Устройство для определения адгезионной прочности многослойного керамического теплозащитного покрытия

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для определения адгезионной прочности многослойного керамического теплозащитного покрытия (ТЗП), применяемого для защиты деталей машин от высоких температур, преимущественно в авиационной технике.

В настоящее время для защиты деталей горячей части газового тракта газотурбинного двигателя (жаровые трубы камер сгорания, лопатки турбины ГТД) применяют теплозащитные покрытия (ТЗП), защищающие от повреждающих факторов, таких как окисление, эрозия и высокая температура, составляющая в настоящее время до 1100°C. Теплозащитные покрытия включают по крайней мере два слоя - теплоизолирующий верхний керамический слой и металлический подслой, который защищает основной материал от окисления. Кроме того, поскольку керамика имеет недостаточную адгезию к основному материалу, металлический подслой обеспечивает нанесение керамики на основной материал. Толщины покрытий, которые наносят на детали ГТД, составляют до 250 мкм при нанесении металлического подслоя и до 500 мкм для керамического слоя ТЗП. В качестве керамики для верхнего слоя используют чаще всего ZrO₂ стабилизированный Y₂O₃, а подслой может иметь сложный состав, например системы Ni-Cr-Al₂O₃-Y или Pt-Al₂O₃. Такое многослойное покрытие при работе испытывает возрастающие со временем напряжения. В связи с этим для ТЗП необходимо знать адгезионную прочность систем сплав/подслой и подслой/керамика в реальных условия эксплуатации (при рабочих температурах и длительных выдержках).

Известно устройство для определения адгезионной прочности покрытия, содержащее цилиндрическую матрицу с центральным осевым отверстием, размещенный в ней цилиндрический штифт и упор с режущей кромкой, причем штифт и матрица выполнены с вырезом на половину диаметра по осевому сечению, причем поверхность сечения штифта предназначена для нанесения покрытия. Упор закреплен в матрице таким образом, что его режущая кромка в процессе приложения сдвигающего усилия взаимодействует с кромкой покрытия (авторское свидетельство СССР №746255, 1980 г.).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является известное устройство для определения адгезионной прочности покрытия, содержащее образец, включающий в том числе цилиндрический стержень, часть боковой поверхности которого предназначена для размещения испытуемого покрытия, и основание со сквозным отверстием для размещения в нем по скользящей посадке свободной от покрытия части стержня. Торец основания предназначен для приложения к покрытию сдвигающей нагрузки (заявка RU №2013157795, 2015 г.).

Применение известных технических решений ограничено возможностью проведения испытаний по определению сцепления только одного слоя покрытия с основой, без нанесения подслоя, что является недостатком известных устройств.

Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в обеспечении возможности последовательного нагружения по крайней мере двух слоев теплозащитного покрытия.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого технического решения, состоит в исключении возможности потери устойчивости покрытия как тонкой оболочки и разрушения покрытия в поперечном направлении с частичным отрывом от поверхности шайбы.

Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для определения адгезионной прочности многослойного керамического теплозащитного покрытия содержит образец, включающий в том числе цилиндрический стержень, часть боковой поверхности которого предназначена для размещения испытуемого покрытия, и основание со сквозным отверстием для размещения в нем по скользящей посадке свободной от покрытия части стержня, при этом торец основания предназначен для приложения к покрытию сдвигающей нагрузки. Согласно предлагаемому техническому решению образец включает также шайбу с центральным отверстием, размещенную на стержне по скользящей посадке, наружная цилиндрическая поверхность которой предназначена для нанесения испытуемого многослойного покрытия, на конце стержня выполнен цилиндрический бурт, взаимодействующий с опорной поверхностью шайбы, диаметр которого не превышает диаметра шайбы, а основание представляет собой полый цилиндрический стакан, внутренняя поверхность которого выполнена ступенчатой, причем больший внутренний диаметр стакана превышает внешний диаметр шайбы с многослойным покрытием, толщина каждой из ступеней не менее толщины нанесенного на боковую поверхность шайбы слоя соответствующего покрытия, а ширина ступеней «b» определяется из соотношения:

где: h - толщина сдвигаемого слоя покрытия;

Е - модуль упругости материала сдвигаемого слоя;

σ_пц - предел пропорциональности материала слоя.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заявленного технического результата, так как:

- включение в образец шайбы с центральным отверстием, размещенной на стержне по скользящей посадке, наружная цилиндрическая поверхность которой предназначена для нанесения испытуемого покрытия, выполнение на конце стержня цилиндрического бурта, взаимодействующего с опорной поверхностью шайбы, диаметр которого не превышает диаметра шайбы, и выполнение основания в виде полого цилиндрического стакана, внутренняя поверхность которого ступенчатая, больший внутренний диаметр превышает внешний диаметр шайбы с многослойным покрытием, толщина каждой из ступеней не менее толщины нанесенного на боковую поверхность шайбы слоя соответствующего покрытия, позволяет проводить последовательное нагружение каждого из слоев покрытия;

- определение ширины «b» ступеней из соотношения:

где: h - толщина сдвигаемого слоя покрытия;

Е - модуль упругости материала сдвигаемого слоя;

σ_пц - предел пропорциональности материала слоя, позволяет исключить возможность потери устойчивости покрытия как тонкой оболочки и разрушение покрытия в поперечном направлении с частичным отрывом от поверхности шайбы.

Настоящее изобретение поясняется следующим описанием со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1 и фиг. 2, где:

на фиг. 1 изображена схема предлагаемого изобретения;

на фиг. 2 изображен выносной элемент А на фиг. 1.

Устройство для определения адгезионной прочности многослойного керамического теплозащитного покрытия включает в себя образец, выполненный в виде шайбы 1 с центральным отверстием, размещенной по скользящей посадке на цилиндрическом стержне 2, и взаимодействующей опорной поверхностью с цилиндрическим буртом 3, выполненным на одном конце стержня 2, причем диаметр последнего не превышает диаметр шайбы 1, а на ее наружную цилиндрическую поверхность наносятся слои ТЗП - сначала металлический слой 4, затем слой 5 керамического покрытия. Стержень 2 установлен в основании, которое выполнено в виде полого стакана 6 с центральным отверстием, предназначенным для размещения в нем по скользящей посадке свободного конца стержня 2, что обеспечивает центрирование шайбы 1 относительно стакана 6. Внутренняя поверхность последнего выполнена ступенчатой, причем больший внутренний диаметр стакана 6 превышает внешний диаметр шайбы 1 со слоями 4 и 5 покрытия, толщина каждой из последующих ступеней 7 и 8 не менее толщины нанесенных на ее боковую поверхность шайбы 1 соответствующих слоев 4 и 5 покрытий. Поскольку при нагружении покрытия сдвигающей нагрузкой шайба 1 подвергается действию сжимающих нагрузок, это может привести к деформации материала покрытия и увеличению диаметра шайбы 1, что влечет за собой изменение зазора между боковой поверхностью шайбы 1 и внутренней поверхностью стакана 6, и как следствие к возможному заклиниванию шайбы 1 внутри стакана 6. Кроме того, при нагружении покрытия возможна потеря его устойчивости как тонкой оболочки и разрушение в поперечном направлении с частичным отрывом от поверхности шайбы 1. С целью исключения возможности возникновения состояния неработоспособности устройства ширина «b» ступеней определяется из соотношения:

где: h - толщина сдвигаемого слоя покрытия;

Е - модуль упругости материала сдвигаемого слоя;

σ_пц - предел пропорциональности материала слоя.

Например, для керамического слоя 5 покрытия с характеристиками: h=0,15 мм; Е=21000 кГ/мм²; σ_пц=100 кГ/мм² ширина ступени 7 b≤2,0 мм.

Применение указанного соотношения ограничивает нагрузку на шайбу 1 и предотвращает ее деформацию, и ограничивает сдвигающую нагрузку на слой 5 покрытия, не допуская потери последним устойчивости.

Устройство работает следующим образом. Стержень 2 с размещенной на нем шайбой 1 при помощи переходника 9 закрепляют в активном захвате испытательной машины. На внешней поверхности стакана 6 при помощи резьбового соединения устанавливают переходник, выполненный в виде аналогичного стакана 10. Последний при помощи переходника 11 закрепляют в пассивном захвате испытательной машины. Собранное таким образом устройство нагревают до заданной температуры и производят нагружение. Поскольку внутренний диаметр стакана 6 превышает внешний суммарный диаметр шайбы 1 со слоями 4 и 5 покрытий, последняя перемещается во внутренней полости стакана 6 без заклинивания. В результате ступень 7 упирается торцом в слой 5 керамического покрытия. Поскольку толщина ступени 7 не менее толщины слоя 5 керамического покрытия, происходит нагружение последнего сдвигающим усилием. После разрушения последнего стержень 2 перемещается до упора торца ступени 8 в металлический слой 4. Поскольку толщина ступени 8 не менее толщины слоя 4, происходит дальнейшее нагружение последнего также сдвигающим усилием. В процессе нагружения фиксируется величина разрушающего усилия, по которому судят об адгезионной прочности покрытий.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает возможность последовательного нагружения по крайней мере двух слоев теплозащитного покрытия, что позволяет расширить технологические возможности устройства.