Устройство для формирования и испытания образцов тонких покрытий

Изобретение относится к лабораторной испытательной технике, а именно к устройству для формирования и испытания образца тонких покрытий в нагрузочных устройствах, например, для испытания тонких керамических теплозащитных покрытий на механическую прочность растяжением. Устройство представляет собой предназначенный для размещения в нагрузочном устройстве разъемный узел, содержащий две цилиндрические и кольцевую детали, внешняя поверхность которых предназначена для нанесения, по меньшей мере, одного слоя тонкого покрытия и формирования образца. Одна из цилиндрических деталей имеет по оси цилиндрическую полость, а другая ответный цилиндрический выступ, размещаемый через отверстие кольца в полости и соединяющий детали. Внешняя поверхность цилиндрических деталей имеет адгезию, а поверхность кольца - без адгезии с наносимыми на них покрытиями, и служат, соответственно, для формирования образца в виде соединительного слоя и/или безадгезионного тонкого покрытия. Технический результат: повышение достоверности исследования прочностных свойств тонких покрытий путем формирования безадгезионного продольного поверхностного образца на разъемном узле, пригодном для нагружения продольным и температурным нагружениями. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к лабораторной испытательной технике, а именно к устройству для формирования и испытания образца тонких покрытий в нагрузочных устройствах, например, для испытания тонких керамических теплозащитных покрытий на механическую прочность растяжением.

Известно определение прочностных свойств плазменных керамических теплозащитных покрытий (статья Sung R. Choi «Mechanical Properties of Plasma-Sprayed ZrO₂-8 wt% Y₂O₃ Thermal Barrier Coatings», 2009), включающее в себя нанесение толстого слоя (6 мм) покрытия из керамики на графитовую подложку, последующее отделение слоя керамики от графита при температуре 680°C в течение 24 часов, изготовление из покрытия образцов различной конфигурации и их испытание на механическую прочность при нормальной температуре. Определение предела прочности осуществляют растяжением/сжатием цилиндрических образцов, вырезанных с различной ориентировкой. Определение модуля упругости осуществляют методом 4-точечного изгиба плоской пластины покрытия.

Известное техническое решение не позволяет формировать и испытывать образцы тонких покрытий (~0,12 мм), которые характерны для реальных покрытий деталей машин.

Получение указанных толстых покрытий длительно, а в процессе длительного нанесения, из-за низкой (в разы меньшей, чем у основного материала) теплопроводности самой керамики, в зоне нанесения параметры технологического процесса изменяются (ухудшается теплоотвод), в результате чего возможно получение покрытия другой структуры и соответственно свойств, не характерных реальным покрытиям.

Использование значений механических характеристик толстых покрытий применительно к реальным тонким (~0,12 мм) покрытиям не дает удовлетворительного результата, так как из теории и практики сопротивления материалов известно, что в материале большего масштаба содержится большее количество различных неоднородностей, сказывающихся в том числе на механических характеристиках.

Известно устройство для определения прочностных свойств теплозащитных покрытий (патент РФ №2430351 от 27.09.11), имеющих преимущественно столбчатую структуру, ориентированную перпендикулярно поверхности образца, на которую покрытие нанесено. Теплозащитное покрытие нанесено на металлический образец, имеющий поясное сужение для создания зоны максимальной нагрузки от действия центробежных сил. Такое устройство не позволяет формировать и испытывать образцы тонких покрытий на когезионную прочность (прочность покрытия на разрыв при продольном растяжении образца), которые характерны для ряда покрытий деталей машин, например керамических теплозащитных покрытий.

Прочность на разрыв определят не характеристики покрытия, а характеристики металлического образца в поясном сужении.

Деформации материала детали при эксплуатации направлены вдоль слоев, поэтому для получения истинных (достоверных) значений механических характеристик покрытия необходимо проводить испытания с приложением нагрузки в направлении, идентичном эксплуатационному.

В основу изобретения положена задача повышения достоверности исследования прочностных свойств тонких покрытий.

Техническим результатом является повышение достоверности исследования прочностных свойств тонких покрытий путем формирования безадгезионного продольного поверхностного образца на разъемном узле, пригодном для нагружения продольным и температурным нагружениями.

Поставленная задача решается тем, что устройство для формирования и испытания образца тонких покрытий, например керамических, теплозащитных покрытий, на механическую прочность при тепловых нагрузках представляет собой предназначенный для размещения в нагрузочном устройстве разъемный узел, содержащий две цилиндрические и кольцевую детали, внешняя поверхность которых предназначена для нанесения, по меньшей мере, одного слоя тонкого покрытия и формирования образца, одна из цилиндрических деталей имеет по оси цилиндрическую полость, а другая ответный цилиндрический выступ, размещаемый через отверстие кольца в полости и соединяющий детали, при этом внешняя поверхность цилиндрических деталей имеет адгезию, а поверхность кольца - без адгезии с наносимыми на них покрытиями, и служат, соответственно, для формирования образа в виде соединительного слоя и/или безадгезионного тонкого покрытия.

Внешняя поверхность цилиндрических деталей покрыта, по меньшей мере, одним, имеющим адгезию к покрытию, соединительным металлическим подслоем, а внешняя поверхность соединенных деталей покрыта тонким керамическим теплозащитным покрытием.

Внутренние поверхности деталей для исключения влияния трения на прикладываемую нагрузку обработаны по посадке скольжения.

Цилиндрические детали имеют в концах сквозные отверстия для крепления узла в нагрузочном устройстве.

Все детали имеют сквозные осевые отверстия под единый болт, предназначенный для временной дополнительной фиксации деталей при нанесении покрытий.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунками, где на рис.1а представлена деталировка устройства для формирования и испытания образца тонких покрытий, согласно изобретению,

на рис.1б представлено устройство в сборке,

на рис.1в - вид устройства в разрезе по А.

Устройство, согласно изобретению, для формирования и испытания образца тонких покрытий, например керамических, теплозащитных покрытий, на механическую прочность при тепловых нагрузках, представляет собой разъемный узел, предназначенный для размещения в нагрузочном устройстве с приложением нагрузки в направлении, идентичном эксплуатационному.

Разъемный узел (рис.1) содержит цилиндрическую деталь 1, цилиндрическую деталь 2 и кольцевую деталь 3.

Одна из цилиндрических деталей (деталь 1) имеет по оси цилиндрическую полость 4, а другая (цилиндрическая деталь 2) - ответный цилиндрический выступ 5.

В сборке выступ 5 размещен через отверстие кольца 3 в полости 4 и соединяет разъемно детали узла.

Внутренние поверхности деталей (1, 2 и 3) для исключения влияния трения на прикладываемую нагрузку обработаны по посадке скольжения.

Детали (1 и 2) имеют в концах сквозные отверстия 6 для крепления узла в нагрузочном устройстве.

Кроме того, детали (1, 2 и 3) имеют сквозные осевые отверстия 7 под единый болт 8, предназначенный для временной дополнительной фиксации деталей при нанесении покрытий и скрепляемый гайкой 9.

Внешняя поверхность цилиндрических деталей 1 и 2 имеет адгезию к наносимому покрытию. Адгезия может быть достигнута или подбором соответствующего материала самой цилиндрической детали 1 и 2, или наносимым соединительным материалом.

Внешняя поверхность кольца 3 выполнена без адгезии к наносимому на него покрытию, и служит для формирования безадгезионного образца тонкого покрытия.

Устройство используют следующим образом (пример использования).

На внешние поверхности деталей 1 и 2 наносят соединительный металлический подслой 10. Химический состав, технология и режимы нанесения соединительного слоя должны быть такими, чтобы адгезионная прочность этого слоя с материалом деталей и наносимым затем тонким керамическим теплозащитным покрытием 11 была выше когезионной прочности образца покрытия.

Внешнюю поверхность кольца 3 оставляют без подслоя, или может быть нанесен защитный слой, не имеющий адгезии к керамике покрытия 11.

Целесообразно, чтобы ширина кольца 3 была выбрана с учетом требуемой базы керамического покрытия на разрыв, а радиус кольца 3 выступал на толщину наносимого подслоя 10.

Затем производят сборку устройства, размещая ответный цилиндрический выступ 5, через отверстие кольца 3 в полости 4. Закрепляют болтом 8 и гайкой 9.

На рабочую поверхность собранного образца наносится исследуемый керамический слой покрытия 11 и снимают болт 8 и гайку 9.

На полученный цилиндрический образец с покрытием приваривают термопару 12 в нерабочей зоне, с помощью отверстий 6 под захваты устройство центрируют и закрепляют на разрывной машине, производят разогрев до необходимой температуры, например, в радиационной печи, прикладывают растягивающую нагрузку вдоль покрытия, регистрируют предельную разрушающую силу и записывают диаграмму деформирования покрытия, по которой стандартными методами определяют механические характеристики керамического слоя покрытия.

Предлагаемое изобретение позволяет получить истинные значения механических характеристик промежуточного и внешнего керамического слоев, а также многослойного теплозащитного покрытия в целом при эксплуатационных температурах для достоверного прогнозирования ресурса ТЗП на деталях машин.

Устройство может быть использовано для определения механических характеристик тонких покрытий, например керамических, теплозащитных покрытий, многослойных теплозащитных покрытий, применяемых в термонапряженных деталях машин, преимущественно в авиакосмической технике.

1. Устройство для формирования и испытания образцов тонких керамических, теплозащитных покрытий на механическую прочность при тепловых нагрузках, отличающееся тем, что представляет собой предназначенный для размещения в нагрузочном устройстве разъемный узел, содержащий две цилиндрические и кольцевую детали, внешняя поверхность которых предназначена для нанесения, по меньшей мере, одного слоя тонкого покрытия и формирования образца, одна из цилиндрических деталей имеет по оси цилиндрическую полость, а другая ответный цилиндрический выступ, размещаемый через отверстие кольца в полости и соединяющий детали, при этом внешняя поверхность цилиндрических деталей имеет адгезию, а поверхность кольца - без адгезии с наносимыми на них покрытиями, и служат, соответственно, для формирования образца в виде соединительного слоя и/или безадгезионного тонкого покрытия.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внешняя поверхность цилиндрических деталей покрыта, по меньшей мере, одним, имеющим адгезию к покрытию, соединительным металлическим подслоем, а внешняя поверхность соединенных деталей покрыта тонким керамическим теплозащитным покрытием.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренние поверхности деталей для исключения влияния трения на прикладываемую нагрузку обработаны по посадке скольжения.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что цилиндрические детали имеют в концах сквозные отверстия для крепления узла в нагрузочном устройстве.

5. Устройство по п. 1 отличающееся тем, что все детали имеют сквозные осевые отверстия под единый болт, предназначенный для временной дополнительной фиксации деталей при нанесении покрытий.