Modelowanie numeryczne wybranych zagadnień natryskiwania cieplnego

Wykaz oznaczeń i skrótów / 11
Przedmowa / 13
Wstęp / 17

1. Natryskiwanie cieplne powłok / 19
1.1. Metody nanoszenia warstw i powłok / 20
1.2. Natryskiwanie łukowe / 23
1.3. Natryskiwanie plazmowe / 25
1.4. Natryskiwanie płomieniowe / 28
1.4.1. Natryskiwanie płomieniowe z prędkością poddźwiękową / 28
1.4.2. Natryskiwanie płomieniowe z prędkością naddźwiękową HVOF / 31
1.5. Natryskiwanie laserowe / 39
1.6. Natryskiwanie na zimno (Cold Spray) / 40
1.7. Stopowanie i przetapianie laserowe / 43
1.7.1. Stopowanie laserowe / 43
1.7.2. Przetapianie laserowe powłok / 46
1.8. Porównanie metod natryskiwania / 46
2. Wybrane właściwości powłok natryskiwanych / 50
2.1. Proces tworzenia się powłoki / 50
2.2. Przyczepność powłoki do podłoża / 52
2.2.1. Wpływ przygotowania powierzchni / 53
2.2.2. Wpływ temperatury / 54
2.2.3. Wpływ energii kinetycznej / 54
2.2.4. Wpływ fizykochemicznych własności materiałów / 55
2.3. Naprężenia własne w warstwach powierzchniowych / 57
2.4. Naprężenia własne wywołane niedopasowaniem cieplnym / 61

3. Materiały powłokowe do natryskiwania / 66
3.1. Materiały metalowe / 66
3.1.1. Stopy na osnowie żelaza / 66
3.1.2. Stopy na osnowie kobaltu / 67
3.1.3. Stopy na osnowie niklu / 67
3.1.4. Stopy na osnowie miedzi / 68
3.2. Czyste metale / 68
3.3. Kompozyty ceramiczno-metalowe / 69
3.4. Materiały ceramiczne / 69
3.5. Tworzywa sztuczne / 70

4. Badania powłok nanoszonych termicznie metodą płomieniową i detonacyjną / 71
4.1. Badania wstępne powłok nanoszonych termicznie metodą płomieniową i detonacyjną / 73
4.2. Charakterystyka materiałów powłokowych / 73
4.3. Naprężenia w układzie powłoka – podłoże / 75
4.4. Budowa przyrządu do badania wygięcia podłoża z powłoką po procesie natryskiwania / 78
4.5. Natryskiwanie powłok tytanowych na podłoża ceramiczne / 79
4.6. Wyznaczanie naprężeń własnych w natryskiwanych powłokach / 80
4.6.1. Powłoki tytanowe / 80
4.6.2. Powłoki kompozytowe/ Ti+Al2O3 / 82
4.7. Analiza numeryczna naprężeń własnych w powłokach tytanowych i kompozytowych / 83
4.7.1. Wyniki obliczeń / 84
4.8. Pole temperatury w czasie chłodzenia układu powłoka–podłoże / 88
4.8.1. Przedmiot badań / 89
4.8.2. Założenia do obliczeń numerycznych / 90
4.8.3. Wyniki obliczeń / 91
4.8.4. Analiza porównawcza wyników obliczeń rozkładu temperatury / 96
4.9. Badania naprężeń w powłokach Ti oraz Ti+Al2O3 natryskiwanych metodą detonacyjną na podłoże Al2O3 / 103
4.9.1. Materiały powłokowe / 103
4.9.2. Parametry natryskiwania detonacyjnego / 104
4.9.3. Pomiary krzywizny wygięcia w próbkach po natryskiwaniu detonacyjnym / 105
4.9.4. Naprężenia w natryskanej powłoce na podstawie krzywizny wygięcia próbki / 106
4.10. Podsumowanie / 111

5. Modelowanie naprężeń własnych w procesie natryskiwania termicznego / 114
5.1. Wstęp – modelowanie fizyczne procesu i generowania naprężeń własnych / 114
5.2. Metodologia przyjęta do modelowania naprężeń własnych w termicznie nakładanych powłokach / 117
5.3. Modelowanie uderzenia cząstek przy użyciu programu ANSYS-AUTODYN / 120
5.4. Wybrane wyniki obliczeń / 125
5.5. Modelowanie uderzenia cząstek w podłoże / 128
5.6. Uderzenie cząstek Ti w podłoże Al2O3 i cząstek w podwarstwę w procesie natrysku detonacyjnego / 129
5.6.1. Wpływ temperatury początkowej cząstki / 132
5.7. Model termomechaniczny procesu termicznego natryskiwania / 135
5.7.1. Rozkłady temperatury w układzie powłoka Ti–podłoże Al2O3 podczas natryskiwania detonacyjnego / 140
5.7.2. Rozkłady naprężeń w układzie powłoka Ti–podłoże Al2O3, natrysk detonacyjny / 142
5.7.3. Wpływ temperatury podgrzania podłoża na naprężenia w układzie powłoka Ti–podłoże Al2O3 / 143
5.8. Wpływ prędkości uderzenia na naprężenia własne w układzie powłoka (Ti)–podłoże (Al2O3) / 154
5.8.1. Wyniki dynamicznych obliczeń uderzenia cząstki materiału powłokowego w podłoże ceramiczne / 156
5.8.2. Uderzenie cząstek materiału powłokowego Ti w podwarstwę powłoki Ti / 161
5.8.3. Wyniki obliczeń rozkładów temperatury dla różnych prędkości natryskiwania / 165
5.8.4. Wyniki obliczeń ugięć płyty i rozkładów naprężeń dla różnych prędkości natryskiwania / 168
5.9. Podsumowanie / 173

6. Modelowanie uderzenia pojedynczej cząstki w podłoże / 175
6.1. Opis modelu / 175
6.2. Model Steinberga-Guinana / 178
6.3. Model Johnsona-Holmquista / 180
6.4. Model pomocniczy Cu-Cu / 183
6.4.1. Budowa geometryczna i numeryczna / 183
6.4.2. Symulacja komputerowa / 184
6.5. Założenia do modelu cząstka Ti natryskiwana na podłoże ceramiczne i metalowe / 188
6.5.1. Wyniki modelowania natryskiwania cząstki Ti na podłoże ceramiczne Al2O3(V = 500 m/s) / 189
6.5.2. Model natryskiwania cząstki Ti na podłoże ceramiczne Al2O3 (V = 800 m/s) / 196
6.6. Analiza porównawcza symulacji uderzenia cząstek w podłoże ceramiczne i metalowe / 201
6.6.1. Cząstka tytanowa / 201
6.6.2. Cząstka miedziana / 207
6.6.3. Geometria cząstki po uderzeniu w podłoże / 215
6.7. Modelowanie uderzenia rozgrzanej cząstki Ti w podłoże ceramiczne / 216
6.7.1. Model geometryczny / 216
6.7.2. Wyniki symulacji deformacji modeli / 218
6.7.3. Rozkład temperatury w układzie cząstka Ti–podłoże Al2O3 / 223
6.7.4. Rozkład naprężeń zredukowanych w układzie cząstka Ti–podłoże Al2O3 / 224
6.8. Podsumowanie / 228

7. Badania strukturalne i modelowanie naprężeń własnych w powłokach metalowych natryskiwanych metodą HVOF na ceramikę / 231
7.1. Stanowisko do natryskiwania / 231
7.2. Badania strukturalne / 236
7.3. Badania zwilżalności powłok / 241
7.3.1. Badania zwilżalności w argonie / 243
7.3.2. Badania zwilżalności w próżni / 244
7.3.3. Podsumowanie / 245
7.4. Badania naprężeń własnych w układzie powłoka–podłoże / 245
7.4.1. Wyznaczanie naprężeń własnych w oparciu o krzywiznę wygięcia próbki / 246
7.4.2. Badania naprężeń własnych w powłokach metodą rentgenowską (X-ray) / 251
7.5. Podsumowanie / 256
7.6. Numeryczna i eksperymentalna analiza naprężeń własnych generowanych w metalicznych powłokach nanoszonych metodą HVOF na podłoże Al2O3 / 257
7.6.1. Uderzenie cząstek Ti w podłoże Al2O3 / 257
7.6.2. Rozkłady temperatury w układzie powłoka Ti, Cu, Ni / 260
7.6.3. Rozkłady naprężeń w układzie powłoka Ti (Cu; Ni) – podłoże Al2O3 / 263
7.6.4. Podsumowanie / 267

8. Badania odkształceń i naprężeń w natryskiwanych powłokach Ti i Cu metodą interferometrii siatkowej / 269
8.1. Metoda interferometrii siatkowej / 269
8.2. Technologia siatek dyfrakcyjnych / 272
8.3. Automatyczna analiza obrazów prążkowych / 272
8.4. Stanowisko pomiarowe / 273
8.5. Procedura pomiarowa / 275
8.6. Pomiary na powłoce tytanowej natryskanej na podłożu Al2O3 / 276
8.6.1. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3×14,3 mm przed wykonaniem nacięcia / 277
8.6.2. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3×14,3 mm po wykonaniu nacięcia / 278
8.6.3. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3×14,3 mm po wykonaniu drugiego nacięcia / 281
8.6.4. Pomiary w małym polu pomiarowym (3,7×3,7 mm) / 284
8.7. Pomiary na powłoce miedzianej natryskanej na podłożu Al2O3 / 286
8.7.1. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3×14,3 mm przed wykonaniem nacięcia / 287
8.7.2. Pomiar przemieszczeń w polu pomiarowym 14,3×14,3 mm po wykonaniu nacięcia / 288
8.7.3. Pomiary w małym polu pomiarowym (3,7×3,7 mm) / 291
8.8. Porównanie odkształceń dla próbek z powłoką Cu i Ti / 293
8.9. Modelowanie ugięcia i naprężeń własnych w układach Cu/Al2O3 i Ti/Al2O3 przed i po przecięciu płyty / 296
8.9.1. Model powłoka Cu–podłoże Al2O3 / 297
8.9.2. Model powłoka Ti–podłoże Al2O3 / 299
8.10. Porównanie wyznaczonych naprężeń własnych / 302
8.11. Podsumowanie / 302

9. Podsumowanie i wnioski końcowe / 305
Bibliografia / 314