Thermal residual stresses in alumina - heat resisting steel joints with an interlayer of Al2O3-Cr functionally graded material. Part I. Interlayer selection.

• Autorzy: Chmielewski M. , Kaliński D. , Pietrzak K.

Warianty tytułu

PL

Naprężenia własne w złączach Al2O3 - stal żaroodporna z przekładką z materiału gradientowego Al2O3-Cr. Część I. Wybór materiału przekładki.

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The present article, split into two parts, analyzes the influence of an interlayer's construction and thickness on thermal residual stresses generated in ceramic - metal joints. Numerical calcultions (the finite elements method - FEM) of the state of thermal residual stresses, as well as the verifying technological tests, were made by following pair of materials: the Al2O3 ceramics - heat resisting steel. Two kinds of interlayer were considered: chromium and a gradient material (FGMs) layers were composed of Al2O3-Cr. The interlayers of various thickness were studied, which in the use of FCMs also concerned to construction profile, understood as the number of layers, their composition, thickness and manual position. The first part of the paper presents the calculations concerning the state of thermal residual stresses in the joints of Al2O3 ceramic - heat resisting steel with a chromium interlayer and an Al2O3-Cr three-level gradient material. It was found that the optimal solution for the joint was to use a gradient material 3 mm thick (all together), composed, as for the ceramics, in the following proportions: 75% Al2O3 + 25% Cr, 50% Al2O3 + 50% Cr, 25% Al2O3 + 75% Cr (vol. %).

PL

W pracy przedstawiono analizę wpływu budowy i grubości przekładki na stan naprężeń własnych powstających w złączach ceramika-metal. Obliczenia numeryczne (metodą elementów skończonych) stanu naprężeń własnych, a także badania weryfikujące wykonano dla pary materiałów: ceramika typu Al2O3-stal żaroodporna. Do obliczeń przyjęto dwa rodzaje przekładek: chromową i z materiału gradientowego (FGM), składającego się z warstw kompozytu Al2O3-Cr. Analizę gromadzono dla różnych grubości przekładek. Dla przekładki z FGM analizowano również profil jego budowy, liczbę warstw, ich rodzaj, grubość i wzajemne usytuowanie. Pierwsza część prezentowanej pracy przedstawia obliczenia stanu naprężeń własnych w złączach ceramika Al2O3-stal żaroodporna z przekładnią chromową oraz trójwymiarowym materiałem gradientowym Al2O3-Cr. Stwierdzono, że optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie jako warstwy pośredniej w złączu materiału gradientowego o całkowitej grubości 3 mm o składzie od strony ceramiki: 75% Al2O3 + 25% Cr, 50% Al2O3 + 50% Cr, 25% Al2O3 + 75% Cr (% obj.).

Słowa kluczowe

EN

ceramic-metal joint; residual stresses; thermal stresses; interlayer

PL

złącze ceramika-metal; naprężenia własne; naprężenia cieplne; przekładka kompensacyjna; materiał gradientowy

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN ; De Gruyter
• Czasopismo: Advances in Manufacturing Science and Technology
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 28, nr 3
• Strony: 99--111
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Chmielewski M.

• Institute of Electronic Materials Technology, 01-919 Warsaw, ul. Wólczyńska 133, phone [phone] ext. 154

autor

Kaliński D.

• Institute of Electronic Materials Technology, 01-919 Warsaw, ul. Wólczyńska 133, phone [phone] ext. 154

autor

Pietrzak K.

• Institute of Electronic Materials Technology, 01-919 Warsaw, ul. Wólczyńska 133, phone [phone] ext. 154

Bibliografia

• [1] D. GOLAŃSKI: The influence of temperature distribution and the shape of a joint on the state of stresses in circular-symmetrical elements of alumina ceramics joined with steel. Doctoral dissertation. Warsaw University of Technology, Warsaw 1994.
• [2] W. WŁOSIŃSKI, D. GOLAŃSKI: The key issues affecting the strength of bonded ceramic to metal joints. Advances in Manufacturing Science and Technology, 25(2001)4, 21-37.
• [3] W. OLESIŃSKA, D. KALIŃSKI, D. GOLAŃSKI: Non-destructive testing of complex ceramic-metal joint structures. Final report, Grant KBN No 7T08C 021 17,2001.
• [4] K. SEO et al.: Study of thermal stress at ceramic-metal joint. JSME Int. Journal Series 1, 33(1990), 3.
• [5] D. KALIŃSKI, M. CHMIELEWSKI: Interlayers in diffusion bonding Al2O3-steel 15 joints. Material and design. Electronic Materials, 30(2002)1/2, 51-64.
• [6] D. KALIŃSKI, K. PIETRZAK, M. CHMIELEWSKI: Relationship between the design of the joint and the residual stress state in diffusion-bonded Al2O3-15 steel joint. FEM analysis. Advances in Manufacturing Science and Technology, 27(2003)1, 27-39.
• [7] Y. ZHOU et al.: Interlayer selection and thermal stresses in brazed Si3N4-steel joints. Mat. Science and Technology, 7(1991), 863-868.
• [8] A.P. XIAN, Z. YOASI: Interlayer design for joining pressureless sintered sialon ceramics and 40 Cr steel brazing with Ag57Cu38Ti5 filler metal. J. Materials Science, 27(1992), 1560-1566.
• [9] K.. PIETRZAK, M. BARLAK: The application of a gradient material in ceramic-steel joining. Welding Review, 12(2002), 19-24.
• [10] Heat-resistant steel - types, PN-71/H-86099.
• [11] A. SULLY, E. BRANDES: Chromium. London 1971.
• [12] K. PIETRZAK, M. CHMIELEWSKI: Al2O3-Cr composites as the graded interlayer in alumina-chromium steel joints. Composites, 3(2003) 8, 434-438.