Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Zbytková napětí v povlacích žárových nástřiků
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Zbytková napětí v povlacích žárových nástřiků

Tento článek se snaží nastínit problematiku zjišťování zbytkových napětí v povlacích žárových nástřiků, přesněji jejich kvalitativního vztahu k parametrům žárového nástřiku, v podmínkách poměrně jednoduše realizovatelného experimentu.

Hlavním zkoumaným geometrickým parametrem, o který se opírá analytický aparát odvozený z podmínek klasické teorie pružnosti, je křivost dvojice daná momentovou rovnováhou mezi tenkým ocelovým substrátem známých vlastností a povlakem žárového nástřiku neznámých vlastností (se zjednodušeným předpokladem, že pružnostní vlastnosti substrátu i povlaku jsou dány pouze modulem pružnosti a Poissonovým poměrem). Neznámých proto, že zmíněný modul pružnosti a Poissonův poměr takto na sobě položených vrstev (deformovaných částic - angl. splats), které tvoří výslednou strukturu povlaku, se významně liší od hodnot, které byly charakteristické pro tento materiál před nástřikem. Konkrétně modul pružnosti klesá u různých povlaků na zlomky hodnot v rozmezí 1/3 až 1/16.

Princip měření křivosti

Celý postup experimentu byl odvozen z filozofie tzv. "Almen strip" testu. V originálním provedení se takto kontroluje reprodukovatelnost procesu tryskání (angl. shot peening) ke zvýšení únavové životnosti strojních součástí. Test je založen na úvaze, že při tryskání tzv. Almen měrka (páska o rozměrech 19 x 76 mm a tloušťce podle typu měrky 0,79 až 2,39 mm, z materiálu odpovídajícímu přibližně oceli 12 060) vlivem plastických deformací v povrchových vrstvách mění svou křivost charakteristickým způsobem. Na křivce, která popisuje intenzitu tryskání (reprezentovanou křivostí) v závislosti na čase, je pak rozhodující tzv. bod saturace, který vyjadřuje, že za určitý čas bylo dosaženo požadovaného zpevnění s jistým napěťovým profilem kolmým k rovině povrchu, na nějž dopadaly sférické částice. Interpretace křivosti k tomuto napěťovému profilu je však obtížná. Je to proto, že jedna křivost může být dána několika různými napěťovými profily. Přísně vzato, z takového uspořádání zkoušky nemůžeme obdržet dostatečné informace k jednoznačné identifikaci zbytkových napětí zpevněného povrchu, ale k výše popsanému účelu je zkouška plně dostačující. O tom svědčí to, že od r. 1935 se uvedený postup provádí téměř beze změn. Závěrem poznamenejme, že celý proces probíhá za studena.
Poslední dobou se v literatuře objevují názory podložené i experimentálními pracemi, že výše uvedený princip lze s určitými úpravami využít i pro potřeby žárového nástřiku. Na rozdíl od předcházejícího však tento proces probíhá za tepla, což ještě více komplikuje úlohu určit napěťový profil kolmý k rozhraní substrát - povlak. Potřeba znalosti situace zbytkových napětí ve dvojici a v jejím rozhraní je zřejmá. Zbytková napětí se totiž skládají s provozním napětím, což při nevhodné interferenci může vést k předčasnému selhání povlaku. Naopak tlakové předpětí, zvláště u keramických povlaků, lze s výhodou zakalkulovat ke zvýšení životnosti.

Základní analytické úvahy

Postavíme-li uvedenou úlohu jako optimalizační test parametrů žárového nástřiku, lze pro začátek vyslovit hypotézu, že tyto parametry jsou optimální, pokud křivost měrky je minimální. To samozřejmě platí za současného dodržení ostatních optimálních vlastností povlaku (přilnavosti, porozity apod.), které však ostatně se zbytkovými napětími úzce souvisejí. Pokud bychom přece jen chtěli určit napěťový profil, je třeba získat ještě nějaká další data měřením některých veličin. Uveďme nejjednodušší rovnice, které popisují vztah deformace a napětí v této dvojici:
σqu = α 2 E2 (Tm - Ts)(1)
kde σqu je napětí generované deformacemi při smršťování (přičemž volnému smrštění je nějakým způsobem bráněno) chladnoucího povlaku (angl. quenching effect), α 2 E2 jsou součinitel délkové teplotní roztažnosti a modul pružnosti povlaku, Tm je teplota částice (střední teplota částic) při dopadu a Ts teplota substrátu. Jak je vidět, vzorec pro napětí ?qu nezávisí na elasticko-plastických vlastnostech substrátu a neuvažuje ani jeho termomechanické vlastnosti.
Substrát je ohříván dopadajícími částicemi a na konci depozice povlaku dosáhne oblast blízká rozhraní maximální teploty Ts , vlivem které se prodlouží a pak chladne společně s povlakem až na teplotu okolí T0. Podle toho, v jakém poměru jsou koeficienty teplotní délkové roztažnosti povlaku a substrátu, dochází
  • při α 2 < α 1 k tlakové zbytkové napjatosti v povlaku (konkávní průhyb);
  • při α 2 > α 2 k tahové zbytkové napjatosti v povlaku (konvexní průhyb).
  • σM2=(α2 - α1)(E2/(1-µ2))/ΔT (2)
    kde σM2 (theoretical stress) je napětí úměrné rozdílu součinitelů délkové teplotní roztažnosti, α 2 , α 1 povlaku, resp. substrátu, E2 modul pružnosti, µ2 Poissonův poměr povlaku a ΔT = (Ts - T0). Napětí odpovídá maximální možné hodnotě, kterou je tento mechanismus schopen v povlaku generovat (rovnice uvažuje tloušťku substrátu a jeho tuhost blížící se nekonečnu). Závěrem ještě řekněme, že tímto způsobem nelze podchytit transformační napětí chladnoucích struktur, napětí od konečné úpravy povrchu povlaku např. obráběním (přitom zvláště broušení je doprovázeno vznikem napěťových špiček). Rovněž problematické je podchycení vlivu tryskání před žárovým nástřikem.

    Experiment

    Uvedený poněkud podrobnější rozbor vzorců dává obrázek o tom, které další parametry kromě křivosti je nutné nějakým způsobem určit. Především je to teplota, která v tomto případě byla měřena během nástřiku (tedy in-situ) nalepovacím termočlánkem typu K umístěným na opačné straně měrky. Existují rovněž práce s experimentálním měřením křivosti in-situ. Pak lze odlišit quenching effect a CTE mismatch (mechanismus daný rozdílnými α 2aα1). V tomto případě však byla křivost měřena až po nástřiku (ex-situ).
    Řekněme, že pro substrát si můžeme dovolit při dosazování do analytických vzorců použít tabelovaných hodnot α1,E1,µ1, což však u povlaku je velkým zjednodušením. Alespoň modul pružnosti povlaku E2 byl tedy určen čtyřbodovým ohybem ocelového hranolu známých vlastností 10 x 10 x 110 mm s povlakem na dvou protilehlých plochách 10 x 110 mm.
    Aby mohl být sledován vliv různých nerovností mezi koeficienty teplotní délkové roztažnostiα1 a α 2, byly připraveny vzorky se čtyřmi typy materiálů:
  • čistý kov, molybden Mo;
  • bronz CuSn;
  • materiál pro mezivrstvy NiAl;
  • nerezová ocel.
  • Substrátem byl ocelový plíšek (ocel 11 373, žíháno na měkko v sevření mezi dvěma deskami ke zvýšení rovinnosti) s rozměry Almen měrky a tloušťkou 1 mm (pro molybden 1,2 mm). Všechny parametry žárového nástřiku plazmou byly pro každou skupinu vzorků konstantní (optimální podle normativu pro stříkaný typ materiálu), až na tloušťku, která kolísala v rámci ručního vedení hořáku. Takto samozřejmě kolísá i vzdálenost nástřiku apod. Přesnost uvedeného experimentu lze tedy zvýšit při použití strojně vedeného hořáku a vyloučit tak vliv obsluhy.
    Pro jednotlivý materiál byla provedena skupina vzorků o 13 až 17 kusech. Všechny typy materiálu vykazují korelaci mezi tloušťkou povlaku a křivostí dvojice. Pro uvedená data byla provedena regresní analýza a analýza reziduí vzhledem k regresní přímce. Na základě toho by se dalo říci, že celý postup zřejmě není zatížen systematickou chybou. Přijmeme-li tedy nějaký analytický model, lze ho srovnat s tím, který byl obdržen ze statistických dat, a posoudit pak vliv zjednodušujících předpokladů na výpočet zbytkových napětí (z hlediska objemů, ve kterých působí, makroskopických). Nejjednodušším takovým modelem, který popisuje závislost zbytkových napětí na tloušťce povlaku a křivosti dvojice, je Davidenkova rovnice:
    σ2=(4E1H(h+H)f) / (3hl2(11)) (3)
    kde E1 je modul pružnosti substrátu, µ1 Poissonův poměr substrátu, f průhyb (křivost) a h/H tloušťka povlaku/substrátu, l délka měrky. Vztah je platný za podmínky h«H, tedy napětí v povlaku dosahuje hodnoty, která je konstantní s tloušťkou povlaku a pro napětí v substrátu platí σ1› 0.

    Závěr

    Závěrem je třeba uvést, že pro zjišťování zbytkových napětí v povlaku žárového nástřiku jsou používány spíše jiné metody (metoda otvoru, rtg. difrakce). Pokud bychom je však chtěli využít při optimalizačních testech, jednalo by se o poměrně nákladnou záležitost, přičemž samotná interpretace zbytkových napětí vzhledem ke konkrétnímu parametru žárového nástřiku by i tak byla problematická.
    Popsaný postup by spíše měl v případě sériové výroby sloužit obdobně jako u technologie shot peening, tedy k posouzení reprodukovatelnosti procesu. Pokud je žárový nástřik aplikován v kusové či malosériové výrobě, zvláště při použití problematického přídavného materiálu, může tento postup posloužit jako prvotní informace při optimalizaci, pokud obsluha nemá k dispozici informace z databáze "Provedených aplikací", které renomované firmy v tomto oboru za dobu svého působení získaly, avšak pečlivě je tají.
    Ing. Karel Kaleta

    Další články

    Technologie pro povrchové úpravy

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky

    Sledujte nás na sociálních sítích: