FEM micromechanical modelling of a porous surface coating system

• Autorzy: Włodarczyk J. , Szymczyk W.

Warianty tytułu

EN

Modelowanie mikromechaniczne porowatych warstw powierzchniowych

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Pokrycia wielowarstwowe wykonywane na częściach silników zarówno wewnętrznego spalania jak i odrzutowych, mogą być używane jako bariera cieplna, która będzie zapewniać ich większą sprawność cieplną i mechaniczną, lepsze własności tribologiczne, odporność na zużycie i na oddziaływanie agresywnych mediów. Prezentowane są mikromechaniczne modele MES wybranego systemu warstwy powierzchniowej, które uwzględniają wpływ porowatości na rozkład naprężeń resztkowych. Przykładowe pokrycie powierzchniowe było wykonane na podłożu z brązu berylowego i składało się z międzywarstwy NiCr i zewnętrznej warstwy TiN. Pokrycie było analizowane jako materiał funkcjonalnie gradientowy, z założoną liniową funkcją gradientu własności materiałowych w strefach przejściowych pomiędzy warstwami czystych materiałów podłoża, międzywarstwy i warstwy zewnętrznej. Badano wpływ porowatości na rozkład naprężeń resztkowych, a w szczególności wpływ efektu skupiania się i łączenia porów. Mikromechaniczne modele do wyznaczania efektywnych własności materiałów porowatych z efektem łączenia się porów i bez łączenia się porów, efektywne wartości modułu Younga wyznaczone z modeli mikromechanicznych, z efektem i bez efektu skupiania łączenia się porów, modele warstwy powierzchniowej, z mikromechaniczną symulacją mikrostruktury, naprężenia resztkowe w funkcji porowatości, przykład wyników obliczeń naprężeń resztkowych oraz przykład wyników obliczeń naprężeń resztkowych są prezentowane w artykule.

EN

Multilayered coatings established on parts of internal combustion as well as jet engines may be used as TBC systems providing their better thermal-mechanical efficiency, tribological properties, wear resistance and ability to withstand the influence of aggressive media. FEM micromechanical models of a chosen surface coating system are presented which take into consideration the influence of porosity onto distribution of residual stresses. The example coating system was established on a beryllium copper substrate and consisted of the NiCr midsurface and TiN external layers. The system was analyzed as a functionally gradient material (FGM) with an assumed linear gradient function of material properties in transition zones between volumes of the pure materials of the substrate, midsurface and the external layer. The porosity influence on the distribution of residual stresses was investigated, and the clustering effect influence in particular. Micromechanical models for appointing of effective properties of porous materials with the effect convergence pores and without convergence pores, effective values of Young's modulus appointed from micromechanical models with the effect and without the effect concentrating convergence pores, models surface layer, with the micromechanical simulation of the microstructure, residual stresses in the function of the porosity, the example of results of calculations of residual strains and the example of results of calculations of residual strains are presented in the paper.

Słowa kluczowe

PL

warstwy powierzchniowe; metoda elementów skończonych; MES; modelowanie mikromechaniczne; materiały funkcjonalnie gradientowe; porowatość; skupiania się porów; łączenie się porów

EN

surface coatings; finite element method; FEM; micromechanical modelling; functionally graded materials; porosity; clustering effect

• Wydawca: Łukasiewicz Research Network - Institute of Aviation ; European Science Society of Powertrain and Transport KONES Poland ; Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych
• Czasopismo: Journal of KONES
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 13, No. 4
• Strony: 429--436
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys.

Twórcy

autor

Włodarczyk J.

autor

Szymczyk W.

• Military University of Technology, Faculty of General Mechanics Kaliskiego Str. 2, 00-908 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Hirano, T., Teraki, J., Yamada, T., On the design of functionally gradient materials, Proc. 1st Int. Symp. on Functionally gradient Materials, ed. M. Yamanouchi, M. Koizumi, T. Hirai and I. Shiota, pp. 5-10, 1990.
• [2] Mori, T., Tanaka, K., Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions, Acta Metall. 21, pp. 571-574, 1973.
• [3] Tanaka, K., Tanaka, Y., Enomoto, K., Poterasu, V.F., Sugano, Y., Design of thermoelastic materials using direct sensitivity and optimization methods. Reduction of thermal stresses in functionally gradient materials, Comp. Meth. Appl. Mech. Engng, 106, pp. 271-284, 1993.
• [4] Tanaka, K., Tanaka, Y., Enomoto, K., Poterasu, V.F., Sugano, Y., An improved solution to thermoelastic material design in functionally gradient materials: scheme to reduce thermal stress, Comp. Meth. Appl. Mech. Engng, 109, pp. 377-389, 1993.
• [5] Hirano, T., Wakashima, K., Mathematical modelling and design, MRS Bull. Jan., 40-42, 1995.
• [6] Markworth, A.J., Saunders, J.H., A model of structure optimization for a functionally graded material, Mater. Lett., 22, pp. 103-107, 1995.
• [7] Markworth, A.J., Ramesh, K.S., Parks, W.P., Review: modeling studies applied to functionally graded materials, J. Mater. Sci., 30, pp. 2183-2193, 1995.
• [8] Williamson, R.L., Rabin, B.H., Drake, J.T., Finite element analysis of thermal residual stresses at graded ceramic-metal interfaces. Part I. Model description and geometrical effects, J. Appl. Phys. 74 (2), pp. 1311-1320, 1993.
• [9] Reiter, T., Dvorak, G. J., Tvergaard, V., Micromechanical models for graded composite materials, J. Mech. Phys. Solids, Vol. 45, No. 8, pp. 1281-1302, 1997.
• [10] Biner, S.B., Thermo-elastic analysis of functionally graded materials using Voronoi elements, Mat. Sci. Eng. A315, pp. 136-146, 2001.
• [11] Hasselman, D. P. H., On the porosity dependence of the elastic moduli of polycrystalline refractory materials, J. Am. Ceram. Soc., 45, 452–453, 1962.
• [12] Ondracek, G., The basis of microstructure-property-correlations, Proc. of the Colloquium Interfaces in Materials, KAW, pp.113-148, Brussels 1988.
• [13] Bull, S.J., Bhat, D.G., Staia, M.H., Properties and performance of commercial TiCN coatings.Part 1: coating architecture and hardness modeling, Surf. Coat. Techn., 163-164, pp. 499-506, 2003.
• [14] Kral, C., Lengauer, W., Rafaja, D., Ettmayer, P., Critical review on the elastic properties of transition metal carbides, nitrides and carbonitrides, Journal of Alloys and Compounds 265, pp. 215-233, 1998.