Full Text

Введение Использование теплозащитных покрытий (ТЗП) в современной аэрокосмической отрасли обусловлено необходимостью обеспечения более продолжительного срока эксплуатации элементов двигателя, которые подвержены влиянию высоких температур. Следовательно, допускается более высокая рабочая температура двигателя, которая может повысить эффективность и производительность его работы. К данному виду покрытий выдвигаются высокие требования, такие как способность выдерживать высокие термомеханические нагрузки при высоких рабочих температурах конструкции. Данным требованиям полностью удовлетворяют покрытия из высокотемпературной керамики [1-4]. Несмотря на существенные преимущества использования ТЗП, существует проблема термохимического взаимодействия материалов покрытия и подложки. Несоответствие коэффициентов линейного термического расширения материалов покрытия и подложки приводит к возникновению напряжений по границам раздела фаз, что приводит к повреждению покрытия и образованию трещин [1]. В последние годы появился значительный прогресс, достигнутый в анализе поведения и надежности функциональных керамических покрытий, тем не менее имеются проблемы в прогнозировании эволюции повреждений с точки зрения инициирования и роста трещины, что в конечном счете и приводит к растрескиванию и отслоению покрытия. Изучению процесса накопления повреждений в покрытии во время механических воздействий посвящено множество научных статей. Целый ряд неразрушающих методов испытаний, таких как спектроскопические методы, дифракция рентгеновских лучей и фотолюминесценция [5-7], были применены для обнаружения трещины и эволюции поврежденности в покрытиях. Среди методов дефектоскопии стоит выделить метод акустической эмиссии. Акустическая эмиссия (АЭ) - физическое явление, связанное с излучением упругих волн исследуемым объектом при нелинейных трансформациях его структуры [8]. Эти волны могут быть обнаружены на поверхности образцов при помощи пьезоэлектрических датчиков и соответствующих устройств сбора и интерпретации данных. Из этого следует, что данный метод дает возможность следить за процессами, происходящими в материалах, в режиме реального времени, что позволяет обнаруживать развивающиеся, а потому наиболее опасные дефекты. Анализ результатов теоретического и экспериментального изучения процессов накопления повреждений в керамических покрытиях с использованием метода АЭ описаны в работах [9-20]. Так, коллективом авторов J.-H. Park, J.S. Kim, K.-H. Lee [12-13] исследовались образцы с покрытием после термоциклирования, оценивались амплитуда, кумулятивная энергия и количество сигналов АЭ во время испытаний. Наблюдалось снижение числа зарегистрированных сигналов после определенного числа циклов, и сделан вывод о снижении адгезии между покрытием и подложкой из-за образования микротрещин, откалывания и пластической деформации, вызванных термической усталостью. Позднее этими авторами было исследовано влияние лазерной обработки слоев теплозащитного покрытия. Согласно результатам анализа сигналов АЭ, количество пересечений порога и энергетический параметр, как правило, увеличиваются по мере увеличения мощности лазера [21]. В работе [15] коллективом авторов L. Yang, Y.C. Zhou, W.G. Mao и др. были проанализированы параметры сигналов АЭ, включая количество событий, амплитуду и частотный спектр, реализованный с помощью быстрого преобразования Фурье, для получения информации о поведении трещин в ТЗП при испытаниях на одноосное квазистатическое растяжение. Этими авторами вводится понятие поверхностной вертикальной трещины (surface crack) и трещины вдоль границы раздела фаз (interface crack). В условиях испытаний на растяжение выявлено, что повреждение покрытия возникает из-за образования поверхностной вертикальной трещины в верхнем слое покрытия, после чего происходит расслаивание и окончательное разрушение покрытия. Установлено, что анализ параметров сигналов АЭ в сочетании с анализом частотного спектра предоставляет полезную информацию об эволюции повреждений и структуре повреждений в ТЗП. В работе [22] показано, что образование поверхностных вертикальных трещин и трещин вдоль границы раздела фаз может быть идентифицировано с помощью точки излома, появляющейся в ряду акустико-эмиссионных событий. Установлено, что плотность трещин линейно коррелирует с энергетическим параметром сигналов АЭ. Позднее этими авторами была проведена работа по определению энергии межфазной адгезии теплозащитных покрытий с применением метода АЭ, что важно для понимания механизмов разрушения и прогнозирования эксплуатационного ресурса [17]. В работе M.P. Appleby, D. Zhua, G.N. Morscher [23] исследовались процессы накопления повреждений в образцах с ТЗП при механических испытаниях на одноосное растяжение. Локализация разрушений определялась c помощью мониторинга АЭ и записью полей перемещений и деформаций. Анализируя работы, посвященные теоретическому и экспериментальному изучению процессов накопления повреждений в керамических покрытиях методом АЭ, можно сделать вывод, что исследование состояния материалов во время приложенных нагрузок данным методом позволяет получить данные об инициации и распространении трещины в покрытии, что ведет к снижению адгезии между покрытием и подложкой, к дальнейшему отслоению покрытия и снижению его защитных функций. Полученная информация является важной для дальнейшего контроля изделий с точки зрения безопасной эксплуатации и своевременного обслуживания элементов конструкций с целью увеличения срока их эксплуатации. Таким образом, данное направление исследований можно отнести к числу актуальных в области экспериментальной механики и механики разрушения. Целью работы является экспериментальное изучение и описание процесса возникновения и роста трещины в функциональном керамическом покрытии в процессе механических испытаний на одноосное растяжение стальных образцов. 1. Материалы, оборудование и методика испытаний Экспериментальные исследования осуществлялись на базе современного оборудования ЦКП Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета. Для регистрации сигналов АЭ из функционального керамического покрытия были изготовлены образцы, размер и эскиз которых представлен на рис. 1. В качестве материала применялась Сталь 45, имеющая сравнительно высокий модуль упругости, что позволяет проводить исследования керамического покрытия в более широком диапазоне действующих нагрузок. Выбор металлического материала в качестве подложки на данном этапе исследования обоснован также и тем, что зарегистрированные сигналы АЭ в процессе деформирования таких материалов обладают меньшими значениями параметров, чем значения сигналов, зарегистрированных при деформировании композитов, кроме того, отмечается меньшая акустико-эмиссионная активность в процессе разрушения металлов [24-25]. Это связано с различными процессами деформирования, происходящими в металлах и композитах в ходе нагружения. Так, источниками АЭ при пластическом деформировании металлов и сплавов являются процессы, связанные с зарождением и движением дислокаций [26-27], а при разрушении волокнистых композитов имеют место такие механизмы, как нарушение адгезии между волокном и матрицей, растрескивание матрицы, вытягивание и разрушение волокна [28]. Керамическое покрытие наносилось методом плазменного напыления с применением порошка оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия с двух сторон на поверхности Б (см. рис. 1), толщина покрытия составляла (250±50) мкм. Рабочая температура плазменной струи составляет от 5000 до 15000 К, что позволяет наносить тугоплавкие соединения на металлическую подложку. Плазменные покрытия на основе оксида циркония обладают высокой плотностью, хорошей адгезией с подложкой и предохраняют материал подложки от окисления в условиях работы окислительного высокотемпературного газового потока. Плоская форма образцов на растяжение и сжатие выбиралась исходя из удобства крепления датчиков АЭ. Рис. 1. Эскизы образцов для испытаний на одноосное растяжение Fig. 1. Sketches of the uniaxial tensile test samples Механические испытания проводились на универсальной электромеханической системе Instron 5989 при комнатной температуре. Образцы нагружались с постоянной скоростью передвижения траверсы 2 мм/мин. Непрерывная регистрация данных АЭ и данных формы волны проводилась с использованием многоканальной системы AMSY-6 фирмы Vallen Systeme GmbH до разрушения образцов. Использовались пьезоэлектрические датчики АЕ144А с частотным диапазоном 100-500 кГц и предусилители с коэффициентом усиления 34 дБ. Частота дискретизации данных составляла 10 МГц. Датчики крепились на образцы с помощью вакуумной силиконовой смазки Wacker Silicon и крепежной системы. Осуществлялась синхронизация испытательной системы и системы AMSY-6 для записи приложенной нагрузки. Фото образца в захватах испытательной машины с прикрепленным датчиком представлено на рис. 2. Рис. 2. Фото образца в захватах испытательной системы с прикрепленным датчиком АЭ Fig. 2. The sample in the grips of the test system with an attached AE sensor Параметры регистрации данных АЭ выбраны исходя из параметров проведения механических испытаний (скорость нагружения). Осуществлялась предварительная фильтрация по пороговому значению 30,2 дБ и фильтрация с использованием полосового фильтра 25-850 кГц. Регистрация данных АЭ для всех образцов осуществлялась с помощью специальной аппаратной опции, которая дает возможность возведения в квадрат и интегрирования сигнала, в результате чего можно получить значение энергетического параметра сигнала [28, 31]. В этом случае энергетический параметр вычисляется в единицах энергии (eu, 1 eu = 10-14 В2c) [29]. Суммируя значения энергетического параметра за все предыдущие временные интервалы, можно ввести понятие кумулятивной энергии (E, В2c), которая отражает степень накопления дефектов в материале: где Ei - энергетический параметр сигнала АЭ. Данный параметр был описан в работах [30-33]. С помощью специального программного модуля были обработаны все волновые формы, и извлечены значения частоты спектрального максимума (ЧСМ, характеристика быстрого преобразования Фурье). Частота спектрального максимума - это частота с наибольшей величиной в спектре быстрого преобразования Фурье, генерируемая механизмами повреждения [34-35]. Регистрация неоднородных полей перемещений и деформаций на поверхности образца осуществлялась с использованием бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы Vic-3D (Correlated Solutions), математический аппарат которой основан на методе корреляции цифровых изображений (КЦИ) [34]. Съемка видеосистемой осуществлялась с помощью двух цифровых черно-белых камер Q-400 с разрешением до 4 Мп, скорость съемки составила 15 кадров в секунду. В программном обеспечении видеосистемы Vic-3D предусмотрено использование разных корреляционных критериев математической оценки соответствия цифровых изображений. В работе используется критерий нормированной суммы квадратов разностей (NSSD - normalized sum of squared difference). Данный критерий менее чувствителен к изменению освещенности (яркости) образца в процессе деформирования, обеспечивает наилучшее сочетание временных затрат и точности результатов [35]. Для реализации метода КЦИ на поверхность образца наносилось мелкодисперсное покрытие с помощью аэрозольной черной краски. В ходе постобработки системой Vic 3D осуществлялось вычисление компонент продольных деформаций (eyy) с помощью тензора конечных деформаций в представлении Лагранжа Схема проведения испытания совместно с системой для регистрации сигналов АЭ и оптической видеосистемой представлена на рис. 3. Рис. 3. Схема проведения испытания совместно с системой для регистрации сигналов АЭ: 1 - испытательная машина; 2 - образец, установленный в захваты; 3 - контроллер испытательной системы; 4 - ПК, с которого производится управление машиной; 5 - блок синхронизации; 6 - ПК, с которого производится управление видеосистемой; 7 - камеры, установленные на штативе; 8 - система подсветки; 9 - блок регистрации и обработки сигналов АЭ; 10 - предусилитель сигнала АЭ; 11 - ПК с ПО для регистрации и обработки АЭ; 12 - датчик АЭ Fig. 3. Testing scheme in conjunction with the system for registration of AE signals: 1 - testing machine; 2 - the sample installed in the grippers; 3 - controller of test system; 4 - PC from which the machine is controlled; 5 - sync block; 6 - PC, from which the video system is controlled; 7 - cameras mounted on a tripod; 8 - backlight system; 9 - block registration and processing of AE signals; 10 - preamp signal AE; 11 - PC with software for registration and processing of AE; 12 - AE sensor 2. Результаты механических испытаний и анализ экспериментальных данных Основным источником АЭ при испытаниях стальных образцов с нанесенным на них керамическим покрытием является растрескивание покрытия и отслоение его от образца [22]. Для сравнения акустико-эмиссионного поведения образцов с нанесенным покрытием и без него приведены характерные графики зависимости кумулятивной энергии от времени, совмещенные с графиком нагружения (рис. 4), график распределения пиковых значений амплитуд по времени, совмещенный с графиком нагружения (рис. 5), распределение пиковых значений амплитуд (рис. 6), график распределения частот спектрального максимума в зависимости от времени, совмещенный с графиком нагружения (рис. 7), ступенчатая диаграмма ЧСМ (рис. 8). Были рассмотрены участки нагружения образцов с момента начала испытаний до момента времени, равного 50 с, далее на образцах с покрытием наблюдалось отслоение покрытия. Проводилось сравнение акустико-эмиссионного поведения при испытаниях на одноосное растяжение образцов без покрытия и образцов с покрытием и отмечено, что рост кумулятивной энергии во время испытания образцов без покрытия начинается с момента времени t ≈ 10 c и совпадает с моментом перехода с верхнего предела текучести на нижний (рис. 4, а), а рост кумулятивной энергии во время испытания образцов с покрытием начинается с момента времени t ≈ 40 c (рис. 4, б). а б Рис. 4. График зависимости кумулятивной энергии (E) от времени (t), совмещенный с графиком нагружения для образца без покрытия (а) и образца с покрытием (б) Fig. 4. Graph of cumulative energy (E) versus time (t), combined with the loading curve for the sample without coating (a) and the coated sample (b) а б Рис. 5. График распределения пиковых значений амплитуд (A) по времени (t), совмещенный с графиком нагружения для образца без покрытия (а) и образца с покрытием (б) Fig. 5. The graph of the distribution of peak amplitudes (A) versus time (t), combined with the load curve for the sample without coating (a) and the sample with coating (b) а б Рис. 6. Распределение пиковых значений амплитуд для образца без покрытия (а) и образца с покрытием (б) Fig. 6. The distribution of peak amplitudes for the sample without coating (a) and the sample with coating (b) а б Рис. 7. График распределения ЧСМ в зависимости от времени (t), совмещенный с графиком нагружения для образца без покрытия (а) и образца с покрытием (б) Fig. 7. The graph of the distribution of the frequency of spectral maximum from time (t), combined with the schedule of loading for the sample without coating (a) and the sample with coating (b) В этот момент времени на поверхности образца наблюдается растрескивание и отслоение керамического покрытия. Значения кумулятивной энергии при испытании образцов с нанесенным керамическим покрытием выше на 4 порядка и совпадают со значениями энергетического параметра для керамического материала, схожего по составу [36]. В момент времени t ≈ 40 c для образца с покрытием наблюдается увеличение пиковых значений амплитуд, которые достигают значений 95 дБ. а б Рис. 8. Распределение частот спектрального максимума для образца без покрытия (а) и образца с покрытием (б) Fig. 8. The distribution of the frequency of spectral maximum for the sample without coating (a) and the sample with coating (b) Для контроля растрескивания покрытия в работе также используется бесконтактная трехмерная цифровая оптическая система Vic-3D, математический аппарат которой основан на методе корреляции цифровых изображений DIC. По результатам испытаний на одноосное растяжение были построены эпюры распределения продольных деформаций εyy по всей длине испытываемого образца по линии, которая соответствует геометрическому центру образца. На рис. 10 вынесены эпюры, соответствующие полям деформаций (рис. 9), по которым можно судить, в какой момент времени происходило растрескивание покрытия. Первичное растрескивание отмечается в момент времени, равный t = 39,6 с, последующее нагружение приводит к проявлению трещин на поверхности по всему покрытию, о чем свидетельствуют поля продольных деформаций. Неоднородное поле (рис. 9) в момент времени t = 47 с предшествует полному отслоению покрытия от поверхности образца. Во время испытания образцов без покрытия значения амплитуд находятся в диапазоне от 30 до 60 дБ (см. рис. 5). Стоит отметить, что на образцах без покрытия зарегистрировано бóльшее количество сигналов АЭ, чем на образцах с покрытием (см. рис. 6). Видно, что максимальное количество сигналов находится в диапазоне от 30 до 50 дБ в обоих случаях. Распределение значений частот спектрального максимума для образцов с покрытием и без находится в диапазоне от 30 до 300 кГц. Для образцов с покрытием наблюдается увеличение значений ЧСМ с момента времени t ≈ 40 c до 700 кГц, увеличение числа зарегистрированных сигналов в диапазоне от 50 до 200 кГц и от 250 до 300 кГц (см. рис. 7, б) (момент, когда начинается растрескивание и отслоение керамического покрытия). Важно обозначить, что сигналы АЭ в диапазоне частот от 150 до 250 кГц отсутствуют на образцах без покрытия и присутствуют на образцах с покрытием. Ступенчатая диаграмма частот спектрального максимума (см. рис. 8, б) также свидетельствует о том, что при разрушении образцов с покрытием регистрируются сигналы в диапазоне частот от 150 до 250 кГц. В процессе нагружения в образцах без покрытия данный диапазон частот не регистрируется. а б t = 39,6 c t = 42,4 c t = 44,0 c t = 47,0 c Рис. 9. Неоднородные поля продольных деформаций εyy в соответствующий момент времени t (а) и черно-белые фотографии эволюции развития трещин на покрытии (б) Fig. 9. Heterogeneous fields of longitudinal deformations εyy at the appropriate time t (a) and black and white photographs of the evolution of the development of cracks of the coating (b) Для образцов с покрытием и без были построены диаграммы растяжения до момента времени t = 50 c. На рис. 11 приведена характерная диаграмма. Условно разделив диаграммы на три стадии, которые соответствуют участку упругого деформирования (I), площадке текучести (II) и участку упрочнения материала (III), вычислили значения некоторых параметров сигналов АЭ для образцов без покрытия и образцов с покрытием для каждой стадии. Характерные значения для количества сигналов АЭ и кумулятивной энергии для образцов с покрытием и без представлены в таблице. Рис. 10. Эпюры распределения продольных деформаций εyy Fig. 10. Epure of the distribution of longitudinal deformations εyy t, с Рис. 11. Диаграмма растяжения образцов Сталь 45 с покрытием и без покрытия Fig. 11. Diagram of stretching of samples steel 45 with coat without coat Характерные значения параметров сигнала АЭ на трех участках при испытаниях образцов без покрытия и с покрытием The characteristic values of the parameters of the AE signal in three areas by testing samples without coating and coated Параметры Металлические образцы без покрытия Металлические образцы с покрытия Участок I II III I II III Количество сигналов, шт. 54 164 60 1471 7476 25336 Кумулятивная энергия, В2с 1,6·10-12 2,5·10-12 2,2·10-12 11,0·10-10 4,6·10-10 5,9·10-7 Кумулятивная энергия, % 25,4 39,7 34,9 0,2 0,1 99,3 Анализ таблицы позволяет сделать вывод, что при растяжении образца без покрытия максимальное число зарегистрированных сигналов АЭ приходится на участок, соответствующий площадке текучести (II), на упругом участке (I) и участке упрочнения образца (III) для всех образцов регистрируется меньшее число сигналов. Данные явления могут быть связаны с движением пластической деформации и описаны в работе [37]. На I и II участках для образцов с покрытием зарегистрировано сигналов АЭ больше на 1-2 порядка в сравнении с теми же участками образцов без покрытия. Увеличение количества зарегистрированных сигналов соответствует процессу деформирования керамического покрытия и накопления повреждений в месте контакта системы «подложка-покрытие». Максимальное число зарегистрированных сигналов АЭ для образца с покрытием приходится на участок упрочнения (III). На данном участке наблюдается активный рост трещин (см. рис. 9) и разрушение покрытия с отслоением его от образца, которое происходит в момент времени t = 40 c, что подтверждается данными с оптической видеосистемы. Анализируя значения кумулятивной энергии на каждом участке, следует отметить, что для образцов без покрытия на всех трех участках полученные значения схожи. Для образцов с покрытием на участке I и II значения кумулятивной энергии выше на 2-3 порядка по сравнению со значениями на аналогичных участках для образцов без покрытия. Это также подтверждает наличие процессов деформирования покрытия. Кроме того, для образцов с покрытием наблюдается увеличение значений кумулятивной энергии на участке III, что составляет 99 % от значения кумулятивной энергии на рассмотренном участке диаграмм растяжения (до t = 50 c). Вывод В ходе экспериментального изучения процесса образования и роста трещин в функциональном керамическом покрытии при испытаниях на одноосное растяжение был проведен ряд механических испытаний на плоских металлических образцах с покрытием и плоских металлических образцах без покрытия. Проводился непрерывный контроль растрескивания покрытия с использованием системы для регистрации сигналов АЭ и бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы VIC-3D. Отмечается хорошее соотношение между экспериментальными данными, полученными с обеих систем. В ходе работы были построены и проанализированы графики зависимостей акустико-эмиссионных параметров (пиковые значения амплитуд, значения частот спектрального максимума, энергетический параметр) от времени. В ходе сравнительного анализа полученных результатов акустико-эмиссионного отклика в процессе испытаний на одноосное квазистатическое растяжение отмечается, что процессы деформирования керамического покрытия, нанесенного на образцы из высокомодульного материала Сталь 45, начинаются на участке упругого деформирования (I). На участке упрочнения образца III происходит инициация и распространение трещин в покрытии. Данный процесс сопровождается увеличением параметров сигнала АЭ и фиксируется оптической видеосистемой. Определено, что во время разрушения керамического покрытия регистрируются сигналы в диапазоне амплитуд 60-100 дБ и в диапазоне частот 150-200 кГц. Анализ параметров АЭ на трех участках диаграммы растяжения образца показал, что смена механизмов деформирования и разрушения хорошо выражена для образцов с покрытием. Стоит отметить, что методика, описанная в данной работе, дает возможность контроля над процессом накопления повреждений и разрушения покрытий, нанесенных на подложки из различных материалов, во время приложения нагрузки.

About the authors

E M Zubova

Perm National Research Polytechnic University

D S Lobanov

Perm National Research Polytechnic University

E M Strungar

Perm National Research Polytechnic University

V E Wildemann

Perm National Research Polytechnic University

Y B Lyamin

Ural Research Institute of Composite Materials

References

Statistics

Views

Abstract - 465

PDF (Russian) - 183