Ученые Донского государственного технического университета изучили закономерности термоупругого поведения покрытий толщиной 2–3 микрона, по которым можно оценить их эксплуатационные характеристики. Проект по исследованию деформирования материалов и покрытий сложной структуры реализуется за счет гранта Российского научного фонда.
– Микро- и нанопокрытия наносят для определенных целей, например, для защиты от воздействия температуры. Но после напыления физические свойства покрытий известны только приблизительно. Скажем, какова толщина этого покрытия, 2,5 или 3 микрона? Это можно оценить по косвенным факторам – например, по времени процедуры напыления. Но для более точной оценки толщины покрытия необходимо проводить отдельные исследования. Каковы реальные механические свойства нанесенных покрытий, как на них повлияли процессы окисления или другие факторы, узнать еще сложнее, – пояснил руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Андрей Васильев. – Эти и многие другие вопросы постоянно возникают на практике, для ответа на них требуется разработка уточненных методов контроля. Предпочтительнее использовать неразрушающие методы контроля, то есть те, в результате которых образец сохраняет свою целостность. Нами была поставлена научная задача: математическим путем изучить особенности наноиндентирования (см. справку) тонких покрытий сложной структуры и экспериментальными способами проверить свои результаты.
Проект РНФ «Теоретико-экспериментальное исследование термоупругого и термоэлектроупругого деформирования материалов и покрытий сложной структуры» продолжает работу, которую ученые ДГТУ ведут в этом направлении c 2019 года. Наработки в создании математических моделей и пакетов программ, полученные в результате реализации предыдущего проекта РНФ по данной тематике, позволили сконцентрироваться на конкретном примере покрытий с заданными характеристиками, чтобы сузить охват исследования и отработать практическое применение его результатов.
– Структура и свойства экспериментального образца соответствуют термобарьерным покрытиям, которые используются для защиты от температурных воздействий. Например, в элементах газотурбинных двигателей, – рассказали разработчики проекта. – Этот вид покрытий широко распространен и, что немаловажно, имеет несколько слоев с определенными параметрами и разными отношениями толщины слоев, что затрудняет проведение качественного математического моделирования.
Основной упор при исследовании был сделан на влияние толщины и характера изменения упругих свойств соединительного слоя термобарьерного покрытия. При этом покрытия донские ученые изучали под влиянием различных температурных и механических воздействий. Экспериментальные исследования упругих свойств проводили с помощью микро- и наноиндентирования на установке NanoTest 600 Platform 3. В результате была разработана математическая модель, описывающая термоупругое деформирование тела с трехслойным покрытием, один слой которого в общем случае является функционально-градиентным с произвольным законом изменения свойств по глубине. Результаты математического моделирования легли в основу пакета компьютерных программ для расчета параметров деформирования: напряжения, распределения температуры и теплового потока. С помощью этого программного обеспечения возможно проанализировать, как толщина связующего слоя и его структура влияет на возникающие напряжения и распределение температуры.
В настоящий момент команда ученых ДГТУ под руководством к.ф-м.н. Андрея Васильева приступила к подведению итогов исследования: обрабатываются данные, полученные как теоретическим, так и практическим путем.
– Экспериментально доказано, что с увеличением разности температур наблюдается увеличение податливости и уменьшение жесткости образца покрытия, особенно на малых глубинах внедрения, — констатирует Андрей Васильев. – При этом даже незначительное варьирование характеристик слоев многослойного покрытия существенно влияет на результаты экспериментальных исследований. В стандартных методах обработки данных наноиндентирования этот фактор не учитывается, хотя может привести к ошибочному интерпретированию результатов.
К концу нынешнего года команда ДГТУ планирует закончить разработку инструментария для проведения комплексных неразрушающих исследований механического поведения современных покрытий, в том числе функционально-градиентных материалов с произвольным характером изменения свойств по глубине. Программное обеспечение, созданное в ДГТУ на основе полученной математической модели, может быть использовано разработчиками новых видов покрытий для оптимизации свойств своей продукции.