерезисы образца №14 в исходном состоянии и после выдержки в печи 1 час, где: а) деформационный гистерезис покрытия в исходном состоянии, б) после выдержки в печи в течение 1 часа.
На фиг. 4 представлены деформационные гистерезисы образца №18 в исходном состоянии и после выдержки в печи 10 часов, где: а) деформационный гистерезис покрытия в исходном состоянии, б) после выдержки в печи в течение 10 часов.
На фиг. 5 представлены деформационные гистерезисы образца №17 в исходном состоянии и после выдержки в печи 100 часов, где: а) деформационный гистерезис покрытия в исходном состоянии, б) после выдержки в печи в течение 100 часов.
Пример: Теплозащитные керамические покрытия напыляли плазменным методом по стандартной технологии. После напыления пластины с покрытиями подвергали двойной термической обработке:
- диффузионному отжигу в вакууме при температуре 1050°С в течение 4-х часов;
- окислительному отжигу на воздухе при температуре 850°С в течение 20-ти часов.
Далее одна часть образцов (с индексом «1») испытывались на 4-точечный изгиб в исходном виде, вторая часть образцов (с индексом «2») подвергались выдержке при температуре 1100°С с варьированием времени от 1 до 100 часов в зависимости от толщины керамического слоя покрытия таким образом, чтобы исключить преждевременное разрушение покрытия. Охлаждение образцов осуществлялось вместе с печью.
Пример 1.1. Деформационные гистерезисы образца в исходном состоянии и после выдержки в печи 1 час представлены на фиг. 3, где: а) деформационный гистерезис покрытия в исходном состоянии и б) после выдержки в печи в течение 1 часа. Результаты измерений механических характеристик представлены таблице 1.
После выдержки в печи в один час произошла полная релаксация остаточных напряжений в покрытии. При этом значение модуля Юнга не изменилось.
Пример 1.2. Деформационные гистерезисы образца в исходном состоянии и после выдержки в печи 10 часов представлены на фиг. 4 где: а) деформационный гистерезис покрытия в исходном состоянии и б) после выдержки в печи в течение 10 часов. Результаты измерений механических характеристик представлены таблице 2.
Остаточные напряжения снизились с 41,9 МПа до 8,4 МПа. При этом практически не произошло изменение в модуле Юнга и плотности упругой энергии деформации.
Пример. 1.3. Деформационные гистерезисы образца в исходном состоянии и после выдержки в печи 100 часов представлены на фиг. 5, где а) деформационный гистерезис покрытия в исходном состоянии и б) после выдержки в печи в течение 100 часов. Результаты измерений механических характеристик представлены таблице 3.
За 100 часов выдержки вдвое увеличились остаточные напряжения в покрытии, а энергия высвобождения внутренних напряжений, S А - более чем вчетверо. Особенно сильно изменилось значение А - доля энергии, потраченная на полное снижение внутренних напряжений. При этом изменений в значении модуля Юнга практически не произошло.
Таким образом, можно установить, что после термической обработки диффузионный отжиг в вакууме при температуре 1050°С в течение 4-х часов, окислительный отжиг на воздухе при температуре 850°С в течение 20-ти часов, дополнительно необходим был 1 час термической обработки при температуре 1100°С на воздухе для достижения полной релаксации теплозащитных керамических покрытий, соответственно, данный дополненный режим обработки предлагаем в производство.
Claims (1)
- Способ контроля качества термической обработки теплозащитных керамических покрытий, включающий определение уровня остаточных напряжений и энергии, необходимой для их релаксации, путем того, что образец с покрытием, расположенный на опорах покрытием вниз, плавно нагружают по 4-точечной схеме статической нагрузкой до величины нагрузки, не превышающей предел упругости материала покрытия, последовательно разгружают до значения деформации растяжения, равной нулю, при этом измеряют остаточное усилие, продолжают разгружение до получения значения усилия, равного нулю, и измеряют остаточную деформацию сжатия, по полученному деформационному гистерезису рассчитывают остаточные напряжения в покрытии и его энергетические характеристики, включающие: энергию высвобождения внутренних напряжений (Дж), энергию, необходимую для полной релаксации остаточных напряжений (Дж), плотность энергии, необходимой для полной релаксации остаточных напряжений (Дж/м3), отличающийся тем, что предварительно по меньшей мере два образца с теплозащитным керамическим покрытием каждый подвергают термической обработке в течение заданного для каждого образца времени, фиксируют время и температуру термической обработки каждого образца, осуществляют вышеупомянутые действия по определению уровня остаточных напряжений и энергии, необходимой для их релаксации, по тому образцу, у которого достигается наибольшая полная релаксация остаточных напряжений, судят о качестве покрытия, и этот режим термической обработки выбирают для использования в производстве.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014147564/28A RU2576543C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Способ контроля качества термической обработки теплозащитных покрытий |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014147564/28A RU2576543C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Способ контроля качества термической обработки теплозащитных покрытий |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2576543C1 true RU2576543C1 (ru) | 2016-03-10 |
Family
ID=55654012
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014147564/28A RU2576543C1 (ru) | 2014-11-25 | 2014-11-25 | Способ контроля качества термической обработки теплозащитных покрытий |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2576543C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2659620C1 (ru) * | 2017-06-06 | 2018-07-03 | Общество с ограниченной ответственностью "КАИ-ЭЙНЕРЕН" ООО "КАИ-ЭЙНЕРЕН" | Способ расчета пластической деформации и остаточного ресурса газотермического покрытия |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5847283A (en) * | 1996-07-03 | 1998-12-08 | Massachusetts Institute Of Technology | Method and apparatus for the evaluation of a depth profile of thermo-mechanical properties of layered and graded materials and coatings |
| RU2430351C1 (ru) * | 2010-04-29 | 2011-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Способ определения прочностных свойств теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления |
| CN103926025A (zh) * | 2014-04-13 | 2014-07-16 | 北京工业大学 | 一种用于测量涂层残余应力的试验装置及方法 |
-
2014
- 2014-11-25 RU RU2014147564/28A patent/RU2576543C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5847283A (en) * | 1996-07-03 | 1998-12-08 | Massachusetts Institute Of Technology | Method and apparatus for the evaluation of a depth profile of thermo-mechanical properties of layered and graded materials and coatings |
| RU2430351C1 (ru) * | 2010-04-29 | 2011-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Способ определения прочностных свойств теплозащитных покрытий и устройство для его осуществления |
| CN103926025A (zh) * | 2014-04-13 | 2014-07-16 | 北京工业大学 | 一种用于测量涂层残余应力的试验装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| RU 2310183 C2 (10.11.2007. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2659620C1 (ru) * | 2017-06-06 | 2018-07-03 | Общество с ограниченной ответственностью "КАИ-ЭЙНЕРЕН" ООО "КАИ-ЭЙНЕРЕН" | Способ расчета пластической деформации и остаточного ресурса газотермического покрытия |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Maillet et al. | Real-time evaluation of energy attenuation: A novel approach to acoustic emission analysis for damage monitoring of ceramic matrix composites | |
| Kordatos et al. | Rapid evaluation of the fatigue limit in composites using infrared lock-in thermography and acoustic emission | |
| Fleck et al. | Thermal shock resistance of air plasma sprayed thermal barrier coatings | |
| Wan et al. | Fracture characteristics of freestanding 8 wt% Y2O3–ZrO2 coatings by single edge notched beam and Vickers indentation tests | |
| Fleischhauer et al. | High temperature mechanical properties of zirconia tapes used for electrolyte supported solid oxide fuel cells | |
| Jiang et al. | Thermal‐cycle dependent residual stress within the crack‐susceptible zone in thermal barrier coating system | |
| CN105223125B (zh) | 基于应力和结合强度演变机制的涂层寿命预测方法 | |
| Aleksanoglu et al. | Determining a critical strain for APS thermal barrier coatings under service relevant loading conditions | |
| Lacarac et al. | The effect of cold expansion on fatigue crack growth from open holes at room and high temperature | |
| Eberl et al. | In situ measurement of the toughness of the interface between a thermal barrier coating and a Ni alloy | |
| Gregory et al. | Strain and temperature effects in indium–tin-oxide sensors | |
| RU2576543C1 (ru) | Способ контроля качества термической обработки теплозащитных покрытий | |
| Liu et al. | Fracture Characteristics and Damage Evolution of Coating Systems Under Four‐Point Bending | |
| Lafata et al. | Oxidation-assisted crack growth in single-crystal superalloys during fatigue with compressive holds | |
| US8370084B2 (en) | Method for estimating physical property of ceramic, method for estimating physical property of thermal barrier coating, method for estimating remaining lifetime of thermal barrier coating, method for estimating remaining lifetime of high-temperature member, and physical property acquiring apparatus | |
| Bermejo et al. | Experimental approach to assess the effect of metallization on the strength of functional ceramic components | |
| Lal et al. | Effect of microstructure on fracture behavior of freestanding plasma sprayed 7 wt.% Y2O3 stabilized ZrO2 | |
| JP2018155023A (ja) | ひび割れ発生時期の予測方法、および、アルカリシリカ反応の早期検知方法、 | |
| Pfeiffer et al. | Miniaturized bend tests on partially stabilized EB-PVD ZrO2 thermal barrier coatings | |
| Hilpert et al. | Correlation of electrical and mechanical properties of zirconia based thermal barrier coatings | |
| JP2018205066A (ja) | 積層弾性体のクリープ予測方法 | |
| RU2499244C1 (ru) | Способ определения остаточных напряжений и энергетических характеристик газотермических покрытий | |
| Lugovy et al. | Time dependent mechanical properties of ZrB2-SiC ceramic composites: room temperature fatigue parameters | |
| Natesan et al. | Uniaxial creep behavior of V–4Cr–4Ti alloy | |
| Liu et al. | Evaluating high temperature modulus and strength of alumina tube in vacuum by a modified split ring method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171126 |