Investigation of residual stresses in composite Ti+Al2O3 contaings deposited by thermal sparying onto ceramic substrate

• Autorzy: Chmielewski T. , Golański D. , Gontarz G.

Warianty tytułu

PL

Badanie naprężeń własnych w powłokach kompozytowych Ti+Al2O3 nanoszonych przez natryskiwanie cieplne na podłoże ceramiczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The residual stresses in thermally sprayed coatings are of great interest since they affect the reliability of the coating/ substrate system. The evaluation of residual stresses in thermally sprayed composite Ti+Al2O3 coatings on Al2O3 ceramic substrates has been conducted. The purpose of the research was to measure the residual stresses generated in coatings deposited by detonation gun thermal spraying and compare the results obtained for pure titanium and Ti+30% Al2O3 composite coating. The stresses in deposited coatings have been obtained from the curvature measurement of the analyzed samples. A measuring system has been built for this purpose, which allowed registering of the curvature of the coated samples. The residual stresses have been calculated from the measurements using the Stoney equation and compared with the results obtained from the modified Stoney equation derived by Clyne. It was observed that tensile residual stresses are formed within the coating and grew with the coating increase. The applied stress calculation formula showed that for higher coating thicknesses, the primary Stoney equation underestimates the results comparing to the modified Stoney formula (Clyne).

PL

Badania naprężeń własnych w natryskiwanych cieplnie powłokach metalicznych, ceramicznych czy kompozytowych należą do jednego z ważniejszych zagadnień, bowiem stan naprężeń może decydować o trwałości eksploatacyjnej nanoszonych powłok. W pracy dokonano oceny naprężeń własnych w natryskiwanych cieplnie powłokach kompozytowych Ti+Al2O3 na podłoże Al2O3. Celem badań było określenie naprężeń własnych powstających w powłokach kompozytowych (Ti+Al2O3) nanoszonych na podłoże ceramiczne metodą detonacyjną oraz porównanie otrzymanych wyników w stosunku do powłok nanoszonych z czystego tytanu. Naprężenia w powłokach wyznaczano w oparciu o pomiary krzywizny próbek z powłokami kompozytowymi i metalicznymi. W tym celu skonstruowano przyrząd z czujnikiem cyfrowym do rejestracji wygięcia próbek. Naprężenia własne obliczano z wykorzystaniem równania Stoneya oraz zmodyfikowanego równania Stoney'a (Clyne). Wyniki obliczeń wskazują, że w powłokach powstają rozciągające naprężenia własne, których wielkość rośnie ze wzrostem grubości powłoki. Wyznaczone wielkości naprężeń własnych z użyciem równania Stoneya wykazują, że ze wzrostem grubości powłoki rośnie ich niedoszacowanie w stosunku do obliczeń dla zmodyfikowanego równania Stoneya (Clyne).

Słowa kluczowe

EN

thermal spraying; residual stresses; composite coatings

PL

natryskiwanie cieplne; naprężenia własne; powłoki kompozytowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 1
• Strony: 26--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Chmielewski T.

autor

Golański D.

autor

Gontarz G.

• Warsaw University of Technology, Institute of Manufacturing Technology, Department of Welding Engineering, ul. Narbutta 85, 02-524 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Berndt M.L. Berndt C.C., Thermal Spray Coatings, Brookhaven National Laboratory, State University of New York, Stony Brook 2003.
• [2] Pawłowski L., The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings, John Wiley & Sons Ltd. 2008.
• [3] Hutchinson J.W., Evans A.G., On the delamination of thermal barrier coatings in a thermal gradient, Surface and Coatings Technology 2002, 149, 179-184.
• [4] Kandil F.A., Lord J.D., Fry A.T., Grant P.V., A review of residual stress measurement methods - a guide to technique selection. NPL Report MATC(A) O4 Materials Centre, National Physical Laboratory UK 2001.
• [5] Kesler O., Matejicek J., Sampath S., Suresh S., Gnaeupel- -Herold T., Brand P.C., Prask H.J., Measurement of residual stress in plasma-sprayed metallic, ceramic and composite coatings, Materials Science and Engineering A 1998, 257, 215-224.
• [6] Totemeier T.C., Wright J.K., Residual stress determination in thermally sprayed coatings-a comparison of curvature models and X-ray techniques, Surface & Coatings Technology 2006, 200, 3955-3962.
• [7] Matejicek J., Sampath S., In situ measurement of residual stresses and elastic moduli in thermal sprayed coatings Part 1: apparatus and analysis, Acta Materialia 2003, 51, 863-872.
• [8] Stokes J., Looney L., Residual stress in HVOF thermally sprayed thick deposits, Surface and Coatings Technology 2004, 177/178, 18-23.
• [9] Marrocco T., McCartney D.G., Shipway P.H., Sturgeon A.J., Production of Titanium Deposits by Cold-Gas Dynamic Spray: Numerical Modeling and Experimental Characterization, Journal of Thermal Spray Technology 2006, 15(2), 263-272.
• [10] Huang B., Yang Y., Luo H., Yuan M., Chen Y., Effect of the interfacial reaction layer thickness on the thermal residual stresses in SiCf/Ti–6Al–4V composites, Materials Science and Engineering A 2008, 489, 178-186.
• [11] Kamara A.M., Davey K., A numerical and experimental investigation into residual stress in thermally sprayed coatings, International Journal of Solids and Structures 2007, 44, 8532-8555.
• [12] Fiori F., Girardin E., Giuliani A., Rustichelli F., Residual stresses in metal matrix composites: experimental determination by neutron diffraction, Kompozyty (Composites) 2002, 2, 3, 121-126.
• [13] Golański D., Modelling of thermal residual stresses in MMC composites with the application of the homogenization method and digital image-based technique, Kompozyty (Composites) 2002, 2, 5, 354-358.
• [14] Stoney G.G., The tension of metallic films deposited by electrolysis, Proceedings of the Royal Society (London) 1909, A82, 172-175.
• [15] Clyne T.W., Gill S.C., Residual stresses in surface coatings and their effects on interfacial debonding: A review of recent work, J. Thermal Spray Technology 1996, 5(4), 401-418.
• [16] Davis J.R., Handbook of Thermal Spray Technology, ASM International, 2004.
• [17] Babul T., Zjawiska fizyczne w procesie natryskiwania detonacyjnego powłok. (Physical phenomenon during detonation gun thermal spraying of coatings), Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa 2006.