Моделирование полей напряжений, возникающих в композитах системы Ni-Al после диффузионного отжига

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 791
В. Г. Шморгун, А. И. Богданов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В КОМПОЗИТАХ СИСТЕМЫ Ni-Al ПОСЛЕ ДИ ФФУЗИОННОГО ОТЖИГА*
Волгоградский государственный технический университет
e-mail: mv@vstu. ru
Приведены результаты моделирования влияния конструкции слоистого металлического (алюминий-никель-подложка) и интерметаллидного (алюминий-диффузионная зона-никель-подложка) композита на величину термических напряжений, возникающих на его межслойных границах после диффузионного отжига.
Ключевые слова: температурные напряжения, моделирование, слоистый композит.
The results of modeling of composition of layered metallic (aluminum-nickel-substrate) and intermetallic (aluminum-diffusion zone-nickel-substrate) composite on value of thermal stresses, arised on its interlayer boundaries after diffusion annealing, are stated.
Keywords: thermal stresses, modeling, layered composite.
Предложенный на кафедре «Материаловедение и композиционные материалы» ВолгГТУ комплексный технологический процесс получения жаростойких покрытий из алюминидов никеля включает следующую последовательность операций [1−3]:
1. Изготовление биметаллической заготовки (никель-подложка).
2. Обработка давлением, позволяющая получать на подложке требуемую толщину никеля.
3. Нанесение на никелевый слой биметаллической заготовки алюминиевого слоя толщиной, достаточной для его самопроизвольного отделения от диффузионной зоны на границе №-А1 при охлаждении после термообработки.
4. Термообработка, обеспечивающая в результате твердофазной диффузии формирование слоистого №/№ 2А13 покрытия заданной толщины.
Такая последовательность операций комплексного технологического процесса позволяет реализовать высокую прочность сцепления покрытия с подложкой и максимально приблизить форму получаемого материала или полуфабриката к форме готового изделия.
Наиболее вероятной причиной самопроизвольного отделения алюминиевого слоя от диффузионной зоны являются термические напряжения, возникающие при охлаждении композита из-за разницы в коэффициентах термического линейного расширения металлов, входящих в его состав. В рамках данной работы приведены результаты моделирования влияния конструкции полученного по комплексной тех-
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Министерства образования и науки РФ (соглашение № 14. В37. 21. 1487), РФФИ № 12−08−33 017 мол_а_вед и № 13−08−66_а, а также Совета по грантам Президента Р Ф (грант № СП-5131. 2013. 1).
нологии (сварка взрывом с последующей прокаткой) слоистого металлического (алюминий-никель-подложка) и интерметаллидного (алюминий-диффузионная зона-никель-подложка) композита на величину термических напряжений, возникающих на его межслойных границах после диффузионного отжига.
Для оценки температурных напряжений использовали пакет программ COMSOL Multiphysics, обладающий необходимой гибкостью в постановке связанных мультифизиче-ских задач и в задании граничных условий для отдельных слоев композита. COMSOL имеет готовый модуль Thermal Stress, позволяющий решать связанные задачи термоупругости. Имеется также встроенная библиотека материалов Material Library, применение которой в большинстве случаев не требует задания физических констант материалов и их зависимости от температуры. В качестве подложки была выбрана сталь Ст3, что позволило сопоставлять результаты расчета с изложенными в работах [1, 2] экспериментальными данными. При этом были сделаны следующие допущения:
— температура стали, никеля, диффузионной зоны и алюминия равномерна по толщине-
— диффузионная зона состоит из двух слоев с фазовым составом: NiAl3 — со стороны алюминия и Ni2Al3 — со стороны никеля-
— температурная зависимость КТЛР и модуля упругости отсутствует-
— напряжения не релаксируют при температурах ниже температуры рекристаллизации алюминия.
Анализ влияния толщины алюминиевого слоя, диффузионной зоны, никеля и стали на величину термических напряжений позволил установить следующее. Наибольшие термиче-
ские напряжения возникают вблизи границы раздела слоев: растягивающие — в алюминии и диффузионной зоне, сжимающие — в никеле и стали.
При прочих равных условиях увеличение толщины алюминиевого слоя может приводить как к снижению, так и к росту величины растя-
гивающих напряжений (рис. 1). Максимальные растягивающие напряжения в алюминиевом слое возникают при соотношении толщин слоев алюминия 5А1 и стали 5Ст k = & lt- 0,1 и k & gt- 4. При этом уровень этих напряжений не превышает предела текучести алюминия при комнатной температуре (рис. 2).
а б
Рис. 1. Эпюры термических напряжений по сечению СКМ Ст3 +АД1 после охлаждения с температуры 600 °С:
а — 5А1 = 0,7 мм- б — 5А1 = 5 мм
Рис. 2. Эпюры термических напряжений по всему сечению (а, в, д) и в тонких прослойках (б, г, е) после охлаждения с температуры 600 °C СКМ Ст3+НП2+ аД1 при k равном 0,07 (а, б), 2 (в, г), 5 (д, е) (см. также на с. 20)
б
а
в
г
-10 0 10 20 30 40
Stress tensor, x component (MPa)
Рис. 2. Окончание
д
е
а б
Рис. 3. Эпюры термических напряжений по сечению СКМ Ст3 +НП2+АД1после охлаждения с температуры 600 °С: а — при 5 м = 0,25 мм- б — при 5№ = 1 мм. 5А1 =0,7 мм, 5Ст3 = 10 мм
При прочих равных условиях увеличение соотношения толщин слоев алюминия и стали k в составе композита приводит к росту сжимающих напряжений в подслое никеля (рис. 2), влияние же его толщины несущественно, хотя тенденция к росту и наблюдается (рис. 3).
В диффузионной зоне напряжения с ростом толщины алюминиевого слоя и значения k сначала понижаются, а затем растут. При прочих равных условиях увеличение толщины диффузионной зоны не оказывает существенного влияния на величину растягивающих напряжений (рис. 4).
Stress tensor, х component (MPa)
а
Stress tensor, x component (MPa)
б
Рис. 4. Эпюры термических напряжений по всему сечению (а, в) и в диффузионной зоне (б, г) после охлаждения с температуры 600 °C СКМ Ст3+НП2+ АД1 при 5дз= 0,02 мм (5м=0,08 мм) (а, б) и 0,08 мм (5м=0,02 мм) (в, г). 5А1 =0,7 мм, 5Ст3 = 10 мм (см. также с. 21)
Сопоставление полученных данных с результатами эксперимента [1, 2] показало, что термические напряжения величиной 87 МПа достаточны для разрушения слоистого компо-
зита по слою интерметаллида №А13 (рис. 5) и самопроизвольного отделения алюминиевого слоя. При меньшей величине напряжений разрушения не наблюдалось.
ІЧІ
№А1з
СтЗ
л
N1

ГМі2АІ- *

ІЧіАІз
1 АІ 1

а б
Рис. 5. Микроструктура слоистого композита после охлаждения с температуры 600 °C, обеспечивающего возникновение в диффузионной зоне термических напряжений. *500:
а — 87 МПа- б — 24 МПа
Вывод
Охлаждение слоистого интерметаллидного (алюминий-диффузионная зона-никель-подло-жка) композита после отжига приводит к разрушению диффузионной зоны и самопроизвольному отделению алюминиевого слоя с формированием на подложке слоистого №/№ 2А13 покрытия при соотношении толщин слоев алюминия и (никель + сталь) 4 & lt- k & lt- 0,1 и величине растягивающих напряжений в диффузионной зоне более 87 МПа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шморгун, В. Г. Структура и свойства покрытий из интерметаллидных №-А1 соединений, полученных по
комплексной технологии / В. Г. Шморгун, Ю. П. Трыков, А. И. Богданов, В. Н. Арисова, Е. А. Семакова // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 5(78) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2011. — (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении» — вып. 5). — С. 8−11.
2. Шморгун, В. Г. Влияние высокотемпературной термообработки на трансформацию структуры гибридных покрытий №/№ 2А13 / В. Г. Шморгун, Ю. П. Трыков, А. И. Богданов, Л. М. Гуревич // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 9(96) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2012. — (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении» — вып. 6). — С. 50−54.
3. Шморгун, В. Г. Оценка термических напряжений в СКМ Ст3+НП2+АД1 / В. Г. Шморгун, Ю. П. Трыков, А. И. Богданов, М. Д. Трунов // Известия ВолгГТУ: меж-вуз. сб. науч. ст. № 9(96) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2012. -(Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении» — вып. 6). — С. 61−64.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой